Post on 15-Oct-2019
Etapa 3.1. CERCETARI EXEPRIMENTALE SUPLIMENTARE
PRIVIND REDUCEREA EMISIILOR DE OXIZI DE SULF PRIN
ARDEREA COMBUSTIBILULUI SOLID IMBOGATIT CU HRG
Elaborare model experimental instalatie insuflare HRG in faza de preparare a
prafului de combustibil solid utilizat la cazanele de abur - CO
Elaborare model experimental instalatie insuflare HRG in faza de preparare a
prafului de combustibil solid utilzat la cazanele de abur – P1
Realizare variante experimentale – sisteme de insuflare a HRG - P2
I. REALIZARE VARIANTE EXPERIMENTALE – SISTEME DE INSUFLARE A HRG
(P2+CO)
1.1. Aspecte generale În etapa a III-a a proiectului, obiectivul urmărit este realizarea instalaţiilor
experimentale aferente cazanului pilot de la UPB şi determinarea pe bază de cercetare
de laborator a eficienţei modalităţii locurilor de injecţie HRG (canal aer primar, canal aer
secundar, fante arzător sau flacără arzător)
Datele obţinute sunt folosite în final pentru modelarea şi similarea numerică a
funcţionării instalaţiei pilot de cazan, alimentată cu praf de cărbune, îmbogăţit cu HRG.
Modelul matematic are în vedere caracteristicile care privesc raportul aer primar-aer
secundar, conţinutul de materii volatile proporţia HRG şi poziţionarea locului de injecţie a
acestuia, câmpul de temperatură, dimensiunile particulelor de praf de cărbune etc.
Modelul va evidenţia dinamica reducerii emisiilor oxizilor de sulf pentru variantele
experimentate.
Lucrările ştiinţifice elaborate au fost acceptate şi publicate la revista Energetica,
anul 2010. Combustia cărbunelui cu gaz îmbogăţit în HRG în vederea reducerii emisiilor
poluante şi la a VIII-a Conferinţă Naţională de Echipament Termomecanic Clasic şi
Nuclear şi Energie Urbană şi Rurală –anul 2009: Insuflarea gazului îmbogăţit în HRG, în
praful de cărbune, pentru îmbunătăţirea procesului de arderea acestuia şi reducerea
emisiilor nocive.
În afara cercetărilor de laborator, lucrarea cuprinde documentaţia eleborată
pentru insuflarea HRG în canalele de aer, în fantele arzătorului şi în flacăra de praf de
cărbune.
1.2 Descrierea instalatiei generale si cerinte de amenajare adecvate instalatiei experimentale de insuflare a gazului HRG
1.2.1. Generalităţi
Pentru realizarea şi verificarea tehnologiei de insuflare a HRG, la arderea prafului de
cărbune, se vor executa şi monta la instalaţia de focar existente (prezentată la etapa II)
pe baza proiectului elaborat, instalaţia de obţinere HRG (descrisă la etapa II),
conductele de racordare HRG şi modulele de arzătoare.
În figura 1.1 se prezintă schema de ansamblu a instalaţiei experimentale de ardere
combustibil solid îmbogăţit cu HRG cărbune, îmbogăţit cu HRG.În
18
20
18
30
28
26
33
23
24
7
13
14
12
11
Aer primar
Aer secundar
Sistem de evacuare hidraulică a zgurii
490 490 490 507.5 507.5
800
750
27
34
32
În fig.1.2 se prezintă schema de
ansamblu a instalaţiei experimentale de
combustibil solid cu punctele de măsură
şi de prelevare de probe.
Legenda
1. buncăr cărbune brun
2. bandă transportoare
3. concasor
4. elevator
5. buncăr alimentare
6. dozator
7. turn preuscare
8. moară ventilator
9. separator
10. cicloane separatoare
11. ventilator de gaze
12. ventilator de aer
13. arzător
14. focar
15. preîncălzitor de aer
16. termocuplă separator moară
17. tub U –presiune amestec
18. diafragmă măsură aer primar
19. diafragmă măsură aer
secundar
20. termocuplă focar
21. termocuplă fine focar
22. ampermetru alimentator
moară
23. voltmetru motor moară
24. ampermetru motor moară
25. termocuplu aer
26. termocuplu evacuare gaze de
ardere
27. termocuplă focar
28. termocuplă focar
29. manometru
30. analizor gaze
31. instalaţie captare praf
32. instalaţie captare zgură
33. instalaţie captare cenuşă
antrenantă
34. dispozitiv
Prezentul caiet de sarcini cuprinde condiţiile tehnice, ce trebuie respectate la
execuţie, control, probe, recepţie, asamblare şi livrare, instalaţie de preparare şi
vehiculare HRG.
Instalaţia de focar existentă, cu un debit de praf de cărbune pulverizat de 200
kg/h are în dotare următoarele componente principale:
- instalaţia de pregătire a prafului de cărbune cu următoarele componente:
• trei buncăre de cărbune brut de capacitate totală 15m3;
• concasor de 350kg/h, granulaţia între 0-30mm; la ieşire 0-10mm, cu motor
de acţionare în curent alternativ 7 kW;
• elevator vehiculare cărbune, cu motor de acţionare ca de 7 kW;
• buncăr de cărbune de 700 kg pentru alimentare moară;
• dozator cărbune pentru alimentarea morii de 300 kg/h cu motor de
acţionare în c.c. de 1 kW
• moară ventilator de 300 kg/h pentru granulaţia cărbune lignit la intrare 0-10
mm iar la ieşire R90=55%; temperatura la ieşirea din moară 80-1200C;
presiune amestec 150 mmH2O; motor de acţionare 17 kW turaţie 2500
rot/minut şi amplificator turaţie în raportul 2:1.
Agentul de uscare constă din amestec de aer primar la temperatura de 2500C
obţinut de la preîncălzitorul de aer tubular al instalaţiei de cazan şi gaze de ardere
recirculate de la finele focarului cu temperatura de maxim 9500C.
- ventilatorul de aer are următoarele caracteristici:
• debit – 3000 m3/h;
• temperatură – 200C;
- ventilatorul de gaze are următoarele caracteristici:
• debit – 6000 m3h
• temperatura – 3000C
• presiunea – 80 mmH2O
- focarul este echipat cu două arzătoare: un arzător pilot de gaz natural de
40m3/h cu rol de aprindere, ( încălzire a focarului) şi de suport a flăcării de
combustibil solid; arzătorul principal de combustibil solid dispus central pe
frontul cazanului.
Pornirea focarului se face cu gaz natural, deoarece când temperatura gazelor de
ardere la finele focarului ajunge la valori de 600-6500C, se introduce praf de cărbune.
Focarul este căptuşit cu material refractar, având pereţi răciţi cu apă. Apa de
răcire intră în ţevile ce ecranează focarul cu o temperatură de 200C şi iese (în regim
nominal de funcţionare) la o temperatură de 40-500C, fiind returnată la rezervorul
pompei de alimentare.
La finele focarului, în drumul de gaze descendent este poziţionat preîncălzitorul
de aer (suprafaţa 25m2) de tip tubular, în care are loc încălzirea aerului la temperatura
mediului ambiant la cca 200-2500C, pe seama căldurii prelevate de la gazele de ardere.
Gazele de ardere evacuate din cazan la o temperatură de cca 150-2000C sunt
trecute printr-o baterie de 3 cicloane legate în paralel, pentru desprăfuire, după care prin
intermediul ventilatorului de gaze sunt evacuate la coş.
Admisia aerului de ardere în instalaţie este realizată de către ventilatorul de aer,
din refularea acestuia se desprind patru trasee posibile:
• un prim traseu este cel al aerului preîncălzit, care este compus din ventilator de
aer-preîncălzitor de aer tubular-traseu de aer primar/traseu aer secundar;
• al doilea traseu injectează aer la intrare gazelor fierbinţi în turnul de preuscare şi
are rol de reglare a temperaturii amestecului combustibil la ieşirea din separatorul
morii;
• al treilea traseu injectează aer rece înainte de intrarea gazelor arse din
preîncălzitorul de aer tubular şi are rolul de a asigura o temperatură de maxim
6000C la gazele de ardere, pentru protejarea metalului ţevilor preîncălzitorului;
• al patrulea traseu injectează aer rece înainte de cicloanele separatoare şi are
rolul de a asigura o temperatură a gazelor de ardere la intrarea în ventilatorul de
gaze de maxim 1200C, în vederea protejării acestuia la solicitările termice.
Pe una din ramurile de alimentare a cicloanelor separatoare, există o derivaţie, ce
poate conduce gazele de ardere într-o instalaţie de desulfurare prin procedeul Tampela
( răcitor cu trei ţevi răcite cu apă şi filtru cu saci).
Evacuarea zgurii din pâlnia focarului se efectuează mecanic cu ajutorul unui sistem
cu motor electric şi şnec.
1.2.2. Optimizare variante de insuflare
În ceea ce priveşte variantele de experimentare a utilizării HRG în procesul de
ardere a prafului de cărbune s-au avut în vedere următoarele tehnologii:
• insuflarea HRG în conducta de amestec praf de cărbune aer primar-gaze de
ardere, după instalaţia de prelevare probe de la moară (varianta I, tronson I);
• insuflarea HRG în conducta de ameste praf de cărbune-aer primar-gaze de
ardere, înainte de intrarea în arzător (varianta II, tronson II);
• insuflarea HRG în arzător în interiorul fantelor de amestec praf de cărbune-aer
primar-gaze de ardere (varianta III, tronson III);
• insuflarea HRG în aerul secundar care intră în arzător (varianta IV, tronson
IV);
• insuflarea HRG în focar la baza flăcării arzătorului de praf de cărbune(varianta
V, tronson V);
• insuflarea HRG în camera specială de amestec HRG cu praful de cărbune,
după separatorul morii (varianta VI, tronson VI).
În afara procesului de adsorbţie şi de difuzia HRG la particula de cărbune motiv
pentru care se are în vedere experimentarea mai multor variante şi alegerea variantei
optime, HRG are rolul de a ameliora condiţiile de insuflare a particulelor de cărbune.
Insuflarea depinde de temperatura şi concentraţia de O2, de conţinutul de materii
volatile precum şi de conţinutul de cenuşă, care constituie un balast la încălzirea
cărbunelui. Volatizarea oxidarea prafului de cărbune sunt fenomene care se derulează
în paralel.
Instalaţia care va produce HRG este amplasată la o distanţă de cca 4-5 m de
cazanul pilot. Ocupă o suprafaţă de cca 1,5-2m2, cu înălţimea de cca 1 m şi are în
dotare două echipamente principale: una pentru alimentarea cu energie electrică şi alta
pentru producerea gazului.
Instalaţia are următoarele caracteristici:
• tensiunea alimentare cu energie – 3 x 380V;
• curent maxim electroliză - 20 A;
• puterea maxim consumată, la capacitatea maximă de HRG – 17 kW;
• presiunea de evacuare HRG – 2,5 bar.
1.2.3. Cerintele modulelor de arzator de carbune pulverizat
Modulele de arzător care se vor experimenta vor trebui să indeplineasca
următoarele cerinte:
- dimensiunile flăcării: compatibile cu dimensiunile focarului;
- domeniul de aplicare: instalaţii noi sau instalaţii vechi renovate;
- emisia de noxe (SOx, NOx, CO, funingine): se va încadra în valorile
admise pentru instalaţia de ardere de putere până la 50 Wt;
- excesul de aer se va reduce până la limită admisă de noxe: în
funcţie de combustibilul folosit şi de modelul de arzător, excesul de
aer poate să coboare până la λ =1,05.
Prezenţa H2S în flacără la marginea ecranelor duce la coroziunea acestora şi
este favorizată de insuficienţa de aer, adică de mediul de reducere CO.
Reţeaua conductelor de aer, gaze de ardere, amestec praf de cărbune, gaz
HRG, s-a dimensionat pentru a se asigura capacitatea de ardere a prafului de cărbune
până la 200 kg/h, în următoarele condiţii:
- funcţionarea la capacitatea nominală numai cu praf de cărbune cu
7500 kJ/kg, cu combustibil de adaus, gaz natural 20-40 m3N;
- funcţionarea la capacitatea nominală cu praf de cărbune, combustibil
de adaus gaz natural şi gaz HRG;
- funcţionarea la capacitatea nominală cu praf de cărbune şi gaz HRG.
-
1.2.4. Descrierea elementelor componentelor (conform proiect)
a. Conductă de aer secundar-conducta de injecţie HRG în conducta de aer
secundar (varianta IV, tronson IV)
De la refularea ventilatorului de aer existent pleacă cele 4 conducte de aer
menţionate anterior, care trimit aerul la preîncălzitorul de aer, precum şi aer rece pentru
reglarea temperaturii gazelor de ardere.
Pe conducta de aer existentă (Φ 70) care transportă aerul secundar la arzător,
între două flanşe (Dn80, Pn 6) prin decupare s-a montat Tronsonul 3 (varianta 4,
insuflare HRG) de ţeavă Φ88,9x3,2 (Dn80), L=250, din oţel P 235 GH-STAS SAEN
10260/2-2003.
Tronsonul nou care s-a montat este poziţionat la o distanţă de 350 mm de la
intrarea aerului secunar în arzător . În tronsonul nou, la jumătatea acestuia , s-a decupat
un orificiu, prin care se introduce o ţeavă de Φ 17,2x1,8, din P 235 GH (SREN 10260/2-
2003) pentru insuflarea HRG în conducta de aer secundar.
Conducta de injecţie HRG în conducta de aer se face prin 4 orificii Φ 2
poziţionate echidistant orientate la 450 pe direcţia de curgere a aerului.
b. Conducta de amestec aer gaze de ardere-praf de cărbune la ieşirea din
separatorul morii-injecţie HRG (varianta 1, tronson 1).
După separatorul morii, în conducta Φ 80 de amestec praf de cărbune-aer-gaze
de ardere, care vehiculează amestec spre arzător, la o distanţă de cca 800 mm, de la
nivelul planşeului cotei de deservire, se decupează un tronson de şeavă de L=250 mm,
care este înlocuit cu alt tronson cuprins între două flanşe, prin care se face unjecţia
HRG (varianta 1 , tronson 1).
Tronsonul nou care se montează este compus din două flanşe plane (etanşare
cu număr) Dn 80 PnG SRISO 7005-1:2000 din oţel K 410-2b, STAS 2882/3-88 şi dintr-
ţeavă Φ 88,9x3,2 (Dn80) SREN 10260/2-2003 din oţel P 235GH.
În tronsonul nou, la jumătatea acestuia, s-a decupat un orificiu, prin care se
introduce o ţeavă de Φ 17,2x1,8 din oţel P235GH(SREN 10260/2-2003) pentru insuflare
HRG în conducta de amestec praf de cărbune-aer primar-gaze de ardere. Injecţia HRG
se face prin patru orificii de Φ2 poziţionate echidistant, orientate la 450, în direcţia de
curgere a amestecului.
c. Conducta de amestec praf de cărbune-aer-gaze de ardere la intrarea în
arzător-injecţia HRG (varianta 2, tronson 2).
Înainte de intrarea în arzător, în conducta (Φ 80) de amestec praf cărbune-aer
primar-gaze de ardere, care vehiculează amestecul în arzător, prin fantele de aer
primar, la o distanţă de cca 600 mm de arzător, se decupează un tronson de ţeavă de
L=250mm, care este înlocuit cu alt tronson cuprins între două flanşe prin care se face
injecţia HRG (varianta 2, tronson 2).
Tronsonul nou care se montează este compus din două flanşe plane, etanşe cu
număr Dn 80 Pn6 Sr 150 7005-1-din oţel K 410-26 Stas 2882/3-88 şi dintr-o ţeavă
Φ88,9x3,2 (Dn 80) SREN 10260/2-2003 din oţel P 235 GH.
În tronsonul nou, la jumătatea acestuia s-a decupat un orificiu, prin care se
introduce o ţeavă de Φ 17,2x1,8 din oţel P235 GH (SR EN 10260/2-2003) prin care se
va insufla HRG în conducta de amestec praf cărbune-aer primar-gaze de ardere.
Injecţia se face prin patru orificii de Φ 2 poziţionate echidistant, orientate la 450,
în direcţoa de curgere a amestecului.
d. Conducta de amestec praf de cărbune-aer-gaze de ardere în apropierea
separatorului morii (Varianta VI, tronson VI).
După ieşirea din separator un tronson de ţeavă de l=250 mm este înlocuiot cu o
cameră de de amestec primar cu gazul HRG.
HRG este injectat în camera de amestec prin patru orificii dispuse perpendicular
pe cele patru feţe ale camerei de amestec.
e. Conducta de injecţie HRG în fantele arzătorului înainte de ieşirea amestecului
de praf de cărbune – aer-gaze de ardere din arzător (varianta 3, tronson 3).
Gazul HRG este adus la un colector de ţeavă Dn 10 (Φ 10,2x1,6) la o distanţă de
100 mm faţă de axul vertical al arzătorului. Din colector pleacă câte o ramificare de
ţeavă Dn 10 (Φ 10,2x1,6) care străbate fiecare fantă prin partea mediană. Pe fiecare
ramificaţie, închisă la capăt, s-au practicat 4 orificii de O2 echidistante coliniare dispuse
pe partea opusă sensului de circulaţie a amestecului.
f. Conducta de injecţie HRG în interiorul focarului, la baza flăcării de praf de
cărbune.
Se vor realiza găuri de Φ 18, în placa frontală a arzătorului funcţie de numărul de
fante de amestec.
Pentru fiecare variantă constructivă de arzător se vor debita tronsoane de ţeavă
Dn 10 (Φ 17,2x1,8) funcţie de lungimea fantelor din arzător. Tronsoanele de ţeavă sunt
închise la un capăt iar în celălalt capăt sunt racordate de ţeavă Dn 10 (Φ 17,2x1,8) care
este racordat la conducta de HRG.
Admisia HRG pentru fiecare fantă se va obţine prin câte 4 găuri de Φ 2 mm
echidistante, pentru fiecare tronson de ţeavă.
1.3. Modele de arzătoare pentru carbune pulverizat
1.3.1. Cerinte generale În funcţie de scopul urmărit, respectiv de cantitatea maximă de HRG, care
participă la reducerea emisiei de oxizi de sulf, (conform analizelor de la etapele
anterioare) şi la ameliorarea procesului de ardere, se vor experimenta mai multe
variante de modele de arzătoare – respectiv locuri unde urmează să se injecteze HRG.
Se are în vedere optimizarea locului de insuflare a HRG, căruia îi corespunde
modelul de arzător adecvat.
Insuflarea HRG se face în diverse locuri pe traseul de la ieşirea din moară până
la ieşirea din arzător-se anticipează găsirea unui raport direct proporţional între gradul
de adsorbţie a HRG de către particulele de cărbune şi reducerea emisiei de oxizi de sulf.
Aceste variante experimentale se vor compara cu varianta ultimă de ardere în
arzător a HRG, HRG având în principal şi rolul de aprindere şi de stabilizare a flăcării de
praf de cărbune.
Se va experimenta injecţia HRG pe arzătoarele de praf de cărbune, cu fante.
Arzătorul cu fante cuprinde un ansamblu de 2-3 fante prin care circulă agentul
primar (praf de cărbune, aer, gaze de ardere), fante amplasate una deasupra celeilalte
în zona centrală a ambrazurii circulare a focarului, care formează canalul de aer
secundar.
Jetul de HRG insuflat între fantele de agent primar va fi încadrat de jetul de agent
primar în cadrul geometriei de ansamblu a flăcării în focar.
Arzătoarele cu fante urmăresc arderea cu exces redus de aer la nivelul de bază
al flăcării, având fante de lungimi diferite, pentru realizarea arderii în trepte.
Variantele de arzător care se vor experimenta sunt:
- arzător cu trei fante de amestec primar de lungimi diferite;
- arzător cu două fante de amestec primar şi o fantă separată de aer
secundar (cald);
- arzător cu două fante de amestec primar şi o fantă superioară de aer
secundar (rece)
Pe parcursul experimentărilor cu HRG se va verifica posibilitatea de a se renunţa
la utilizarea gazului natural de susţinerea flăcării de cărbune pulverizat.
1.3.2. Cerinţe tehnice pentru arzătoarele de praf de cărbune Prezentele cerinţe tehnice definesc obiectivele pe care trebuie să le satisfacă
arzătorul turbionar de praf de huilă şi arzătorul cu fante pentru lignit, cu injecţie de HRG
şi eventual şi cu combustibil gazos de adaos (necesar funcţie de caracteristicile
cărbunelui), pentru reducerea emisiilor de oxizi de sulf şi a cenuşii antrenante.
De asemenea cuprinde cerinţele tehnice ce trebuiesc respectate la execuţia,
montajul, controlul verificărilor, recepţiei, ambalarii, depozitării, livrării etc.
Cuprinde date şi cu privire la instalaţiile de cazane la care se montează modelul
funcţional de arzător pentru teste şi experimentări complexe. Se urmăreşte ca prin
injecţia HRG în praful de cărbune să se obţină condiţii de funcţionare sigură şi
economică la capacitatea nominală.
Instalaţia care va produce HRG va fi amplasată la cota de bază de deservire a
arzătorului şi va avea în compunere un echipament pentru alimentarea cu energie
electrică şi unul pentru producerea HRG. Echipamentul pentru producerea HRG este
racordat printr-o conductă la arzător. Insuflarea HRG se va face în conducta de amestec
praf-cărbune-aer primar-gaze de ardere, la intrarea în arzătorul de praf de cărbune.
Admisia prafului de cărbune în arzător se face printr-un tub central. În tubul
central de amestec primar se introduc canalele de injecţie separată a HRG. Jetul de
HRG va fi încadrat de jetul de agent primar, în cadrul geometriei de ansamblu a flăcării.
Această geometrie urmăreşte ridicarea performanţelor de aprindere şi de ardere a
prafului de cărbune.
Arzătorul este dotat cu un canal de aer secundar prevăzut cu palete de
turbionare poziţionat paralel cu tubul central şi cu o coroană înconjurătoare de aer
terţiar.
Selectarea tipului de arzător ales a fost condiţionată de modelul focarului, de
volumul camerei de ardere, parametrii aerului şi de caracteristicile prafului de huilă. Se
are în vedere obţinerea arderii stoichiometrice la nivelul de bază al flăcării. Condiţiile
tehnice.
1.3.3. Condiţiile tehnice de bază pentru materialele arzătoarelor
Materialele utilizate (ţevi, table, semifabricate, etc.) trebuie să corespundă celor
prescrise în documentaţia de execuţie. Se admite folosirea altor materiale care sunt
echivalente cu cele prescrise.
Materialele din care se execută cilindrul central de aer primar la arzător, canalele
de insuflare HRG în arzător, precum şi cilindrii de aer secundar, terţiar şi sistemul de
turbionare se execută din W 4828, un oţel rezistent la temperaturi înalte.
Înainte de introducerea în fabricaţie toate materialele vor fi verificate în ceea ce
priveşte:
- aspectul, dimensionarea şi marcajul;
- existenţa certificatului de calitate emis de fabricant;
- îndeplinirea prescripţiilor din fişa de condiţii tehnice din proiect.
Înainte de punerea în execuţie , materialele se verifică vizual şi se elimină cele
care nu corespund.
Nu se admit table şi ţevi care prezintă exfolieri, găuri şi pete de rugină şi abateri
grosiere, planeitate, rectinilitate şi grosime.
Condiţii tehnice ce trebuiesc respectate în timpul execuţiei
Executantul va întocmi tehnologia de fabricaţie specifică realizării produsului şi
este obligată să folosească procedeele de sudare omologate în conformitate cu
prescripţiile tehnice CR-7-85 colecţia ISCIR.
Va folosi sudori autorizaţi în conformitate cu prevederile prescripţiilor tehnice CR-
9-84 colecţia ISCIR, iar pentru fiecare îmbinare sudată specificată în desen se va
completa numărul fişei de omologare a procedeului de sudare.
Pentru îmbinările sudate cap la cap (în special pentru conducte), grosimea celor
două piese la locul de îmbinare trebuie să fie practic egale.
După poziţionarea corectă a celor două piese, acestea se vor fixa mecanic între
ele prin şuruburi sau gusee sudate, ce trec prin cordonul de sudură, astfel încât să
permită dilatarea pieselor în timpul sudării.
Virolele cilindrice se execută la rece prin ruluire pe valţ şi se sudează pe
generatoare, cordon continuu. Abaterea de la cilindrizare este de max. 0,8 mm.
Sudura viralelor cilindrice se execută din electrozi compatibili cu materialul
metalic de bază, cordon continuu şi etanş. După sudare se polizează suprafaţa pentru
eliminarea depunerilor, a zgurificărilor, etc. Verificarea cordoanelor de sudură la cilindri
de aer se face vizual.
Ca material de adaos se vor folosi electrozii indicaţi în proiect pentru sudarea
oţelului carbon şi slab aliat. Înainte de folosire , electrozii vor fi încălziţi la 180-2200C, cel
puţin o oră, pentru a se aduce umiditatea învelişului la o valoare mai mică de 0,5%.
Pierderea pe focarul cazanului a arzătorului şi a canalelor de aer se face prin
sudura pe placa frontală a cazanului, conform detaliilor specificate în proiect. Se vor lua
măsuri de asigurarea planeităţii suprafeţelor de contact.
Pe baza schemelor executate separat pentru fiecare grupă de conducte, piesele
care urmează a fi asamblate se aşează pe suporturi provizorii, astfel încât locul îmbinării
să fie într-o poziţie cât mai accesibilă şi favorabilă pentru sudor. Practic, planul care
cuprinde îmbinarea circulară să fie vertical.
După tăierea reperelor la dimensiuni, înainte de sudare se curăţă suprafeţele în
mod corespunzător, îndepărtând petele superficiale de rugină şi alte aderenţe.
Laturile plăcilor care urmează a fi sudate se şanfrenează corespunzător
procedeului aplicat. După sudare se înlătură ţunderul, eventualele puncte de sudură,
polizând colţurile şi muchiile tăioase rămase.
Rugozitatea pentru muchie şi găuri este de 12,5, iar rugozitatea pentru zonele
executate prin strunjire este de 3,2.
Paletele de turbionare se recomandă a se executa după şablon. Produsele se
execută în clasele de toleranţă generală „mk”, conform SR EN 22768-1: 1995 şi SR EN
22768-2:1995 sau ISO 2761-1 şi ISO 2761-2.
Abaterile limită pentru reperele obţinute prin tăiere se încadrează în SR EN-
22768, execuţie mijlocie.
Condiţiile tehnice ce trebuiesc respectate în timpul montajului
Produsul după ce a fost executat se curăţă de toate impurităţile şi se iau măsurile
necesare ca în timpul operaţiunilor de încăcare-descărcare şi de transport până la locul
de montaj să nu se producă deteriorări. Operaţia se execută de executant.
Montajul instalaţiei se va executa în prezenţa proiectantului, care va stabili şi
ordinea asamblării elementelor instalaţiei, în funcţie de posibilităţile tehnologice ale
beneficiarului.
La montarea conductelor se execută o preasamblare. În timpul asamblării
acestora, se verifică prezenţa tuturor detaliilor, calitatea acestora şi prezenţa tuturor
organelor auxiliare.
Montarea îmbinărilor cu flanşe se execută păstrând paralelismul acestora.
Verificarea paralelilsmului se execută făcând diferenţa dintre dimensiunile maxime şi
minime, măsurate la două puncte opuse să nu apară eforturi suplimentare în
mecanisme.
Prescripţiile privind executarea sudurilor în atelierul de confecţii se vor respecta şi
la montaj.
În timpul operaţiei de montaj ţevile vor fi menţinute într-o perfectă stare de
curăţenie interioară. Se vor îndepărta toate corpurile străine din interiorul ţevilor. Ţevile
vor fi în interior complet uscate înainte de a se suda, iar capetele libere vor fi protejate
împotriva umidităţii şi a corpurilor străine.
La executarea lucrărilor de sudură nu trebuie să apară curgere de zgură, metal
topit sau alte impurităţi în interiorul conductelor.
Sudura trebuie să fie etanşe şi să se încadreze în clasa IV conform STAS 9398-
79. După sudură se curăţă ţevile de toate impurităţile formate în exterior sau în interiorul
acestora.
La încheierea lucrărilor de montaj se va întocmi la fel ca şi la executarea lucrărilor
de confecţii documentaţia cu operaţiunile efectuate la care se anexează buletine de
verificări şi încercări.
Îmbinările cu flanşe se vor proteja cu coliere de siguranţă. Montarea armăturilor
se va face conform cerinţei proiectantului.
După terminarea montajului se verifică să se îndepărteze eventualele obiecte
uitate în instalaţie, se curăţă totul de rugină.
Montajistul va lua toate măsurile ce se impune în vederea asigurării montajului în
condiţii de siguranţă.
Control şi verificare
Controlul se face pe tot parcursul fabricaţiei, de la introducerea materialelor în
lucru şi până la livrarea de către serviciile de executare a calităţii.
Se va verifica în mod deosebit ca ansamblurile ce se realizează la executant şi
celelalte elemente procurate de la alte întreprinderi să respecte prescripţiile tehnice
impuse prin proiect, standardele şi normele de produs.
Controlul calităţii sudurilor se realizează în trei etape:
- controlul calităţii materialelor ce intră în procesul de sudare
- Controlul în timpul sudării, se urmăreşte ca valoarea parametrilor de sudare
să se încadreze în prescripţiile de sudare
- Controlul nedestructiv al îmbinărilor nesudate , care cuprinde controlul vizual
şi controlul dimensional; se face cu lupa şi şublerul pentru sudură.
Protecţie, ambalare, depozitare
Protecţia şi ambalarea părţilor componente ale instalaţiei se face de către
întreprinderea constructoare, corespunzător cu modul şi perioada de transport.
Suprafeţele exterioare, cu excepţia porţiunilor prelucrate ale flanşelor se vor
proteja cu două straturi de grund anti-coroziv.
Suprafeţele de etanşare şi suprafeţele filetate se protejează cu unsoare U-100
STAS 562/80.
La asamblare şi la transport se va avea grijă ca racordurile, diafragmele,
armăturile să fie bine protejate.
Livrare şi garanţii
Părţile componente ale instalaţiei se livrează conform documentaţiei de execuţie,
împreună cu un set de garnituri nefolosite la încercările de etanşeitate.
Orice modificare adusă proiectului în afară de cele specificate în caietul de sarcini trebuie să aibă acordul scris al proiectantului, lipsa acestui acord absolvă pe proiectant de orice răspundere.
Măsurile de protecţia muncii şi protecţia contra incendiilor
Se vor respecta cu precădere prescripţiile din cărţile tehnice ale cazanului de
420t/h.
O atenţie deosebită se acordă instruirii personalului de exploatare pentru o
cunoaştere temeinică a funcţionării şi exploatării instalaţiilor, precum şi normelor de
tehnica protecţiei şi securităţii muncii.
Verificări şi încercări după montaj
În scopul verificării parametrilor funcţionali, precum şi a indicilor tehnico-
economici stabiliţi prin proiect şi prezentul caiet de sarcini, se vor efectua probe şi
verificări la punerea în funcţiune a instalaţiei de cazan. Punerea în funcţiune se face cu
respectarea prevederilor instrucţiunilor de exploatare ale cazanului.
Înainte de punerea în funcţiune se va face o probă de etanşeitate cu aerul din
mediul ambiant. Se închid gurile de vizitare şi de acces şi se pune în funcţiune
ventilatorul de aer. După pornirea ventilatorului de aer se aruncă în traiectul de aspiraţie
al acestuia praf de cretă care va parcurge tot traseul. Se procedează la examinarea
instalaţiilor de pe traseu şi se remediază defectele.
Verificările funcţionale care se vor efectua la faţa locului privesc:
- dotarea cu aparate şi dispozitive de măsură, control, reglaj şi siguranţă
conform proiectului şi normativelor în vigoare şi funcţionarea corectă a
acestora;
- verificarea aprinderii, stabilitatea flăcării, funcţionarea corectă la diverse
sarcini stabilizate;
- verificarea calităţii arderii la regimurile de sarcini stabilite prin proiect.
Notă: Ţinând seamă că modelul de arzător sunt un unicat s-au elaborat prescripţii speciale. Prezentele prescripţii pentru construcţia modelului arzătorului vor fi preluate de către P2 în caietul de sarcini.
1.4. Ampasarea sistemelor de insuflare la instalatia pilot Instalaţia prezintă o reţea de conducte HRG precum şi o instalaţie de
producere a HRG poziţionate în spaţiul liber existent în apropierea instalaţiei de focar.
Se va desfăşura pe o lungime de cca 10000 mm de la instalaţia de producere
HRG până la canalele de praf de cărbune-gaze de ardere, aer, module de arzătoare,
focar. Principalele caracteristici tehnice sunt:
Caracteristici
Canal de aer
Canal de amestec praf-aer-gaze arse
Conducte HRG
Presiune
Mm col H2O
Maxim de
lucru
admisă
200 150 2,5 bar
Pa
Mm col H2O
De etanşeitate 500 300 5 bar
Temperatura
Fluidului
250 80 20
Periculozitate - - da
Temp.
maximă
- - 25
Mediul de
Lucru
Temp. Minimă 20 60 15
Cerinte privind materialele utilizate la inlatia de insuflare
Materialele (ţevi, table, semnificative, etc) trebuie să corespundă celor prescrise în
documentarea de execuţie.
Se admite folosirea altor materiale care sunt echivalente cu cele prescrise.
Înainte de introducerea în fabricaţie, toate materialele vor fi verificate în ceea ce
priveşte:
- Aspectul, dimensiunile şi marcajul
- Existenţa certificatului de calitate emis de fabricant
- Îndeplinirea prescripţiilor din fişa de condiţii tehnice din proiect
Specificatii privind execuţia
Înainte de introducerea în fabricaţie executantul îşi va însuşi proiectul de execuţie,
inclusiv prezentul caiet de sarcini, pentru a respecta prevederile acestora.
Executantul va întocmi tehnologia de fabricaţie specifică realizării utilajului
Executantul răspunde de calitatea sudurilor executate şi este obligat să
folosească:
• procese de sudare de rezistenţă omologate în conformitate cu prescripţiile
tehnice ISCIR pentru canale de aer, de gaze de ardere şi pentru gaze
combustibile şi pentru schelete metalice;
• sudori autorizaţi în conformitate cu prevederile prescripţiei tehnice ISCIR.
Pe baza schemelor executate separat pentru fiecare grupă de conducte, piesele
care urmează a fi asamblate se aşează pe suporturi provizorii, astfel la locul îmbinării să
fie într-o poziţie cât mai accesibilă şi favorabilă pentru sudori. Practic, planul care
cuprinde îmbinarea circulară trebuie să fie vertical.
Pentru îmbinările sudate cap la cap (în special pentru conducte), grosimea celor
două piese la locul de îmbinare trebuie să fie practic egale
După poziţionarea corectă a celor două piese, acestea se vor fixa mecanic între ele
prin şuruburi gusee sudate, ce trec prin cordonul de sudură, astfel încât să permită
debitarea pieselor în timpul sudării.
Ca material de adaus se vor folosi electrozii indicaţi în proiect pentru sudarea oţelului
carbon şi slab pliat înainte de folosire, vor fi încălzite la 180-2200 C cel puţin o oră,
pentru a se aduce umiditatea învelişului la o valoare mai mică de 0,5%.
Montaj
Montajul instalaţiei se va executa numai în prezenţa proiectantului, care va stabili şi
ordinea asamblării elementelor instalaţiei, în funcţie de posibilităţile tehnologice ale
beneficiarului
La montarea conductelor se execută o preasamblare. În timpul asamblării acestora,
se verifică prezenţa tuturor debitelor, calitatea acestora şi prezenţa tuturor organelor
auxiliare.
Conductele trebuie să prezinte o etanşeitate maximă a tuturor asamblărilor.
Montarea îmbinărilor cu flanşe se execută păstrând paralelismul acestora. Verificarea
paralelelismului se execută făcând diferenţa dintre dimensiunile maximă şi minimă
măsurate la două puncte opuse.
Pe latura exterioară a fiecărui dispozitiv de închidere – reglaj se trasează semne
care să marcheze poziţia elementului de închidere.
Conductele se fixează pe suporturi fixe. Suporturile fixe se plasează la intrarea
conductelor în mecanism, astfel cât să nu apară eforturi suplimentare în mecanisme.
După terminarea montării se verifică să se îndepărteze eventualele obiecte uitate în
instalaţie, se curăţă totul de rugină.
Control şi verificare
Controlul se face pe tot parcursul fabricaţiei, de la introducerea materialelor în lucru
şi până la livrarea de către organele CTC ale executantului .
Se va verifica în mod deosebit ca ansamblurile ce se realizează la executant şi
celelalte elemente procurate de la alte întreprinderii să respecte prescripţiile termice
impuse prin proiect, standarde şi normele de produs.
Controlul calităţii sudurilor se realizează în trei etape:
- Controlul calităţii materialului ce intră în procesul de sudare
- Controlul în timpul sudării: se urmăreşte ca valoarea parametrilor de
sudare să se încadreze în prescripţiile de sudare
- Controlul nedistructiv al îmbinării sudate, care cuprinde controlul vizual
şi controlul dimensional, se face folosind lupa şi şublerul pentru sudură.
Se recomandă ca toate sudurile executate să fie controlate cu var şi petrol (se
ung sudurile în exterior cu var, iar în interior cu petrol; la locul defectului, petrolul iese la
suprafaţă şi pătează varul)
Probe şi recepţie
Instalaţia va fi supusă unei probe hidraulice şi de etanşeitate la parametrii
menţionaţi mai jos cu respectarea normelor de protecţie a muncii şi tehnica securităţii.
Agentul folosit la proba de etanşeitate este aerul din mediul ambiant. Se închid
gurile de vizitare şi de acces şi se pune în funcţiune ventilatorul de aer. După circa 5
minute de la pornirea ventilatorului se aruncă în traiectul controlat praf de cretă şi se
aşteaptă până când acesta parcurge întreg circuitul. Se procedează apoi la examinarea
instalaţiei şi se remediază defectele.
După efectuarea încercării de probă de etanşeitate, se refac circuitele.
Protecţie, Ambalare, Depozitare
Protecţia şi ambalarea părţilor componente ale instalaţiei se face de
întreprinderea constructoare, corespunzător cu modul şi perioada de transport.
Suprafeţele exterioare, cu excepţia porţiunilor prelucrate ale flanşelor, se vor
proteja cu două straturi de grund anticoroziv.
Suprafeţele de etanşare şi suprafeţele filetate se protejează cu unsoare U-100
STAS 562-80.
În timpul transportului şi al depozitării, toate racordurile se vor obtura cu flanşe
oarbe, în aşa fel încât interiorul părţilor componente ale instalaţiei să nu vină în contact
cu atmosfera.
La ambalare şi transport se va avea deosebită grijă ca racordurile şi piesele
componente să fie bine protejate conform categoriei „B”.
Livrare şi garanţii
Părţile componente ale instalaţiei se livrează, conform documentaţiei de
execuţie, împreună cu un set de garnituri nefolosite la încercările de etenşeitate.
Părţile componente şi instalaţia în ansamblu se garantează de către
întreprinderea constructoare pe perioada şi în condiţiile prevăzute în contractul încheiat
cu beneficiarul.
Menţiuni speciale
Întreprinderea constructoare are datoria să aducă la cunoştinţa proiectantului
orice nepotrivire constatată, atât pe parcursul execuţiei, cât şi în faza de pregătire a
lucrărilor.
Orice modificare adusă proiectului în afară de cele specificate în prezentul Caiet
de sarcini trebuie să aibă acordul scris al proiectantului, lipsa acestui acord disolvă pe
proiectant de orice răspundere.
Prezenta instalaţie are caracter de unicat.
II. ELABORARE MODEL EXPERIMENTAL INSTALATIE INSUFLARE HRG IN FAZA DE PREPARARE A PRAFULUI DE COMBUSTIBIL SOLID UTILZAT LA CAZANELE DE ABUR (P1+CO)
2.1 Participaţia HRG la prepararea şi arderea prafului de cărbune.
Caracteristicile HRG
Sub denumirea HRG este cunoscut un gaz îmbogăţit în hidrogen, obţinut din
electoliza apei.
HRG este un amestec de atomi şi radicali (H, OH, O, HO2) de hidrogen şi oxigen,
cu un grad mărit de reactivitate, care prin adsorbţie, difuzează la particulele de praf de
cărbune, contribuie la reducerea emisiilor poluante în gazele de ardere evacuate.
HRG este un gaz incolor, care are densitatea 0,503 kg/m3, masa moleculară 12,3
kg/kmol, temperatura de autoaprindere 591-6050C, limitele de inflamabilitate 7,3-100%.
Instalaţia pentru prepararea HRG este amplasată în zona cazanului UPB la o
distanţă de cca 4-5 m de acesta. Instalaţia ocupă o suprafaţă de cca 1,5 m2, cu
înălţimea de cca 1 m şi are două echipamente principale în dotare una pentru
alimentarea cu energie electrică şi alta pentru producerea gazului.
Instalaţia de producere HRG are următoarele caracteristici:
- tensiune alimentare cu energie electrică - 3x380 V
- curent maxim electroliză – 20 A
- putere maximă consumată la capacitatea maximă de HRG – 17 kW
- capacitatea maximă de producţie HRG 4,5 m3N/h la 250C
- presiunea de evacuare HRG – 2,5 bar
- calitatea apei demineralizată pentru producerea HRG –max 2µs/cm.
Starea gazoasă a HRG este starea de agregare a materiei cele mai simple. Ea
corespunde dezordinei perfecte a părţilor componente.
HRG poate fi considerat la nivel macrostatic dependent de cele patru variabile
care definesc starea de gaz: cantitatea de materie, volumul, presiunea şi temperatura.
Gazul poate fi recunoscut prin mişcare (curent, miros sau culoare). Cantitatea de
gaz nu are un volum definit, ea ocupă totdeauna volumul care i se oferă )interiorul
conductei de praf de cărbune, spaţiul amenajat în interiorul conductei, după separatorul
morii, sau interiorul ambrazurii arzătorului). Putem vorbi însă de un volum de gaz în
anumite condiţii de temperatură şi de presiune, de exemplu la 00C şi 1 atm., 10 g de
hidrogen ocupă 0,112 m3 (sau 112 l).
Se poate concluziona că o masă dată de gaz ocupă un volum dat, la o
temperatură dată şi la o presiune bine determinată.
Ecuaţia de stare a gazelor perfecte se exprimă prin relaţia:
RTnVP ⋅=⋅
unde exprimat în unităţi S.I: P=presiunea în Pa; V=volumul în m3; n=cantitatea de
materie în moli ; R=constanta gazelor egală cu 8,314 j, mol-1; k-1; T=temperatura
termodinamică în grade Kelvin (K).
HRG reprezintă un amestec de gaze la care presiunea totală sub care se găseşte
este suma contribuţiei datorată fiecărui constituient denumit presiune parţială. Presiunea
totală este suma presiunii parţiale a tuturor componentelor (legea lui dalton).
Presiunea parţială a unui gaz în amestec mai poate fi definită ca presiunea care
ar exista dacă acest gaz ar ocupa singură acelaşi volum ca şi amestecul (temperatura
fiind aceeaşi în cele două cazuri).
Teoretic, presiunea parţială a componentelor HRG se exprimă prin relaţia:
iitt
i PyPnniP == ,
unde t
ii n
ny = este fracţia molară a componentului i în amestec de gazos.
HRG face parte din categoria gazelor reale, care se îndepărtează de
caracteristicile gazului perfect.
Într-un gaz real volumul care verifică legea gazelor perfecteeste un volum inferior
volumului aparent şi reprezintă adevăratul volum al spaţiului liber între molecule.
Presiunea care se valorifică este o presiune superioară a celei observate.
Van Der Waals a propus în 1873 o ecuaţie de stare care descrie comportarea
gazelor reale:
( ) nRTbVVaP =−
+ 2
unde a şi b sunt termeni constanţi caracteristici fiecărui gaz. Termenul b este denumit
covolum, el reprezintă volumul propriu al ansamblului moleculelor. Se observă că b
creşte normal cu volumul moleculelor.
Se constată o bună corespondenţă între a şi b creşte normal cu volumul
moleculelor. Se constată o bună corespondenţă între a şi b şi factorii care contribuie la a
creea interacţiunea între molecule.
Condiţiile fizice în care gazele reale vor avea un compartiment apropiat de acela
al gazelor perfecte sunt:
- masa molară este uşoară, iar moleculele nepolarizate sunt uşor
polarizate;
- un volum mare oferit unui gaz şi deci presiune mică;
Astfel moleculele sunt foarte distante unele de altele şi interacţiunea lor este
redusă. Se poate spune că dacă în ecuaţia Van Der Waals, V este mare, termenul a/V2
devine neglijabil faţă de termenul p1 şi b. Se tinde spre relaţia PV=nRT adică spre
comportarea de gaz perfect.
- temperatura se îndepărtează de temperatura de condensaţie;
Forţele implicate în adsorbţia fizică a gazelor sunt forţe de slabă intensitate,
cunoscută şi sub denumirea de forţe Van Der Waals exprimate sub forma generală:
( ) RTbVVaP )2 −
+
unde a este o constantă care caracterizează amplitudinea forţelor de atracţie a
moleculelor, iar b este covolum care arată existenţa unei limite de compatibilitate a
gazulzui impusă de mărimea moleculelor; el reprezintă volumul propriu al ansamblului
moleculelor.
Cele două mărimi a şi b sunt termeni constanţi caracteristici fiecărui gaz. Se
observă că b creşte normal cu volumul moleculelor. Se poate observa o bună
corespondenţă între valorile a şi b şi factorii care contribuie la a creea interacţiunea între
molecule.
2.2. Modele de calcul in teoria cinetică a gazelor Teoria cinetică descrie un gaz ca un mediu constituit din particule (atomi,
molecule, radicali, etc.) cu următoarele caracteristici:
- foarte îndepărtate unele de altele în raport cu propria lor dimensiune;
- se deplasează continuu la mare viteză şi în linie dreaptă,
- intră frecvent în coliziune, fie între ele, fie cu pereţii (pereţii canalului
sau pereţii particulelor de praf) care le limitează volumul de gaz (aceste
sarcini sunt la originea presiunii exercitate de gaz pe aceşti pereţi).
Deoarece particulele de gaz sunt în mişcare, ele posedă o energie cinetică E=1/2
m V2, m şi V reprezentând masa respectiv viteza particulelor. Această energie cinetică
variază continuu, sub efectul sarcinilor care se produc la contactul între ele sau cu alte
corpuri.
Pentru ansamblul acestor particule avem o energie cinetică medie: 22/1 VmE = ; 2V fiind media pătratului acestor viteze.
Valoarea energiei cineticemedii depinde în mod special de temperatură, conform
relaţiei: 2/3=E KT, unde K este constanta lui Boltzmann ( 1231038066,1 −− ⋅⋅= KjK ).
Aceasta dă o definiţie nouă temperaturii şi dă la valoarea de zero sensul
temperaturii la care mişcarea particulelor de gaz (agitaţia termică) încetează, este zero
absolut definit de legea Charles.
La o temperatură dată energia cinetică medie a particulelor este aceiaşi pentru
toate gazele. Particulele de gaz diferă prin masa lor; cele mai grele se deplasează mai
ăncet.
Viteza medie pătratică a particulelor este invers proporţională cu rădăcina pătrată
a masei lor, deoarece: 2/12/1
2 32
=
=
mRT
mEV
Viteza medie V are expresia: V = ( ) 2/1/8 mKT π
Câteva valori ale vitezei medii la 2730K:
gaz H2 He O2 Ar 1/ −⋅ smV 1690 1200 425 380
Se observă că vitezele sunt în raport invers proporţional cu rădăcina pătrată a
masei moleculare. Astfel pentru O2(M=32g mol-1) şi H2(M=2g mol-1) ele sunt în raportul
(32/2)1/2 =4.
Particulele se deplasează în linie dreaptă până ce întâlnesc un obstacol şi trebuie
să devieze într-o nouă direcţie. Lungimea traiectoriei rectilinii este variabilă, dar i se
poate atribui o valoare medie definită ca liberul parcurs mediu. Acesta este cu atât mai
mic cu cât frecvenţa şocurilor este mai mare.
La rândul ei frecvenţa şocurilor depinde de numărul de particule pe unitatea de
volum (deci de presiune), temperatura, diametrul particulelor.
Liberul parcurs mediu, la 00C este de ordinul 50mm (5 10-8m) la presiunea de 1
atm., de 1mm la 10-4atm şi de 10 cm la 10-6atm.
La 101325 Pa şi 250C, fiecare particulă are 1010 microni/secundă şi, în acelaşi
timp în 1ml de gaz se produc în total 1029 ciocniri (calculat pentruN2 ).
Particulele nu sunt nişte sfere compacte care se ciocnesc între ele.
Impenetrabilitatea reciprocă între acestea la distanţe foarte scurte între ele, iar
schimbarea direcţiei traiectoriei particulelor se datorează acestor forţe.
Dezvoltarea teoriei cinetice are în vedere şi următoarele:
- volume de gaz la aceeşi presiune şi la aceiaşi temperatură trebuie să
conţină acelaşi număr de particule – legea Avogadro;
- variaţia presiunii în funcţie de volum se justifică cu uşurinţă, dacă
volumul este redus, la jumătate de exemplu. Se vor afla de două ori
mai multe molecule pe unitatea de volum şi de două ori mai multe
ciocniri pe unitatea de suprafaţă şi deci presiunea se dublează;
- varianta presiunii în funcţie de temperatură apre odată cu creşterea
vitezei particulelor şi frecvenţa circuitelor.
Aceste două mărimi variază cu rădăcina pătrată a temperaturii, deci dacă T
devine 2T, presiunea este multiplicată cu 2 , adică se dublează. Presiunea variază
deci proporţional cu temperatura absolută;
- se poate exprima mărimea presiunii plecând de la varianta cantităţii de
mişcare a particulelor, care izbesc pereţii şi frecvenţa ciocnirilor
= 2
21
32 Vm
VnNaP
unde n este cantitatea de gaz, Na este constanta Avogadro, V este volumul şi 2V viteza
medie pătratică a particulelor.
Presiunea apare deci ca un produs al energiei cinetice medii a particulelor, prin
termenul n Na/V care reprezintă numărul de particule pe unitatea de volum.
Pentru o particulă, Em=3/2KT şi deci
KTV
nNaP ⋅=
nRTKTnNaPV =⋅=
2.3. Transportul gazului HRG in cadrul instalatiei pilot. Transportul HRG în conducta de amestec praf de carbon-aer-gaze de ardere se
desfăşoară pe baza diferenţei de presiune )cca 2 bar) care există între presiunea
gazului din conducta de transport de HRG şi presiunea din conducta amestecului de
praf de cărbune.
În interiorul conductei de amestec praf de cărbune sau în arzător, transportul
particulelor de HRG, se face prin difuziune legat de diferenţa de concentraţie, care
apare între cei doi agenţi. Difuziunea HRG în amestecul de gaze şi praf de cărbune este
deci un mijloc de transport de particule datorat diferenţei de concentraţie ce se
efectuează într-un sens, care tinde să anuleze aceste diferenţe, adică de la regiunile
mai concentrate către cele mai puţin concentrate.
Particulele de gaz difuzează individula datorită agitaţiei moleculare şi dacă se
măsoară concentraţia la capătul unui timp mai lung se constată că aceasta s-a
uniformizat.
Această metodă este mai puţin eficace dacă se compară cu alte procedee cum ar
fi conducta termică.
În general transportul apare când un sistem se îndepărtează de la un echilibru de
viscozitate, conducţie termică sau electrică.
Particulele unui fluid izotermic (cazul HRG) se deplasează într-o incintă prin
agitaţie termică.
Transportul particulelor de gaz, din punct de vedere microscopic este dificil de
controlat, deoarece nu se poate interveni asupra caracteristicilor acestora cum ar fi
distribuţia vitezei şi a energiei cinetice.
Cunoaştem că particulele interacţionează prin diferite forţe, iar când acestea
devin libere de a se mişca, aceste interacţiuni sunt responsabile în timpul coliziunilor,
unde este obligatoriu un contact fizic, de schimb de cantitate de mişcare.
HRG este un sistem eterogen, format dintr-un amestec de substanţe (particule
individuale) eventual în interacţiune, care intră în coliziune cu pereţii conductei şi cu
particulele de praf de cărbune.
Ecuatiile coliziunii momentelor individuale ale particulelor nu este necesar sa fie
rezolvate individual. Numărul de ecuaţii care ar trebui rezolvate pentru moleculele unui
cm3 de gaz, la presiunea atmosferică este foarte mare, de ordinul 1020 şi ca atare
calculul coliziunilor se va face după valorile medii ale mărimilor fizice şi se raportează la
mărimile macroscopice, în special la presiune.
Ca contactul HRG cu particulele de praf de cărbune, o cantitate din aceasta se
ataşează la suprafaţa particulelor pentru a forma un strat adsorbit. Particula de cărbune
fiind considerată adsorbant. La acest fenomen de adsorbţie se suprapune o absorbţie
de gaz în interiorul aceleiaşi particule, prin porii acesteia.
La echilibru cantitatea de gaz adsorbit depinde de temperatura, de presiunea
gazului şi de suprafaţa particulei. Pentru o temperatură dată, masa de gaz adsorbită la
presiunea gazului poartă denumirea de izoterma de adsorbţie.
Adsorbanţii cei mai cunoscuţi sunt cei care prezintă o mare porozitate şi deci o
suprafaţă specifică foarte ridicată (suprafaţa pe unitate de masă).
Forţele implicate în adsorbţia gazului sunt forţele slabe Van der Waals care sunt
responsabile de adsorbţia fizică.
2.4. Insuflarea HRG în conducta de aer secundar
În conducta de aer secundar care intră în arzător, admisia gazului se realizează
circular, uniform, în toată secţiunea de curgere a aerului secundar care intră în
ambrazura arzătorului.
2.5. Insuflarea HRG în arzător
Se vor realiza două găuri Φ 18,0mm în placa frontală a arzătorului, prin care se
vor introduce tronsoane de ţeavă. Tronsonul de ţeavă se va blinda la un capăt, iar la
celălalt capăt se vor racorda la conducta de HRG.
La o distanţă de 35mm faţă de capătul blindat se vor realiza 4 găuri de Φ 2
echidistante, la 450 faţă de axa arzătorului.
În limita arzătorului se va monta un colector de ţeavă (Φ 17,2 x 1,8) din care vor
pleca ramificaţiile de ţeavă, care se va introduce în arzător prin găurile realizate în placa
frontală a arzătorului.
2.6. Soluţii de arzătoare pentru arderea prafului de cărbune îmbogăţit cu HRG
Cercetarea experimentală privind reducerea emisiilor de oxizi de sulf prin arderea
prafului de cărbune îmbogăţit cu HRG, se va stabili pe cazanul de apă firbinte de 2 MWt,
pentru trei tipuri de arzătoare cu fante.
Arzătorul cu fante cuprinde un ansamblu de 2-3 fante prin care circulă agentul
primar. Fantele de lungimi diferenţiate sunt amplasate una deasupra celeilalte în zona
centrală a ambrazurii rotunde a focarului.
Spaţiul liber dintre fantele de amestec primar formează canalul de aer secundar.
Arzătoarele cu fante au canale separate pentru aerul secundar şi pentru
amestecul praf-aer primar. Volatizarea prafului de cărbune ca şi aprinderea şi arderea
materiilor volatile pot să aibă loc într-o zonă cu o concentraţie redusă de oxigen,
deoarece această fază se realizează înainte de amestecul cu aerul secundar.
Arderea cu exces redus de aer asigură funcţionarea cu randament ridicat şi cu
emisie redusă de oxizi de sulf şi de azot.
Limitele generale, până la care se poate reduce excesul de aer, sunt condiţionate
de murdărirea şi coroziunea suprafeţelor de schimb de căldură şi arderea incompletă a
prafului de cărbune.
Arzătoarele cu fante, de lungimi diferite asigură zone de ardere cu insuficienţă de
aer şi zone de completarea arderii, cu exces de aer, numite zone secundare.
La toate variantele de arzătoare se va prevede posibilitatea de insuflare a aerului
terţiar rece sau cald direct în focar (în exteriorul arzătorului).
Arzătoarele cu fante realizează arderea stoichiometrică la nivelul de bază a
flăcării, având fante de lungimi diferite, pentru arderea în trepte.
Între fantele de agent primar, în caz de injectare HRG în arzător, se vor introduce
canalele de admisie HRG. Jetul de HRG va fi încadrat de jetul de agent primar în cadrul
geometriei de ansamblu a flăcării în focar.
Această geometrie urmăreşte ridicarea performanţelor de aprindere şi de ardere
a prafului de cărbune.
Selectarea modului de insuflare HRG şi a tipului de arzător are în vedere
realizarea procesului de ardere cu un randament bun, cu un control satisfăcător al
acestuia şi cu un conţinut redus de oxizi de sulf.
Pe parcursul probelor de ardere cu HRG se va experimenta renunţarea la
utilizarea gazului natural de susţinerea flăcării de cărbune pulverizat.
Construcţia arzătoarelor permite dezvoltarea arderii în trepte cu o penetrare mai
accentuată în focar a jeturilor inferioare.
În funcţie de rezultatele testelor experimentale se va decide fiecărei soluţii de
injectare HRG, eficacitatea şi varianta de arzător din punctul de vedere a performanţei
de ardere şi de reducerea emisiei de oxid de sulf.
2.7. Descrierea instalatiei experimentale A fost realizat un reactor din otel inox, de tip autoclava, ale carui caracteristici function
ale sunt prezentate in continuare:
Reactanti: Gaz/Lichid/Solid, Vapor/Lichid/Solid
Reacţii caracteristice:
Studii privind hidrogenarea si hidro-lichfiera hidrocarburilor de origine petroliera, si
testarea diversilor catalitizatori folositi in aceste procese
Experimentari privind tratarea in atmosfera gazoasa a combustibilior solizi
Cosul catalizatorului: de tip plasa, pentru catalizator solid, sub forma de extrudat
cilindric sau sferic. Reprezinta un avantaj daca acest cos este de tip „cinetic” cu miscare
de rotatie in jurul axei sale.
Descrieire sita cos faza solida: retea de 14x14 gauri realizat din fir metalic de 0.020”
(0.51 mm) si ochiuri cu deschiderea de 0.051” (1.3 mm)
Volumul cosului: min. 30 cm3....40 cm3
Volumul liber: 250 cm3….1000 cm3
Presiunea maxima permisa de lucru: 350 bar… 360 bar @ 340ºC…350ºC
Agitator: antrenare cu cuplaj magnetic
Viteza maxima de rotatie: 1500 rpm…1900 rpm
Sistem de incalzire: prin manta exterioara de incalzire electrica, asistata
Material standard: 316 otel inoxidabil
Tensiune de alimentare: 220 V … 230 V Controlul Reactorului: Control de temperatura de tip PID
Controlul temperaturii maxime admise cu posibilitatea sau nu a opririi incalzirii la
depasirea acesteia
Controlul in curent continuu a motorului de antrenare
Bucla deschisa de reglare si control a turatiei motorului cu indicarea digitala a acesteia.
In figura 2.1. este prezentata schema de curgere a curentilor gazului bogat in hidrogen
peste particulele de carbune, determinate de configuratia interioara a cosului rotitor al
reactorului experimental.
Figura 2.1.
Reactorul de tip autoclava este introdus intr-o instalatie experimentala special realizata
pentru aceste experimente.
Schema de principiu a instalatiei este prezentata in Fig 2.2.
Fig. 2.2. Schema instalatiei experimentale pentru tratarea catalitica a carbunilor
Dupa tratarea izoterma a carbunilor realizata in autoclava, gazul rezultat este
analizat intr-un sistem de cromatografe de tip Varian.
In fotografiile urmatoare este prezentat standul de experimentare echipat atat cu
autoclava, cat si cu sistem de monitorizare cu Gaz Cromatograf a compozitiei gazului
HRG inainte si dupa tratarea carbunelui.
Autoclava Mahoney - Robinson
Cromatografe Varian
Gazul bogat in hidrogen se introduce direct din rezervorul generatorului, prezentat in
etapa anterioara, realizandu-se astfel o atmosfera cu amestec de hidrogen si oxigen
deasupra combsutibilului solid ce urmeaza a fi tratat.
Caracteristicile functionale ale sistemului de monitorizare cu Gaz Cromatograf a
compoziţiei gazului bogat in Hidrogen, inainte si dupa tratarea carbunilor sunt:
Cuptor coloane:
Volum: minim 15.5 L
7 zone incalzite independent:
- Cuptor pentru coloane capilare si coloane cu umplutura, in care se poata instala mai
multe coloane;
- Domeniul de temperatura: de la ambient +4oC la 450ºC, programabil;
(99ºC la 450ºC cu optiunea criogenica, N2 lichid);
(65ºC la 450ºC cu optiunea criogenica, CO2 lichid);
- Rezolutie: 1ºC;
- Disponibile minim 7 rampe si 8 paliere izoterme per metoda;
- Viteza maxima de incalzire 100ºC /min pe fiecare rampa;
- Timp scurt de racire: 4,5 minute de la 400ºC la 50ºC;
- zona cuptoare pentru injectoare/valve, in numar de 3;
- Domeniul de temperatura: de la 50ºC la 450ºC;
- Rezolutie: 1ºC;
- Zona cuptoare pentru detectoare in numar de 3.
- Domeniu de temperatura: de la 50ºC la 450ºC;
- Rezolutie: 1ºC;
- Sistemul are un dispozitiv de protectie la supraincalzire, permitand presetarea de catre
utilizator a unei temperaturi maxim admise pentru fiecare zona.
Pneumatica electronica asigura controlul tuturor gazelor prin intermediul a 3 controlere
electronice de presiune/debit pentru gazul purtator (de injectie) si 3 controlere
electronice de debit pentru:
- Gazul purtator – Ar sau He,
- Debitele (ratele) de splitare,
- Debitele gazelor aferente ale detectoarelor (FID si TCD) respectiv pentru gazele
de ardere si make-up pentru FID si gaze de referinte pentru TCD
Sistemul are posibilitatea compensarii variatiilor de temperatura si presiune ambientala,
prin controlul electronic a gazului purtator prin programe de presiune pe 7 rampe,
precum si testarea etanseitatii liniilor de prelevare.
Sistemul de calcul intern asigura:
- Controlul total al instrumentului de la claviatură proprie sau interfaţa catre un PC;
- Monitorizarea continua a tuturor parametrilor instrumentului;
- Generare de coduri de eroare si a metodelor de depanare in cazul defectiunilor;
- Testarea integritatii functionale a sistemului in secvente de autotestare;
- Memorarea metodelor de lucru;
- Monitorizarea temporara in functie de ceasul intern a funcţionarii sistemului;
- Trei iesiri de date independente in format analogic corespunzatoare detectoarelor;
- Tot sistemul de control este plasat intr-un termostat cu temperatura fixa (60oC) pentru
a se asigura imunitatea la parametrii de mediu.
Configuratia standard include:
- Pneumatica incalzita ce asigura independenta fata de variatiile de temperatura sau
presiune;
- Display LCD cu 11 linii, 35 caractere pe linie;
- Claviatura etansa;
- Metode stocate in memorie CMOS, pana la max 8;
- Metode analitice stocate in computer, in numar nelimitat;
- Placa External Event pentru comanda accesoriilor sincron cu programul cromatografic
(de exemplu valve sau sisteme de comutare).
Sistemul de cromatografe mai are in componenta si:
Filtru de oxigen pentru inlaturarea oxigenului din gazul purtator
Filtru de umiditate pentru inlaturarea umiditatii din gazul purtator
Unitate de conectare filtre de 1/8”
Cuptor pentru termostatare valve necesar pentru asigurarea reproductibilitatii, conditiilor
de injectie gaze. Temperatura ansamblului este controlată de Gaz Cromatograf pe
intervalul 50ºC-220ºC;
Control electronic al presiunii gazului purtător
Valva cu trei cai (V4), pentru controlul admisiei probei in sistem. Comutarea valvei este
controlată de cromatograf.
Valva automata de injecţie/ back-flush cu 10 porturi din Hasteloy inert pentru H2S.
Comutarea valvei este controlată de cromatograf.
Valvă automată de injecţie cu 6 porturi din Hasteloy inerta pentru H2S, pentru realizarea
separării pe coloane de sită moleculară
Restrictor (NV1), pentru compensarea rezistentei hidraulice a coloanei in modul back-
flush
Coloana Cromatografica Hayesep T 80-100 m, 0.5m, 1/8” Ni
Coloana Cromatografica Hayesep Q 80-100 m, 0.5m, 1/8” Ni
Coloana Cromatografica Molsieve 13X 80-100m, 1.5m, 1/8” SS
Detector TCD (Thermal Conductivity Detector) Domeniu temperatură: 50oC-450ºC;
Caracteristici tehnice:
• Sistem automat de aducere la „0” a punţii de detecţie;
• Sistem de protecţie a filamentelor împotriva oxidării;
Performanţe tipice:
• Detectivitate: 300pg/mL (C4);
• Gama de liniaritate 106.
Injector dual split/slitless cu control electronic al presiunii si debitului;
Domeniu de temperatura: 50ºC-450ºC;
Este dotat cu filtru pentru hidrocarburi pentru a preveni contaminarea valvei de splitare
şi a aerului ambient;
Standard liner de 4 mm cu posibilitate de instalare liner de 2 mm;
Domeniu de presiune: 0,1-100psi;
Raport splitare setabila in domeniu 1-10000:1 (dependent de coloana)
Valva automata de injectie cu 6 porturi din SST, pentru realizarea separarii pe coloane
de sita moleculara
Valva automata de lichide cu 4 porturi din SST. Comutarea valvei este controlata de
cromatograf.
Control electronic al presiunii gazului purtator pe domeniul: 0-100psi
Coloana cromatografica CP-SIL 5CB ULTIMETAL PROC25m x 0.53mm df= 10µm
Coloana cromatografica LOWOX PLOT10m x 0.53mm
Detector FID (Flame Ionization Detector) cu electrometru
Sistem automat de aprindere a flacarii.
Este prevazut cu sistem de auto-detectie a flacarii.
Temperatura de operare: 50ºC-450ºC;
Performante garantate:
Detectivitate: 2pg C/ sec (nonan) la raport semnal zgomot 2:1;
Gama de liniaritate 107;
Arzator din ceramica.
III. ELABORARE MODEL EXPERIMENTAL INSTALATIE INSUFLARE HRG IN FAZA DE PREPARARE A PRAFULUI DE COMBUSTIBIL SOLID UTILIZAT LA CAZANELE DE ABUR (CO)
3.1. Sorturile de cărbune la experimentarea arderii prafului de cărbune cu insuflare a HRG
Cărbunii care vor fi utilizaţi în programul de experimentare sunt cărbunii indigeni
şi anume ligniţii şi huilele.
Ligniţii au în compoziţie 57-60% carbon; cărbunii bruni au 60-80% carbon; huilele
au 79-90% carbon, iar antraciţii au 90-95% carbon.
Azotul este un element chimic dăunător, deşi se găseşte în proporţie redusă (de
la 1,5-2% la ligniţi, la 0,5-1% la cărbunii bruni şi la 0,5% la huilă).
Sulful este un alt component dăunător, cu toate că are o capacitate redusă de la
0,75-1% până la 3-5%. În masa de carbon el apare ca sulfuri (macrosite, pirite), sulfaţi
(gips), sulf organic şi sulf nativ. Sulful în funcţie de natura lui are repercursiuni deosebite
atât în procesul arderii cât şi în cel al cocsificării.
Conţinutul în cenuşă este reprezentat de reziduul solid rămas după combustia
completă a carbonului. Aceasta variază foarte mult (de la 2-3%) până la 20-45%).
Calitatea cărbunilor este influenţată şi de compoziţia cenuşii. În cenuşe se găsesc
diferiţi oxizi între care: bioxidul de siliciu (40-50%); oxid de aluminiu (20-35%); oxid de
fier (5-15%); oxid de calciu (37%); oxid de magneziu (1-5%), trioxid de sulf (1-3%).
Praful de cărbune, pentru a fi ars în bune condiţiuni, este necesar să fie măcinat
corespunzător să fie uscat. Parţial este caracterizat prin:
• fineţe de măcinare reprezentată prin resturile obţinute pe diverse site sau
prin curba granulometrică;
• suprafaţa specifică medie a prafului,
• capacitatea de reacţie a prafului determinată în principal de conţinutul de
materii volatile, iar în ceaea ce priveşte capacitatea de reacţie a cocsului
depinde în principal de porozitate;
• capacitatea de explozie a prafului determinată prin concentraţia de praf
sau prin concentraţia minimă de oxigen în amestec.
O densitate aparentă a prafului de cărbune:
( ) )100/(100 pi
tappap WW −−= ρρ kg/m3
unde:
ρap=densitatea aparentă, raportată la volumul particulei de cărbune, inclusiv porii
şi crăpăturile.
( ) tiap W
W−−
⋅−+
=100100
10001010 lim
5
5
ρρ
în care Wlim este umiditatea limită a carbune, corespunzător saturării cu apă , % (pentru
ligniţii cu Wit=32%, Wlim= 40%,) Wi
t este umiditatea prafului, ρ este densitatea reală,
raportată la volumul cărbunelui, exclusiv porii.
Arderea prafului de cărbune este un proces tipic de ardere eterogenă
determinată atât de cinetica arderii pe suprafaţa particulei de cărbune cât şi de procesul
de difuziune al oxigenului din mediul ambiant spre suprafaţa particulei, şi ale gazelor de
ardere, în sens contrar spre mediul ambiant, prin stratul limită de gaze aderent la
suprafaţa respectivă a particulei.
Când particula de cărbune este poroasă prin pătrunderea oxigenului în porii
acesteia, reacţia de ardere denumită exterioară se poate desfăşura nu numai la exterior,
la la suprafaţa particulei, ci şi în interiorul acestuia. Această reacţie din urmă se numeşte
reacţia interioară. De regulă această reacţie este înclusă în coeficientul vitezei de
reacţie de suprafaţă.
Debitul de consum de oxigen (gO2) pe suprafaţa unitară a carbonului se exprimă
prin relaţia
( ) sO CKKg 212+=
unde Cs este concentraţia de oxigen la suprafaţa carbonului, iar K1 şi K2 sunt constante
ale vitezei de reacţie a oxigenului.
Debitul de consum de oxigen cu includerea reacţiei interioare este:
ssn
iisO CK
CDKCg ⋅=
+= ∗
δδ
2
unde: ∗K - este constanta vitezei aparente de reacţie
K – este constanta totală a vitezei de reacţie a oxigenului egală cu K1+K2
Di = mD este coeficientul de difuziune interioară a oxigenului (D este coeficientul
de difuziune exterioară a oxigenului):
m- este gradul de porozitate al particulei.
Corespondenţa între coeficienţii de măcinabilitate daţi prin diverse metode se
calculează cu relaţii de tipul: 28,178,0 0089,0;40 HTKITKTIH mmmm ==
61,00034,0;61,034,0 25,1 +=+= HVTITKTIVTI mmmm
35,0625,105,013,1;2070 −=+=−= VTIIEvVTIH mmmmm
Conţinutul de cenuşă influenţează, de asemenea, coeficientul de măcinabilitate şi
anume, creşterea conţinutului de cenuşă conducând la scăderea coeficientului de
măcinabilitate, ca urmare a faptului că cenuşa se macină mai greu decât cărbunele. În
unele situaţii, în special în cazul măcinării ligniţilor la care cenuşa este friabilă şi
cărbunele are puternice formaţii xilice, există şi posibilitatea creşterii coeficientului de
măcinabilitate cu creşterea conţinutului de cenuşă.
Conţinutul de umiditate al combustibilului are, de asemenea, o influenţă
importantă asupra coeficientului de măcinabilitate la creşterea conţinutului de umiditate,
ceea ce conduce la concluzia că în timpul măcinării cărbunilor este necesar ca aceştia
să aibă o umiditate scăzută ( în general, în jurul valorii umidităţii higroscopice).
Temperatura de autoaprindere este temperatura la care un combustibil se
aprinde prin încălzire. Temperatura de autoaprindere a combustibililor solizi în stare
pulverizată este influenţată de o serie de factori care depind de combustibil, ca: natura
combustibilului, conţinutul de cenuşă, umiditatea, materiile volatile, granulaţia prafului,
precum şi de o serie de factori care depind de natura mediului în care se face arderea,
ca: presiunea, concentraţia de oxigen, prezenţa elementelor inhibate (CO2).
Cracteristicile combustibilului influenţează temperatura sa de autoaprindere:
creşterea conţinutului de cenuşă şi de umiditate conduce la ridicarea temperaturii de
autoaprindere.
Dar, dacă praful are fineţe mai ridicată, se reduce influenţa acestei temperaturi.
La creşterea dimensiunii particulelor, practic nu se mai resimte influenţa umidităţii.
Natura combustibilului, prin conţinutul de materii volatile, influenţează (figura 3.1)
temperatura de autoaprindere: creşterea conţinutului de materii volatile (la combustibilii
tineri) are ca efect micşorarea temperaturii de autoaprindere.
Figura 3.1. Influenţa conţinutului de cenuşă, de umiditate şi de materii volatile
asupra temperaturii de aprindere, pentru lignitul de Schitu Goleşti
Temperatura de autoaprindere depinde de diametrul particulelor prafului de
cărbune, conform relaţiei:
,lg bdata +=
în care: d – diametrul particulelor, în mm;
a şi b – constante ce depind de natura combustibilului, având valorile: Comăneşti
a=89 şi b=546; Filipeştii de Pădure a=89 şi b= 535; Schitu Goleşti a= 89 şi b=527;
Rovinari a= 89 şi b= 501.
Cenuşa se repartizează diferit pe fracţiile granulometrice, raportul dintre
conţinutul de cenuşă al unei fracţii cu diametrul d şi al probei medii fiind dat de relaţia:
dmK ′′=
în care : m şi n – constante ce depind de combustibil, având valorile: Filipeştii de Pădure
m=1,16 şi n=0,21; Comăneşti m=0,926 şi n=0,189; Căpeni m= 0,576 şi n=0,274;
Rovinari m=0,561 şi n=0,18; Schitu Goleşti m=1,15 şi n=0,068.
În această situaţie, temperatura medie de autoaprindere pentru praful cu
dimensiunile x1...x2 se calculează cu relaţia:
( )
∫
∫
+
=2
1
2
1
100100
100lg
x
x
dx
x
dx
xx
x
am c
c
R
dxR
bxat
unde: c – coeficientul de structură al curbei granulometrice; pentru majoritatea
combustibililor din România, c=1,111;
Rx – restul pe sita cu ochiuri de dimensiunea x;
D – diametrul unei particule oarecare de combustibil, în mm.
Figura 3.2. Temperaturile de topire ale cenuşii, determinate:
A – conform STAS 6418-73; B – cu ajutorul microscopului Leitz
Pentru funcţionarea sigură a instalaţiilor de ardere trebuie cunoscute
temperaturile caracteristice de topire ale cenuşii, deoarece, dacă în focar acestea sunt
depăşite, apare fenomenul de depunere a cenuşii pe pereţii focarului, fenomen denumit
„zgurificare”.
Determinarea caracteristicilor de topire ale cenuşilor se face, conform STAS
6418-73, prin încălzirea progresivă a unei epruvete piramidale cu baza triunghiulară
echilaterală de 7 mm şi înălţimea de 25 mm (figura 3.2).
Conform STAS 6418-73 se definesc: temperatura de înmuiere sau deformare (tA),
la care epruveta începe să-şi schimbe forma , prin apariţia unei bobiţe caracteristice la
vârf; sau începe deformarea muchiilor şi o uşoară înclinare a piramidei; temperatura de
topire (tB) la care vârful epruvetei se apleacă şi atinge baza sau formează o emisferă;
temperatura de curgere (tc), la care epruveta îşi pierde forma şi începe să curgă pe
suport.
O metodă modernă de determinare a temperaturilor caracteristice ale cenuşii
este metoda microscopului cu încălzire Leitz. Prin această metodă, faţă de corpul de
probă la rece se determină trei temperaturi caracteristice de topire:
- temperatura de înmuiere sau de deformare (simbol t1), care se recunoaşte prin
rotunjirea muchiilor sau vârfului corpului de probă;
- temperatura de topire sau semisferică (simbol t2), la care corpul de probă
formează o masă semisferică sau s-a îndoit, atingând cu vârful placa de bază;
- temperatura de curgere (simbol t3), la care corpul de probă curge pe placă,
după ce s-a deformat, înălţimea masei topite fiind aproximativ o treime din înălţimea
sferei. Între primele două temperaturi se defineşte zona de înmuiere, iar între ultimile
două-zona de curgere.
Temperaturile caracteristice depind de compoziţia chimică a cenuşii şi de felul
atmosferei în care se face determinarea: oxidantă, reducătoare sau neutră. Astfel,
influenţa oxidului de calciu (CaO) asupra temperaturii de topire tB(t2), arată că mărimea
în anumite limite a conţinutului de CaO conduce la micşorarea valorilor temperaturilor
caracteristice; mai afectate de variaţia CaO sunt cenuşile cu conţinut redus de silice-
alumină
322 / OAlSiOK SA =
Se observă trei domenii: primul domeniu, CaO = 0...20%, în care prin mărirea CaO se
reduc temperaturile caracteristice; al doilea domeniu CaO = 20...35%, în care influenţa
CaO este slabă şi al treilea domeniu, CaO > 35%, în care creşterea CaO conduce la
mărirea temperaturilor caracteristice (mai ales pentru combustibilii cu KSA mare).
Figura. 3.3. Influenţa oxizilor de calciu (CaO), sodiu (Na2O), potasiu (K2O), aluminiu
(Al2O3) şi siliciu SiO2) asupra temperaturii de topire, tB(t2).
Influenţa silicei (SiO2) asupra temperaturii de topire tB (t2) este
asemănătoare influenţei CaO (figura 3.3). În aceeaşi figură se observă reducerea
temperaturii de topire la creşterea conţinutului de oxizi de magneziu (MgO), sodiu
(Na2O) şi potasiu (K2O); creşterea conţinutului de oxid de aluminiu (Al2O3) conduce însă
la creşterea temperaturii de topire.
3.2. Elemente de teoria arderii combustibililor solizi în stare pulverizată
Mecanismul arderii particulelor de combustibil solid pulverizat încă nu este perfect
cunoscut, deşi este utilizat de mai bine de 100 de ani. O serie de cercetări au fost
îndreptate asupra determinării timpului de ardere a particulei de combustibil în condiţii
de laborator, cu încercări de extrapolare la instalaţiile reale. În continuare, se prezintă o
încercare de analiză a procesului de ardere a combustibilului solid în stare pulverizată,
pornind de la modelul frontului de flacără din cazul arderii omogene.
Dacă regimul de curgere se consideră laminar, dacă fluxul de aer în care se
lansează particulele de cărbune, considerate sfere cu diverse diametre, este îndreptat
de jos în sus şi dacă viteza de cădere liberă a particulelor este mai mică decât viteza
curentului de aer, atunci, aceste particule vor fi antrenate de curentul de aer, iar viteza
lor va fi definită prin relaţia:
în care:d – diametrul particulelor, în m;
ρρ, ρa – densitatea particulelor şi, respectiv, aerului, în gk/m3;
va – viscozitatea cinematică a aerului, în m2/s;
k1 – constantă ce depinde de forma particulelor.
Pentru curgerea turbulentă, viteza particulei este definită prin relaţia: 5,0
5,0
−=
a
att dkw
ρρρρ
Pentru forma sferică a pariculelor, k1=54,5.104 şi kt=254.
Procesul de reacţie între combustibil şi oxidant este însoţit de degajare de
căldură, de schimb de masă şi de căldură între reactanţi, precum şi de reducerea
concentraţiei aerului şi combustibilului în direcţia mişcării.
Flacăra, caracterizată prin frontul (suprafaţa) de aprindere, se propagă în spaţiul
ocupat de amestecul de combustibil datorită încălzirii acestuia prin conducţie, convecţie
şi radiaţie până la temperatura de aprindere.
Viteza normală a frontului flăcării (viteza normală de propagare a flăcării), u,
exprimă cantitatea de combustibil proaspăt care arde pe suprafaţa unitară a frontului de
flacără în unitatea de timp. Dacă amestecul aer-combustibil se mişcă cu viteza w şi
formează unghiul α cu viteza u, atunci
αsinwu =
Dacă sistemul de coordonare x, în care evoluează flacăra, se mişcă faţă de
sistemul ξ , în care se mişcă gazul (amestecul aer-combustibil), cu viteza u, în timpul τ,
atunci
τξ ux −=
Dacă se consideră că în sistemul de coordonate ξ , pe lângă propagarea căldurii
prin conducţie în procesul nestaţionar cu sursă de căldură (proces de ardere), scrisă sub
forma
qTgraddivTC += λδτδρρ
[ ]smv
dkwaa
ap /211 ρ
ρρ −=
Repartiţia concentraţiei substanţelor în reacţie, corespunzătoare ecuaţiei analoge
a difuziei este definită prin ecuaţia
( ) 0102
2
=−−−
RTE
ekCfdxdCu
dxCdD
ρ
în care: k0 – constanta de frecvenţă;
E – energia de activare a substanţelor;
R – constanta universală a gazelor perfecte;
D – coeficientul de difuzie moleculară;
C – concentraţia aerului sau combustibilului, cu limitele:
x 00 →+∞→→−∞→ CxşiCC
C0 – concentraţia iniţială a aerului sau combustibilului.
Dacă gazul este imobil, w=0 şi căldura se propagă prin conducţie moleculară,
adică
( )0TTCq mp −=
şi, în acest caz, viteza normală de propagare a flăcării devine
m
auτ
µ=
în care Tm – temperatura maximă, în K;
τm – timpul de reacţie, în s, după care se ajunge la temperatura maximă, Tm;
µ - coeficient pentru care Zeldovici a găsit expresia
( ) ϑϑρµ dw2=
în care
( )( )TT
RTE
nT
mmeCw
−−
=2
θ
unde: n – ordinul reacţiei;
θ - raza relativă:
0rr
=θ ;
r0 – raza iniţială a particulei de combustibil;
r – raza particulei după timpul τ, la distanţa x.
000
0
0
0
CwG
GG c
a
c ==µ
în care: µ0 – concentraţia masică relativă iniţială a combustibilului, în kg/kg;
0cG - fluxul specific iniţial de combustibil, în kg/(m2s);
0aG - fluxul de aer ce reacţionează cu
0cG , în kg/(m2s);
w0 – viteza medie iniţială a amestecului, în m/s.
Dar
2O
Mα
µ =
în care
0ρλCM =
unde:
λC – raportul masă/gaz/masă carbon;
2Oα - coeficientul excesului de oxigen.
Cantitatea relativă de combustibil, Ω, care se mai găseşte la distanţa x de
începutul zonei de ardere este
0c
c
GG
=Ω
în care Gc – fluxul de combustibil la distanţa x, după timpul τ, în kg.
,33
0
ϑ=
=Ω
rr
în care: r, r0 şi ϑ - razele curentă, iniţială şi relativă ale particulelor care acţionează.
Dacă se ia în considerare şi porozitatea norului de praf, curentă şi iniţială (m şi
m0), se pot scrie relaţiile:
( ) ,1 0000umG cc −= ρ
( ) ,1 umG cc −= ρ
în care: u, u0 – vitezele curentă şi iniţială ale particulelor de combustibil, în m/s;
0
, cc ρρ - densităţile particulelor de combustibil, curentă şi iniţială, în kg/m3.
Aplicând ecuaţia continuităţii, se obţine relaţia
,000 cc GwGw +=+ ρρ
în care: ρ0, ρ - densităţile iniţială şi curentă ale gazului reactant, în kg/m3.
Atunci când cantităţile de combustibil şi oxigen sunt în raport stoichiometric, se
poate scrie relaţia
( ) ( ),1000 Ω−= cGwCM
în care M – coeficientul stoichiometric al reacţiei.
Cantitatea de combustibil ce reacţionează în timpul dτ pe porţiunea elementară
dx este dată de relaţia
( )[ ] ,1 τρτ dxddx
umddxddx
dGc
c −−=
care se poate scrie sub forma
,Sdrdxdxddx
dGc
c ρτ −=
în care
( ) [ ]32 /13 mmr
mS −=
este suprafaţa specifică a particulelor.
Din relaţiile de mai sus rezultă:
( )[ ] ( ) .131 drdxr
mdumd cc−
=− ρτρ
Dacă
,uddx
=τ
integrând ecuaţia, cu limitele ρ...ρ0, m...m0 şi u...u0, se obţine relaţia
( ) ( ) ,11 300 ϑ
uu
mm −=−
în care
( )( ) Ω==−−
=00 00
3
11
c
c
c
c
GG
umum
ρρ
ϑ
Dacă u ≈ u0 şi ρc ≈ 0cρ , atunci
( ) 3011 ϑmm −=−
Pentru determinarea timpului şi traiectoriei de ardere mai este nevoie însă de o
ecuaţie, ecuaţia de bilanţ, între combustibilul ars şi gazul care reacţionează în timpul τ:
( ) dCMwdum c 00 01 =− ρ
în care primul termen reprezintă fluxul elementar de combustibil, iar al doilea termen
reprezintă elementar de gaz, C fiind concentraţia masică a gazului de reacţie după
timpul τ, la distanţa x.
Variaţia vitezei particulelor în timpul arderii este dată de relaţia 3
0ϑuu = ;
introducând în relaţia anterioară şi integrând, rezultă
( )( ) .11 03
00 0constumMCw c +−−= ϑρ
înlocuind valoarea lui C şi r, se poate scrie ecuaţia
( ) ( ) MMC
CFk
uddx c
−++′
=1
3300
0 ϑµ
εϑ
ϑρ
Prin integrare se găseşte traiectoria de ardere a particulei sub forma
( ) ( ) ( )[ ] ( ) −++−++
−′−= d
Fkux c ηεηεηϑε
ηεβρ 1ln1
31ln
13 2
33
( )( ) ( ) constarctgl+
−
−+
+−+−−
3121
331ln21
61
22 ηϑεηεη
ηϑ
ηθεηεη
unde
;1 00
−=
MMC
µβ
;0
03
µµ
η−
=M
cazuri caracteristice:
β > 0 – concentraţie mică de praf (µ0 < M şi α > 1);
β < 0 – concentraţie mare de praf;
β = 0 – caz limită, între domenii.
S-ar obţine ardere completă, adică ϑ = 0, atunci când xmax=1:
( )εµφρ ,30
0max FkC
ulx c
′== ,
în care
( ) ( ) ( )[ ] ( )+++−+ +
−= ηεηεη
εεε
ηεµηεµφ 1ln11ln
12
330
3
0l
( )( ) ( )η
ηεηεη
ηη
ηεηεη−
−++−
+−+2
3133
1ln21
61
2
21
arctgll
Se poate influenţa asupra lungimii zonei de ardere astfel:
- când creşte concentraţia masică iniţială (µ0), creşte lungimea zonei de reacţie
(x);
- când creşte suprafaţa de reacţie (F), scade (ε ), şi scade lungimea zonei de
reacţie (x);
- când creşte viteza de reacţie – prin creşterea temperaturii, scade lungimea
zonei de reacţie (x);
- când se reduce diametrul particulei (r0), se reduce şi lungimea zonei de
reacţie (x);
- când creşte concentraţia gazelor (C0) – prin ardere la suprapresiune, scade
lungimea zonei de reacţie (x).
Pentru o ardere completă trebuie ca aerul de ardere să fie intim amestecat cu
combustibilul.
3.3. Elaborarea unui model experimental cu insuflare a gazului HRG înainte de arzător
La fazele anterioare s-au examinat condiţii de insuflare HRG în praful de cărbune:
• Insuflarea HRG în conducta de amestec praf de cărbune-aerprimar-gaze de
ardere la intrarea în moară în apropierea dispozitivului de prelevare probe de la moară;
• Insuflarea HRG în interiorul capului arzătorului în apropierea injecţiei amestecului
primar (praf de cărbune – aer – gaze de ardere);
• Insuflarea HRG în aerul secundar, care intră în arzător;
• Insuflarea HRG în focar la baza flăcării arzătorului de praf de cărbune;
• Insuflarea HRG în camera de amestec cu praful de cărbune după separatorul
morii;
• Insuflarea HRG în camera de amestec cu praful de cărbune; înainte de intrarea
acestuia în arzător;
HRG este un amestec de atomi şi radicali (H, O, OH şi H2O) care difuzează în
atomii particulelor de cărbuneşi care sunt adsorbite în particulele de praf de cărbune.
Tehnologia optimă reprezintă cantitatea cea mai mare de HRG insuflat, care
asigură un control optim între acesta şi particulele de praf de cărbune. La baza
tehnologiei de insuflare a HRG în praful de cărbune stă difuzia liberă (fără schimb de
căldură şi de lucru mecanic) – ecuaţi Legendre:
0=dU , 0=dQ , it VV =
Unde U – potenţialul de energie, Q – cantitatea de căldură schimbată în timpul
procesului, i – starea iniţială, t– starea finală.
Adsorbţia se realizează la temperaturi scăzute (1000C), după care la temperaturi
de 3000C începe procesul de desorbţie. În aceast context pentru a obţine o cantitate
mare de gaz adsorbit, insuflarea acestuia ar trebui să se facă la o distanţă mai mare faţă
de instalaţia de ardere. Experimentările de laborator au arătat că procesul de difuzie–
adsorbţie este instantaneu şi depinde numai de gardul de porozitate al prafului de
cărbune. La o temperatură dată cantitatea de HRG adsorbită este aceeaşi şi se reflectă
printr–o singură valoare.
La instalaţia de preparare şi vehiculare a prafului de cărbune pot să apară condiţii
pentru autoaprindere şi explozia prafului de cărbune, iar odată cu introducerea HRG în
praful de cărbune este posibilă creşterea particularităţii de explozie a acestuia. Întru–cît
HRG este mai uşor decît aerul, în cazul în care nu se produce difuzia acestuia în
particulele de cărbune, poate produce amestecuri explozive care în anumite condiţii
poate declanşa o explozie. Întru–cît procesul de difuzie – adsorbţie se produce într-un
timp relativ scurt, în scopul prevenirii efectelor declanşării unor amestecuri explozive
posibile, canalul de amestec se va realiza în apropierea unui spaţiu deschis, adică
înainte de intrarea în arzător. În figura 3.4 este reprezentată moara ventilator şi
separatorul inerţial a acesteia cu care este echipată instalaţia experimentală.
Figura 3.4. Moara ventilator cu care este echipat cazanul pilot de 2 MW
Varianta care priveşte insuflarea HRG în amestecul de ardere are o eficienţă
redusă şi sporeşte pericolul produceii unei explozii, iar injecţia HRG la baza flăcării va
avea o eficienţă şi mai redusă, efectul acestuia s-ar reduce stabilizarea arderii prafului
de cărbune.
Între cantitatea HRG adsorbită de particulele de praf de cărbune şi modul cum se
va desfăşura procesul de aprindere-ardere a prafului de cărbune se va realiza
interdependenţă necesară. În acest context s-au examint mai multe modele de variante
de arzătoare şi anume: arzător cu fante şi arzător turbionar. Se urmăreşte să se
realizeze arderea cu exces de aer.
Arzătorul cu fante cuprinde un ansamblu de 2-3 fante prin care circulă HRG –
agentul primar, fantele fiind amplasate una deasupra celeilalte în zona centrală a
ambrazurii circulare a focarului, care formează canalul de aer secundar. Variantele de
arzător cu fante sunt:
• Arzător cu 3 fante de amestec primar şi de lungimi diferite;
• Arzător cu 2 fante de amestec primar şi o fanta superioră de aer secundar (rece);
• Arzător cu 2 fante de amestec primar şi o fanta superioră de aer secundar (cald);
Arzătorul de tip turbionar este prevăzut cu un tub central de admisie a
amestecului primar (praf de cărbune-aer-gaze de ardere) iar la periferie sunt dispuse
două canale de aer secundar cu turbionare (aer secundar I şi aer secundar II sau
terţiar).
Modelele de arzătoare examinate trebuie să satisfacă următoarele:
• Dimensiunile flăcării compatibile cu dimensiunile focarului;
• Amestec omogen între combustibil şi comburant;
• Procesul de ardere să se realizeze cu excese reduse de aer, până la limită de
noxe (SOx, NOx, CO, funingine) admisă de norme;
• Utilizarea conceptului de introducere în trepte a aerului de ardere care include un
sistem organozat în trei nivele de aer;
• Sisteme de reglaj special concepute, care să răspundă schimbării rapide de
sarcină şi să funcţioneze cu randamente ridicate la sarcini scăzute.
Se au în vedere următoarele:
- conceptul de reglaj al sistemului de ardere a cărbunelui (alimentarea cu cărbune,
reglarea debitului şi a temperaturii prafului de cărbune, reglajul aerului de
preparare şi vehicularea rafului de cărbune);
- conceptul de reglaj aer – gaze de ardere care are în vedere reducerea emisiilor
de noxe la valorile admise de norme.
Reactivitatea deosebită a componentelor HRG difuzate în particulele de praf de
cărbune, au rol însemnat în desfăşurarea procesului de aprindere şi de ardere a
particulelor de cărbune, face posibilă arderea stoichiometrică la arzătoarele turbionare,
care spre deosebire de arzătoarele cu fante au o construcţie mai compactă. Centrii activi
de reacţie din componenţa HRG face posibilă reducerea timpului până la aprindere şi
creşterea vitezei flăcării. Timpul până la aprindere scade şi cu îmbunătăţirea fineţii de
măcinare, respectiv şi cu creşterea conţinutului de materii volatile.
Datorită masei moleculare mici a HRG şi în special a hidrogenului, acesta are cea
mai mare putere de difuziune a centrilor activi din reacţie. Începutul reacţiilor in flacără
se realizează la o temperatură mai scăzută şi ca atare pentru începutul reacţiilor este
nevoie de o energie scăzută de activare.
Modelul experimental pentru prepararea şi insuflarea HRG are în componenţă
două echipamente principale , unul pentru alimentarea cu energie electrică şi altul
pentru producerea şi insuflarea HRG la instalaţia de cazan.
Instalaţia HRG are următoarele caracteristici:
• tensiune alimentare cu energie 3x380 V;
• curent maxim electroliză 20A;
• puterea maxim consumată la capacitatea maximă a instalaţiei 17 kW;
• cpacitatea maximă de producere HRG 4,5 Nm/h;
• presiunea de evacuare gaz 2,5 bar;
• capacitatea rezervorului de gaz 20 l;
• capacitatea apei demineralizate pentru producerea HRG max. 2 µs/cm.
3.4. Elaborare model pentru cameră de amestec şi măsurători experimentale 3.4.1. Optimizarea pe scară experimentală a camerei de amestec
Amestecul de HRG şi agentul primar (praful de cărbune – aer – gaze de ardere)
se va realiza înainte de intrarea în arzător într-un tronson de conducte al agentului
primar, insuflarea HRG în amestecul primar făcându-se printr-un ajutaj prevăzut cu
orificii de injectare HRG poziţionate pe toată suprafaţa acestuia (figura 3.5).
Figura 3.5. Insuflarea gazului HRG în conducta de praf de cărbune
Se va obţine un amestec omogen, scontându-se şi pe o difuzie însemnată a particulelor
de HRG în porii particulelor de cărbune. Difuzia şi adsorbţia particulelor de HRG la
praful de cărbune va continua şi în arzător. În această situaţie dat fiind prezenţa unui
amestec combustibil - carburant (O2 din amestecul primar, iar HRG ca să se aprindă şi
să ardă are oxigen în compoziţie) amorsarea aprinderii şi formarea flăcării de
preamestec începe a se dezvolta în arzător.
Amestecul cu aerul turbionat secundar/terţiar necesar formării procesului de
ardere se face în arzător. În lipsa HRG amorsarea aprinderii şi arderii s-ar fi dezvoltat la
distanţă de gura arzătorului specifică flăcării difuzive. Flacăra obţinută prin injecţia HRG
prezintă caracterul celor două tipuri de flăcără (de preamestec şi de difuzie), caracterul
dominant al uneia sau al alteia dintre aceste două flăcări, care de altfel depinde de
factorii constructivi şi funcţionli ai instalaţiei se va stabili experimental.
În prealabil folosind arzătorul turbionar, cu turbionare reglabilă, optimizarea
reglajului arderii, are în vedere caracteristicile cărbunelui (fineţe de măcinare, putere
calorifică, analiza imediată şi conţinutul de sulf), caracteristicile HRG (presiune,
compoziţie, debit) şi aerului (presiune, temperatură, debit).
Fineţea de măcinare trebuie să se găsească în limitele valorilor admise
R0,09≤28,5%. Difuzia HRG la particulele de praf de cărbune depind de timpul de control
şi de temperatura mediului. Se scontează pe randamente de adsorbţie a acestuia de 50-
80%. Stabilirea eficienţei injecţiei HRG la reducerea agenţilor corozivi şi poluanţi, la
formarea depunerilor sfărâmicioase pe pereţii suprafeţelor de schimb de căldură, care
se îndepărtează prin curăţire, la ameliorarea procesului de ardere şi la creşterea
randamentului cazanului are în vedere verificarea astfel încât punerea la punct a
operaţiunii de control, măsură, reglaj din dotarea instalaţiei de cazan şi efectuarea de
măsurători speciale – măsurătorile speciale privesc:
• Controlul coroziunii suprafeţelor de schimb de căldură;
• Controlul relativ la poluarea atmosferică;
• Controlul compoziţiei gazelor de ardere;
• Controlul formării depunerilor pe suprafeţele de schimb de căldură.
Controlul se va efectua înainte şi după insuflarea de HRG.
3.4.2. Controlul coroziunii suprafeţelor de schimb de căldură
Printre fracţii care formează concentraţii radicale de SO3, care duc la coroziunea
suprafeţelor de schimb de căldură se caracterizează:
• Temperatură ridicată a flăcării;
• Funcţionearea cu exces de aer şi inflitraţii de aer în gazele de ardere care sunt la
o temperatură mai mare de 4000C.
• O viteză mare de răcire a gazelor de ardere (până la 10000C);
• Absorbţia nearselor mecanice.
La temperaturi ale gazelor de ardere sub 2000C, in general, în prezenţa vaporilor
de apă se finalizează condensarea SO3 şi transformarea în SO4H2. Temperatura
punctului de rouă acidă variază între 135-1500C, dacă concentraţia de SO3 variază la de
10 la 20 ppm volum.
Condensarea este însoţită de formarea depunerilor de cenuşă şi a proceselor de
coroziune. O estimare a riscului de coroziune se poate face pornind de la conţinutul de
sulf din combustibil şi de la curbele teoretice prezentate în literatura de specialitate.
Pentru a se aprecia mai corect riscurile coroziunii sulfurice este necesar să se
măsoare direct parametrii chimici la nivelul gazelor de ardere care primesc conţinutul de
SO3, punctul de rouă acidă sau sonda pentru simularea directă a coroziunii.
Măsurarea punctului de rouă se va putea realiza cu ajutorul unei sonde care
compară un pahar de sticlă care are implantaţi doi electrozi de platină şi un termocuplu.
Faţa exterioară a paharului este expusă gazelor de ardere, iar partea interioară este
răcită cu aer comprimat (figura 3.6). Când acidul începe să se condenseze pe faţa
exterioară ia naştere un curent electric intre cei doi electrozi.
Figura 3.6. Schema de principiu a arzătorului pentru măsurarea punctului de rouă
acidă
1 – priză prelevare gaze de ardere, 2 – conductă de golire, 3 – cap de măsură, 4
– dispozitivc de curgere, 5 –electrovană, 6 – ventilator, 7 – electrod de platină
Înainte de a se efectua măsurătoarea se curăţă de cenuşă exteriorul paharului.
Când intensitatea curentului ajunge la o valoare de 5µA se înregistrează temperatura,
după care se usucă şi se curăţă corpul de depunerile existente şi se reia ciclul de
măsurare.
În realitate temperatura măsurată nu este a punctului de rouă acidă, ci o
temperatură limită sub care există riscul de coroziune. Temperatura de coroziune
corespunde la un curent de 25µA. Pentru ca măsurătoarea să se realizeze în bune
condiţii trebuie ca ecartul între temperatura de prelevare a gazelor de ardere şi
temperatura punctului de rouă să fie suficient, cca 1000C. În caz contrar măsurătorile
sunt perturbate şi pot să fie eronate.
Se poate realiza măsurarea coroziunii folosind sonde speciale din oţel care
constau dintr-un racod metalic adus la o temperatură reglabilă şi bine determinată care
este expusă acţiunii gazelor de ardere. Viteza de coroziune este evaluată la diverse
temperaturi prin cantitatea de fier oxidată pe unitatea de suprafaţă şi de timp.
Sonda este finalizată printr-un element reversibil format de o semisferă din oţel
găurită la interior sau o suprafaţă de cca 20 cm2, putând să fie răcită la interior cu aer
comprimat adus printr-un tub coaxial, un termocuplu cromel – alumel sudat cât mai
aproape de suprafaţa exterioară, pentru a controla temperatura aleasă pentru
determinarea coroziunii (figura 3.7).
Figura 3.7. Sondă de coroziune. Vedere de ansamblu
1 – epruvetă de coroziune, 2 – inel izolat, 3 – termocuplu, 4 – conductă de răcire,
5 – ţeavă, 6 – arc, 7 – piuliţă de strângere, 8 – intrare aer, 9 – garnitură de teflon, 10 –
presetupă
Temperatura de coroziune aleasă este reglată cu ajutorul unui curent de aer
rece, comprimat şi care este verificată şi înregistrată cu ajutorul unui sistem termocuplu-
potenţiometru-înregistrator.
În general se efectuează o serie de măsurători la diverse temperaturi de
suprafaţă 180-2000C. Durata măsurătorii de coroziune durează de la 30 minute la 2 ore
în funcţie de gradul de agresivitate al gazelor de ardere. După ce s-a terminat
măsurătoarea, sonda este scoasă din curentul de gaze de ardere, este răcită la
temperatura mediului ambiant şi produsele de coroziune sunt adunate după semisferă
cu ajutorul apei distilate şi a unei perii de nailon. Se determină cantitatea de sulfat de
formată sau pierderea de greutate în timpul măsurătorii.
Gradul de coroziune potenţială este exprimat în grame de fier pe m2 şi oră pentru
o temperatură de suprafaţă determinată.
Cerinţa privind viteza de coroziune în funcţie de temperatură arată creşterea
coroziunii când temperatura se micşorează. Un maxim s-a evidenţiat când temperatura
se situează cu 20 – 300C sub punctul de rouă acidă.
3.4.3. Controlul relativ la poluarea atmosferei
Prezenţa în atmosferă a poluanţilor (SOx, NOx, cenuşă etc.) depinde de
parametrii fizici la evacuare (viteza gayelor, temperatura de evacuare, înălţimea coşului
etc.) de parametrii meteorologici (temperatură, viteză şi direcţia vântului) precum şi de
relieful zonei.
În cele ce urmează se va prezenta schema de pricipiu, de prelevare a cenuşii
după electrofiltru (figura 3.8).
Gazele de ardere la ieşirea din preîncălzitorul de aer conţine cea mai mare parte
din cenuşa rezultată în urma arderii combustibilului. Este necesar să se reţină cea mai
mare parte din această cenuşă înainte de a ajunge la ventilator – pe de o parte pentru a
limita uzura prin eroziunea ventilatoarelor şi pe de altă parte pentru a menţine cantitatea
de cenuşă evacuată în atmosferă în limitele admise de norme.
Se ştie că randamentul electrofiltrului se obţine din relaţia:
rareconcentiesireconcentrareconcent
int..int.100 −
⋅=η
Determinarea concentraţiei la ieşirea din electrofiltru se face prin captarea cenuşii
în filtre (cartuşe speciale).
Determinarea concentraţiei la intrare nu se face prin captarea cenuşii, din cauza
cantităţii mari de cenuşă conţinută în gazele de ardere, care face ca filtru de captare să
se înfunde rapid. Deasemenea dimensiunile mari ale canalelor, reclamă sinda de
dimensiuni mari, dificil de manevrat şi ca atare măsurătorile de concentraţie înainte de
electrofiltre nu se recomandă să se facă. În cadrul probelor periodice se recurge la
determinarea prin calcul a concentraţiei de cenuşă din gazele de ardere pentru care se
cunosc caracteristicile cărbunelui, ars, sarcina pe cazan şi conţinutul de CO2 în gazele
de ardere. Pentru captarea cenuşii pe canalele de gaze de ardere după electrofiltre, se
amenajează prize speciale de măsură echidistante.
Figura 3.8.Schema de principiu pentru prelevare cenuşă din gazele de ardere
Gazele aspirate trec prin filtru poros, se încălzesc cu ajutorul unui dispozitiv de
încălzire electric, traversează un dispozitiv de măsură şi apoi sunt evacuate în aer cu
ajutorul u unui ejector, care lucrează cu aer comprimat sau abur. În figura 3.8. se
prezintă o schemă de principiu a instalaţiei. Cu ajutorul unei armături intercalată în
circuit se poate regla debitul de gaze pentru a se asigura prelevare izocinetică. Sonda
este prevăzută şi cu un sistem de suflare cu aer, care se foloseşte după fiecare
prelevare de probă.
Cartuşul filtrant folosit este un cartuş de formă cilindrică, în partea inferioară, fiind
prevăzut cu o sită metalică cu o densitate de 200-400 ochiuri pe cm2. în inetrior cartuşul
se umple cu o vată de sticlă rezistentă la o temperatură de lucru de cca 2000C. După ce
s-a pregătit cartuşul, acesta se usucă în etuvă, cca 2 ore, se introduce întzr-un exicator
cu silicagel timp de 30 minute după care se cântăreşte. Uscarea – cântărirea se repetă
până când greutatea cartuşului de vată nu se mai modifică. Se notează cu G1 greutatea
ansamblului cartuş – vată- sită. Se montează cartuşul la sondă, iar sonda se racordează
la restul instalaţiei cu ajutorul tuburilor de cauciuc.
Se introduce sonda în canalul de gaze de ardere, având grijă să nu se lovească
capul sondei de pereţii canalului şi se dirijează în sus priză de presiunetotală din capul
sondei pentru a nu se capta cenuşă, înainte de a incepe măsurătorile.
Se introduce sonda în canal cât este necesar şi simultan se fac următoarele
operaţii:
• Se introduce sonda pentru a dirija capul sondei în sensul de circulaţie a gazelor
de ardere;
• Vana de izolare 2 fiind deschisă, se deschide şi vana de închidere rapidă 3;
• Se reglează viteza cu ajutorul vanei de reglaj, în organul de măsură pentru a se
obţine valorea egală celei din canalul de gaze de ardere, prin menţinerea la
valoarea zero a indicaţiilor micromanometrului 15.
Odată realizat echilibrul vitezelor se declanşează cronometrul pentru o durată de
15 minute. Se menţine în timpul încercărilor echilibrul constant al vitezelor. Acest
echilibru are tendinţa să se strice la schimbarea poziţiei sondei în adâncimea canalului
manevră care se execută după 5 şi 10 minute de măsură. Deasemenea filtrul are
tendinţa de creştere a rezistenţei şi este necesar să se ajusteze reglajul prin
deschiderea vanei de reglaj. După ce au trecut cele 15 minute de prelevare se execută
simultan următoarele operaţii:
• Se închide vană de închidere rapidă 3;
• Se roteşte la 1800 sonda pentru aevita ca cenuşa să continue să pătrundă prin
orificiul sondei;
• Se scoate cu precauţie sonda din canal şi se demontează cartişul filtrant.
După aceasta se procedează la suflarea sondei, după cum urmează:
• Se izolează micromanometrul 15 închizând robinetele 12 şi 13;
• Se deschide vana 4, acre aduce aer comprimat la 4 – 7 atmosfere şi care se
destinde la 1,5 atmosfere;
• Se deschide robinetul 6 prin care se trrimite aer pentru curăţirea unei prize de
presiune, după care prin schimbarea sencului de circulaţie se suflă şi cea de a
doua priză;
• După ce s-a încheiat suflarea se închide vana 4, apoi se închide vana 6 şi se
deschid robinetele 12 şi 13.
Din gazele prelevate condensul care se formează se purjează în afară. Dificultăţi
de reglaj pot să apară când filtrul începe să se satureze şi deci, porozitatea să se
diminueze. Reglajul viteză gaze în canal şi organ de măsură nu se poate realiza şi
proaba se întrerupe. Aceste dificultăţi pot să apară în următoarele situaţii:
• Se ancrasează electrofiltrele;
• Cărbunele are cenuşă multă şi deci concentraţia în depuneri este mare.
După ultima măsurare sonda se aşează pe un suport, se suflă cu aer comprimat
şi se curăţă capul sondei cu hârtie abrazivă foarte fină. După aceea se montează capul
de protecţie a capului sondei. Cartuşele filtante se duc la laborator şi rămân în etuvă la
1050C câteva ore, apoi trec în exicator cca 30 minute şi după aceea se cântăresc.
Înainte de începerea probelor la electrofiltru se verifică etanşeitatea pupitrului de
măsură şi a sondei de captare. Această capare constă în a pune sub presiune sonda şi
pupitrul de măsură (exceptând micrometrul şi manometrul de presiune statică care vor fi
izolate). Se procedează după cum urmează:
• Se etanşează cu bandă adezivă prizele la presiune statică şi totală a sondei;
• Se izolează micrometru închizând robinetele 12 şi 13;
• Se izolează manometrul de presiune statică prin robinetul 7;
• Se pune în funcţiune aerul comprimat;
• Se închide vana de reglaj 4;
• Se închide robinetul 3, când nivelul de mercur în manometrul de presiune -
înainte de organul de măsură a ajuns la cca 400 mm;
• Se observă stabilitatea acestui circuit, scăpările admise fiind în jur de 20 mm/min.
Înainte de prima prelevare de cenuşă este necesar să se procedeze la încălzirea
sondei şi circuitului. La fiecare prelevare de depuneri se efectuează următoarele
măsurători:
• Fiecare minut: temperatura gazului înainte de organul de masură;
• Presiunea statică în canalul de gaze de ardere;
• Fiecare 30 secunde: presiunea înainte de organul de masură;
• Presiunea diferenţială la oraganul de măsură;
• Fiecare 5 minute: temperatura ambiantă;
Se notează pe fiecare foaie de măsură:
• poziţia sondei în canal;
• numărul cartuşului filtrant utilizat;
• durata încercării (dacă apare o înfundare a filtrului proba trebuie oprită).
Valorile măsurate necesare calculului randamentului instalaţiei de desprăfuire:
• h - durata prelevării, (h);
• gaw - debit gaze aspirate, (m3) – se obţine din curba debit – presiune a sondei;
• 1M - greutatea cartuşului înaintea prelevării, (g);
• 2M - greutatea cartuşului după prelevării, (g);
• 1'a - bioxidul de carbon în gazele arse la locul prelevării, (%).
Calculul concentraţiei de cenuşă în gazele de ardere la intrarea în instalaţia de
desprăfuire
Debitul orar căldură livrat de instalaţia de cazan:
( ) ( )[ ] 100344122 ⋅−⋅+−⋅= hhwhhwQu , (kcal/h)
Unde:
• uQ - căldura livrată de instalaţia de cazan, (kcal/h)
• 2w - debit abur viu la ieşirea din cazan, (t/h)
• 2h - entalpia aburului viu la ieşirea din cazan, (kcal/h)
• 1h - entalpia apei de alimentare la intrarea în economizer, (kcal/h)
• 4w - debitul de abur la ieşirea din supraîncălzitorul intermediar, (t/h)
• 4h - entalpia aburului la ieşirea din supraîncălzitorul intermediar, (kcal/h)
• 3h - entalpia aburului la intrarea in supraîncălzitorul intermediar, (kcal/h)
Debitul orar căldură introdus în instalaţia de cazan:
100⋅=η
ui
QQ , (kcal/h)
Unde:
• η - randamentul energetic brut al cazanului
• iQ - căldura introdusă în instalaţia de cazan, (kcal/h)
Debitul orar de combustibil introdus în cazan:
21 HQC i= , (kg/h)
Unde:
• 2H - puterea calorifică inferioară, (kcal/h)
Volumul gazelor de ardere la 00C şi 760 mmHg pentru o unitate de
combustibil introdusă în cazan:
( ) ( )806,0
91
3,185 ''0 EHH
aCCVg
+−⋅+
−⋅= , (Nm3/kg)
Unde:
• 0gV - volumul gazelor de ardere pentru 1 kg de combustibil, (Nm3/kg)
• C - carbon, (kg/kg)
• 'C - fracţia de combustibil pierdut sub formă de carbon
• 1a - bioxid de carbon, (%)
• H - hidrogen, (kg/kg)
• 'H - cantitatea de combustibil pierdută sub formă de hidrogen în gazele de
ardere, (kg/kg)
• E - umiditatea, (kg/kg)
Volumul gazelor de ardere la parametrii de funcţionare pentru o unitate de
combustibil introdusă în cazan:
16760760
273162730'
ptVV gg −
⋅+
⋅= , (m3/kg)
Unde:
• 'gV - volumul gazelor de ardere la parametrii de functionare, (m3/kg)
• 0gV - volumul gazelor de ardere pentru 1 kg de combustibil, (Nm3/kg)
• 16t - temperatura gazelor de ardere 0C, măsurată după ultima suprafaţă de
schimb de căldură
• 16p - presiunea gazelor de ardere, măsurată după ultima suprafaţă de schimb de
căldură
Volumul gazelor de ardere la parametrii de funcţionare pentru debitul orar
de combustibil introdus în cazan:
1' CVV gg ⋅= , (m3/kg)
Unde:
• 'gV - volumul gazelor de ardere la parametrii de funcţionare, (m3/kg)
• 1C - debitul de combustibil intrat în cazan, (t/h)
Cantitatea totală de cenuşă introdusă în cazan:
ZCZt ⋅= 1 , (m3/h)
Unde:
• Z - cenuşă, (kg/kg)
Cantitatea de cenuşă regăsită în agzele de ardere la intrare în instalaţia de
desprăfuire:
210085
iZZ tg
−⋅
= , (kg/h)
Concentraţia de cenuşă în gazele de ardere la intrare în instalaţia de
desprăfuire:
g
g
VZb ⋅= 10001 , (g/m3)
Unde:
• gV - volumul gazelor de ardere, (Nm3/h)
• 1b - concentraţia de cenuşă la ieşire, (g/m3)
Calculul concentraţiei de cenuşă în gazele de ardere la ieşirea din instalaţia de
desprăfuire:
Cantitatea de captată izocinetic pe durata prelevării:
123 MMd −= , (g/m3)
Unde:
• 1M - cantitatea de cenuşă reţinută în gazele de ardere
• 2M - cantitatea de cenuşă introdusă în gazele de ardere
Corecţia ce se aplică volumului de gaze aspirate, datorită infiltraţiilor în
instalaţia de desprăfuire:
( ) ( )( ) ( )
+−⋅⋅⋅+−⋅⋅
−⋅−⋅=
806,093,185
5,185'
'11
'1
'11
'
EHHaaCCa
aaCCA
Concentraţia de cenuşă în gazele de ardere după instalaţia de desprăfuire:
gnwdb 3
2 = , (g/m3)
Unde:
• 3d - cantitatea de cenuşă raportată izocinetic, (g)
• gnw - volumul real de gaze aspirate izocinetic, (g)
Randamentul instalaţiei de deprăfuire
1001
21 ⋅−
=b
bbdesη , (%)
3.4.4. Controlul opacităţii gazelor de ardere
Reducerea excesului de aer pentru diminuarea SO3 este limitată de apariţia
nearselor chimice şi mecanice. Nearsele chimice se determină prin cromotoprecizie.
Nearsele mecanice compuse din particule de carbon şi funingine dau o coloraţie
specifică fumului care devine mai întunecată cu cât concentraţia acestora creşte.
Pentru reglarea arderii se folosesc sonde speciale adoptatecu funcţionare
izocinetică, care ne dau o apreciere globală cu privire la nearsele mecanice din gazele
de ardere care circulă prin canal.
Opacimetrele au rolul de a aprecia coloana fumului, parametru care se află în
relaţie directă cu mărimea nearselor mecanice. Opacimetrele sunt dispozitive
complementare măsurătorilor comsumului de oxigen.
Opacimetrele sunt compuse dintr-un proiector poziţionat în canalul de gaze de
ardere, cu o celulă foto-electrică. Curentul produs prin celulă se măsoară şi se obţine
valoarea aproximativă a culorii fumului. Dispozitivul se compune (figura 3.9) dintr-un
corp optic poziţionat pe un perete al canalului şi dintr-un reflector poziţionat pe un perete
opus; capul optic constând dintr-o lampă şi dispozitivele de concentrare a luminii. O
parte din fascicolul luminos este captat şi trimis direct la celula foto-electrică de referinţă.
O altă parte formează curentul de gaze de ardere şi după reflexia în oglindă este
retrimisă la opacimetru. Fasciculul de măsură este modulat la 3,9 kHz şi al celulei de
referinţă la 1,5 kHz printr-un disc circular găurit. Un dispozitiv electronic asigură trasarea
semnalelor în funcţie de raportul care variază în acelaşi sens cu opacitatea exprimat prin
relaţia:
areferdeensitatetransmisaoasaluensitateaintint
minint... =λ
Figura 3.9. Schema de principiu a unui opacimetru
1 – cutie, 2 – reflector, 3 – lămpi de emisie, 4 – fascicol luminos de măsură,
5 – fascicol luminos de referinţă, 6 – celulă fotoelectrică, 7 – disc de modulare
semnal
Controlul funcţionării aparatului este asigurat de oglinda basculantă care dă
reflexia totală şi un filtru care arată mijlocul scării. Capul optic şi reflectorul sunt
protejate de depuneri printr-o curăţire cu aer. Necesitatea unui control al flăcării a
condus la folosirea opacimetrelor cu organ de reglaj al arderii. Parametrul de reglaj este
conţinutul de oxigen din gazele de ardere.
3.4.5. Controlul formării depunerilor pe suprafeţele de schimb de căldură
Suplimentar faţă de punctele de măsură existente se va măsura starea de
curăţire a depunerilor prin urmărirea creşterii rezistenţei întâmpinată de gazele de
ardere şi de aer pe traseele canlelor suprafeţelor de schimb de căldură convective.
Figura 3.10. Variaţia pierderilor de sarcină a unui cazan funcţie de timp
Depunerile pe partrea gazelor de ardere de pe suprafeţele de schimb de căldură
conduc la creşterea rezistenţei la curgerea gazelor de ardere, la înrăutăţirea schimbului
termic, reducerea sarcinii termice şi generarea de coroziune.
În graficul din figura 3.10 se trasează variaţia pierderilor de sarcină în timp la un
cazan, când acesta este curat, până la ancrasarea completă, ca urmare a depunerilor
formate.
3.5. Model experimental de arzător pentru praf de huilă 3.5.1. Puterea termică a arzătorului; alegerea variantei constructive
Arzătorul va fi montat montat pe cazanul pilot de la UPB pe ambrazura amplasată
pe peretele frontal, cu diametrul Φ 168.
Puterea termică a arzătorului de proiect provine dintr-un debit de 200 kg/h lignit
cu o putere calorifică de 7500kJ/kg, rezultând
Arderea lignitului se poate realiza şi cu un suport termic dat de un consum de 40
m3N/h gaz natural, puterea termică a arzătorului de gaz natural fiind:
kWPlignitt 4207500
3600200
=⋅=
kWPnaturalgayt 40035700
360040
=⋅=
Prin însumare, rezultă o putere termică de 820 kW pentru întreg focarul.
Ţinând seama de calitatea huilei, se adoptă o putere termică de calcul pentru
arzătoare de praf de cărbune:
kWPt 750=
Debitul de huilă pentru a se realiza sarcina de 750 kW rezultă în funcţie de
puterea calorifică (22010 kJ/ka)
hkgBskgB /6,122/034,022010750
===
3.5.2. Bilanţul material al procesului de ardere
Analiza elementară a huilei, determinată în laboratoarele ICEMENERG:
%.49,14
,52,11%,0,1%,25,0%,32,8%,5,3%,92,60
=
======i
t
iiic
iii
W
ANSOHC
Pe baza analizei elemntare rezultă următoarea valoare pentru puterea calorifică:
( )( ) kgkJQ
kgkJWSOHCQii
it
ic
iiiii
/2301049,141,2525,032,81095,31,102992,60339
/,1,251091,1029339
=⋅−−−⋅+⋅=
−−−+=
Volumul teoretic de aer de ardere:
( )
( )
kgmV
kgmV
kgmVV
kgmOSHCV
Numa
Na
Nauma
Nii
cii
a
30
30
300
30
18,608,60161,1
/08,632,87,025,075,05,36,592,60867,121,001,0
/,0161,1
/,7,075,06,5867,121,001,0
=⋅=
=⋅−⋅+⋅+⋅=
=
−++=
Volumul teoretic de gaze de ardere
( )
( )
kgmV
kgmV
kgmV
kgmVWHV
kgmNVV
kgmSCV
kgmVVVV
NOH
NN
NCO
Nai
ti
OH
Ni
aN
Nic
iRO
NOHNROg
/67,008,60161,049,1401242,05,3112,0
/80,410008,008,679,0
/14,125,0375,092,6001867,0
/,0161,001242,0112,0
/,0008,079,0
/,375,001867,0
,
30
30
30
300
300
30
3000
2
2
2
2
2
2
222
=⋅+⋅+⋅=
=⋅+⋅=
=⋅+=
⋅++=
+=
+=
++=
kgmV Ng /61,667,080,414,1 30 =++=
3.5.3. Alegerea variantei constructive
Pentru simularea proceselor de ardere, arzătorul va fi construit în varianta
turbionară, cu două canale de aer secundar concentrice, cu turbionarea ambelor circuite
de aer secundar. Praful de huilă şi aerul primar este introdus central, neturbionar prin
capul arzătorului.
În schiţa din figura 3.11 s-au notat dimensiunile impuse de construcţia ambrazurii,
dA=168mm şi la=120mm.
Arzătorul este autoportant, canalul de praf d huilă şi aer primar (agentul primar)
se va menţine în conducta de legătură cu moara, iar aerul secundar în canalul de
legătură cu magistrala de aer. Aerul secundar II (terţiar) va face parte din construcţia
rigidă a ambrazurii, fiind parte constructivă a arzătoarelor turbionare de lignit. Mărimea
redusă a arzătorului nu impune necesitatea unor legături speciale pentru preluarea
dilatărilor.
Figura 3.11. Schiţa constructivă a arzătorului de huilă
3.5.4. Dimensionarea arzătorului pentru praf de huilă
Pentru o umiditate %49,14=itW şi un conţinut de cenuşă Ai=11,52%, viteza
recomandată de insuflare a prafului de huilă este :
smW /201 =
Participaţia aerului primar p în aerul total necesar arderii pentru huila cu calitatea
respectivă se adoptă la valoarea:
22,0=pDebitul de agent primar ce corespunde acestei proporţii de aer primar va fi
2732730 tmpVBV umap
+⋅⋅=&
unde:
B – este debitul de combustibil, în kg/h (B=122,6kg/h);
0umaV - volumul teoretic de aer, în m3
N/kg ( 0umaV =6,18 m3
N/kg;
tm – temperatura aerului primar (tup=800C);
r – gradul de reciclare de gaze de ardere (r=0,12).
S-a adoptat recirculare de gaze de ardere pentru scăderea emisiei de oxizi de
azot, şi pentru un control al uscării huilei în cursul procesului de ardere.
( ) hp mV /324122,012,01
2738027318,66,122 =⋅+
+⋅=&
Diametrul interior al conductei de agent primar va fi calculat din ecuaţia de debit:
[ ]smWdV pp /4
31
21 µπ⋅=&
pWV
d p
µπ 11
4 &⋅=
unde µp este concentraţia masică a prafului decărbune în agentul primar în kg/kg.
( )rVB
app +=
1ρµ
&
Cu aρ s-a notat densitatea aerului, în kg/m3, 0aρ fiind densitatea aerului pentru
condiţii normale, în kg/m3N
[ ]kgkgtm
ap /273
2730
+⋅= ρρ
pentru ,/32,1 30Na mkg=ρ a rezultat
3/02,180273
27332,1 mkga =+
=ρ
( ) kgkgp /44,012,0102,1241
6,122=
+⋅=µ
08,012.144,020
067,041 =
⋅⋅⋅⋅
=π
d
Diametrul exterior al canalului de aer primar va fi:
mmddd 8995,42 112 =+=⋅+=
Debitul de aer secundar şi terţiar:
( )273
2731 ptpVBV umats′′+
−⋅=+&
Unde pt ′′ este temperatura aerului preîncălzit ( )Cpt 0250=′′
( ) hmV ts /1132273
25027322,0118,66,122 3=+
−⋅=+&
Acest debit de aer se împarte în aer secundar ( )sV& şi aer terţiar ( )tV&
Se adoptă:
( )smVhmV ss /153,0/550 33 == &&
( )smVhmV tt /162,0/582 33 == &&
Raport aer terţiar/aer secundar = 94,0582550
=
Pentru dimensionarea canalului de aer secundar s-a adoptat viteza aerului
./302 smW = Conform ecuaţiei debitului rezultă următoarea relaţie:
( ) [ ]smWddVs /4
32
22
23 ⋅−=
π&
unde cu d3 s-a notat diametrul interior al cazanului de aer secundar (figura 3.12)
Figura 3.12. Dimensiunile canalelor de agent primar (praf de huilă) şi aer secundar
[ ]mdWVd s 2
22
34
+⋅
=π
&, md 12,0089,0
30153,04
3 =+⋅
⋅=
π
Admiţând o grosime de 5mm, diametrul exterior al canalului de aer secundar va
deveni:
mdd 13,05212,05234 =⋅+=⋅+=
La finele cazanului de aer secundar se montează plăcuţe (palete) de turbionare
amplasate axial sub unghiul α faţă de axa de curgere. Plăcuţele au o lungime de
acoperire axială de 20 mm, o înălţime egală cu diferenţa diametrelor d3-d2 =0,12-
0,089=0,031, m=31mm şi o grosime de 3mm.
Se vor monta 12 plăcuţe , cu unghiul de divizare al cercului de bază B=300. În
figura 3.13 se prezintă detalii pentru dimensiunea plăcuţelor şi montajul acestora.
Plăcuţele vor fi montate fix, prin sudură. Unghiul de montaj faţă de axa arzătorului se
adoptă sub valoarea α = 450.
Figura 3.13. Elemente privind construcţia şi montajul plăcuţelor de turbionare pe canalul
de aer secundar
Pentru unghiul α = 450, pentru o acoperire axială de 20 mm, rezultă o lungime a
plăcuţelor de 28 mm.
Gradul de turbionare al curentului de aer secundar rezultă din relaţia:
( ) απ
tgdddddn 322
223
32
33
2 38
⋅−
−=
( )0
22
33
2 4513,02089,012,0
089,012,038 tgn ⋅⋅
−−
=π
65,12 =n
Viteza tangenţială a aerului secundar (W2t) rezultă din valoarea gradului de
turbionare
smnWW t /5,4965,130222 =⋅=⋅=
Paletele se vor monta astfel încât să creeze o turbionare de la stânga la dreapta.
Cele două conducte de agent primar şi aer secundar se montează în ambrazura
focarului, ce are diametrul interior d5=da=0,168m.
Se creează astfel, un canal pentru curgerea aerului terţiar cu grosimea egală cu
da-d4=0,168-0,13=0,055m.
Acest canal, cuprinde un sistem de palete de turbionare radiale, ce face parte din
construcţia arzătoarelor de bază pentru lignit pulverizat.
În acest scop, se va verifica viteza de curgere axială a aerului terţiar W3, valoare
ceva mai redusă pentru a penetra mai târziu în jetul turbionat format, pentru realizarea
arderii în trepte. Această viteză va trebui să nu fie mai mică de 0,6 din viteza aerului
secundar W2, din considerente aerodinamice legate de valoarea impulsului axial care
dacă este mai redus lungeşte prea mult întâlnirea aerului terţiar cu jetul de bază. Viteza
axială a aerului terţiar, rezultă din ecuaţia debitului:
( )[ ]sm
dd
VW t /,
424
22
3
−= π
&
( )smW /19
13,0168,04
162,0
22
3 =
−
= π
Raport viteze aer terţiar/aer secundar = 63,03019
=
Gradul de turbionare rezultă din relaţia:
εα
mLdn a
⋅=
cos2
3
unde : m este numărul de palete; L – lăţimea paletelor, în m; ε - cea mai mică distanţă
dintre palete; α – unghiul dintre palete şi normala în punctul de rază minimă a paletei
δ fiind grosimea paletei.
Arzătorul prezintă următoarele elemente constructive:
006,0,168,0,45,05,0;12 0 ===== δα admLm
[ ]m006,012
45sin12
sin168,0 −
+⋅=
ππε
m037,0=ε
37,5037,01205,0
45cos168,0 0
3 =⋅⋅
=n
Viteza tangenţială a aerului terţiar
smWnW t /1021937,5333 =⋅=⋅=
3.5.5. Caracteristicile aerodinamice ale ansamblului de jeturi
Ansamblul de jeturi este format din:
- jetul central de agent primar neturbionat;
- jetul de aer secundar I, turbionat de la stânga la dreapta;
- jetul de aer secundar II, (terţiar), turbionat de la stânga la dreapta.
Detaliile constructive sunt prezentate în desenul de ansamblu.
Pentru un ansamblu de jeturi, se definesc următoarele caracteristici
aerodinamice:
- Viteza axială ux, în m/s:
[ ]mmm
da ,sinsin δπαπε
+=
[ ]smWF
WFu n
iiii
n
iiii
x /
1
1
2
∑
∑
=
==ρ
ρ
unde: ρ este densitatea fluidului i, în kg/m3; Fi – secţiunea de curgere pentru
fluidul i, în m2; Wi - viteza axială a fluidului i, în m/s.
Pentru jetul de agent primar:
( ) [ ]301 /1
273273 mkg
t pm
a µρρ ++
=
( ) [ ]31 /47,144,01
8027327332,1 mkg=++
=ρ
222
11 005,0
408,0
4mdF =
⋅==ππ
Pentru jetul de aer secundar I:
[ ]302 /
273273 mkg
tpa ′′+
= ρρ
[ ]32 /69,0
25027327332,1 mkg=+
=ρ
( ) [ ]222
232 4
mddF −=π
( ) [ ]2222 005,089,012,0
4mF =−=
π
[ ]smW /302 =
Pentru jetul de aer terţiar (secundar II):
[ ]30 /273
2733 mkgtp
a ′′+= ρρ
[ ]33 /69,0
25027327332,1 mkg=+
=ρ
smW /201 =
( ) [ ]2223 4
mddF ua −=π
( ) [ ]2223 0088,013,0168,0
4mF =−=
π
Prin compunerea interacţiunii celor 3 jeturi rezultă următoarea valoare pentru
viteza axială
[ ]smWFWFWFWFWFWFU z /
333222111
2333
2222
2111
ρρρρρρ
++++
=
190088,069,0300051,069,020005,047,1190088,069,0300051,069,020005,047,1 222
⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅
=Ux
[ ]smux /5,22=
Gradul de turbionare pentru ansamblul de jeturi:
∑
∑
=
=
⋅= n
Iiii
n
iiiiii
WFD
DWFnn
1
2
1
2
ρ
ρ
unde faţă de mărimile prezentate anterior s-a mai notat : ni –gradul de turbionare a
fluidului i; Di – diametrul caracteristic pentru canalul de secţiune Fi; D – diametrul
ambrazurii, în m.
Pentru jetul de agent primar:
Pentru jetul de aer secundar I:
smWmF
mkgmdD
n
/20005,0
/47,108,0
0
1
21
31
11
1
==
=
===
ρ
smWmF
mkgn
/30005,0
/69.065.1
1
22
32
2
==
=
=
ρ
mdddD 104,02
089,0,012,0089,02
2322 =
−+=
−+=
Pentru jetul de aer terţiar (secundar II)
mdddD a 149,02
13.0168,013,02
443 =
−+=
−+=
Prin compunerea celor trei jeturi a rezultat următoarea valoare a gradului echivalent de
turbionare:
( )2333
2222
2111
32
333322
2222
WFWFWFdDWFnDWFnn
a ρρρρρ++
+⋅=
( )222
22
190088,069,0300051,069,020005,047,1168,0149,0190088,069,067,5104,0300051,069,065,1⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅
⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅=n
72,1=n
Viteza tangenţială echivalentă a ansamblului jeturilor:
[ ][ ]smW
smnUW
x
xx
/7,3872,15,22/=⋅=
⋅=
Încărcarea termică a ambrazurii arzătorului
[ ]22 /
4
mkWdQBq
a
ii
a π⋅
=
[ ]22 /35310
4168,023010034,0 mkWqa =
⋅⋅
=π
smWmF
mkg
n
/190088,0
/69.03
37,5
1
23
33
==
=
=
ρ
Pentru definitivarea soluţiilor constructive ale instalaţiei de injecţie, a arzătorului şi a
camerei de amestec s-au utilizat datele obţinute din simulare numerică aşa cum se
prezintă în figurile 3.14 şi 3.15.
Fig.3.14. Dimensionarea instalaţiei de injecţie HRG
Fig.3.15. Dimensionarea arzătorului şi a camerei de amestec.
IV. CONCLUZII - Amenajarea complexă a instalaţiei pilot pentru experimentări cu un grad ridicat de
relevanţă a generat o serie de activităţi conexe foarte laborioase şi costisitoare atât ca
timp cât şi ca investiţii specifice. Obiectivele urmărite au fost asigurarea unei uniformităţi
maxime a concentraţiei de hidrogen cel puţin în vecinătatea duzelor de injectare ale
acestuia, disocierea cât mai pregnantă a moleculelor de oxigen de cele de hidrogen
pentru a permite acestora din urma un drum cât mai facil către particulele de combustibil
solid, asigurarea unui timp de rezidenţă cât mai ridicat pentru particulele de combustibil
solid pulverizat în zona de injectare a gazului bogat în hidrogen. Din acest motiv s-au
analizat mai multe variante de arzătoare decât s-a presupus iniţial – în analiză contând
mai mult partea constructivă din amonte de ambrazură a acestora.
- Pentru a proiecta o instalaţie cât mai adecvată partenerii P1 şi CO au pus la punct un
stand pre-experimental flexibil, în care au creat prin similitudine condiţiile de desfăşurare
a procesului de injectare şi amestecare a gazului bogat în hidrogen cu praful de
cărbune. Probele prelevate în urma testărilor efectuate au fost analizate comparativ
pentru a determina gradul de adsorbţie a hidrogenului cu ajutorul unor instalaţii speciale.
În acest mod au rezultat câteva elemente de bază în realizarea detaliilor instalaţiei de
injectare a gazului bogat în hidrogen în praful de cărbune pulverizat.
- În vederea definitivării condiţiilor de utilizare a instalaţiei pilot au fost separate prin
clasificare, mai multe sorturi de praf de cărbune (diferenţiate prin clase granulometrice
diferite) în urma măcinării în instalaţia de moară ventilator. Această operaţie va permite
evidenţierea caracteristicilor granulometrice optime pentru praful de cărbune pulverizat
în condiţiile realizării unui grad de adsorbţie maxim a hidrogenului din gazul injectat. Tot
în cadrul aceleiaşi activităţi au fost testate mai multe geometrii ale camerelor de
amestec destinate montării în amonte de arzător după zona de injectare a gazului bogat
în hidrogen. În urma realizării acestor teste a fost definitivată soluţia constructivă a
camerei de amestec.