Spalování směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích – 1. část
Autoři analyzují možnost spalovat zemní plyn s příměsí vodíku v plynových spotřebičích. Uvedeny jsou kladné a záporné stránky obsahu vodíku v zemním plynu a doporučení pro jeho přimíchávání do distribuční soustavy zemního plynu. Převzato z časopisu Plyn s laskavým svolením redakce.
Souhrn
V článku je popsán vliv obsahu vodíku v rozmezí 0 až 25 % mol. ve směsi se zemním plynem na spalování v domácích plynových spotřebičích. Zaměnit, resp. použít pro daný spalovací spotřebič, je možné pouze plynná paliva s podobnými spalovacími vlastnostmi – zejména pak Wobbeho číslem a spalovací rychlostí. V jednotlivých kapitolách je zde uveden vliv obsahu vodíku v zemním plynu na: Wobbeho číslo, složení spalin; emise oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého a oxidů dusíku; spalovací rychlost; výkon hořáků/příkon spotřebičů, účinnost spotřebičů; stabilitu plamene; spalovací teplotu. Jsou zde uvedena doporučení týkající se obsahu vodíku v zemním plynu pro domácí plynové spotřebiče publikovaná v odborné literatuře. V závěru jsou uvedeny kladné a záporné stránky obsahu vodíku v zemním plynu a doporučení pro jeho přimíchávání do distribuční soustavy zemního plynu z pohledu spalování těchto směsí v domácích plynových spotřebičích.
Summary
The contribution describes the effect of hydrogen content ranging from 0 to 25 mol% in a mixture with natural gas on burning in household appliances. Gaseous fuels with similar combustion characteristics, in particular Wobbe index and burning velocity, can only be used in a particular household appliance as a substitute. The various chapters describe the effect of hydrogen content in natural gas on the following: Wobbe index, composition of exhaust gases; emissions of CO2, CO and NOx; burning velocity; output of burners/energy demand of appliances, efficiency of appliances; flame stability; and temperature of combustion. Recommendations on hydrogen content in natural gas for household appliances, accepted from reference literature, are set out there. In conclusion, the authors discuss the pluses and minuses of hydrogen content in natural gas and offer recommendations for hydrogen injection into natural gas distribution systems from the perspective of burning these mixtures in household appliances.
1 Úvod
Nová perspektiva využití přebytků elektrické energie vyrobené v obnovitelných zdrojích pro výrobu vodíku elektrolýzou vody vyvolává otázky po možném využití plynárenské infrastruktury pro jeho přepravu, distribuci a konečné uplatnění na trhu se zemním plynem. Fyzikálně chemické vlastnosti vodíku jsou odlišné od methanu, který je majoritní složkou zemního plynu a díky tomu není možné vodík se zemním plynem libovolně míchat a je třeba vzít v úvahu možné důsledky, které by tím mohly být způsobeny. Zde se budeme věnovat vlivu obsahu vodíku ve směsi se zemním plynem na spalování v domácích plynových spotřebičích. K tomu využijeme pravidla platná pro oblasti záměnnosti jednotlivých skupin plynných paliv, která vycházejí z toho, že záměnná jsou pouze taková plynná paliva, která mají stejné nebo velice blízké spalovací a fyzikální vlastnosti, zejména energetický obsah (spalné teplo nebo výhřevnost), hustotu a spalovací rychlost.
Pojem záměnnosti plynných paliv původně vznikl z potřeby sjednotit konstrukci a parametry plynových spotřebičů určených pro spalování svítiplynů z městských plynáren, jejichž spalovací vlastnosti se v závislosti na druzích uhlí, používaných k jejich výrobě a technologii výroby, lišily. Při extrémních odchylkách parametrů od normálních hodnot docházelo u některých typů domácích spotřebičů k poruchám, ohrožujícím bezpečnost jejich provozu. V západní Evropě vznikla v sedmdesátých letech potřeba uzpůsobit konstrukce plynových spotřebičů různým druhům zemních plynů (severomořský typ H, holandský typ L, ruský tranzitní aj.) s rozdílnými spalovacími vlastnostmi. Způsoby hodnocení záměnnosti plynných paliv jsou vypracovány především s ohledem na jejich spalování v domácích spotřebičích, které jsou převážně vybaveny hořáky atmosférického typu, jež jsou na odchylky spalovacích vlastností od hodnot, na něž byly konstruovány, nejcitlivější. Při hodnocení záměnnosti plynných paliv se jedná o stanovení dovoleného rozsahu změn parametrů, ve kterém je lze bezpečně a hospodárně spalovat ve všech používaných typech domácích spotřebičů. Zejména novější typy spotřebičů dovolují změny parametrů paliva v širších mezích než typy starší. [1]
2 Vlastnosti směsí zemního plynu s vodíkem
2.1 Wobbeho číslo směsí zemního plynu s vodíkem
Wobbeho číslo je nejstarší způsob vyjádření záměnnosti plynných paliv, protože bylo navrženo pro hodnocení topných plynů G. Wobbem již v roce 1926 a vystihuje především tepelný příkon hořáku za konstantního tlaku plynu. Podmínkou záměnnosti je shodnost nebo pouze malý rozdíl ve Wobbeho číslech posuzovaných plynů. [1]
Pro posouzení záměnnosti plynných paliv jsou používány následující vlastnosti: spalné teplo, relativní hustota a Wobbeho číslo. Pro jejich výpočet je v České republice používána metodika ISO 6976 [2]. K aplikaci této normy vedla celá řada studií, porovnávajících přesnost výpočtu uvedených parametrů ze složení zemního plynu. Tato norma byla shledána jako nejvhodnější varianta pro účely obchodního styku v rámci měření na hraničních i vnitrostátních předávacích stanicích.
Poslední verze normy ISO 6976, vydaná v roce 1995, vychází z původní podoby této normy (z roku 1991) a z normy GPA (Gas Processors Association) 2172-86 z roku 1986. Výpočet hodnot spalného tepla plynných směsí je založen na tabelovaných datech molárních, objemových a hmotnostních spalných tepel čistých složek ve stavu ideálního plynu pro různé referenční podmínky.
V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty hustot a relativních hustot, spalných tepel, výhřevností a Wobbeho čísel směsí zemního plynu s vodíkem pro obsahy vodíku od 0 do 25 s krokem 5 % mol.
Wobbeho číslo je v ISO 6976 [2] definované jako:
(1)
kde je
- H͂s [t1, V(t2, p2)]
- reálné objemové spalné teplo plynné směsi (kWh.m−3);
- d(t2,p2)
- relativní hustota ve stavu reálného plynu (–);
- t1
- referenční teplota reaktantů a produktů spalovací reakce daného plynu (°C);
- t2
- referenční teplota objemu plynu (°C);
- p2
- referenční tlak (Pa).
Obě referenční teploty t1 i t2 jsou v České republice běžně uváděny při 15 °C a referenční tlak p2 při 101 325 Pa. Dále budeme používat jednodušší značení, pro spalné teplo H͂s, relativní hustotu d a Wobbeho číslo W.
2.2 Složení směsí zemního plynu s vodíkem
V tabulce 1 je uvedeno průměrné složení zemního plynu přivedeného do České republiky přes hraniční předávací stanici TSO (NET4GAS) Brandov v roce 2019 [3] a složení jeho směsí s přídavkem vodíku s krokem 5 % mol. až do max. hodnoty 25 % mol.
| ZP HPS Brandov2) | ZP Br + 5 % H2 | ZP Br + 10 % H2 | ZP Br + 15 % H2 | ZP Br + 20 % H2 | ZP Br + 25 % H2 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Methan (% mol.) | 96,2505 | 91,4380 | 86,6255 | 81,8130 | 77,0004 | 72,1879 |
| Ethan (% mol.) | 2,8888 | 2,7444 | 2,5999 | 2,4555 | 2,3110 | 2,1666 |
| Propan (% mol.) | 0,0590 | 0,0560 | 0,0531 | 0,0501 | 0,0472 | 0,0442 |
| i-Butan (% mol.) | 0,0386 | 0,0367 | 0,0347 | 0,0328 | 0,0309 | 0,0289 |
| n-Butan (% mol.) | 0,0089 | 0,0085 | 0,0080 | 0,0076 | 0,0071 | 0,0067 |
| Neo-Pentan (% mol.) | 0,0007 | 0,0006 | 0,0006 | 0,0006 | 0,0005 | 0,0005 |
| i-Pentan (% mol.) | 0,0031 | 0,0029 | 0,0028 | 0,0026 | 0,0025 | 0,0023 |
| n-Pentan (% mol.) | 0,0017 | 0,0017 | 0,0016 | 0,0015 | 0,0014 | 0,0013 |
| n-Hexan (% mol.) | 0,0220 | 0,0209 | 0,0198 | 0,0187 | 0,0176 | 0,0165 |
| Oxid uhličitý (% mol.) | 0,4410 | 0,4189 | 0,3969 | 0,3748 | 0,3528 | 0,3307 |
| Dusík (% mol.) | 0,2857 | 0,2714 | 0,2571 | 0,2428 | 0,2285 | 0,2142 |
| Vodík (% mol.) | 0,0000 | 5,0000 | 10,0000 | 15,0000 | 20,0000 | 25,0000 |
| Hustota (kg/m3)1) | 0,7061 | 0,6749 | 0,6438 | 0,6126 | 0,5815 | 0,5504 |
| Rel. hustota (–)1) | 0,5762 | 0,5508 | 0,5254 | 0,4999 | 0,4745 | 0,4492 |
| Spalné teplo (kWh/m3)1) | 10,679 | 10,311 | 9,943 | 9,576 | 9,209 | 8,842 |
| Výhřevnost (kWh/m3)1) | 9,623 | 9,282 | 8,941 | 8,601 | 8,261 | 7,921 |
| Wobbeho číslo (kWh/m3)1) | 14,067 | 13,894 | 13,719 | 13,544 | 13,369 | 13,194 |
| Poznámka: 1) Vypočteno podle ISO 6976:1995 [3] pro vztažné podmínky t1 = t2 = 15 °C, P = 101 325 Pa. 2) Průměrné složení zemního plynu přiváděného v roce 2019 přes HPS Brandov (ZP Br). | ||||||
Podíl jednotlivých složek ve směsích zemního plynu s vodíkem lze vyjádřit molárním zlomkem ((xi)ZP+H2), který je dán vztahem:
(2)
kde význam jednotlivých symbolů je
- (xi )ZP+H2
- molární zlomek jednotlivých složek ve směsích ZP+H2 (% mol.);
- (xi )ZP
- molární zlomek jednotlivých složek v zemním plynu (% mol.);
- (xH2)ZP+H2
- molární zlomek vodíku ve směsi se zemním plynem (% mol.).
Například podíl methanu ve směsi zemního plynu s 10 % mol. vodíku činí:
(viz tab. 1).
2.3 Stechiometrické objemy vzduchu a spalin směsí zemního plynu s vodíkem
Stechiometrické objemy plynu, vzduchu a spalin se obvykle uvádějí za referenčních podmínek t2 = 0 °C a p2 = 101 325 Pa, tyto podmínky jsou použity v následujících kapitolách. V případě výpočtů vycházejících z ideálního chování plynu jsou si objemové a molární zlomky jednotlivých komponent směsi rovny. V případě výpočtů na základě reálného chování doporučujeme zlomky přepočítat dle metodiky uvedené v ISO 6976 [2]. V tom případě musí být objemové zlomky vztaženy ke stejným referenčním podmínkám jako stechiometrické objemy.
Stechiometrický objem suchého spalovacího vzduchu pro směs zemního plynu s vodíkem (VVT ZP+H2) v (m3.m−3) se stanoví pomocí rovnice:
(3)
kde význam symbolů je
- VVT ZP
- stechiometrický objem spalovacího vzduchu zemního plynu (m3.m−3);
- VVT H2
- stechiometrický objem spalovacího vzduchu vodíku (m3.m−3);
- (φH2)ZP+H2
- objemový zlomek vodíku ve směsi se zemním plynem (% obj.).
Stechiometrický objem suchých (VSST) a vlhkých (VVST) spalin směsí zemního plynu s vodíkem se stanoví ze vztahů (4) a (5).
(4)
(5)
kde je
- VST CO2
- stechiometrický objem oxidu uhličitého, vzniklého při spalování směsí zemního plynu s vodíkem (m3.m−3);
- VST N2
- stechiometrický objem dusíku, vzniklého při spalování směsí zemního plynu s vodíkem (m3.m−3), zde spolu s dusíkem počítáme i s argonem, jehož podíl v suchém vzduchu dosahuje 0,94 % obj.;
- VST H2O
- stechiometrický objem vody (vodní páry) vzniklé při spalování směsí zemního plynu s vodíkem (m3.m−3).
V tab. 2 jsou uvedeny stechiometrické objemy spalovacího vzduchu (VVT), suchých spalin (VSST) a vlhkých spalin (VVST) směsí zemního plynu s vodíkem pro množství vodíku ve směsích 0, 5, 10, 15, 20 a 25 %. Tyto výpočty byly provedeny postupem zohledňujícím reálné chování plynu, který z důvodu složitosti blíže nepopisujeme, je jej možné dohledat v odborné literatuře, např. [1]. Ve výpočtech byl uvažován suchý vzduch.
| Molární zlomek H2 (% mol.) | VVT (m3.m−3) | VSST (m3.m−3) | VVST (m3.m−3) |
|---|---|---|---|
| 0 | 9,729 | 8,719 | 10,601 |
| 5 | 9,360 | 8,376 | 10,211 |
| 10 | 8,992 | 8,034 | 9,820 |
| 15 | 8,624 | 7,691 | 9,430 |
| 20 | 8,256 | 7,348 | 9,039 |
| 25 | 7,888 | 7,006 | 8,649 |
Stechiometrické objemy oxidu uhličitého (VST CO2), dusíku (VST N2) a vodní páry (VST H2O) v m3.m−3 se stanoví z rovnic (6), (7) a (8):
(6)
(7)
(8)
kde je
- φCO2 , φN2 ,
φH2 , φCxHy - objemové zlomky jednotlivých složek ve směsích zemního plynu s vodíkem (% obj.);
- VVT
- stechiometrický objem suchého spalovacího vzduchu (m3.m−3);
- x
- počet atomů uhlíku v molekule uhlovodíku CxHy ;
- y
- počet atomů vodíku v molekule uhlovodíku CxHy .
V tab. 3 jsou uvedeny stechiometrické objemy složek spalin směsí zemního plynu s vodíkem pro množství vodíku 0, 5, 10, 15, 20 a 25 %. Stejně jako v tab. 2 byly výpočty provedeny pro reálné chování plynných směsí a pro suchý vzduch.
| Molární zlomek H2 (% mol.) | VST CO2 (m3.m−3) | VST N2 (m3.m−3) | VST H2O (m3.m−3) |
|---|---|---|---|
| 0 | 1,026 | 7,693 | 1,882 |
| 5 | 0,974 | 7,402 | 1,834 |
| 10 | 0,923 | 7,111 | 1,787 |
| 15 | 0,872 | 6,819 | 1,739 |
| 20 | 0,820 | 6,528 | 1,691 |
| 25 | 0,769 | 6,237 | 1,643 |
2.4 Emise CO2, CO a NOX ve spalinách směsí zemního plynu s vodíkem
Diagram na obrázku 1 znázorňuje závislost množství oxidu uhličitého ve spalinách na množství vodíku ve směsích ZP+H2.
Z tabulky 3 a obrázku 1 je vidět, že relativní množství oxidu uhličitého ve spalinách směsí zemního plynu s vodíkem s rostoucím množstvím vodíku klesá. Při množství vodíku 25 % mol. je množství CO2 ve spalinách ve srovnání s čistým zemním plynem úměrně nižší o 25 %.
Obr. 1 Závislost relativního množství oxidu uhličitého ve spalinách na množství vodíku ve směsi ZP+H2
Na obrázku 2 je uvedena závislost emisního faktoru oxidu uhličitého vztaženému k hodnotě spalného tepla na obsahu vodíku v zemním plynu.
Obr. 2 Závislost emisního faktoru oxidu uhličitého ve spalinách na množství vodíku ve směsi ZP+H2
Emise oxidu uhelnatého (CO) a oxidů dusíku (NOX) jsou závislé na konstrukci daného hořáku a spotřebiče, ve kterém je hořák umístěn, např. u teplovodních kotlů. V odborné literatuře lze nalézt výsledky měření obsahu CO a NOX ve spalinách domácích spotřebičů, které dokumentují relativně malý vliv obsahu vodíku do 25 % mol. v zemním plynu na tyto emise [4].
2.5 Spalovací rychlosti směsí zemního plynu s vodíkem
Spalovací rychlosti směsí zemního plynu s vodíkem nelze přesně stanovit, protože spalovací rychlosti jednotlivých složek dosahují svých maximálních hodnot při různých hodnotách násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu.
Pro přibližné stanovení maximálních spalovacích rychlostí směsí zemního plynu se vzduchem (un max) je možno použít empirického Weaverova vztahu [5]:
(9)
kde jednotlivé symboly znamenají
- xi
- molární zlomek jednotlivých hořlavých složek směsí zemního plynu s vodíkem (–)
- xin
- molární zlomek inertů ve směsích zemního plynu s vodíkem (–);
- VVT
- stechiometrický objem spalovacího vzduchu (m3.m−3);
- fi
- rychlostní faktory jednotlivých hořlavých složek směsí zemního plynu s vodíkem.
V tab. 4 jsou uvedeny přibližné hodnoty maximálních spalovacích rychlostí směsí zemního plynu s vodíkem, stanovené podle rovnice (9).
| Molární zlomek H2 (% mol.) | un max (m.s−1) |
|---|---|
| 0 | 0,430 |
| 5 | 0,465 |
| 10 | 0,509 |
| 15 | 0,550 |
| 20 | 0,599 |
| 25 | 0,653 |
Ing. Josef Fík (*1935)
Absolvent Vysoké školy strojní a elektrotechnické v Plzni. Pracoval jako konstruktér plynových pecí a hořáků v závodě Škoda Klatovy, dále jako výzkumný a vývojový pracovník v ÚVP v Praze – Běchovicích a jako samostatný projektant a konstruktér plynových spotřebičů a hořáků.
Dr. Ing. Libor Čapla (*1969)
Vystudoval obor chemické a energetické zpracování paliv na VŠCHT Praha, kde do roku 2005 působil jako odborný asistent. Od roku 2006 pracuje ve skupině RWE, nyní RWE Gas Storage CZ, s. r. o., kde se věnuje návrhům technických parametrů nadzemních technologií v rámci rozvojových projektů podzemních zásobníků plynu.
Ing. Jiří Žahourek, CSc. (*1952)
Vystudoval obor chemické a energetické zpracování paliv na VŠCHT Praha, kde od roku 1981 působil jako odborný asistent. Od roku 1994 pracuje jako OSVČ v oblasti použití plynu v průmyslu. Specializuje se na konstrukce průmyslových hořáků, návrhy topných systémů plynových pecí a spalovacích zařízení.
Spalovací rychlosti směsí zemního plynu s vodíkem mají vliv na stabilitu spalování směsí v hořácích domácích plynových spotřebičů. V případě poklesu rychlosti w4 na výstupu z ústí hořáku (viz obr. 3) pod hodnotu spalovací rychlosti un (např. při minimálním výkonu hořáku), může dojít k prošlehnutí plamene do tělesa hořáku (viz stabilita plamene, kap. 3.4).
Literatura
- Fík J.: Spalování plynných paliv a plynové hořáky, účelová neperiodická publikace GAS s. r. o., Praha 1998
- ISO 6976: Natural Gas-Calculation of Calorific Values, Density, Relative Density and Wobbe Index from Composition, Third Edition, Geneva, 2016
- Složení plynu převzata z webu GasNet https://www.gasnet.cz/cs/kvalita-plynu/ pro jednotlivé měsíce roku 2019
- Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S.: Influence of Hydrogen Addition to Pipeline Natural Gas on the Combustion Performance of a Cooktop Burner, Int. Journal of Hydrogen Energy, Elsevier April 2019
- Breton C., Eberhard R.: Handbuch der Gasanvendungs technik, R. Oldenburg Verlag, Munchen, Wien 1987
The authors analyze the possibility of burning natural gas with an admixture of hydrogen in gas appliances. The positive and negative aspects of the hydrogen content in natural gas and recommendations for its mixing into the natural gas distribution system are presented.
