Combustion process. Exemple

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1 Goals Combustion process Compute the composition of combustion gases Compute the ergy released by combustion Compute the CO2 emissions related to the delivery of a giv amount of heat or ergy 1 Exemple Un cycle combiné de 800 MWe va être installé : rdemt 56 combustible gaz naturel Quelles sont ses émissions de CO2? Quel serait limpact dune taxe CO2 de 17 CHF/t CO2? sur le prix du kwh 2

2 Caractérisation des combustibles Pouvoir calorifique Inférieur Supérieur Température adiabatique de combustion Besoin oxygène Composition Prix Disponibilité Exemple de gaz naturel Composé Symbole vol Méthane CH ethan c2h propane c3h n-butane c4h I-butane c4h n-ptane c5h I-ptane c5h N2 n CO2 CO

3 C x H y O z S s N n combustible air xc + xo 2 + = xco 2 La stoechiometrie # x + y 4 + n + s " z & 2( 0.21 *( 1 + ) a )* (0.21O N 2 ) ( $ " a : Excès dair yh + y 4 O 2 = y 2 H 2O nn + no 2 = nno 2 Toutes les expressions sont des expressions molaires Une kmol dun composant correspond à 6, molécules ou atomes (nombre davogadro, constante universelle). ss + so 2 = sso 2 # $ x + y 4 + n + s " z & # ( *( 1 + ) a )* (0.79N 2 ) + ( $ fumées x + y 4 + n + s" z & ( ( * () a )* (0.21O 2 ) + xco 2 + y 2 H O + nno + sso Oxygène stœchiométrique " O2 = v + w 4 + x # y 2 M O2 = " O 2 M O 2 kmol O 2 kg O 2 kg C v Elémt Symbole Masse molaire kg/kmol Carbone C Hydrogène H Azote N Oxygène O Soufre S Tableau Masse molaire des principaux élémts intervant dans la combustion dhydrocarbures

4 masse molaire du combustible M f = v " M C + w " M H + x " M S + y " M O + z " M N " CO2 = v kmol CO 2 " H 2 O = w 2 kmol H 2 O " SO2 = x kmol SO 2 " N 2 = z 2 kmol N 2 Taux d accroissemt molaire f " = " CO 2 +" H 2 O + " SO 2 + " N2 + " O2 Air stœchiométrique Lair se compose [3.2] de 78,09-vol. dazote (N 2 ), de 20,95 -vol. do 2, de 0,93 -vol. dargon (Ar) et de 0,03 -vol. de CO 2, neon (Ne), hélium (He), CH 4 et autres gaz. Cepdant, pratique, il est suffisant de considérer une composition de 79,05-vol. de N 2 et de 20,95 -vol. do 2. Dans ce cas, le rapport molaire de lazote sur loxygène est de 3,773 kmol N 2 /kmol O 2 Exemple CH 4 + 2( O N 2 ) " CO 2 + 2H 2 O N 2 C v +" O2 O N 2 ( ) # " CO2 CO 2 +" H2 OH 2 O +" SO2 SO 2 + " N2 N 2 nombre de kmol de N 2 " N 2 = z " O 2 kmol N 2 Taux daccroissemt molaire f " = " CO 2 +" + " H 2 O SO 2 + " N #" O2

5 quantité dair stœchiométrique " air = 4.773# " O 2 = 4.773# v + w 4 + x $ y & 2( kmol air M air M air = " air kg air kg C v M air = c O 2,air "2 " M O + c N 2,air "2 " M N = kg kmol Facteur dair " = M air M air,stoech. = n air n air,stoech. Richesse " = 1 # = M air,stoech. M air Pouvoir énergétique à P constant Po Vo T o P o V T p P o V p T o Air F étincelle P état initial Air + F P calorimètre P "#U " P 0 #V = Q p " H = U + PV "#U " P 0 #V = "# U + P 0 V Qp état final P " ( ) = "#H = H R ( P 0,T 0 ) " H P,c ( P 0,T 0 ) = Q p "h 0 = Q # p = H R,0 # H P,c,0

6 Pouvoir calorifique Pouvoir calorifique supérieur PCS (kj/kg) ou HHV Quantité dénergie obtue par le refroidissemt jusquà 25 C dans des conditions standard (1atm) des fumées obtues par la combustion dune unité de combustiible avec lair stoechiométrique (excès dair = 0) pris à 25 C et 1 atm. Pour le pouvoir calorifique supérieur, on tit compte de la condsation de leau Pouvoir calorifique inférieur PCI (kj/kg) ou LHV PCS- énergie de condsation de leau à 25 C P CI = P CS H 0 vap m H2 O comb H 0 vap(kj/kmol H2 O), T = 25 C, P = 1bar m H2 O comb (kmol H2 O/kg comb ) eau produite par la combustion LHV fuel = T o ad T 0 Combustible O2 (air) La production thermique ṁo Tad gc cp o ṁ gc(t )dt = fuel T 0 T Tad Echange de chaleur dans une chaudière Q = Tad T ch ṁ gc ṁ fuel cp gc (T )dt ṁ gc cp gc (T )dt ṁ gc cp gc (T ad T ch ) kw = kj s = kg s kj kgk K Electricité Vapeur/Eau Détte Fumées (Cheminée) Tch Environnemt

7 Condsation des gaz Température [ C] Lorsque la température baisse, il existe un point ou leau commce à se condser. GAZ NATUREL 70 GAZ NATUREL =2 =1.5 =1.25 =1 Pression partielle de leau : T sat ( " H 2 O * P ) n s #" i i= Taux dhumidité [kg eau/kg gaz sec] Puissance récupérable sur les gaz de combustion Q H2 O = 327.6(374 T ) [kj/kg] x H2 O(T ) = exp( T [C] ) P [kp a] PCS T sat,h2o(c) = =1 = =1.5 =2 PCI PCS Température [ C] log 10 (P [kp a]x H2O) Température adiabatique de combustion Température résultant de la combustion adiabatique (sans échange de chaleur) dun combustible Profils de température pour une combustion 2500 T ( C) 2000 Tadiabatique o2=10 Stoechiometrique Préchauffe de l air Combustion du méthane 1500 PCS (HHV) Pouvoir Calorifique Supérieur (condsation de leau) PCI (LHV) Pouvoir calorifique inférieur (sans condsation de leau) PCU (UHV) Pouvoir calorifique utile (jusquà la température de la cheminée Cheminée Q (kj/kg) Condsation T cheminée

8 Pouvoir énergétique Masse inférieur supérieur molaire " h 0,i "h 0,i " h 0,s "h 0,s Composé Symbole Etat kg/kmol kj/kmol kj/kg kj/kmol kj/kg Graphite C solide Méthane CH 4 gazeux Acétylène C 2 H 2 gazeux Ethane C 2 H 6 gazeux Propane C 3 H 8 gazeux n-butane n-c 4 H 10 gazeux i-butane i-c 4 H 10 gazeux n-ptane n-c 5 H 12 gazeux i-ptane i-c 5 H 12 gazeux n-hexane n-c 6 H 14 gazeux Méthanol CH 3 OH liquide Ethanol C 2 H 5 OH liquide Diméthyléther CH 3 OCH 3 gazeux Hydrogène H 2 gazeux Soufre S solide Elémts spéciaux Conversion du soufre : contrôle cinétique 0.95 * ss * so 2 = 0.95* sso 2 " 0.05 * ss * 3 $ # 2 so = 0.05* s* SO * s* SO * s* H 2 O = 0.05* s* H 2 SO 4 Affinités avec leau => temperature de condsation + élevée (+70 C) Problèmes de corrosion NO x = NO, N 2 O, NO 2 différtes formes contrôlées par la cinétique (vitesse) donc par T et conditions de mélange Imbrûlés = combustible non brulés => cdres et poussières, perte de pouvoir calorifique.

9 Q fuel = ṁ fuel (LHV fuel + ĥfuel(t fuel )) ĥ fuel (T fuel ) = Tfuel T0 Apport de lair cp fuel (T )dt + α fuel h vap (T fuel ) Combustible O2 (air) Q air = ṁ air (ĥair(t air )) Q + air = ṁ+ air (h air(t air ) h air (T 0 )) Bilan d énergie T Q p = Q r + Q gc Q ch = Q fuel + Q air ( Q r + Q gc ) η ch = Q ch Q fuel + Q air = 1 Q p Q fuel + Q air Pertes radiatives (1-2) Q r Q ch Fumées (Cheminée) Tch Q gc = ṁ gc cp gc (T )dt T 0 Rdemt théorique Sur base du rdemt de Carnot : Q + Q Source de chaleur à Tchaude Ė Réservoir mécanique 1er principe : bilan de chaleur Ė = Q + Q η e = Ė Q + Réservoir thermique a T froide

10 Un cycle combiné de 800 MWe va être installé : rdemt 56 combustible gaz naturel Quelles sont ses émissions de CO2? Quel serait limpact dune taxe CO2 de 17 CHF/t CO2? sur le prix du kwh CH4 90 C2H6 6 CO2 4 Tad 2015 C PCI kj/kg 19 20

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