Reklama

Vytápíme plynem

Spalování směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích – 1. část

Ing. Josef Fík, Dr. Ing. Libor Čapla, Ing. Jiří Žahourek, CSc.

Odborný

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.

Reklama

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 NO_x; 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

H͂_s [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 H͂_s, 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.

Tabulka 1 Složení a vlastnosti zemního plynu a jeho směsí s vodíkem
	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 ((x_i)_ZP+H2), který je dán vztahem:

(2)

kde význam jednotlivých symbolů je

(x_i )_ZP+H2: molární zlomek jednotlivých složek ve směsích ZP+H₂ (% mol.);
(x_i )_ZP: molární zlomek jednotlivých složek v zemním plynu (% mol.);
(x_H2)_ZP+H2: molární zlomek vodíku ve směsi se zemním plynem (% mol.).

Například podíl methanu ve směsi zemního plynu s 10 % mol. vodíku činí:

(x_CH4)_ZP+H2 = (100 − 10) · 96,2505 / 100 = 86,6255 % mol.

(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 (V_VT ZP+H2) v (m³.m⁻³) se stanoví pomocí rovnice:

(3)

kde význam symbolů je

V_VT ZP: stechiometrický objem spalovacího vzduchu zemního plynu (m³.m⁻³);
V_VT H2: stechiometrický objem spalovacího vzduchu vodíku (m³.m⁻³);
(φ_H2)_ZP+H2: objemový zlomek vodíku ve směsi se zemním plynem (% obj.).

Stechiometrický objem suchých (V^S_ST) a vlhkých (V^V_ST) spalin směsí zemního plynu s vodíkem se stanoví ze vztahů (4) a (5).

(4)

(5)

kde je

V_ST CO2: stechiometrický objem oxidu uhličitého, vzniklého při spalování směsí zemního plynu s vodíkem (m³.m⁻³);
V_ST 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.;
V_ST 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 (V_VT), suchých spalin (V^S_ST) a vlhkých spalin (V^V_ST) 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.

Tabulka 2 Stechiometrické objemy spalovacího vzduchu (`V_VT`), suchých spalin (`V^S_ST`) a vlhkých spalin (`V^V_ST`) směsí zemního plynu s vodíkem
Molární zlomek H₂ (% mol.)	`V_VT` (m³.m⁻³)	`V^S_ST` (m³.m⁻³)	`V^V_ST` (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 (V_ST CO2), dusíku (V_ST N2) a vodní páry (V_ST H2O) v m³.m⁻³ se stanoví z rovnic (6), (7) a (8):

(6)

(7)

(8)

kde je

φ_CO2 , φ_N2 , φ_H2 , φ_CxHy: objemové zlomky jednotlivých složek ve směsích zemního plynu s vodíkem (% obj.);
V_VT: stechiometrický objem suchého spalovacího vzduchu (m³.m⁻³);
x: počet atomů uhlíku v molekule uhlovodíku C_xH_y ;
y: počet atomů vodíku v molekule uhlovodíku C_xH_y .

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.

Tabulka 3 Stechiometrické objemy složek spalin směsí zemního plynu s vodíkem
Molární zlomek H₂ (% mol.)	`V_ST CO2` (m³.m⁻³)	`V_ST N2` (m³.m⁻³)	`V_ST 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 NO_X 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 (NO_X) 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 NO_X 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 (u_n max) je možno použít empirického Weaverova vztahu [5]:

(9)

kde jednotlivé symboly znamenají

x_i: molární zlomek jednotlivých hořlavých složek směsí zemního plynu s vodíkem (–)
x_in: molární zlomek inertů ve směsích zemního plynu s vodíkem (–);
V_VT: stechiometrický objem spalovacího vzduchu (m³.m⁻³);
f_i: 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).

Tabulka 4 Hodnoty maximálních spalovacích rychlostí směsí zemního plynu s vodíkem
Molární zlomek H₂ (% mol.)	`u_n 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 u_n (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

English Synopsis

Burning Natural Gas/Hydrogen Mixtures in Household Appliances – Part 1

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.