energetic si electric

AGREGATE TERMICE şi ELECTRICE Noiembrie 2011 pag.1 Dan Constantinescu /2011

8 U.P.B. Fac. Ştiinţa &Ingineria Materialelor Cat. Procesarea Materialelor şi Ecometalurgie

5.3 Unele acţiuni privind reducerea consumului de combustibil

Pentru agregatele termice, datorită dezavantajelor de ordin tehnologic rezultate la ardere, combustibilii inferiori sunt consideraţi cărbunii (lignit, de exemplu) şi păcura de proastă calitate. Există totuşi modalităţi de introducere în circuit tehnic a unor astfel de surse energetice bazate pe măsuri prin care să se diminueze dezavantajele lor.

Astfel, în cazul combustibililor solizi, se poate apela la două metode principale: arderea acestora sub formă pulverulentă şi gazeificarea.

Arderea combustibililor solizi pulverulenţi în jet de flacără poate fi introdusă şi chiar extinsă la diverse tipuri de agregate termice dacă se au în vedere unele considerente economice şi tehnologice, cum ar fi: cheltuielile pentru măcinare sunt atenuate în mare măsură de faptul că în prezent în sectoarele metalurgice rezultă, datorită manipulărilor, cantităţi relativ mari de cărbune praf şi cocs praf, care, în urma unei operaţii de sortare granulometrică, pot fi dirijate spre ardere.

Deoarece jetul de flacără obţinut în astfel de cazuri are caracter reducător, folosirea lui este justificată tehnologic la unele cuptoare în care se produc procese de reducere a oxizilor.

Influenţa negativă pe care o are flacăra ce conţine cenuşă şi gaze sulfurate asupra topiturilor de fontă şi oţel poate fi atenuată prin mijloacele moderne de rafinare oferite de metalurgia secundară. Cantităţi importante de cărbune-praf pot fi valorificate pentru carburarea flăcărilor neluminoase rezultate din arderea combustibililor gazoşi. O altă posibilitate de folosire a cărbunilor este gazeificarea acestora, în urma căreia rezultă un combustibil gazos, numit gaz de gazogen (sau de generator) care este dirijat spre cuptoare pentru ardere. Păcura devine şi ea un combustibil utilizat fără dezavantaje tehnologice sau legate de protecţie prin: gazeificare, proces al cărui rezultat este obţinerea unui combustibil gazos fără componenţi ce conţin sulf; utilizarea la carburarea flăcărilor neluminoase ale combustibililor gazoşi. Folosirea produselor secundare combustibile În urma proceselor tehnologice care au loc în unele cuptoare metalurgice rezultă produse secundare gazoase care, datorită compoziţiei lor (conţin cantităţi însemnate de H2, CO, CH4) reprezintă combustibili artificiali foarte ieftini. În urma captării şi epurării, aceste produse sunt vehiculate spre agregatele termice de încălzire pentru ardere. Astfel de combustibili artificiali, utilizaţi pe scară mai largă, sunt:

- gazul de cocserie - este gazul rezultat în urma proceselor care au loc în bateriile de cocsificare având: CO = 5%, H2 = 55% şi CH4 = 20%, prezintă o putere calorică Hi = cca. 1600 kJ/m3

N; - gazul de furnal - este produsul captat la partea superioară a furnalelor; el

conţine: CO = 28% şi CH4 = 1%, având Hi = cca. 4000 kJ/m3N;



- gazul de cubilou - este amestecul rezultat în urma proceselor din cubilou la un conţinut de (CO + H2) = 12%; are Hi ‘ cca. 1500 kJ/m3

N. Utilizarea de înlocuitori pentru combustibilii scumpi şi deficitari Aşa după cum s-a arătat, pentru cuptoarele metalurgice, cocsul şi păcura sunt scumpi şi deficitari, iar gazul natural a devenit combustibil scump. În vederea micşorării consumurilor de astfel de produse, prin cercetare se caută modalităţi de înlocuire parţială sau totală a acestora, vizând următoarele căi:

- înlocuirea parţială a cocsului la furnale şi cubilouri prin suflare de jeturi de cărbune pulverizat;

- înlocuirea parţială a cocsului prin suflare de păcură de calitate inferioară; - înlocuirea gazului natural cu combustibili gazoşi artificiali sau cu amestecuri

ale acestora numite bigaz sau trigaz. Raţionalizarea prin acţiuni de natură organizatorică Astfel de măsuri se referă în special la prevenirea risipei, care poate fi combinată prin raţionalizarea manipulării şi depozitării combustibililor şi prin stabilirea şi respectarea unor norme de consum fundamentate ştiinţific. Depozitarea combustibilului în depozite acoperite şi închise trebuie astfel realizată încât să se evite pierderile cantitative prin manipulare şi transport şi deprecierea calitativă. Mărirea pierderilor cantitative înseamnă de fapt creşterea consumului anual de combustibil, deoarece întreprinderea consumatoare trebuie să programeze cote de aprovizionare mai mari, iar deprecierea calitativă determină micşorarea puterii calorice a combustibilului.

Pentru a se micşora pierderile cantitative, suprafaţa de depozitare trebuie să fie plană, înclinată pentru scurgerea apelor şi supraînălţată faţă de terenul înconjurător. La construcţia depozitului, platforma de depozitare se curăţă, se nivelează, se acoperă cu un strat de pietriş, zgură sau argilă, după care se bătătoreşte cu un compresor rutier. Depozitarea combustibililor lichizi se face în rezervoare dispuse pe platforme supraînălţate cu 0,2 m faţă de terenul înconjurător. Rezervoarele, butoaiele şi bidoanele se aşează în aşa fel încât consumul să se facă în ordinea vechimii depozitării. La gurile de descărcare şi la pâlniile prin care se toarnă combustibilul lichid se prevăd site metalice de 0,3 mm pentru reţinerea impurităţilor metalice. Aceste site se curăţă periodic cu deosebită grijă. La combustibilii gazoşi nu poate fi vorba de o depozitare propriu-zisă, deoarece ei se transportă prin conducte de la furnizor la consumator. Totuşi, pentru evitarea pierderilor datorate scurgerii prin neetanşeităţi devine obligatorie urmărirea stării flanşelor, presgarniturilor, manşoanelor de dilatare şi robinetelor.



6. Arderea combustibililor utilizaţi în agregatele termice 6.1 Tipuri de combustibili utilizaţi

Clasificarea principală a combustibililor se face după originea lor şi după starea

lor de agregare. Ca atare, combustibilii se împart în naturali şi artificiali, fiecare subîmpărţindu-se în combustibili solizi, combustibili lichizi şi combustibili gazoşi. O clasificare generală este prezentată în tabelul 1.

Tabelul 1: Clasificarea generală a combustibililor

Starea de agregare a combustibilului

Combustibili naturali Combustibili artificiali

Solid lemn, turbă, cărbune brun, huilă, antracit

cărbune de lemn, cocs, praf de cărbune

Lichid petrol benzină, păcură, motorină, gudron de huilă

Gazos gaze naturale, gaze de sondă Gaz de cocserie, gaz de furnal, gaz de generator, gaz de apă

Combustibilii lichizi şi gazoşi au următoarele avantaje în cazul utilizării lor la

cuptoarele de încălzire: - transport comod prin conducte sub presiune - ardere cu exces de aer scăzut, deoarece aerul şi combustibilul se pot

amesteca foarte bine - posibilitatea repartizării şi degajării de căldură prin mai multe arzătoare - posibilitatea reglării formei flăcării după geometria interioară a agregatului termic - reglare comodă a procesului arderii şi a aportului de combustibil - lipsă totală de cenuşă în cazul combustibililor gazoşi

Astăzi, consumurile de energie din industria siderurgică se structurează pe

următoarele direcţii: energie electrică, petrol, gaze, cărbune. Ţările puternic industrializate, mari consumatoare de energie, se situează pe plan mondial şi printre marii producători energetici, acordând totodată atenţie reducerii, pe baze tehnologice, consumurilor energetice. Ţările cu cele mai mari consumuri de energie sunt ţările cu o industrie puternică.

La alegerea sursei de energie în industria siderurgică în general, trebuie avută în vedere perspectiva dezvoltării resurselor energetice, acest lucru având consecinţe directe asupra tipurilor de tehnologii ce pot fi abordate, a realizării consumurilor specifice şi a costurilor de fabricaţie în limite competitive.



Conform studiilor şi analizelor efectuate de unele publicaţii de specialitate , structura producţiei energetice pe plan mondial, până în anul 2020 va fi cea prezentată în tabelul 2.

Tabelul 2. Prognoza structurii energetice mondiale până în anul 2020 [în exajouli; 1EJ=1018 J]

Tipul de energie

1975 1987 1999 2020

Cărbune 66 115 170 259 Petrol 115 216 195 106 Gaz metan 46 77 143 125 Energie nucleară

2 23 88 314

Energie hidraulică

14 24 34 56

Petrol şi gaze din surse încă nevalorificate

0 0 4 40

Alte energii (solară, geotermică)

26 33 56 100

6.2 Compoziţia chimică a combustibililor

Cantitatea de căldură care se degajă în timpul arderii depinde în mare măsură de compoziţia chimică a combustibilului. Cea mai mare parte a combustibililor naturali este de origine organică şi de aceea principalii lor componenţi sunt carbonul şi hidrogenul. Aceştia se găsesc sub formă de diferite combinaţii. În compoziţia combustibililor intră de asemenea oxigen, azot, sulf, care în combinaţii specifice, formează baza combustibilului.

Analiza chimică a combustibililor (analiza elementară) se poate efectua atât pentru determinarea elementelor chimice care intră în compoziţia lor (C, H, O, N, S) cât şi pentru determinarea diferitelor combinaţii chimice pe care le conţine combustibilul (de exemplu, în cazul combustibililor gazoşi CO, CO2, CH4, SO2 etc.).

Analiza elementară se face cu scopul de a determina conţinutul de carbon, C, hidrogen, H, oxigen, O, azot, N, sulf, S, cenuşă, A şi umiditate, W, în procente de masă. Această metodă de analiză nu dă însă posibilitatea de a se afla din ce combinaţii ale acestor elemente chimice constă combustibilul şi de aceea nu permite cunoaşterea multora dintre proprietăţile acestuia.

În conformitate cu analiza elementară, la un combustibil se disting: masa organică, masa combustibilă, combustibil anhidru şi proba iniţială (tabelul 3).



Tabelul 3. Elementele chimice componente ale combustibililor solizi şi lichizi

Elemente Indici C H O N S A W

o masa organică

mc masa combustibilă

anh proba uscată la aer

i proba iniţială

Când se scriu rezultatele analizei în diferite stări ale combustibilului se

utilizează indicii din tabelul 3. De exemplu: Co: carbonul pe care îl conţine masa organică; Smc: sulful pe care îl conţine masa convenţională etc.

6.3 Puterea calorică a combustibililor

Când arde un combustibil are loc o degajare de energie termică. Cantitatea de căldură care se degajă este legată de compoziţia chimică a acestuia.

Puterea calorică inferioară a combustibilului corespunde mai bine situaţiei reale, deoarece în practică, când arde un combustibil vaporii de apă în stare gazoasă sunt antrenaţi de produsele arderii.

Hs - HI = 2671 - 161 = 2510 kJ/Kg H2O

Hs: puterea calorică superioară Hi: puterea calorică inferioară

Practic, puterea calorică se determină prin calcul, pe baza datelor analizei

elementare, utilizându-se efectele termice ale reacţiilor de ardere ale diferiţilor componenţi ai combustibilului. Datele pentru aceste calcule sunt prezentate în tabelul 5. Utilizând date din tabelul 3 şi cunoscând compoziţia combustibilului gazos, calculul pentru acest tip de combustibili este foarte simplu.

Combustibilul convenţional este introdus pentru a compara combustibilii de diferite feluri. Acesta este un combustibil teoretic care are o putere calorică de 29.300 kJ/kg. (iniţial, era un combustibil convenţional cu Hi=7000kcal/kg). Pentru a se converti un combustibil oarecare în combustibil convenţional trebuie să se împartă puterea sa calorică la puterea calorică a combustibilului convenţional.

6.4 Combustibili lichizi şi solizi

Dintre combustibilii lichizi cel mai utilizat la cuptoarele de încălzire este păcura. Totuşi, utilizarea lui este limitată datorită unor inconveniente în comparaţie cu



combustibilii gazoşi. Dintre inconveniente se pot aminti: probleme de transport, deşeuri de ardere, creşterea sensibilă a vâscozităţii la scăderea temperaturii, instalaţii de ardere mai complexe.

Păcura de diferite provenienţe are compoziţii elementare funcţie de petrolul brut din care provine. În general, compoziţia păcurii se încadrează în următoarele limite: Cmc=86,3÷87,1%, Hmc=12,3÷13,1%, Omc=0÷0,35%, Nmc=0÷0,5%, WI=0÷10%.

Conţinutul de sulf al păcurii variază funcţie de sursa de extracţie între 0,5 şi 4%. Prezenţa sulfului în păcură este nedorită datorită efectelor corozive şi poluante ale acestuia în special prin intermediul compuşilor rezultaţi în urma proceselor de ardere.

Indicii importanţi care caracterizează calitatea păcurii sunt: temperatura de congelare şi vâscozitatea. Vâscozitatea scade mult odată cu creşterea temperaturii păcurii.

Puterea calorică inferioară a păcurii variază în funcţie de compoziţia sa şi de umiditate între 35.000 şi 42.000 kJ/kg.

6.5 Combustibili gazoşi Avantajele combustibililor gazoşi sunt: amestecare mai bună cu aerul de combustie, arderea cu exces de aer scăzut, transport comod, utilizare mai simplă la instalaţiile de ardere, absenţa cenuşii. Gazele naturale constituie cel mai ieftin combustibil, preţul fiind mai scăzut decât al petrolului şi al cărbunelui. În tabelul 4 este prezentată compoziţia generală a gazelor naturale. Gazele de sondă se deosebesc de gazele naturale din zăcăminte exclusiv de gaze prin conţinutul ridicat de omologi ai metanului (etan C2H6, propan C3H8, butan C4H10). Aceştia dau o putere calorică mai mare pe unitatea de volum. Combustibilii gazoşi artificiali Gazul de cocserie se obţine în procesul de cocsificare al cărbunilor. Compoziţia generală a acestui gaz este dată în tabelul 5. Tabelul 4. Compoziţia gazelor naturale

Metan CH4

%

Etan C2H6

%

Propan C3H8

%

Butan C4H10

%

Hidro-carburi grele CmHn %

Dioxid de carbon CO2 %

Hidrogen sulfurat H2S %

Azot N2

%

Densitate relativă în raport cu aerul

78…98 0,5…4,4

0,2…1,7 0,1…1,0

0,05…0,6

0,05…0,6

0,5…1 0,4…13,5

0,57…0,70

Tabelul 5: Compoziţia generală a gazului de cocserie

Hidrogen H2

%

Metan CH4

%

Hidrocarburi grele CmHn %

Monoxid de carbon CO %

Dioxid de carbon CO2 %

Oxigen O2

%

Azot N2

%

55…63 21…25 1,4…2,6 4,2…6,9 2,2…4,0 0,6…0,8 4,7…8,4



Cauzele variaţiei compoziţiei combustibilului „gaz de cocserie” se datorează diferenţei de compoziţie a cărbunilor şi diferenţei de temperatură a procesului (o temperatură mai înaltă corespunde unui conţinut mai ridicat de hidrogen al gazelor şi un conţinut mai redus de metan).

Puterea calorică a gazelor de cocserie în condiţii normale de exploatare a cuptoarelor variază între 16.000 şi 19.000 kJ/m3N. Gazul de generator este un produs de gazificare fără reziduu a combustibililor solizi. Gazificarea se poate face cu ajutorul oxigenului introdus odată cu aerul sau cu ajutorul vaporilor de apă. În tabelul 6 este prezentată compoziţia chimică a gazului de generator. Tabelul 6: Compoziţia chimică a gazului de generator

Gazul H2%

CH4%

CO %

N2%

CO2%

Puterea calorică inferioară kJ/m3N

Gaz de aer

1…7 1…3,0 24…34 54…70 1..17 3340…4180

Mixt 13…19 0…1,5 17…27 49…50 6…8 5430…5850 Gaz de apă

44…53 0…4,0 40…45 1…8 1,5…6 11.700…12.540

Gazele de furnal se obţin în mari cantităţi (3 m3N/kg de fontă) în cursul elaborării fontei în furnal. În uzinele metalurgice, gazele de furnal joacă un rol foarte important în bilanţul termic, cuprinzând peste 40% din puterea calorică a cocsului introdus în furnal. În tabelul 7 este prezentată compoziţia generală a gazului de furnal.

Tabelul 7: Compoziţia chimică a gazului de furnal

CO2 % CO % CH4 % H2 % N2 % 9…15 23…31 0,3…1,7 2…7,5 54…58

In tabelul 8 sunt trecute efectele termice ale reacţiilor de ardere pentru elementele componente ale combustibililor lichizi şi solizi şi a celor gazoşi.

6.6 Elemente privind calculul arderii combustibililor

Din procesul arderii combustibililor rezultă produse de ardere (gaze arse) şi se dezvoltă o anumită cantitate de energie termică care va fi difuzată în spaţiul termic al agregatului.

Ca urmare a reacţiilor de oxidare ce se produc în timpul arderii, produsele de ardere vor avea o anumită temperatură care depinde de temperatura de ardere a combustibilului. La rândul ei, această temperatură depinde de puterea calorică a combustibilului şi de condiţiile în care se produce arderea (exces de aer, aport de căldură fizică suplimentară, pierderi de căldură).



Tabelul 8. Efectele termice ale reacţiilor de ardere

Reacţia Efectul termic al reacţiei kJ/kmol kJ/kg

kJ/m3N C + O2 = CO2

12kg C + 32kg O2 = 44 kg CO2

408.177 34.012 -

C + 0,5O2 = CO 12kg C + 16kg O2 = 28kg CO

125.479 10.270 -

CO + 0,5O2 = CO228kg CO + 16kg O2 = 44kg CO2

22,41m3N CO+ 11,20 m3

N O2 = 22,41m3N CO2

285.076 10.102 12.623

CO + H2Ovap = CO2 + H228kg CO+18kg H2O=44kg CO2 + 2kg H2

43.513 - -

C + H2Ovap = CO + H212kg C+18kgH2O=28kg CO+2kg H2

- 118.628 - 9885 -

H2 + 0,5O2 = H2O 2kg H2 + 16kg O2 = 18 kg H2O

22,41m3N H2 + 11,20 m3

N O2 = 22,41m3N H2O

285.744 142.872 12.749

H2 + 0,5O2 = H2Ovap 2kg H2 + 16kg O2 = 18 kg H2O

22,41m3N H2 + 11,20 m3

N O2 = 22,41m3N H2O

241.645 120.822 10.742

S + O2 = SO232kg S + 32kg O2 = 64kg SO2

291.764 9.116 -

H2S + 1,5O2 = SO2 + H2S 34kg H2S + 48kg O2 = 64kgSO2 +18kg H2O

22.41m3N H2S + 33.62m3

N O2 =22,41m3NSO2

+22,41m3N H2S

518.996 15.265 23.170

CH4 + 2O2 = CO2+H2Ovap22,41m3

N CH4+44,82m3N O2

=22,41m3NCO2+22,41m3

N H2O

804.232 50.062 35.739

C2H4+3O2 = 2CO + 2H2Ovap22,41m3

NC2H4+67,24m3NO2 =44,82m3

NCO+ 44,82m3

N H2O

1.339.272 47.202 58.938

Prin calculul arderii combustibilului se vor determina: - puterea calorică a combustibilului - volumul (sau masa) de aer necesar arderii - volumul (sau masa) de gaze arse - temperatura de ardere - densitatea produselor de ardere

Puterea calorică (inferioară) a combustibilului se determină cunoscând

compoziţia chimică a combustibilului şi efectul termic al reacţiilor de ardere. Relaţia de bază va fi:

...222244+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=⋅=∑ SHSHHCHCHHCHCHCOCOiii rhrhrhrhrhrhH

nmnm(1)



în care: hi: efectul termic al fiecărei reacţiei de ardere a componentelor combustibile (v. tabelul 8) ri: participaţia elementului combustibil

Consumul de aer necesar arderii se poate determina în unităţi de volum sau de masă. Exemplu: În cazul arderii metanului, are loc următoarea reacţie:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 1mol CH4…………………………………..2moli O2

deoarece 1 mol ocupă 22,41 m3N

22,41 m3N CH4……………………….2.22,41=44,82 m3

N O2 Deci pentru 1m3

N CH4, sunt necesari 2m3N O2.

Volumul de oxigen din aer reprezintă 21%, 79% fiind azot. Deci volumul de azot din aerul de combustie va fi de 3,762 ori mai mare decât volumul de oxigen. Deci volumul de aer necesar pentru arderea a 1m3N de metan este de:

NVVV NOart3m 524,9762,322

22=⋅+=+=

În mod asemănător se procedează pentru celelalte componente ale combustibilului gazos. În cazul combustibilului lichid sau solid se folosesc unităţi de masă pentru calculul aerului necesar arderii. Exemplu. În cazul arderii carbonului masa de aer necesar arderii se determină astfel, pornind de la reacţia de ardere:

C + O2 = CO21mol C…………………………1mol O2

1mol C=12kg ; 1mol O2=16.2=32kg deci pentru 1kg C sunt necesari 32/16 = 2,76 kg O2

Oxigenul reprezintă 23,2% din aer (în unităţi de masă) iar azotul 76,8%. Deci

cantitatea de azot din aer va fi: kg83,831,376,22,238,7676,2 =⋅=⋅ .

Deci pentru arderea a 1kg de carbon sunt necesari 2,76+8,83=11,50 kg aer. Pentru a determina volumul de aer echivalent acestei mase se va utiliza densitatea aerului ρaer=1,293 kg/m3

N:

NmVaer389,8293,1

50,11 ==

La arderea combustibililor cantităţile de oxigen sau de aer obţinute prin calcul

sunt minime (teoretice), conform reacţiei stoechiometrice. Practic, arderea



combustibililor are loc cu o cantitate de aer care depăşeşte aerul teoretic (minim). Raportul dintre consumul real de aer (Vr) şi cel teoretic (Vt) se numeşte exces de aer (ϕ).

tVCoeficientul de exces de aer este valabil numai pentru arderea completă a

combustibilului în aer. În cazul arderii incomplete, când cantitatea de oxigen consumată este mai mică decât cea teoretică este ap

ra

V=ϕ (2)

licabil numai coeficientul de onsum de oxigen, care devine mai mic decât unitatea:

c

Ot

O VDacă la ardere se foloseşte aer îmbogăţit cu oxigen (d

OrV

=ϕ (3)

eci oxigenul depăşeşte 1%), este caracteristic tot coeficientul de consum de oxigen. 2

Compoziţia şi cantitatea produselor de ardere (gazele arse) se determină prin

eterminarea consumului de aer. aplicarea aceleiaşi metode ca şi la dDe exemplu, în cazul metanului:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

rezultă CO2 şi H2O. În afară de aceasta, în produsele de ardere se va găsi azot provenit din aerul de combustie

1m3N CH4…………………………..1m3

N CO21m N CH4……………………………..2m3

N H2O 3

Mai rezultă de asemenea 2.3,762=7,524 m3

N N2. Deci volumul total de gaze arse (teoretic) rezultat din arderea metanului va fi:

vga=1+2+7,524=10,524 m3Ngaze arse/m3

Ncombustibil Compoziţia produselor de ardere (participaţii) este:

095,0524,101

2==COr

19,0524,102

2==OHr

715,0524,10524,7

2==Nr

Verificare: 0,095+0,019+0,715=1



re. Dacă se arde un combustibil cu aer îmbogăţit cu oxigen se obţine ituaţia inversă.

Dacă metanul ar arde cu exces de aer (ϕa>1) cantitatea totală de produse de ardere ar creşte datorită creşterii cantităţii de azot şi prezenţei unui exces de oxigen în produsele de ardes

Temperatura de ardere este temperatura pe care o ating gazele arse ca urmare a absorbţiei energiei termice degajate în urma arderii combustibilului. Se poate determina o temperatura de ardere calorimetrică (tc), temperatura de ardere teoretică

e căldură degajată, deoarece procesul de disoc

ină pentru condiţii adiabatice, când nu există schimb de căldură cu mediul ambiant:

(tt) şi temperatură de ardere reală (tr). Gazele arse se încălzesc la temperaturi ridicate la care este posibilă disocierea CO2 şi H2O (gradul de disociere poate ajunge la 10%). Ca urmare, se produce o modificare de volum şi se micşorează cantitatea d

iere are loc cu absorbţie de căldură. Temperatura calorimetrică de ardere se determ

pgagac cv ⋅

iHt = (4)

retică de arder cpga: căldura specifică a gazelor arse la presiune constantă, kJ/m3

N.K

Temperatura teo e se determină ţinând seama de disocierea produselor de ardere:

pgagat cv ⋅

disi qHt

−= (5)

dis: căldura consumată în procesul de disociere, kJ/m3N

ste preîncălzit se ia în considerare şi portul de căldură fizică a acestora, Qfa sau Qfc:

q Când aerul de combustie (sau combustibilul) ea

pgaga cv ⋅disfcfai

t

qQQHt

−++= (6)

participaţiile fiecărui component se poate determina căldura specifică a gazelor ars

Calculul temperaturii de ardere se face pornind de la condiţia arderii complete a combustibilului. Produsele de ardere reprezintă un amestec de componenţi: CO2, H2O, O2, SO2. Fiecare din aceşti componenţi are la diferite temperaturi o căldură specifică proprie, determinată. Cunoscând aceste călduri specifice şi

e:

∑=

⋅=n

rcc (7)

şi valorile entalpiilor care reprezintă rodusul dintre căldura specifică şi temperatură:

−i

iipgapga1

În afară de căldurile specifice se pot utiliza p

gapgaga tci ⋅= (8)



Entalpia produselor de ardere, ca amestec de gaze, se determină în mod analog cu căldura specifică.

În tabelul 9 sunt trecute căldura specifică şi entalpia componentelor gazelor arse şi aerului în funcţie de temperatură.

Tabelul 9. Căldura specifică şi entalpia componentelor produselor de ardere şi a aerului; [M: masa molară, kg/kmol; ρN: densitatea, kg/m3N; cp: căldura specifică la presiune

constantă, kJ/m3N

.K; i: entalpia kJ/m3N]

CO2 SO2 N2 H2O CO O2 Aer θ

M=44,01 ρN=1,963

M=64,06 ρN=2,858

M=28 ρN=1,25

M=18 ρN=0,81

M=28,0 ρN=1,25

M=32 ρN=1,42

M=28,7 ρN=1,28

oC cp i cp i cp i cp i cp i cp i cp i 0 1,59 0,0 1,73 0,0 1,29 0,0 1,49 0,0 1,29 0,0 1,30 0,0 1,32 0,0

100 1,70 170 1,81 181 1,29 129 1,50 150 1,30 130 1,31 132 1,32 132 200 1,78 357 1,88 377 1,30 259 1,52 304 1,30 261 1,33 267 1,33 266 300 1,86 559 1,95 586 1,30 392 1,54 462 1,31 394 1,35 404 1,34 402 400 1,90 772 2,01 807 1,31 526 1,56 626 1,32 530 1,37 551 1,35 540 500 1,98 994 2,06 1034 1,32 663 1,59 795 1,34 672 1,39 699 1,36 682 600 2,04 1225 2,11 1268 1,37 804 1,61 969 1,35 814 1,41 849 1,38 828 700 2,08 1462 2,15 1506 1,35 946 1,64 1149 1,37 961 1,43 1005 1,39 976 800 2,09 1678 2,18 1745 1,36 1091 1,66 1333 1,38 1108 1,44 1158 1,41 1128 900 2,16 1952 2,21 1993 1,37 1239 1,69 1526 1,39 1258 1,46 1318 1,42 1282 1000 2,20 2202 2,23 2235 1,39 1390 1,72 1725 1,41 1411 1,47 1478 1,43 1435 1100 2,23 2459 2,26 2478 1,40 1542 1,75 1929 1,42 1566 1,49 1639 1,45 1603 1200 2,26 2718 2,27 2733 1,41 1698 1,77 2130 1,43 1723 1,50 1803 1,46 1758 1300 2,29 2977 2,30 2988 1,42 1850 1,80 2345 1,44 1883 1,51 1965 1,47 1914 1400 2,31 2341 2,32 3247 1,43 2010 1,83 2561 1,45 2040 1,52 2127 1,48 2074 1500 2,33 3504 2,34 3510 1,44 2166 1,85 2782 1,46 2198 1,52 2292 1,49 2241 1600 2,35 3770 2,36 3778 1,45 2324 1,87 3001 1,47 2358 1,53 2458 1,50 2404 1700 2,37 4035 2,38 4050 1,46 2484 1,90 3331 1,48 2519 1,54 2626 1,51 2567 1800 2,39 4304 - - 1,47 2645 1,92 3459 1.49 2683 1,55 2796 1,52 2736 1900 2,40 4572 - - 1,47 2804 1,94 3691 1,50 2848 1,56 2967 1,52 2895 2000 2,42 4848 - - 1,48 2964 1,96 3927 1,50 3006 1,57 3140 1,53 3060 2100 2,43 5116 - - 1,49 3130 1.98 4167 1,51 3174 1,57 3305 1,53 3231 2200 2,44 5388 - - 1,49 3288 2,00 4404 1,51 3334 1,58 3481 1,54 3398 2300 2,46 5660 - - 1,50 3457 2,01 4643 1,52 3495 1,59 3659 1,55 3570 2400 2,47 5920 - - 1,50 3617 2,03 4881 1,52 3667 1,59 3828 1,56 3737 2500 2,48 6209 - - 1,51 3778 2,05 5128 1,53 3831 1,60 4008 1,57 3909 2600 2,52 6552 - - 1,52 3951 2,06 5376 1,53 3995 1,60 4180 - - 2700 2,53 6837 - - 1,52 4126 2,08 5631 1,54 4171 1,61 4362 - - 2800 2,54 7125 - - 1,53 4307 2,10 5886 1,55 4350 1,62 4546 - - 2900 2,55 7419 - - 1,54 4479 2,11 6133 1,56 4530 1,63 4722 - - 3000 2,57 7712 - - 1,55 4647 2,12 6380 1,57 4710 1,64 4911 - -

Calculul unui amestec de combustibili gazoşi sau lichiziÎn practică se utilizează frecvent un amestec format din doi combustibili gazoşi (naturali sau artificiali). Acest amestec se numeşte bigaz. În continuare este prezentat un exemplu pentru calculul unui bigaz format din gaz de cocserie şi gaz de furnal. 6.6.1 Calculul unui amestec de combustibili gazoşi Exemplul Să se determine pentru un bigaz, format din gaz de cocserie şi gaz de furnal, cu puterea calorică Hi=7500 kJ/m3N, volumul unitar de aer necesar arderii, volumul unitar de gaze arse şi compoziţia acestora, temperatura reală de ardere şi densitatea gazelor arse la această temperatură. Se va considera un coeficient de exces de aer ϕa=1,1.



Compoziţia gazului de cocserie şi a gazului de furnal se stabileşte cu ajutorul tabelelor corespunzătoare tipului de combustibil:

Gaz de furnal % Gaz de cocserie % CO2 = 12 CO2 = 4 CO = 26 CO = 6 CH4 = 1 CH4 = 26 H2 = 3 H2 = 50

N2 = 55 N2 = 8 H2O = 3 H2O = 6

a) Reacţiile de ardere ale componentelor combustibile sunt (v. C8 tabelul 8):

CO + 0,5O2 = CO2 + 12623 kJ/m3N

CH4 + 2O2 = CO2+2H2Ovap+35739 kJ/m3N

H2 + 0,5O2 = H2Ovap+ 10742 kJ/m3N

b) Puterea calorică a celor doi componenţi ai combustibilului este (v. C8 tabelul 8) - pentru gazul de furnal:

Higf=12623. 0,26 + 35739. 0,01 + 10742. 0,03 = 3961 kJ/m3N - pentru gazul de cocserie:

Higc = 12623. 0,06 + 35739. 0,26 + 10742. 0,50 = 15420 kJ/m3N c) Pentru a asigura puterea calorică HI a bigazului, raportul dintre cei doi combustibili

componenţi trebuie să fie:

691,0396115420750015420

)1(

=−−

=−

−=

−⋅+⋅=

igfigc

iigc

igcigfi

HHHH

x

xHxHH

Deci bigazul va conţine 69,1% gaz de furnal şi 30,9% gaz de cocserie. d) Compoziţia bigazului va fi:

93,36309,03691,0

48,408309,055691,0

52,1750309,03691,0

72,826309,01691,0

82,196309,026691,0

53,94309,012691,0

2

2

2

4

2

=⋅+⋅=

=⋅+⋅=

=⋅+⋅=

=⋅+⋅=

=⋅+⋅=

=⋅+⋅=

big

big

big

big

big

big

OH

N

H

CH

CO

CO

e) Calculul volumului specific de aer şi al volumul specific de gaze arse se poate face pentru 1m3N sau pentru 100m3N de combustibil. Rezultatele calcului sunt prezentate în tabelul 1. Valorile din tabel se stabilesc astfel, pe baza reacţiilor de ardere:



1m3N CO………………….0,5 m3N O20,1982m3N CO………….………0,0991 m3N O2

1m3N CH4……………..…….2 m3N O2

0,0872 m3N CH4……………….…..0,1744 m3N O2 ş.a.m.d. In continuare, rezultatul calculelor este prezentat în tabelul 10.

Tabelul 10. Calculul arderii combustibililor gazoşi (exemplul)

Intră în procesul de ardere

Produse de ardere, m3N [m3N/m3N comb.]

Combustibil, 1m3N Aer [ m3N/m3N comb.] Comp. % m3N O2 N2 total

CO2vCO2

H2O vH2O

O2vO2

N2vN2

Total

CO2 9,53 0,0953 - - 0,0953 - -

CO 19,82 0,1982 0,0991 0,3728 0,4719 0,1982 - -

CH4 8,72 0,0872 0,1744 0,6560 0,`8304 0,0872 0,1744 -

H2 17,52 0,1752 0,0876 0,3295 0,4171 - 0,1752 -

N2 40,48 0,4048 - - - - - -

H2O 3,93 0,0393 - - - - 0,0393 -

0,4048 +

1,3583

0,3807 +

0,3889 +

0,0000 +

1,7631

Σ 100 1,000 0,3611 1,3583 1,7194 0,3807 0,3889 0,00 1,7631 2,5327

ϕa=1 participaţii 0,21 0,79 1 0,1503 0,1535 0,00 0,6962 1,0000

m3N 0,3972 1,4941 1,8913 0,3807 0,3889 0,0361 1,8989 2,7046 ϕa=1,1 participaţii 0,21 0,79 1 0,1408 0,1437 0,0133 0,7022 1,0000

Azotul care însoţeşte oxigenul din aer se determină având în vedere că se consideră raportul oxigen - azot din aer 21% - 79%. Pentru gazele arse:

1m3N CO……………………1m3N CO20,1982m3N CO …………..………0,1982m3N CO2

1 m3N CH4……………….1m3 CO2

0,0872 m3N CH4………………0,0872 m3N CH4

1m3N CH4 ………………..2 m3N H2O 0,0872 m3N CH4 ………………… 0,1744 m3N H2O

ş.a.m.d.

Dacă arderea se face fără exces de aer (ϕa=1) nu va exista oxigen în exces în produsele de ardere. Azotul conţinut de produsele de ardere provine din combustibil (0,4048) şi din aerul de combustie (1,3583). Participaţiile componentelor gazelor arse se determină astfel:

5327,23807,02

2==

ga

COCO v

vr ;

ga

OHOH v

vr 2

2= ş.a.m.d.

Dacă arderea se face cu exces de aer (ϕa=1,1) va exista oxigen în exces în produsele de ardere. f) Temperatura de ardere a combustibilului se poate calcula cu relaţia în care se consideră

qdis=10% din HI şi determinând căldura specifică a gazelor arse cu ajutorul tabelului şi a



participaţiilor componentelor gazelor arse. În continuare se va aplica însă o altă metodă de calcul, care utilizează entalpiile produselor de ardere. Se calculează entalpia gazelor la temperatura teoretică de ardere, i0:

Nv

qHi

ga

disi 30 kJ/m 2496

7046,27507500

=−

=−

=

Se presupune că temperatura de ardere este cuprinsă între 1500 şi 1600 oC. Se calculează:

150015001500150015001 222222

22 OONNOHOHCOCO iriririri ⋅+⋅+⋅+⋅=

244422920133,021667022,027821437,035041408,01500

1 =⋅+⋅+⋅+⋅=i kJ/m3N

262724580133,023247022,030011437,037701408,016002 =⋅+⋅+⋅+⋅=i kJ/m3N

Ciiii

ttto

12

101 1528100

24442627244424961500100 =⋅

−−

+=⋅−−

+=

Dacă valoarea obţinută nu se încadrează în limitele alese iniţial, se reiau calculele încadrând valoarea obţinută între noile limite. Dacă coeficientul pirometric este ηp=0,85, temperatura reală de ardere va fi:

Ctt otpr 1299152885,0 =⋅=⋅= η

g) Densitatea gazelor arse este:

Nkg/m 288,141,22

320133,0287022,0181437,0441408,041,22

30

⋅+⋅+⋅+⋅=

⋅= ∑ ii

ga

Mrρ

30 kg/m 223,01299273273288,1

27311

=+⋅

=⋅+

=

r

ga

θ

ρ1299gaρ

6.6.2 Exemplu privind calculul unui combustibil lichid Se dă următoarea compoziţie chimică a păcurii: C=83% H2=12%, S=1,5% şi O2=3,5%. Să se determine: - Puterea calorică inferioară a combustibilului - Volumul de gaze arse rezultat la arderea a 570 kg de combustibil considerând că excesul de aer este ϕa=1,2. - Temperatura reală cunoscând că aerul de combustie este preîncălzit la 500oC (coeficientul pirometric ηp=0,7 şi qdis=10%Hi).



a) Reacţiile de ardere sunt: C + O2 = CO2+34.012 kJ/kg

H2 + 0,5O2 = H2O+142.872 kJ/kg S + O2 = SO2+9.116 kJ/kg

Notând cu ν participaţiile masice ale componenţilor vom avea:

Hi=34012. νC + 142872. (νH2 - νO2/8) + 9116. νS= 34012. 0,83 + 142872. (0,12- 0,035/8) +9116. 0.015 = 44.886 kJ/kg

b) Calculul volumului de aer necesar ardeii se determină după cum urmează: 12kg C……………….…………1mol

83kg C…………………. . 91,61283

= moli

1mol C…………………….……….1mol O26,91moli C……………………6,91 moli O2

------------------------------------------------------------------------------------------- 2kg H2…………………………………….1mol

12kg H2…………………………… 62

12= moli

1mol H2……………………………….……1/2 moli O2 6 moli H2…………………………………3 moli O2

32 kg S…………………………….1 mol

1,5kg S…………………… 05,032

5,1= moli

1 mol S………………………..……..1 mol O20,05 moli S…………………………0,05 moli O2

--------------------------------------------------------------------------------- vO2 min = (6,91+3+0,05). 22,41 = 223,3 m3N/kgcomb. vaer min=223,3 + (79/21).223,3 = 1063 m3N/kgcomb

Rezultatele calculului sunt trecute în tabelul 2. c) Pentru determinarea volumului de gaze arse se porneşte de asemenea de la

reacţiile de ardere, pentru care se poate scrie: 1mol C…………………………..1mol CO26,91 mol C…………………..6,91 moli CO2

1mol H2………………………..1 mol H2O 6 moli H2………………….…..6 moli H2O

1 mol S………………………..1mol SO20,05 moli S……………..…0,05 moli SO2

1mol O2…………32 kg O2 moli O2……..3,5kg



(v. compoziţia combustibilului)

45,241,2232

5,32 =⋅=O m3N

Rezultatele calculului sunt trecute în tabelul 11. d) Volumul total de aer pentru un coeficient de exces ϕa=1,2 este:

Va real=12,747. 570=7266 m3

Volumul total de gaze arse:

Vga=12,78. 570=7285 m3

Rezultatele calculului sunt prezentate în tabelul 11.

Tabelul 11. Calculul arderii păcurii

Intră în procesul de ardere

Produse de ardere, m3N [m3N/m3N comb.]

Combustibil, 1kg Aer [ m3N/kg comb.] Comp. % kg O2 N2 Tota

l

CO2

H2O

SO2

O2

N2 Total

C 83 0,83 1,549 5,827 7,376 1,549 - - - -

H2 12 0,12 0,672 2,528 3,200 - 0,672 - - - S 1,5 0,015 0,012 0,045 0,057 - - 0,01 - -

O2 3,5 0,035 - - - - - - 0,0245 -

1,549+0,672+0,011+0,0245+8,400

Σ [m3N] 100 1,000 2,223 8,400 10,623 1,549 0,672 0,01 0,0245 8,4 10,656

ϕa=1,0 participaţii 0,21 0,79 1 0,146 0,063 0,001 0,002 0,788 1,0000

m3N 2,667 10,08 12,747 1,549 0,672 0,01 0,469 10,08 12,78 ϕa=1,2 participaţii 0,21 0,79 1 0,121 0,053 ,0008 0,037 0,788 1,0000

e) Temperatura teoretică de ardere.

pgaga

disfait cv

qQHt

⋅

−+=

677228,1136,1500747,121500

=⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=a

C

aarealaerfa

o

ctvQρ

kJ/kgaer

qdis=4488 kJ/kg

646,12350

=C

pga

o

c kJ/m3N

2248646,1747,12

4488677244886=

⋅−+

=ttoC

C157322487,0 o=⋅=⋅= tprt θη Această temperatură se realizează în jetul de gaze arse imediat la ieşirea din arzător.

energetic si electric

Documents

Transcript of energetic si electric