Biocombustíveis / Biofuels. Problemas Propostos/ Exercises

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1 Biocombustíveis / Biofuels Problemas Propostos/ Exercises Maria Joana Assis Teixeira Neiva Correia 2014/15

2 1- Uma amostra de ar analisada a 0ºC e 1 atm mostrou conter 9ppm de CO. Determine a concentração equivalente de CO em g/m 3 e mg/m 3. (11250 µg/m 3 ) 1- CO concentration in an air sample is 9 ppm at 0ºC and 1 atm. Express this concentration in g/m 3 e mg/m 3. (11250 µg/m 3 ) 2- O limite para as emissões de SO 2 é 365 g/m 3 a 25ºC e 1 atm. Expresse esta concentração em g/nm 3, ppm e em % em volume. (398.4 µg/nm 3 ; 0.14 ppm) 2- SO 2 maximum concentration is 365 g/m 3 at 25ºC e 1 atm. Express this value in g/nm 3, ppm, % v. (398.4 µg/nm 3 ; 0.14 ppm) 3- Uma caldeira queima um carvão com a seguinte composição elementar: C-67.7%; H- 4.4%; N-1.5%; S-1.0%; O-5.2%; cinzas-13.4%. A análise imediata mostrou que o carvão continha 51% de carbono fixo. a) Complete a análise imediata do carvão. b) Calcule a análise elementar base seca, sem cinzas. c) Calcule o poder calorífico superior e inferior do carvão. d) Calcule a quantidade estequiometricamente necessária de ar para a queima deste carvão. 3- A coal containing: C-67.7%, H-4.4%, N-1.5%, S-1.0% O-5.2% ash-13.4% is burned on a steam generator. Coal proximate analysis showed that it contains 51% of fixed carbon. a) Complete the proximate analysis of coal. (VM- 28.8%) b) Calculate the ultimate or elemental analysis on dry, ash-free base. (C %; ) c) Calculate the gross and net heating values of this coal. d) Calculate the stoichiometric amount of air to burn this coal. Data: Heat of reaction: H C/CO2 = -96,7 kcal /mol CO 2 ; H C/CO = -26,1 kcal /mol CO; - H H2/H2Oliq = -68,3 kcal /mol H 2 O; H H2/H2Ogas = -57,8 kcal /mol H 2 O; H vap H2O=10.5 kcal/mol; H FeS2/SO2 = kcal /mol SO 2 4- Calcule a razão mássica A/F estequiométrica para um automóvel a gasolina (gasolina - C 8 H 18 ) 4- Calculate the stoichiometric Air/Fuel mass ratio for a gasoline auto-engine with the average chemical formula of C 8 H 18. ((A/F)stoich.=15.1 => oxidizing conditions) 5- A composição parcial base seca dos gases de escape de um automóvel medidas a 25ºC e 1 atm são: O 2-13,3%; CO- 45ppm e NOx- 398 ppm, sendo os valores limites estabelecidos na legislação para o CO e NO 2 de, respectivamente, 100 mg/nm 3 e 1500 mg/nm 3, para 8% de O 2 nos gases. Verifique se o automóvel está a cumprir a legislação. 5- The partial composition on a dry basis of the exhaust gas of a car ured at 25 C and 1 atm is: O % CO-45ppm ; NOx ppm, whereas the limits are 100 mg/nm 3 2

3 for CO and 1500 mg/nm 3 for NO 2 for 8% O 2 in the gas. Verify if the car is complying with the legislation. (O 2-8% CO- 95 mg/nm 3 ; NOx mg/nm 3 ) 6- Admita que a concentração de CO no gás de combustão é de 150 ppm quando o teor de O 2 =7%. Determine essa concentração para um teor de O 2 =10%. 6- Assume that CO concentration in a flue gas is 150 ppm for an O 2 content of 7%. Calculate the same concentration for an O 2 content of 10%. (118 ppm) Nota: To calulate the concentration in reference conditions: C ref 3 ( mg / Nm ) C (21O (21O2 2ref ) 100. ) (100 H2O (21 O2ref ) or if T, P and H 2 O are constant FC. (21 O2 ) Generally, [O 2 ] reference = 8%. However, if P>50MW => For solid fuels => [O 2 ]ref= 6%; for liquid and gaseous fuels => [O 2 ]ref= 3% O 2 ; biomass- [O 2 ]ref= 11%; 7- Um carvão queimado numa central térmica tem um poder calorífico de kj/kg e um teor médio em carbono de 62%, 2% S e 10% de cinzas, das quais 70% são libertadas como cinzas volantes. Pode assumir-se que esta central necessita de 3 unidades de calor para produzir uma unidade de energia eléctrica (3kWh calor/1kwh En. Eléctrica equivalente a uma eficiência de 33.3 %). Assumindo que todo o carbono do carvão é libertado para a atmosfera na forma de CO 2, calcule as emissões (massa) de SO 2, CO 2 e partículas por kilowatt-hora de energia eléctrica produzida e o chamado índice de emissão de CO 2 (IE= m emitida /m carvão queimado ). 1kWh= J T 1.. ) 273 P 7- Typical coal burned in USA power plants has an energy content of kj/kg and a partial composition of C-62%, 2% S e 10% of ash. About 70% of the ash is released as fly ash and 30% as bottom ash. Assume that it is necessary to produce 3 units of heat energy to obtain 1 unit of electric energy (3kWh heat /1kWh electricity equivalent to an efficiency of 33.3 %). Calculate the SO 2, particles and CO 2 emissions per kwh of electric energy and the CO 2 emission index (= mass emitted / mass coal). 1kWh= J (18g ; 1023 g; 31.5g) 8- Uma central termoeléctrica de 1000 MW de potência apresenta uma eficiência de 40%. O carvão queimado contém 3% de S e tem um poder calorífico de 6667 kcal/kg ( 28 MJ/kg). Admitindo que a taxa de emissão aceitável é de 1.08 kgso 2 /10 6 kcal (electricidade), calcule a eficiência que o sistema de tratamento para remoção de SO2 3

4 tem que apresentar e a quantidade diária de SO 2 emitida para a atmosfera. (1 kw=0.239 kcal/s) 8- A 1000 MW coal-fired power plant is 40% efficient. The coal to be burned contains 3% of S and has a heating value of 6667 kcal/kg ( 28 MJ/kg). Assuming that the maximum allowable emission rate of SO 2 is 1.08 kg SO 2 /10 6 kcal of electricity, calculate the efficiency of the SO 2 removing equipment and the daily amount of SO 2 emitted into the atmosphere. (A: 95%) 9- Calcule a razão A/F teórica para a queima de diesel (C 16 H 34 ) e de biodiesel de soja (C 19 H 32 O 2 ) num motor a diesel. 9- Calculate the stoichiometric Air/Fuel mass ratio for a diesel engine working with fossil diesel (average chemical formula of C 16 H 34 ) and with soybean biodiesel (C 19 H 32 O 2 ). ((A/F) Diesel =14.9; (A/F) Biodiesel =12.3) 10-Uma central termoeléctrica de 100 MW queima um combustível sólido com a seguinte composição: H- 5% ; C- 82.4%; S- 0.64%; O-5.76% (como oxigénio) e cinzas- 6.2%. O excesso de ar utilizado é de 15 % e nestas condições 99.5 % do carbono converte-se em CO 2 e o restante em CO. Despreze a quantidade de NOx eventualmente formada. a) Calcule a composição dos gases de combustão. b) Calcule o Poder calorífico inferior do combustível (PCS 34 MJ/kg). c) Sabendo que a central apresenta uma eficiência de 35% face ao Poder Calorífico Superior do combustível e assumindo combustão completa, calcule: i) a taxa horária de emissão de CO 2 (ton/h) ii) o índice de emissão de CO 2 (IE= m emitida /m carvão queimado ) iii) o factor de emissão (FE= kg CO 2 / GJ de energia libertada pelo combustível) 10- A 100 MW burns coal with the following composition: H-5%; C-82.5%; S-0.64%; O- 5.76% (as oxygen) and ash-6.2%. The excess air used is 15 % and in these conditions only 99.5 % of the carbon is burned to CO 2. Assume that there is no formation of NOx. a) Calculate the composition of the flue gas. b) Calculate the Net Heating Value. (GHV = 34 MJ / kg) (LHV=NHV=33.4 MJ/kg) c) If the plant has an efficiency of 35% over the coal high heating value and assuming the complete combustion of carbon calculate: i) the rate of CO 2 emissions in ton / h ii) the CO 2 emission index (= mass emitted / mass coal) iii) the emission factor (EF = kg CO2 / GJ of energy produced by fuel). ( i) 89.1 ton/h; ii) 2.97; iii) 86.7 kg CO 2 / GJ ) 4

5 11- De acordo com os dados disponíveis (Direcção Geral de Energia e Geologia-DGEG) em 2009 o consumo de gasóleo rodoviário e de gasolina em Portugal foi de ton e ton, respectivamente. Por outro lado, no gasóleo foram incorporados ton de biodiesel. Calcule: a) o poder calorífico do gasóleo e do biodiesel em MJ/L (densidade energética). b) a incorporação(%) em termos energéticos e em volume de biodiesel no gasóleo. c) a incorporação nacional de bicombustíveis no sector dos transportes. Outros dados: Gasóleo: densidade- 830 kg/m 3 ; PCI-45.4 MJ/kg ; Biodiesel- densidade- 870 kg/m 3 ; PCI- 37 MJ/kg; Gasolina- 750 kg/m 3 ; PCI- 43 MJ/kg 11- In 2009 the consumption of diesel and gasoline in Portugal was 4,901,396 ton and 1,452,833 ton, respectively. On the other hand, 256,282 tons of biodiesel were incorporated in diesel. Calculate: a) the calorific value of diesel in MJ / L (energy density). b) the percentage of incorporation of biodiesel in energy and volume. c) the Portuguese incorporation of biofuels in the transport sector. Additional data: diesel: density- 830 kg/m 3 ; NHV-45.4 MJ/kg ; Biodiesel- density- 870 kg/m 3 ; NHV- 37 MJ/kg; Gasoline- density- 750 kg/m 3 ; NHV- 43 MJ/kg 5

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