Teoria Arderii Si Instalatii de Cazane

1

Temelepentru examenul de licenţă la cursul

“Combustibil, teoria arderii şi instalaţii de cazane”

Cuprins1.Instalaţii de cazane, tipuri. Schema tehnologică a unei instalaţii de cazane.................................3

2. Combustibili: noţiune, tipuri, resurse, bilanţuri de combustibil..................................................5

3. Căldura de ardere, combustibili convenţionali............................................................................8

4. Compoziţia elementară a combustibililor, mase de combustibil, materiile volatile, cocsul.....10

5. Combustibili solizi. Caracteristici tehnice ale combustibililor, umiditatea şi cenuşa. Clasificarea şi marcarea combustibililor solizi..............................................................................13

6. Combustibili lichizi şi gazoşi. Caracteristici tehnice. Particularităţi.........................................16

7. Biocombustibilii, tipuri, metode de obţinere, caracteristici.......................................................19

8. Noţiuni de ardere a combustibilului, reacţii de ardere, produse de ardere................................22

9. Volumul stoechiometric al aerului necesar arderii. Coeficientul de exces de aer, infiltrările de aer fals............................................................................................................................................24

10. Calculul produselor de ardere. Entalpia gazelor de ardere......................................................27

11. Arderea combustibililor şi mediul ambiant.............................................................................31

12. Bilanţurile cazanelor, bilanţul material, bilanţul termic, pierderile de căldură.......................34

13. Analiza pierderilor de căldură. Randamentul brut al cazanului, consumul de combustibil.. . .36

14. Bilanţul energetic al cazanului, serviciile proprii, randamentul net........................................38

15. Organizarea procesului de ardere, focare, caracteristici..........................................................39

16. Arderea combustibilului solid în strat imobil şi fluidizat........................................................41

17. Arderea combustibilului solid în suspensie, sisteme de măcinare a cărbunelui......................43

18. Arzătoare şi focare pentru combustibil solid...........................................................................45

19.Arderea combustibililor lichid şi gazos; arderea simultană a mai multor combustibili...........47

20.Transferul de căldură în cazane, generalităţi, transferul de căldură în părţile convective ale cazanelor........................................................................................................................................50

21.Transferul de căldură în focare.................................................................................................53

22.Circulaţia în cazane, generalităţi, structura şi caracteristicile curenţilor de fluid în cazane.....56

23.Hidrodinamica elementelor cazanelor. Siguranţa hidrodinamicii cazanelor. Dereglări de circulaţie........................................................................................................................................58

24.Suprafeţele de schimb de căldură ale cazanelor, coraportul lor, compoziţia şi dislocarea.......61

25.Vaporizatoare, tipuri, construcţii, separarea aburului în cazane...............................................63

26.Supraîncălzitoare de abur, tipuri, construcţii, reglarea temperaturii aburului supraîncălzit.....66

27.Economizoare, preîncălzitoare de aer, tipuri, construcţii.........................................................68

1

2

28.Apa în instalaţiile de cazane, feluri de apă, surse; impurităţile apei, indicii de calitate...........70

29.Impactul impurităţilor asupra utilajului cazanelor, metode de reducere şi neutralizare...........74

30. Eliminarea impurităţilor mecanice, coloidale, uleioase, a ionilor de fier şi compuşilor de siliciu.............................................................................................................................................76

31. Dedurizarea apei, metode; dedurizarea în câmp magnetic......................................................81

32.Desalinizarea apei prin schimb de ioni, scheme de tratare a apei............................................83

33.Degazarea apei, metode, degazarea termică, calculul degazoarelor termice............................87

34. Tratarea apei în interiorul cazanelor; purjarea cazanelor, reducerea pierderilor de căldură la purjare............................................................................................................................................90

35.Scheme termomecanice ale instalaţiilor de cazane, schema de principiu a unei Centrale Termice..........................................................................................................................................93

36. Gospodării de combustibil, sarcini şi funcţii; gospodării de combustibil solid.......................95

37. Gospodării de combustibil lichid şi gazos...............................................................................97

38. Captarea şi evacuarea cenuşii şi zgurii la Centrale................................................................100

39. Sisteme de ventilare şi tiraj....................................................................................................103

40.Cadrul metalic şi înzidirea cazanelor; armatură grea şi fină...................................................106

41.Aparate de măsură, control şi informaţii la cazane.................................................................109

42.Automatizări, dispozitive de protecţie şi blocare...................................................................112

43.Noţiuni despre exploatarea cazanelor; stările cazanelor, reparaţii, deservire.........................114

44.Particularităţile exploatării suprafeţelor de schimb de căldură ale cazanelor: eroziunea, ancrasarea (murdărirea) şi coroziunea suprafeţelor cazanelor.....................................................117

2

3

1.Instalaţii de cazane, tipuri. Schema tehnologică a unei instalaţii de cazane.

Instalațiile de cazane reprezintă un complex de utilaje, destinate pentru transformarea energiei chimice a combustibilului în energie termică cu scopul producerii apei fierbinte sau a aburului.

Instalația de cazane constă din agregatul de cazane și utilajul auxiliar.

Agregatul de cazane include în sine: focarul, sistemul format din țevile vaporizatoare și tambur, supraîncălzitorul de aer, economizor, preîncălzitor de aer, precum și cadrul metalic al cazanului cu scări și podeste, înzidire, canale de gaze și armatură.

Utilajul auxiliar include gospodăria de combustibil, instalațiile de tratare chimică a apei, de ventilare și tiraj, pompele, sistemele de automatizare și protecție, instalațiile de captare a cenușii.

Instalațiile de cazane se divizează:

a) în dependență de destinație în:1) cazane energetice – produc abur pentru turbinele cu abur (de presiuni mai mari de

100 bar și temperaturi de peste 500 oC) la centralele termoelectrice. Aceste instalații sunt de obicei de putere mare sau medie, având productivitatea de abur mai mare de 50 t/h. Cazanele energetice pot fi cazane de abur sau cazane de apă fierbinte de vârf.

2) cazane tehnologice – produc abur atât pentru necesități tehnologice, cât și pentru încălzire, ventilare și prepararea apei calde menajere. De regulă aceste cazane sunt de medie și mică putere.

3) de încălzire – cazanele destinate pentru deservirea sistemelor de încălzire și alimentare cu apă caldă menajeră. De regulă sunt cazane de apă fierbinte de puteri ce variază între 0,01 și 5 MW.

b) în dependență de tipul agentului termic produs în cazane:1) de abur – cazanele care produc abur;2) de apă fierbinte – cazanele care produc apă fierbinte. La rândul său aceste cazane

se împart în cazane de apă fierbinte (temperatura apei la ieșire din cazan fiind mai mare de 100 oC) și cazane de apă caldă (temperatura apei la ieșire din cazan fiind mai mică de 100 oC).

c) în dependență de nivelul de termoficare (instalațiile de cazane din cadrul centralelor termice):

1) centralizate (orășenești) – alimentează cu căldură localități întregi;2) de cartier sau locale – alimentează cu căldură grupuri mari de clădiri;3) autonome – alimentează cu căldură o clădire sau un consumator;4) individuale – alimentează cu căldură un singur consumator.

Instalațiile de cazane autonome și individuale sunt lipsite de rețele termice;d) în dependență de locul de instalare:

1) de podea;2) de perete (murale);3) de acoperiș;

e) după sursa primară de energie:1) combustibili organici;2) gaze evacuate din alte instalații;3) electrice;4) nucleare – reactoarele la centralele termonucleare;5) heliocazane;6) geotermale.

O instalație de cazane modernă reprezintă o construcție complicată, care constă dintr-o multitudine de diverse utilaje, care sunt legate între ele într-o schemă tehnologică de producere a

3

4

aburului sau a apei fierbinte. Mai jos este prezentată o schemă tehnologică a unei instalații de cazane pe combustibil solid.

Fig. 1. Schema tehnologică a unei instalații de cazane pe combustibil solid

1 – vagon cu combustibil; 2 – buncăr al instalației de descărcare; 3 instalația de concasare a cărbunelui; 4 – buncăr de cărbune brut al cazanului; 5 – instalația de măcinare a cărbunelui; 6 – exhaustor; 7 – tamburul cazanului; 8 – supraîncălzitor de abur; 9 – economizor; 10 – preîncălzitor de aer; 11 – ventilator de aer; 12 – degazor; 13 – pompă de alimentare; 14 – captator de cenușă; 15 – exhaustor (ventilator de tiraj); 16 – coș de fum; 17 – transportor cu bandă; 18 – grămadă de cărbune; 19 – stația de pompare de dragaj.

Combustibilul prin intermediul transportoarelor este livrat în instalația de concasare și după mărunțire este transportat în buncăre, din care nimerește în instalația de măcinare. Praful de cărbune din instalația de măcinare este livrat în focarul cazanului. Gazele de ardere obținute în urma arderii combustibilului spală suprafețele de schimb de căldură a cazanului, după care fiind răcite nimeresc în captatorul de cenușă, iar apoi cu ajutorul exhaustoarelor se elimină prin coșul de fum în atmosferă. Aerul necesar pentru procesul de ardere, este introdus în focar cu ajutorul ventilatorului de aer și trecând prin preîncălzitorul de aer nimerește în instalația de măcinare și focar. Zgura formată în focar și cenușa captată în captatorul de cenușă, sunt transportate prin canalele sistemului de eliminare a cenușii în instalația de pompare de dragaj, care servește pentru pomparea amestecului de zgură și cenușă cu apă prin conducte până la halda de cenușă. Aburul saturat sau supraîncălzit, obținut din apă, prin sistemul de conducte este livrat consumatorului. Condensatul returnat de la consumatori este introdus în degazor, care servește pentru eliminarea gazelor din apa de alimentare a cazanului. Pierderile de apă și condensat din sistem sunt acoperite cu apa tratată chimic, pompată cu ajutorul pompelor prin instalația de tratare a apei în degazor. Apa după degazare se livrează cu ajutorul pompelor de alimentare în cazan.

Schema tehnologică a instalației de cazane se modifică în dependență de destinația, productivitatea, parametrii aburului, tipul de combustibil și metoda de ardere a lui ei, produc.

De exemplu, în instalațiile de cazane, care utilizează combustibil lichid sau gazos, lipsesc instalațiile de captare și eliminare a cenușii și zgurii, se simplifică gospodăria de combustibil.

4

5

2. Combustibili: noţiune, tipuri, resurse, bilanţuri de combustibil

Sursa principală de energie pe Pământ este Soarele. În urma reacţiilor de fuziune nucleară ce se produc pe Soare, acesta iradiază pe suprafaţa globului pământesc o cantitate imensă de energie.

Prin purtător de energie se înţelege fluxul material care poate acumula, transmite şi ceda energie în urma unor transformări de stare. Drept exemplu de purtători de energie pot servi combustibilii, aburul, apa fierbinte, aerul comprimat etc.

Purtătorii de energie pot fi surse şi resurse de energie. Sursele de energie se împart în inepuizabile care se regenerează cel puţin în ritmul în care pot fi consumate şi epuizabile care se regenerează lent (combustibilii clasici) sau deloc (uraniul, toriul). Datorită caracterului de regenerare sursele inepuizabile de energie sunt definite şi drept surse regenerabile, iar cele epuizabile surse neregenerabile. Sursele regenerabile de energie includ radiaţia solară, apele geotermale, mareele, reacţiile nucleare şi termonucleare. La rândul său, radiaţia solară se manifestă prin mai multe forme de energie: eoliană, hidraulică, energia biomasei, valurilor maritime şi termice ale oceanelor. Sursele regenerabile de energie se caracterizează prin cantitatea lor practic inepuizabilă şi prin impactul favorabil pe care-l au asupra mediului ambiant.

Sursele de energie, respectiv resursele de energie, oferă un potenţial energetic exploatabil. În cazul resurselor, acest potenţial se găseşte înmagazinat într-o anumită substanţă chimică şi este exploatabil prin extracţia acestei substanţe şi conversia energiei sale chimice. În cazul surselor, potenţialul energetic se află într-o fază mai „avansată” de utilizare, fiind exploatabil ca atare sau printr-un număr redus de transformări energetice.

Resursele de energie se împart în:

- primare, care sunt extrase sau recuperate direct din natură. În general, energia primară nu este folosită;

- secundare sunt resursele care au fost obținute din cele naturale prin una sau mai multe transformări (combustibil, carburanţi, energie termică, electrică şi mecanică).

La rândul său, resursele primare se împart în:

- convenţionale sunt identificate, disponibile şi exploatabile prin tehnologii cunoscute sau în curs de a fi aplicate.

- neconvenţionale sunt caracterizate prin existenţă şi utilizare posibilă, în timp ce pentru extracţia şi tratarea lor se cer alte tehnologii decât cele obişnuite în prezent.

Din resursele energetice primare fac parte:

- combustibilii fosili (cărbune, petrol, gaze naturale, şisturi bituminoase şi nisipuri asfaltice), lemnul şi deşeurile; prin ardere, energia chimică înmagazinată este transformată în energie termică şi apoi o parte din ea, eventual, în energie mecanică.

- biomasa (deşeuri forestiere, agricole şi solide urbane, băligarul, plantele agricole energetice) folosită pentru producerea energiei termice prin ardere sau a biogazului.

- minereul de uraniu utilizat în centralele nuclearo-electrice ca materie primă pentru producerea controlată a reacţiei de fuziune nucleară.

- apa folosită fie pentru producerea prin electroliză a hidrogenului combustibil, fie pentru obţinerea deuteriului - principalul element necesar desfăşurării reacţiei de fuziune termonucleară.

- căderile de apă al căror potenţial energetic poate fi transformat în energie mecanică şi apă ca forţă a valurilor.

- energia eoliană ce poate fi transformată în energie mecanică.

5

6

- energia solară, a cărei intensitate poate fi multiplicată prin focalizare cu ajutorul unui sistem de oglinzi şi folosită apoi ca energie termică sau valorificată direct ca energie electrică prin intermediul celulelor fotovoltaice.

- energia geotermală ce poate ajunge în mod natural la suprafaţa terestră sau poate fi adusă prin diferite mijloace şi utilizată apoi ca energie termică.

Prin natura lor sursele de energie sunt inepuizabile şi corespund unor procese naturale în desfăşurare, repetabile sau regenerabile. În acelaşi timp, resursele de energie sunt în majoritate epuizabile.

În ceea ce priveşte sursele şi resursele inepuizabile, limitele sunt de ordin tehnic şi economic. Astfel, apa poate fi considerată drept o resursă inepuizabilă, dacă se iau în consideraţie cantităţile imense de apă din mări şi oceane, precum şi circuitul ei în natură.

Din punctul de vedere al cunoaşterii, resursele energetice pot fi identificate şi neidentificate. Resursele energetice neidentificate se împart în previzibile, dacă sunt situate în zone cunoscute, dar insuficient exploatate, şi ipotetice, dacă sunt situate în zone încă necercetate.

Resursele identificate se împart în exploatabile, cunoscute şi sub numele de rezerve, şi condiţionale sau inexploatabile în condiţiile tehnice şi economice actuale. Rezervele pot fi certe sau probabile.

Combustibili se numesc substanţele inflamabile care din punct de vedere economic este raţional să se utilizeze pentru obţinerea unor cantităţi considerabile de căldură. Se utilizează combustibili de provenienţă organică (atât fosili cât şi biomasă) şi minerală – combustibilul nuclear (U235, U238, U233, Pu239). Combustibilii organici degajă căldura în urma reacţiilor interatomare - de combinare a elementelor (atomilor) combustibile cu oxidantul. Combustibilii nucleari degajă energia legăturilor din interiorul nucleului atomilor, în urma reacţiilor de fisiune a acestora, energie cu mult mai mare decât cea degajată de combustibilii organici.

După starea de agregare combustibilii se împart în:

solizi - cărbuni (lignitul, huila, antracitul, cocsul);

şisturi combustibile;

turbă;

biomasă (lemnul, mangalul, deşeurile agricole, industriale, menajere);

lichizi – produse petroliere (benzina, motorina, kerosenul, păcura);

biodiesel produs din uleiurile vegetale;

alcooli (etilic, metilic);

gazoşi – gazele naturale;

gazele asociate (zăcămintelor de ţiţei);

gazele artificiale (biogazul, gazul de gazogen, gazul de furnal, de cubilou ş.a.).

Pentru producerea energiei electrice şi termice se utilizează aproape toate aceste tipuri de combustibil cu excepţia unora de calitate superioară, cum ar fi cocsul, benzina, alcoolii.

În funcţie de provenienţă, aceştia pot fi naturali, artificiali şi sintetici. Combustibilii artificiali sunt de fapt combustibili naturali supuşi unui proces de înnobilare, de îmbunătăţire a caracteristicilor lor, iar cei sintetici sunt fabricaţi pentru a substitui combustibilii naturali. La rândul lor, combustibilii naturali se împart în organici şi neorganici (de exemplu, combustibilul nuclear).

6

7

După modul de utilizare, combustibilii pot fi:

- energetici – combustibilul natural care se arde în instalaţiile de cazane ale centralelor termice şi termoelectrice în scopul obţinerii energiei termice şi electrice, precum şi în camerele de ardere ale motoarelor cu ardere internă, instalaţiilor de turbine cu gaze, motoarelor cu reacţie şi motoarelor rachetă.

- tehnologici. – combustibili care se ard în cuptoarele industriale de încălzire şi de topire, în instalaţiile de uscare sau sunt transformaţi prin prelucrare chimică în diferiţi combustibili artificiali (cocs, semicocs, gaz de gazogen etc.).

Astăzi, mai bine de 80 % din cererea mondială de energie este satisfăcută prin arderea combustibililor fosili. Folosirea acestui tip de combustibil la scară industrială se datorează în mare parte valorii calorice mari şi posibilităţilor de stocare în cantităţile necesare pentru ardere la locul şi în timpul preconizat.

Resursele naturale ale planetei, exploatabile pe baza tehnologiilor oferite în prezent de ştiinţă şi tehnică, sunt limitate. Investigaţiile arată că rezervele mondiale dovedite de cărbuni se cifrează la circa 847,5 miliarde tone, inclusiv 150 miliarde tone de lignit, cele de petrol la circa 160 miliarde tone, iar de gaze naturale la 176462 miliarde . Dacă se ţine seama de ritmul actual şi în perspectivă de creştere a producţiei şi consumului, atunci rezervele de ţiţei estimate se pot epuiza într-o jumătate de secol, cele de gaze naturale în 60 ani, iar de cărbuni în 200 ani.

7

8

3. Căldura de ardere, combustibili convenţionali.

Una dintre cele mai importante caracteristici energetice ale combustibililor este, fireşte, căldura de ardere, numită impropriu şi putere calorifică. Prin căldură de ardere a combustibilului se subînţelege cantitatea de căldură degajată în exterior prin arderea completă a 1 kg de combustibil solid şi lichid sau 1 m3 de combustibil gazos luat în condiţii fizice normale, adică la presiunea p=101325 Pa şi temperatura T=273 K. Cantitatea de gaz conţinută într-un metru cub de volum, în condiţii fizice normale, s-a acceptat să se numească metru cub normal şi să se noteze cu (se citeşte metru cub normal).

Pentru cunoaşterea exactă a căldurii rezultate prin ardere, este necesar ca produsele arderii să fie răcite până la temperatura de referinţă, adică până la temperatura pe care au avut-o iniţial combustibilul şi aerul. Prin această precizare procesul de ardere a combustibilului se prezintă ca şi cum s-ar desfăşura la temperatură constantă. Din acest motiv, definiţia dată căldurii de ardere trebuie completată cu precizarea că ea prezintă cantitatea de căldură ce poate fi extrasă în exterior în urma arderii complete şi izoterme a 1 kg de combustibil solid şi lichid sau a de combustibil gazos.

În general, căldura de ardere a combustibilului este în funcţie de presiune şi temperatură. Pentru a defini o căldură standard de ardere s-a acceptat arderea completă a combustibilului la temperatura T=298 K şi presiunea p=101325 Pa.

Energia termică degajată în procesul de ardere a combustibilului este preluată de gazele arse care conţin vapori de apă proveniţi din vaporizarea umidităţii combustibilului şi a apei rezultate din arderea hidrogenului pe care îl conţine combustibilul. Astfel, o parte din căldura dezvoltată prin ardere se consumă inutil pentru vaporizarea apei, reducând temperatura gazelor arse. Acest aspect este cel care a făcut necesară diferenţierea căldurii de ardere. În mod obişnuit, se disting două valori ale căldurii de ardere şi anume: valoarea superioară şi valoarea inferioară.

La definirea valorii superioare a căldurii de ardere Qs, în kJ/kg sau , se consideră că apa din produsele arderii se află în stare lichidă, deci ea include şi căldura de condensare a vaporilor de apă. Însă, în instalaţiile de cazane şi motoarele termice, gazele de ardere nu pot fi răcite sub temperatura de condensare a vaporilor de apă şi a bioxidului de sulf, deoarece, în caz contrar, ar surveni coroziuni prea puternice datorită formării acidului sulfuros (H2SO3). De aceea, în tehnică drept criteriu de apreciere se va lua căldura produsă de combustibil prin răcirea gazelor până la temperatura de condensare a vaporilor de apă. Prin urmare, valoarea inferioară a căldurii de ardere Qi, în kJ/kg sau , se defineşte ca fiind căldura de ardere a unităţii de masă sau volum atunci când apa din gazele de ardere se găseşte în stare de vapori şi nu include căldura de condensare.

Din cele relatate rezidă că valoarea superioară a căldurii de ardere a combustibilului este întotdeauna mai mare decât cea inferioară. Diferenţa dintre ele constituie căldura latentă de vaporizare a întregii mase de apă conţinută în 1 kg de combustibil solid şi lichid sau în 1 de combustibil gazos.

Valorile precise ale căldurii de ardere se determină în condiţii de laborator prin arderea combustibilului în bomba calorimetrică. Valorile aproximative pot fi calculate cunoscând compoziţia combustibilului, după mai multe formule:

formula lui Mendeleev:

Qidaf=0,339Cdaf+1,029Hdaf-0,109(Odaf-Sdaf), MJ/kg. (1)

formula din literatura germană:

Qir=0,34Cr+1,017Hr+0,063Nr+0,191Sr -0,098Or-0,025Wr, MJ/kg (2)

8

9

Recalcularea căldurii superioare din cea inferioară şi invers se efectuează utilizând relaţia:

Qsr= Qi

r+0,225Hr+0,025Wr, MJ/kg. (3)

Pentru combustibilii gazoşi se utilizează formula:

Qid=QiKi/100, MJ/m3, (4)

unde Ki sunt valorile componentelor combustibilului, în %, Qi – căldurile de ardere respective. Dacă combustibilul conţine umiditatea d, în g H2O/kg g.anh., căldura raportată la masa iniţială va fi:

Qir=(Qi

d-0,0025d)100/(100+ 0,1224d). (5)

Căldura de ardere a combustibilului se poate determina mai exact prin metoda experimentală. Pentru combustibilii solizi se utilizează bomba calorimetrică, care fiind alimentată în prealabil cu combustibil şi oxigen la presiunea de 2-3 MPa, se introduce într-un vas cu apă (calorimetru tip Berthelot). Aprinderea combustibilului se face cu ajutorul curentului electric, iar amestecarea apei de un agitator cu electromotor. Măsurând cu termometrul metastatic Beckmann creşterea temperaturii apei din calorimetru, se poate determina cantitatea de căldură transmisă de produsele arderii şi deci cantitatea de căldură eliminată în urma arderii combustibilului.

Căldura de ardere a combustibililor lichizi şi gazoşi se determină experimental cu calorimetrul Junkers. În acest scop, o cantitate de combustibil măsurată este arsă cu ajutorul unui bec de gaz sau arzător. Gazele rezultate din ardere sunt răcite până la temperatura mediului ambiant de un curent puternic de apă. Se măsoară masa apei, variaţia temperaturii ei, masa vaporilor condensaţi din produsele arderii şi astfel se determină atât căldura superioară de ardere, cât şi cea inferioară.

Pentru a aprecia eficienţa utilizării diferitor combustibili naturali şi a compara valoarea lor energetică, s-a recurs la folosirea noţiunii de combustibil convenţional – un combustibil abstract al cărui căldură de ardere s-a acceptat egală cu Qconv=29,309 MJ/kg, valoare provenită prin convertirea în SI a căldurii adoptate iniţial 7000 kcal/kg.

Dacă consumul de combustibil natural este B, în kg/s (sau ), iar căldura lui

inferioară de ardere , în MJ/kg (sau ), din ecuaţia de bilanţ termic:

(6)rezultă următorul consum de combustibil convenţional:

sau (7)

în care raportul notat, de obicei, prin E se numeşte echivalent termic al combustibilului.

Noţiunea de combustibil convenţional se aplică pe larg în ramura de extragere a combustibililor şi în diverse calcule tehnico-economice. Noţiuni similare cu cea de combustibil convenţional au fost adoptate şi în alte ramuri ale economiei. De exemplu, în trecutul nu prea îndepărtat, ca combustibil etalon al căilor ferate era considerat cărbunele de Cardiff cu căldura inferioară de ardere egală cu 31,401 MJ/kg sau 7500 kcal/kg.

Deseori producţia, consumul şi importul de resurse energetice primare este evoluat în unităţi convenţionale acceptate la nivel mondial: tone echivalente petrol (1 toe=1 tep = 1010 cal =4,1868·1010 J) şi tone echivalente coal (cărbune) (1 tec=1 tcc=29,309·109 J).

9

10

4. Compoziţia elementară a combustibililor, mase de combustibil, materiile volatile, cocsul.

Compoziția elementară. Combustibilii solizi şi lichizi se caracterizează prin compoziţia elementară exprimată, de regulă, în procente de masă, iar cei gazoşi prin compoziţia volumetrică exprimată în procente de volum.

În studiul compoziţiei elementare a combustibililor organici solizi şi lichizi se consideră că atât elementele combustibile, cât şi cele necombustibile se găsesc în combustibil în stare liberă, cu toate că în realitate ele se află sub formă de compuşi chimici. Cunoscându-se, în urma unor analize chimice, conţinuturile procentuale în masă C, H, O, N, S, A şi W respectiv de carbon, hidrogen, oxigen, azot, sulf, cenuşă şi umiditate dintr-un oarecare combustibil, compoziţia elementară a acestuia se poate exprima prin relaţia:

(1)

Compoziţia elementară a combustibililor organici solizi şi lichizi se exprimă la următoarele stări (mase) principale (fig.3.1): reală, de analiză, anhidră (uscată), anhidră fără cenuşă, organică.

Starea reală este starea combustibilului consumat în realitate pentru ardere; conţine umiditatea totală Wt (de îmbibaţie Wi şi higroscopică Wh), cenuşa A şi masa anhidră fără cenuşă:

. (2)

Starea anhidră (versiunea engleză „dry” de la care se trage marcarea prin indicele superior d) este starea combustibilului care nu conţine umiditate:

(3)

Starea anhidră fără cenuşă (versiunea engleză „dry ash-free” de la care şi provine marcarea prin indicele superior daf) reprezintă combustibilul fără umiditate şi cenuşă:

(4)

Starea organică (indice superior o) reprezintă combustibilul fără umiditate, cenuşă şi sulful piritic :

(5)

Tabelul 1. Factorii de convertire a componentelor combustibililor

Starea datăStarea determinată

combustibilă anhidră iniţială

combustibilă 1

anhidră 1

iniţială 1

Compoziţia elementară a combustibililor solizi şi lichizi se conţine în tabelele caracteristicilor tehnice. Se indică fie la masa anhidră fără cenuşă, fie la cea reală.

De regulă, conţinutul de cenuşă din combustibil se indică la masa anhidră

10

11

Prin compoziţia volumetrică a combustibililor gazoşi se arată participaţia fiecărui gaz component, în procente de volum. Se exprimă la starea anhidră şi la starea reală (umedă). Notând cu CO, H2, H2S, CmHn, CO2, O2, N2 şi H2O conţinuturile în procente de volum ale componenţilor în combustibilul gazos, compoziţia lui volumetrică exprimată la starea reală va fi:

În exploatare combustibilul gazos este uscat. Compoziţia volumetrică a combustibilului gazos anhidru este dată de relaţia:

Umiditatea combustibilului gazos d se exprimă, de regulă, în grame pe combustibil gazos uscat. Trecerea compoziţiei combustibilului de la starea anhidră la starea reală se face prin înmulţirea fiecărui component cu factorul de conversie:

(8)

fiind volumul specific al vaporilor de apă în condiţii fizice normale.

Calculul arderii combustibililor gazoşi se face cu compoziţia volumetrică exprimată la masa reală (umedă).

În cazul folosirii simultane a mai multor combustibili în aceeaşi instalaţie, se recurge la calculul compoziţiei echivalente a amestecului cu relaţia:

, (9)

în care şi reprezintă fracţia masică a primului combustibil în amestec, respectiv a celui de al doilea combustibil, iar şi - carbonul celor doi combustibili componenţi, în %.

Compoziţia tehnică a combustibililor solizi

Dacă combustibilul solid se încălzeşte în absenţa aerului atmosferic, atunci, în funcţie de temperatura atinsă, acesta trece prin mai multe faze succesive. La început are loc evaporarea umidităţii combustibilului, proces care se termină la temperaturi de 376-378 . În acest caz, nu se constată nici o modificare în structura masei anhidre fără cenuşă şi celei minerale ale combustibilului. Încălzirea ulterioară a combustibilului duce la descompunerea termică a moleculelor instabile de substanţe organice ale masei anhidre fără cenuşă şi de hidrocarburi. Gazele combustibile (hidrogen H2, metan CH4, hidrocarburi de tipul CmHn şi monoxid de carbon CO) şi necombustibile (bioxid de carbon CO2, bioxid de sulf SO2, oxigen O2 şi azot N2) eliminate în urma descompunerii termice a combustibilului solid, precum şi vaporii condensaţi formaţi, în principal, din compuşi ce conţin smoală, se numesc materii volatile Vaporii de apă rezultaţi din evaporarea umidităţii combustibilului nu fac parte din materiile volatile.

Conţinutul de materii volatile eliminate în urma descompunerii termice a compuşilor organici ai combustibilului este în funcţie de temperatura şi durata de încălzire a acestuia.

11

12

De regulă, conţinutul de materii volatile se exprimă în procente din masa anhidră fără cenuşă şi se apreciază ca fiind egal convenţional cu reducerea masei probei exprimată în procente din masa reală fără umiditatea combustibilului. Materiile volatile nu se conţin în forma lor finală în combustibilul solid, ci se formează în procesul de transformare a masei organice.

De exemplu, conţinutul de materii volatile în lemn e de aproape 85 %, în turbă - de 70 %, în cărbunele brun - până la 60%, iar în antracit - nu mai mare de 4 %.

Substanţa rămasă în creuzet după degajarea materiilor volatile poartă numele de cocs brut . Acesta reprezintă un reziduu solid compus din cocs net ce arde, numit adesea şi cărbune fix

, precum şi din cenuşă , şi din sulf sulfat

. (10)

Prin urmare, compoziţia tehnică a combustibilului solid poate fi dată de relaţia:

(11)

sau

. (12)

Conţinutul de materii volatile afectează considerabil arderea combustibilului. Astfel, combustibilul cu conţinutul mare de materii volatile (turba, cărbunele brun), fiind introdus în focar, elimină rapid o cantitate mare de gaze combustibile, care se aprind uşor şi ard rapid. Cocsul brut rezultat din descompunerea termică a unui asemenea combustibil conţine o cantitate relativ mică de carbon, din care motive arderea lui se produce la fel de rapid. Dimpotrivă, combustibilul cu conţinutul mic de materii volatile se aprinde mai greu, iar arderea cocsului brut e îndelungată.

12

W O N H C S A

Cocs brutVapori şi gaze

Materii volatile Cenuşă Umiditate

Fig.1. Compoziţia tehnică a combustibilului solid

13

5. Combustibili solizi. Caracteristici tehnice ale combustibililor, umiditatea şi cenuşa. Clasificarea şi marcarea combustibililor solizi.

Umiditatea combustibilului poate fi de îmbibaţie (externă, superficială, de zăcământ) şi higroscopică (internă). Umiditatea pe care o obţine combustibilul la extragere, păstrare şi transportare, precum şi cea conţinută în pori, este o umiditate de îmbibaţie Wi. Ea poate fi evaporată din combustibil prin uscare la aer; umiditatea de îmbibaţie este evaporată integral atunci când între presiunea parţială a vaporilor de apă din combustibil şi presiunea parţială a vaporilor de apă din aer se stabileşte un echilibru dinamic. Prin încălzirea combustibilului până la temperatura T= se evaporă şi umiditatea de constituţie (internă, coloidă, intrinsecă) cu substanţele organice ale combustibilului, adică umiditatea higroscopică Wi sau Wa. Umiditatea higroscopică este mai mică decât cea de îmbibaţie, constituind valori 15-25 % la cărbunii tineri (lignit şi turbă) şi 0,5-2 % la antracit.

Reziduul solid format din substanţe minerale sub formă de pulbere care rămâne în urma arderii complete a combustibilului solid sau lichid poartă numele de cenuşă (simbol A). Ea poate fi primară, secundară şi trinară. Cenuşa primară se formează în decursul evoluţiei combustibilului şi este alcătuită din compuşii minerali existenţi iniţial în substanţa primară sedimentată în zăcământ. Cenuşa secundară prezintă un amestec de compuşi minerali rezultaţi prin eroziunea eoliană şi descompunerea rocilor, deci este cenuşa pe care o obţine combustibilul în timpul exploatării zăcământului, păstrării şi transportării. Cenuşa trinară este formată din substanţe minerale provenite din rocile sterile extrase din pământ. Huilele au conţinutul total de cenuşă 5-30%, cărbunele brun antracitul iar turba

Cenuşa combustibililor lichizi conţine diverse săruri dizolvate în apa de foraj. Combustibilii lichizi uşori au un conţinut de cenuşă de până la 0,1 %, iar combustibilii grei de până la 0,3 %.

Densitatea. Combustibilul solid extras din zăcământ are o structură poroasă neomogenă. Este constituit din câteva straturi cu densităţi diferite. Stratul solid este format din substanţe organice şi minerale. Umiditatea este îmbibată în pori, golurile interioare şi pe suprafaţa particulelor de combustibil, iar aerul se conţine în pori şi în golurile interioare.

Astfel, densitatea combustibilului definită, în general, ca masa unei unităţi de volum va fi în funcţie de volumul ales. În conformitate cu aceasta, densitatea combustibilului solid poate fi:

- densitate reală , în densitatea pe care o are combustibilul fără considerarea volumului porilor şi al golurilor interioare. Densitatea reală a combustibililor solizi are valori între 1300 kg/m3 şi 1900 kg/m3.

- densitatea aparentă , în se defineşte prin raportul dintre masa probei poroase (naturale) de combustibil şi volumul său aparent, inclusiv volumul porilor şi al golurilor interioare.

- densitatea în vrac sau grămadă în se defineşte cu raportul dintre masa unui număr mare de bucăţi (particule) de combustibil m şi volumul lor brut , inclusiv volumul golurilor interioare. Ea depinde de felul combustibilului solid, granulaţie şi grad de tasare. Se ia în considerare la calculul capacităţii depozitelor de combustibil, buncărelor şi recipientelor în care se face transportarea combustibilului. Densitatea aparentă (în vrac) a combustibililor solizi are valori între 450...800 kg/m3.

Macinabilitatea combustibilului este proprietatea de a se opune sfărâmării sale sub acţiunea forţelor exercitate de instalaţii mecanice de măcinat (ciocane, mori cu bile, mori cu roţi dinţate etc.). Macinabilitatea combustibilului se determină prin compararea consumului de energie E pentru măcinarea unei anumite probe cu energia necesară măcinării unui combustibil etalon

13

14

până la o granulaţie dată. În practică, proprietăţile de fărâmiţare a combustibilului se apreciază cu coeficientul de macinabilitate definit ca inversul coeficientului de rezistenţă:

(1)

S-a constatat că coeficientul de macinabilitate este determinat de aşa caracteristici ale combustibilului ca gradul de încarbonare, conţinutul de materii volatile, cenuşa şi umiditatea.

Capacitatea termică masică la presiune constantă, care se calculează cu relaţia:

(2)

în care pentru:

antracit şi huilă slabă

huilă

cărbune brun şi turbă

şisturi bituminoase

Temperatura de aprindere (autoaprindere) Ta determinată ca temperatura la care combustibilul

se aprinde prin încălzire de la mediul ambiant. Se stabileşte cu relaţia:

ta= a lg dp + b, oC, (3)

în care a şi b sunt constante funcţii de combustibil (a 0,89; b = 500...550), iar dp este

dimensiunea medie a particulei de combustibil, în mm.

Temperaturile caracteristice de topire a cenuşii, cunoaşterea cărora este importantă pentru funcţionarea sigură a instalaţiilor de ardere, deoarece dacă acestea sunt depăşite, apare fenomenul de depunere a cenuşii pe pereţii focarului, fenomen cunoscut sub numele de „zgurificare”. Din temperaturile caracteristice fac parte:

- de înmuiere (t1= 800...1500 oC);

- de topire (t2= t1+ 100...200 oC),

- de curgere (t3= t2+ 10...70 oC).

Clasificarea combustibililor solizi

Cel mai reprezentativ combustibil solid folosit astăzi de omenire pentru producerea energiei este, fireşte, cărbunele. Acesta reprezintă o rocă sedimentară de origine vegetală şi conţine carbon, hidrogen, sulf, oxigen şi azot, care se găsesc sub formă de compuşi. Există mai multe tipuri de cărbune, în funcţie de materia vegetală din care s-au constituit, de procesul acţiunii bacteriene, de presiunea şi temperatura la care au fost expuse rocile sedimentare, precum şi de mişcările tectonice ulterioare din scoarţa Pământului.

În funcţie de felul de formare, cărbunii se împart în trei mari grupe:

14

15

- Humici, formaţi din carbonificarea plantelor uriaşe; majoritatea cărbunilor din România aparţin anume acestei grupe;

- Sapropelici, formaţi din alge şi mâl sapropelic (şisturi bituminoase şi unele sorturi de turbă);

- Liptobiolitici, formaţi prin carbonificarea substanţelor răşinoase şi ceroase.

În funcţie de vârsta geologică, iar fiecare clasă la rândul său este reîmpărţită, de la caz la caz, în grupe:

- Turbă (T) – un cărbune relativ tânăr la care procesul de încarbonare (carbonificare) încă continuă; are culoare galben-deschis până la brun-negru;

- Cărbunele brun (B), a cărui formare a început în paleogen, la începutul erei terţiare; are un aspect castaniu sau brun-deschis până la negru, conţine umiditate şi cenuşă, arde cu flacără, iar prin distilare uscată dă gaz combustibil:

• cărbune brun pământos (BP), cu aspect sfărâmicios ca pământul, fără structură vegetală, de culoare brun-închis;

• cărbune brun lemnos sau lignitul (BL), cu aspect de fibră lemnoasă, de culoare galben-brun până la negru;

• cărbune brun mat (BM), cu aspect mat, pietros, de culoare brun-negru;• cărbune brun cu luciu smolos (BS), având aspect smolos, lucios, culoare negru-

brun până la negru, de structură compactă;

- Cărbunele brun huilos (B/H), care face tranziţia între cărbunele brun şi huilă şi are culoare neagră cu fâşii alternative lucioase şi mate;

- Huilele (H), a căror formare a început în prima parte a perioadei jurasice din era secundară şi care se împart în 6 grupe:

• huila cu flacără lungă (HL), de culoare neagră, cu fâşii alternative lucioase şi mate;

• huila pentru gaz (HG), de culoare neagră, cu stratificare puţin clară, lucioasă;• huila grasă (HGr), de culoare neagră, cu luciu puternic, de cele mai multe ori

sfărâmicioasă şi prăfoasă;• huila pentru cocs (HC), cu caracteristici similare huilei grase;• huila slabă – degrasantă (HS), având caracteristici ca şi huila grasă;• huila antracitoasă (H/A) care face tranziţia între huile şi antraciţi. De obicei,

sfărâmicioasă şi de culoare neagră;

- Antracitul (A) – cel mai vechi cărbune natural, a cărui formare a început în perioada carboniferă din era primară. Este, de obicei, sfărâmicios, are culoare neagră şi luciu metalic.

În funcţie de umiditatea raportată la starea reală, cărbunele se împarte în: cărbune cu umiditatea excesivă ( >35 %), normală (15 %< <35 %) şi redusă ( <15 %);

În funcţie de cenuşa raportată la starea anhidră, cărbunele se împarte în: cărbune cu multă cenuşă (Ad>35 %), cu conţinut moderat (15 %<Ad<35 %) şi puţină (Ad<10 %);

În funcţie de conţinutul de materii volatile raportat la masa anhidră fără cenuşă , cărbunele se împarte în: cărbune tânăr ( >45 %), bătrân ( <45 %) şi antracitos ( <10 %);

În funcţie de căldura de ardere inferioară exprimată la masa reală, cărbunele se împarte în: cărbune superior ( ), mediu ( ) şi inferior ( ).

15

16

6. Combustibili lichizi şi gazoşi. Caracteristici tehnice. Particularităţi.

Caracteristicile combustibililor lichizi

Viscozitatea este proprietatea fluidului real de a se opune mişcării relative a particulelor constituente în timpul curgerii lui.

Analiza comparativă a unor produse petroliere cu viscozitatea înaltă, cum ar fi păcura, se face folosind viscozitatea relativă (convenţională) Engler. Se va reaminti aici că viscozitatea Engler este raportul dintre timpul de curgere a 200 ml de lichid şi timpul de curgere al aceluiaşi volum de apă distilată la 20 Se exprimă în

Pentru pompare, combustibilii lichizi trebuie să aibă o viscozitate cuprinsă între şi iar pentru pulverizare o viscozitate de

Densitatea este definită ca masa unităţii de volum. Această proprietate este folosită la determinarea capacităţii rezervoarelor de păcură, consumului de energie la pomparea lui etc. şi reflectă calitatea produsului petrolier ca marfă. În practică, însă, mai des este folosită noţiunea de densitate relativă care reprezintă o mărime adimensională egală numeric cu raportul dintre densitatea lichidului dat la temperatura t şi densitatea apei distilate la 4 Densitatea produselor petroliere se măsoară cu areometrul.

La fel ca viscozitatea, densitatea depinde de temperatură. La lichide, densitatea scade cu temperatura. Într-o primă aproximaţie, variaţia densităţii substanţelor lichide cu temperatura poate fi calculată cu relaţia lui Mendeleev:

(1)

în care reprezintă densitatea lichidului la temperatura dată; - densitatea lichidului la temperatura standard de 293,15 iar - corecţia la variaţia densităţii cu 1 (pentru păcură

).

Temperatura (punctul) de congelare. Pentru determinarea acestei caracteristici energetice, este necesară mai întâi încălzirea combustibilului lichid, în scopul topirii cristalelor din hidrocarburile grele, apoi răcirea lui într-o eprubetă. Temperatura la care nivelul combustibilului lichid din eprubeta înclinată sub un unghi de faţă de orizont nu se deplasează timp de un minut se numeşte temperatură de congelare.

Păcura obţinută din petrolul parafinic se caracterizează printr-o temperatură de congelare înaltă (42 ) care creşte cu viscozitatea, dar scade cu densitatea.

Temperatura (punctul) de inflamabilitate, definită ca fiind temperatura minimă la care, la presiune atmosferică normală, vaporii degajaţi în amestec cu aerul se aprind de la o sursă incandescentă. Se determină cu aparatul Abel Pensky pentru petroluri, Pensky Martens pentru motorină şi Marcusson pentru păcuri.

Capacitatea termică masică la presiune constantă se calculează cu relaţia:

(2)

fiind temperatura combustibilului, în

Volatilitatea este proprietatea combustibilului lichid de a se evapora. Există următoarele grupuri de combustibili lichizi, în funcţie de volatilitatea acestora:

- combustibili uşori cu volatilitate mare (benzina);

- combustibili uşori cu volatilitate redusă (petroluri);

16

17

- combustibili semifluizi (motorina, combustibilul calorifer);

- combustibili grei (păcura).

Compoziţia elementară este formată în cea mai mare parte din carbon şi hidrogen. Combustibilii lichizi uşori au un conţinut de cenuşă sub 0,1 % şi de umiditate sub 0,5 %, iar combustibilii grei - un conţinut de cenuşă sub 0,3 % şi de umiditate sub 2 %. La fel ca şi combustibilii solizi, se caracterizează prin compoziţie chimică elementară la aceleaşi stări.

- Conţinutul de vanadiu este de 0…20 ppm (părţi pro milion) pentru păcurile româneşti şi de 80…120 ppm pentru păcurile de import. Prin arderea vanadiului se formează pentaoxidul de vanadiu , care produce coroziunea supraîncălzitoarelor de abur ale cazanului, numită coroziune de înaltă temperatură.

- Conţinutul de sulf este de 0,1-1 % pentru păcurile româneşti şi de 2,5-4 % pentru păcurile din import. Cunoaşterea conţinutului de sulf este importantă prin faptul că sulful prin ardere produce trioxid de sulf SO3 şi acid sulfuric (prin combinarea acestuia cu apa lichidă) care în cele din urmă provoacă coroziunea suprafeţelor de transfer de căldură, numită coroziune de joasă temperatură.

- Conţinutul de cocs Conradson este de 1,5 % la combustibilii uşori, 10 % la combustibilii semifluizi şi 12-15 % la combustibilii grei;

- Conţinutul de asfalt este de 0,2-0,4 % la combustibilii uşori, 10 % la combustibilii semifluizi şi 12-15 % la combustibilii grei.

Marcarea combustibililor lichizi se face printr-o fracţie în care la numărător se arată viscozitatea, în la temperatura de 50 , iar la numitor, temperatura de congelare, în (de exemplu, păcura de tipul 25/42).

Caracteristicile şi proprietăţile fizice ale combustibililor gazoşi

Combustibilii gazoşi se definesc prin importante caracteristici şi proprietăţi fizice:

- Densitatea sau masa specifică - una din caracteristicile principale ale combustibilului gazos de care depind dimensiunile depozitelor de gaze, capacitatea formării amestecului de gaze şi aer, locul de concentrare a gazului scurs.

Densitatea oricărui gaz în condiţii fizice normale, adică la presiunea de 101325 Pa şi temperatura 0 se poate calcula cu relaţia:

iKi, kg/m3; (3)

- Viscozitatea dinamică a gazelor creşte odată cu temperatura, conform relaţiei lui Southerland:

(4)

sau după legea:

(5)

Valorile constantelor K, C, A şi n, pentru diferite gaze, se conţin în tabele.

- Capacitatea termică volumică la presiune constantă raportată la starea anhidră calculată cu relaţia:

17

18

(6)

- Capacitatea termică volumică la presiune constantă raportată la starea reală dată de relaţia:

(7)

- Temperatura de aprindere (autoaprindere) a gazelor componente în amestec cu aerul are următoarele valori: 650 pentru monoxid de carbon (CO); 800-850 pentru metan (CH4); 550 pentru etan (C2H6) şi propan (C3H8); 335 pentru acetilenă (C2H2).

Compoziţia volumetrică și căldura de ardere sunt prezentate în tabelul de mai jos:

Gazul

Componente, % , kg/m3

Qir,

MJ/m3

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5 H2 H2S CO CO2 O2 N2

Natural 62-99

0,2-14,5

0,1-7,6

0-3,5 0-0,5 0-1,1

- - 0,1-1,4

- 0,2-30

0,74-0,95

28-46

Asociat 44-96

3-25 0,8-12,6

0,1-5 0,1-2,2 - 0,5-0,8

- 0-1,8

0-0,4

0,1-27

0,75-1,2

37-47

De ga-zogen

0,5-3 0,20-0,7

7-15

0-1,2

9-28

5-9,8

0,2 45-62

1,12-1,22

4,2-6,5

Biogaz 55-80

- - - - 0-3 ur-me

0-2 20-40

- 0-3 0,95-1,2

20-30

De furnal 0,3 - - - - 5 - 27 12,5 0,2 55 1,19 3,8

De ra-finărie

7-93

4-40**

2-35***

0-34****

0-19 0-9 - - - - - 0,6-1,6 43-95

18

19

7. Biocombustibilii, tipuri, metode de obţinere, caracteristici.

Biocombustibilii reprezintă orice tip de combustibili obținut din biomasă. Aceștia sunt prezentați ca fiind o sursă de energie regenerabilă şi înlocuitori fezabili / alternativi pentru combustibilii fosili folosiți în prezent.

Există 2 tipuri de biocombustibili: de primă generaţie şi de a doua generaţie. Prima generație reprezintă biocombustibili produși direct din culturi de plante sau din alte surse care sunt cultivate anume cu scopul de a fi utilizate ca combustibil. Biocombustibilii din a doua generaţie sunt produşi din resurse care au fost deja folosite, de exemplu uleiul vegetal folosit din restaurante.

Biomasa este una din cele mai importante resurse regenerabile de energie, datorită marelui său potențial și diferitor beneficii oferite pe plan social și ecologic. Din cele 14 % de contribuție a resurselor regenerabile în consumul global de energie, biomasei îi revin 11 %. Biomasa include: lemnul, plantele agricole și tehnice cultivate special pentru a fi utilizate ca sursă de energie, reziduuri agricole și forestiere, inclusiv deșeurile din industria agricolă și forestieră, deșeurile zootehnice etc.

Ca biocombustibili pot fi considerați:

- cei solizi: paie, peleți, brichete etc.;- cei lichizi: bioetanolul, biodieselul, biometanolul, bioETBE (etil-terțio-butil-eter), bioMTBE

(metil-terțio-butil-eter), uleiul vegetal;- cei gazoși: biogazul, bioDME (biodimetileter), biocarburanți sintetici, biohidrogenul.

Avantajele producerii și utilizării biomasei în scopuri energetice:

- biomasa ca materie primă se găsește în abundență oriunde;- emisiile nocive emanate la arderea biomasei sunt mult mai mici decât la ardere

combustibililor fosili;- este neutră sub aspectul efectului de seră, deoarece la arderea ei este emanată aceiași cantitate

de CO2 care a fost absorbită în procesul de fotosinteză;- există tehnologii bine puse la punct de conversie a biomasei în energie și biocombustibili pe

larg aplicate în lume;- efortul pentru transportarea biomasei de la surse către locurile de prelucrare și utilizare este

considerabil mai mic în comparație cu combustibilii fosili;- biomasa permite producerea descentralizată a energiei etc.

Dezavantajele:

- biomasa, în forma sa primară este voluminoasă și necesită spații mari pentru depozitare;- necesită prelucrare înaintea utilizării (uscarea, mărunțirea etc.);- utilizarea biomasei în scopuri energetice este limitată de folosirea ei ca materie primă în alte

domenii – producerea hranei, furajelor, în industria lemnului, hârtiei etc.

Paiele sunt tulpinile subțiri, cilindrice și neramificate ale culturilor cerealiere. Paiele utilizate în calitate de combustibil au o umiditate de aproximativ 14 -20 % și căldura inferioară de ardere de 13 – 15 MJ/kg.

Masa anhidră a paielor conține aproximativ 50 % carbon, 6 % hidrogen, 42 % oxigen și cantități mici de azot, sulf și alte minerale.

Paiele pot fi utilizate:

- la arderea directă pentru producerea energiei;- la producerea unor combustibili solizi, cum ar fi paletele sau brichetele;- la obținerea de combustibil gazos (singaz) sau lichid (biodiesel și bioetanol).

19

20

Umiditatea relativ mare, efectul coroziv al cenușii rezultate în urma arderii lor, precum și căldura inferioară de ardere a lor, fac ca paiele să fie mai puțin atractive pentru arderea directă.

Palete și brichete. Toate materialele cu o structură legnocelulozică (lemnele, paiele, rumegușul de lemn, hârtia, fibrele lemnoase etc.) reprezintă resurse energetice importante. Dezavantajul acestora constă în faptul că acestea au o densitate mică, ca rezultat se complică transportarea, depozitarea și utilizarea lor. Pe lângă aceasta, variația umidității lor aduce complicații la utilizarea lor în instalațiile energetice. Aceste dezavantaje pot fi eliminate prin uscarea și comprimarea acestora la presiuni mari, obținând în așa mod, biocombustibili lemnoși cu o structură omogenă – paletele și brichetele.

Tab. 1. Caracteristicile peletelor și brichetelor.

Materia primă Pelete Brichete

Formă cilindrică Cilindrică sau paralelipidică

Dimensiuni diametrul de 6 – 12 mm și lungimea se 4 – 5 ori mai mare

Diametrul 80 – 90 mm (cilindru) sau mm (paralelipiped)

Structură Tare, fără praf Relativ fărâmicios, fragil

Căldura inferioară de ardere, MJ/kg

16,8 – 18,5 16,9 – 17,6

Densitatea, kg/m3 650 - 700 650 – 700

Biodieselul se obține prin presarea semințelor oleaginoase de rapiță, soia și floarea soarelui și reacția de transesterificare, care are ca rezultat înlocuirea componentelor alcoolice inițiale (glicerol) cu alcoolul metilic (metanol).

În general, ca materie primă pentru obținerea biodieselului pot servi uleiurile vegetale, grăsimile animale sau uleiurile și grăsimile reciclate

Biodieselul este pe larg utilizat în calitate de combustibil în motoarele Diesel, fiind folosit atât în stare pură (B100), cât și amestecat cu motorină (diesel fosil).

Tab. 2. Caracteristicile comparative ale motorinei și biosieselului.

Caracteristica Motorină B20 B100

Cifra octanică 43,3 46 47,5

Densitatea, kg/m3 0,856 0,862 0,886

Temperatura de aprindere, oC 62 90 146

Viscozitatea, mm2/s 2,80 2,92 4,12

Căldura inferioară de ardere, MJ/kg 44 41,4 37,2

Temperatura de congelare, oC -21 -15 -3

Bioetanol reprezintă un alcool (etanol), obținut printr-un proces de fermentație a diferitor produse agricole bogate în carbohidrați și zaharuri, cum ar fi cerealele (porumb, sorg, grâu, orz), plante tehnice (sfeclă de zahăr, trestie de zahăr); fructele, cartofii și tescovina.

Bioetanolul nu este utilizat în stare pură ca combustibil din cauza vitezei foarte mari de evaporare a lui.

20

21

Folosirea bioetanolului în amestec cu benzina nu presupune necesitatea modificării construcției motoarelor.

Biogazul reprezintă un amestec de gaze combustibile format în urma descompunerii microbiologice a produselor organice în condiții anaerobe. Principalele surse de biogaz sunt: deșeurile municipale; nămolurile și apele reziduale; biomasa vegetală și deșeurile zootehnice.

Compoziția singazului: 50 – 70 %CH4; 25 -45 % CO2; 0 – 3 % N2; 0 – 2,8 % CO; 0 - 2 % O2; 0 – 3 % H2O; 0,02 – 0,04 H2S și 0 – 0,00035 % NH3.

Căldura inferioară de ardere 20 – 30 MJ/m3N.

Singazul (gaz de gazogen) reprezintă un amestec de gaze obținut în procesul de piroliză a biomasei.

Compoziția singazului: 4 – 9 %CH4; 9 -17 % CO2; 0 – 0,1 % N2; 9 – 18 % CO; 0 - 0,2 % O2; 35 -65 % H2; 17 – 34 % H2O; 0,02 – 0,05 H2S și 0,0002 – 0,0004 % NH3.Căldura inferioară de ardere 3 – 20 MJ/m3

N.

21

Tab. 2. Caracteristicile bioetanolului.

Cifra octanică 90

Densitatea, kg/m3 0,8

Temperatura de autoaprindere, oC 423

Căldura inferioară de ardere, MJ/kg 27

22

8. Noţiuni de ardere a combustibilului, reacţii de ardere, produse de ardere.

Arderea reprezintă un proces chimic de oxidare a elementelor sau gazelor combustibile, în urma căruia substanţele iniţiale participante în reacţie, combustibilul şi oxidantul, se transformă în produşi finali cu proprietăţi fizico-chimice diferite. Reacţia chimică de ardere a combustibilului se produce cu viteză mare şi este însoţită de degajare intensă de căldură, creşterea rapidă a temperaturii şi formarea unor produşi fierbinţi cu grad de luminozitate diferit.

Pentru desfăşurarea reacţiei chimice de ardere, este necesar, în primul rând, ca moleculele de oxigen să ajungă la suprafaţa de reacţie cu combustibilul, iar în al doilea rând, moleculele substanţelor în reacţie să fie aduse la o aşa stare când ele pot reacţiona chimic între ele. Prima condiţie se realizează pe seama difuziei moleculare şi a difuziei turbulente care se produc în cursul procesului de formare a amestecului aer-combustibil, iar a doua condiţie - în timpul aprinderii.

Reacţiile chimice de ardere se desfăşoară cu degajare de căldură, deci reprezintă reacţii exotermice. Reacțiile de ardere se produc până la consumul total al substanţelor iniţiale. Însă, în unele instalaţii, cum sunt cele înalt solicitate termic, în zona de ardere, ca urmare a consumului de căldură se pot desfăşura şi reacţii endotermice. Drept exemplu pot servi reacţiile de disociere a produşilor finali ai arderii CO2 şi H2O şi reacţia de restabilire a monoxidului de carbon pe suprafaţa fierbinte a carbonului, în cazul insuficienţei de oxigen:

(1)

Prin urmare, în zona de ardere se pot desfăşura atât reacţii exotermice, cât şi endotermice.

Arderea combustibilului poate fi fără pierderi de căldură sau completă şi cu pierderi de căldură sau incompletă. În cazul arderii complete, toate elementele combustibile din care este alcătuit combustibilul participă în reacţiile chimice de oxidare, formându-se bioxizii

De obicei, arderea combustibilului în instalaţiile industriale este incompletă. Arderea incompletă a combustibilului poate fi atât din motive mecanice, cât şi chimice. În primul caz, o parte din combustibil nu participă la ardere. De exemplu, cele mai mici fracţiuni de cărbune şi reziduu carbonos (cocs) sunt eliminate din focar fie cu curentul de gaze, fie împreună cu cenuşa şi zgura. În focarul cu arderea în strat, mai persistă pericolul ca cele mai mici particule de cărbune să cadă prin orificiile grătarului. Pierderile chimice se datorează oxidării incomplete a compuşilor carbonului şi eliminării din focar, în timpul reacţiilor chimice de oxidare, a unei părţi din substanţele gazoase combustibile ( ) formate prin evaporare şi descompunere termică a combustibilului solid şi lichid.

În reacţiile chimice de ardere, ca oxidant, se foloseşte prioritar oxigenul preluat din aerul atmosferic. În instalaţiile tehnologice, de exemplu, furnale şi cuptoare Marten se foloseşte, de asemenea, aerul îmbogăţit cu oxigen sau chiar oxigenul pur.

În afară de ardere, în natură există o serie de procese de oxidare în care reacţia chimică se desfăşoară extrem de lent sau rapid, respectiv oxidarea lentă numită şi aerisire chimică şi oxidarea rapidă sau explozia amestecului combustibil. Explozia este un proces fizico-chimic extrem de complex care se desfăşoară cu degajare de căldură şi formarea gazelor încălzite. Acestea prin destindere în mediul ambiant creează unda de şoc care propagându-se cu viteză supersonică, chiar de la sursa de aprindere, provoacă comprimarea şi încălzirea straturilor vecine până la temperatura de aprindere, asigurând astfel desfăşurarea arderii în tot volumul amestecului aer-combustibil. În sisteme închise, explozia amestecului aer-combustibil este însoţită de o creştere drastică a temperaturii şi presiunii care, în cele din urmă, poate duce la distrugerea utilajului şi chiar la pierderi de vieţi omeneşti.

22

23

Componentele inflamabile ale combustibililor solizi şi lichizi fiind carbonul C, sulful S şi

hidrogenul H, reacţiile stoichiometrice ale arderii complete vor fi:

C + O2= CO2 + QC; (2)

2H + ½ O2 = H2O + QH; (3)

S + O2 = SO2 + QS. (4)

Reacţiile de ardere a combustibililor gazoşi:

CO + 1/2O2= CO2 + QCO; (5)

H2 + ½ O2 = H2O + QH; (6)

H2S + 3/2O2 = SO2+ H2O + QH2S; (7)

CmHn + (m +n/4)O2 = mCO2 + n/2H2O + QCmHn. (8)

În baza acestor ecuaţii se obţin expresiile de calcul al procesului de ardere: cantităţile aerului necesar arderii şi a gazelor de ardere.

În urma reacțiilor chimice se obțin gazele de ardere, cenușă și căldură.

Gazele de ardere, atât a combustibililor solizi, lichizi, cât şi a celor gazoşi, sunt compuse din: CO2, SO2, N2, H2O şi aerul excesiv.

23

24

9. Volumul stoechiometric al aerului necesar arderii. Coeficientul de exces de aer, infiltrările de aer fals.

Calculul volumului aerului necesar arderii, de altfel şi al gazelor rezultate din ardere, poate fi efectuat numai pe baza relaţiilor stoechiometrice şi a ecuaţiilor termochimice de ardere, având la bază analiza elementară sau volumetrică a combustibilului. Pentru stabilirea relaţiilor de calcul a cantităţii minime de aer, se impune determinarea, în primul rând, a volumului teoretic de oxigen necesar arderii complete a elementelor combustibile conţinute într-un kilogram de combustibil solid (lichid) sau a gazelor combustibile aflate într-un metru cub normal de combustibil gazos.

Din ecuaţiile stoechiometrice de ardere a combustibililor solizi și lichizi se cunosc cantităţile de oxigen necesar teoretic arderii fiecărui kilogram de element combustibil. Prin înmulţirea acestor cantităţi de oxigen cu fracţiile masice ale elementelor combustibile respective şi adunarea rezultatelor obţinute, volumul minim de oxigen necesar teoretic arderii complete a 1 kg de combustibil solid şi lichid este:

(1)

Arderea combustibilului este asigurată de oxigenul din aerul atmosferic uscat. Compoziţia volumică a aerului uscat, în condiţii fizice normale, este următoarea: 78,09 % azot; 20,95 % oxigen; 0,93 % argon; 0,03 % bioxid de carbon. Însă, în calculele tehnice s-a acceptat ca compoziţia volumică a aerului uscat să fie 79 % azot şi 21 % oxigen. Aşa că cantitatea minimă teoretică de aer necesar arderii complete a 1 kg de combustibil solid şi lichid va fi:

sau (2)

sau după efectuarea calculelor:

(3)

În literatura de specialitate relaţia de calcul a cantităţii minime teoretice de aer necesar arderii complete a 1 kg de combustibil solid şi lichid s-a obişnuit să se scrie astfel:

(4)

unde

Pentru combustibilii gazoşi cu compoziţia volumetrică exprimată la starea reală (umedă), cantitatea minimă de aer necesar teoretic arderii se calculă în mod analog. Din ecuaţiile stoechiometrice de ardere a combustibilului gazos rezultă cantităţile de oxigen necesar arderii 1

de gaz combustibil component. Prin înmulţirea acestor cantităţi de oxigen cu fracţiile volumice ale gazelor componente corespunzătoare şi adunarea rezultatelor obţinute, volumul minim teoretic de oxigen necesar arderii este:

24

25

Cu observarea relaţiei (9.23), volumul minim teoretic de aer uscat necesar arderii 1 de combustibil gazos umed devine:

Volumul minim teoretic de aer umed necesar arderii 1 de combustibil gazos umed se poate calcula cu formula:

(7)

în care x este umiditatea aerului exprimată în grame pe kilogram aer uscat.

Nu întotdeauna se cunoaşte analiza elementară (sau volumetrică) a combustibilului sau se poate conta pe aceeaşi analiză a combustibilului într-o perioadă mai îndelungată de timp. În acest caz, calculul volumului minim teoretic de aer necesar arderii se face pe baza unor relaţii empirice stabilite, în funcţie de căldura de ardere, prin studii sistematice şi statistice. Aceste relaţii dau rezultate mai exacte decât cele obţinute prin calcule stoechiometrice.

Pentru combustibilii solizi, Rosin şi Fehling recomandă relaţia:

(8)

Pentru combustibilii lichizi, se propune relaţia:

(9)

Volumul minim teoretic de aer necesar arderii gazelor naturale şi gazului de iluminat se poate calcula cu formula:

. (10)

În majoritatea cazurilor reale de funcţionare a focarelor din instalaţiile termoenergetice, precum şi a camerelor de ardere ale maşinilor termice, nu se poate realiza un amestec perfect de aer şi combustibil sau asigura un spaţiu suficient de ardere. Dacă pentru arderea combustibilului s-ar livra numai acea cantitate de aer, care este necesar teoretic arderii lui complete, atunci în astfel de condiţii arderea s-ar desfăşura parţial. În consecinţă, arderea incompletă a unei părţi din combustibil ar contribui la reducerea căldurii de ardere şi deci a valorii energetice a combustibilului. Pentru a evita acest lucru şi a asigura o ardere completă a combustibilului, în realitate se recurge la folosirea pentru ardere a unei cantităţi de aer mai mare decât cea minimă teoretică. În aceste condiţii, arderea se desfăşoară cu un surplus, sau mai corect spus cu un exces de aer. Cantitatea de aer în exces poate fi apreciată prin introducerea unui coeficient supraunitar , denumit coeficient de exces de aer care indică de câte ori cantitatea reală de aer este mai mare decât cea minimă teoretică :

25

26

(11)

Deci, cantitatea de aer în exces pentru arderea 1 kg de combustibil solid şi lichid sau a 1 de combustibil gazos este:

sau (12)

Important este să se sublinieze că în focare şi camere de ardere energia termică a produselor arderii nu poate fi niciodată folosită complet, deoarece ele sunt evacuate în mediul ambiant la o temperatură mai mare decât cea atmosferică. Dar cum excesul de aer folosit pentru ardere contribuie la creşterea volumului produselor de ardere, devine evident că pierderile de căldură cu gazele de ardere cresc pe măsura sporirii coeficientului de exces de aer. Dacă suma pierderilor de căldură cu gazele de ardere şi a celor provocate de arderea parţială este minimă, atunci valoarea acestui coeficient este optimă.

În general, valoarea coeficientului de exces de aer este în funcţie de natura combustibilului şi de metoda de ardere. La nivelul focarelor moderne 1,05-1,5; valori mai mici se recomandă în acele cazuri când există condiţii mai favorabile de amestecare a aerului cu combustibilul.

Înzidirea cazanelor are neetanșeități în structura sa. Din contul funcționării exhaustoarelor și ventilatoarelor de tiraj în focar se creează depresiune care contribuie la infiltrarea prin aceste neetanșeități din mediul exterior este aspirat o cantitate suplimentară de aer rece. Această cantitate de aer contribuie la majorarea coeficientului de exces de aer.

26

27

10. Calculul produselor de ardere. Entalpia gazelor de ardere.

Pentru determinarea volumului de gaze de ardere, se utilizează ecuaţiile stoechiometrice.

Amestecul de gaze format prin arderea completă a combustibilului solid şi lichid este compus din bioxid de carbon, bioxid de sulf, vapori de apă, oxigen şi azot. Dacă, prin CO2, SO2, H2O, O2

şi N2 se vor nota conţinuturile procentuale în volum ale gazelor menţionate, compoziţia volumetrică a gazelor de ardere se va exprima cu relaţia:

CO2+SO2+H2O+O2+N2=100 %. (1)

Notând, în continuare, cu şi volumele parţiale ale gazelor componente, se poate scrie că volumul real al gazelor provenite din arderea a 1 kg de combustibil solid şi lichid sau a 1 de combustibil gazos este:

sau (2)

După cum se observă, volumul real al gazelor de ardere se compune din volumul gazelor triatomice (CO2 şi SO2) , volumul gazelor biatomice (O2 şi N2) şi din volumul vaporilor

de apă Prin această precizare volumul real al gazelor de ardere devine:

sau (3)

unde este volumul gazelor uscate.

Pentru a stabili relaţia de calcul a cantităţii reale de gaze arse, este necesar să se determine, în primul rând, volumul teoretic al gazelor triatomice volumul gazelor biatomice şi

volumul vaporilor de apă

Din ecuaţiile stoechiometrice ale arderii combustibililor solizi şi lichizi, se constată că 1 kg de carbon produce la ardere 1,868 de bioxid de carbon, iar 1 kg de sulf 0,7 de bioxid de sulf. Prin înmulţirea acestor cantităţi de gaze în amestec cu fracţiile masice ale elementelor combustibile respective şi adunarea rezultatelor obţinute, rezultă volumul teoretic al gazelor triatomice în produsele arderii:

(4)

Excesul de aer necesar arderii complete a combustibilului contribuie totodată la prezenţa oxigenului în gazele de ardere. Ţinând seama de compoziţia volumică a aerului atmosferic uscat şi de cantitatea de aer în exces pentru ardere, reiese că volumul de oxigen în exces este:

(5)

Azotul provine în produsele arderii din aerul atmosferic adus pentru arderea combustibilului, precum şi din azotul existent în combustibil. Fracţia volumică a azotului în aerul atmosferic este egală cu iar volumul specific al azotului în condiţii fizice normale Aşa că volumul de azot în produsele arderii este:

(6)

27

28

În consecinţă, volumul teoretic al gazelor biatomice din gazele de ardere va fi:

(7)

Vaporii de apă ce se conţin în amestecul de gaze provin nu numai din vaporizarea umidităţii conţinute iniţial în combustibil şi a apei rezultată din arderea hidrogenului, ci şi din vaporizarea umidităţii din aerul adus pentru ardere. Din ecuaţia stoechiometrică de ardere a hidrogenului se constată că 1 kg de hidrogen produce la ardere 11,207 de vapori de apă, pe când 1 kg de

combustibil 11,207 Masa vaporilor de apă rezultaţi din vaporizarea umidităţii

conţinută real într-un kilogram de combustibil este în timp ce volumul lor

(aici este volumul specific al vaporilor de apă în condiţii fizice normale).

Considerând conţinutul mediu de umiditate în aerul atmosferic sau

(aici este densitatea aerului uscat în condiţii fizice normale) şi coeficientul de exces de aer pentru ardere , volumul vaporilor de apă proveniţi din vaporizarea umidităţii

aerului necesar arderii 1 kg de combustibil solid şi lichid va fi în , sau

în . Prin urmare, volumul total al vaporilor de apă în amestecul de gaze va fi:

. (8)

Cunoscând acum volumele parţiale ale gazelor bi - şi triatomice, precum şi volumul vaporilor de apă, volumul real al gazelor rezultate prin arderea stoechiometrică a 1 kg de combustibil solid şi lichid va fi:

Analogic se obţine relaţia de calcul a volumului real de gaze formate prin arderea 1 de combustibil gazos. Din ecuaţiile stoechiometrice de ardere a combustibililor gazoşi se cunosc volumele parţiale de bioxid de carbon şi de bioxid de sulf provenite din arderea fiecărui metru cub normal de gaz combustibil component. Prin înmulţirea acestor cantităţi parţiale de bioxid de carbon şi de bioxid de sulf cu fracţiile volumice ale gazelor combustibile respective, volumul teoretic al gazelor triatomice devine:

Volumul gazelor biatomice din gazele de ardere este:

(11)

Dacă se ţine cont şi de volumul vaporilor de apă proveniţi din vaporizarea umidităţii

combustibilului, egal cu în (aici în , este umiditatea

28

29

combustibilului gazos, iar volumul specific al vaporilor de apă în condiţii fizice normale), precum şi de volumul rezultat din vaporizarea umidităţii aerului atmosferic, egal cu

în , volumul total al vaporilor de apă va fi:

Prin urmare, expresia pentru calculul volumului real al gazelor rezultate prin arderea 1 de combustibil gazos obţine forma finală:

Entalpia produselor de ardere şi a aerului.Entalpia gazelor rezultate din arderea unităţii de cantitate de combustibil se determină cu suma dintre entalpia produselor de ardere când coeficientul de exces de aer şi entalpia aerului

în exces adică:

sau . (14)

Entalpia teoretică a gazelor arse corespunzătoare temperaturii de ardere t se obţine prin însumarea entalpiilor gazelor componente:

(15)

unde sunt volumele parţiale (teoretice) ale gazelor care

compun amestecul de gaze de ardere, în sau iar -

entalpiile specifice ale gazelor componente, în a căror valoare este dependentă de temperatura t.Entalpia teoretică a aerului corespunzătoare aceleiaşi temperaturi de ardere t se calculează cu ecuaţia calorimetriei:

sau , (16)

Unde este volumul teoretic de aer necesar arderii, în sau

- entalpia specifică a aerului, în

Entalpia gazelor de ardere rezultate din arderea unităţii de cantitate din combustibil se exprimă, prin relaţia:

Entalpia gazelor de ardere depinde nu numai de temperatura de ardere t, ci şi de valoarea coeficientului de exces de aer .

29

30

11. Arderea combustibililor şi mediul ambiant.

În produsele de ardere a combustibililor fosili în instalațiile de cazane se conțin particule solide de cenușă, funingine și combustibil nears, oxizi de sulf, azot, carbon, vanadiu, bioxidul de carbon, hidrosulfurile, iar la arderea incompletă a combustibilului monoxid de carbon, hidrocarburi și benzipiren.

Poluarea cu substanțele nocive a atmosferei, solului și apei înrăutățește situația epidemico-sanitară în localitățile urbane și rurale, păduri lacuri, râuri etc., având un impact negativ pentru organismul uman și natură, calitatea produselor, mărește uzura mecanismelor și distruge clădirile și alte construcții.

La arderea chimic incompletă se formează CO – un gaz extrem de toxic. La concentrația de doar 0,4 – 0,5 % de CO în aer, aspirarea timp de câteva minute a acestui aer poate fi fatală pentru om.

Bioxidul de carbon CO2 rezultat în urma procesului de ardere contribuie la creșterea efectului de seră, deoarece el permite trecerea razelor de undă scurtă iradiate de soare și absoarbe foarte bine razele de undă lungă reflectate de suprafața terestră, astfel dereglând regimul termic natural al atmosferei Pământului. De exemplu, creșterea concentrației de CO2 în atmosferă de 0,06 % va duce la creșterea temperaturii medii anuale pe Terră cu 3 – 4 oC, având ca urmare schimbarea climei și topire a ghețarilor.

Acțiunea scurtă asupra organelor respiratorii ale omului a bioxidului de sulf SO2, la concentrația lui de 130 – 650 mg/m3 provoacă iritație puternică a coardelor vocale și asfixierea ulterioară. Îndeosebi de sensibile la bioxid de sulf sunt plantele: la o concentrație de 1,3 – 2,6 mg/m3, se dereglează procesul de fotosinteză a lor. La acțiunea mai îndelungată a SO2 plantele pier.

La ardere combustibililor fosili, azotul ce se conține în aer, devine capabil de a reacționa cu oxigenul, formând oxizii NO, NO2, N2O. Cota cea mai mare a oxizilor de azot îi revine monoxidului de azot NO. Există două surse principial diferite de formare a oxizilor de sulf: oxidarea azotului atmosferic (oxizi termici și oxizi rapizi) și oxidarea compușilor de azot din combustibil (oxizi de combustibil). Oxizii termici se formează la arderea oricărui tip de combustibil în domeniul temperaturilor înalte (de peste 1500 oC). La producerea oxizilor de azot cea mai mare influență o exercită temperatura din focar, creșterea căreia duce la o creștere exponențială a formării NO. Creșterea duratei de aflare a gazelor în zona focarului la fel duce la o creștere aproape proporțională de formare a NO. Dependența formării NO de coeficientul de

exces de aer are forme extremale pentru și este funcție de tipul combustibilului

ars.

Oxizii rapizi se formează la rădăcina flăcării la temperaturi de 900 – 1300 oC, când formarea oxizilor termici practic nu are loc. La fel ca și pentru oxizii termici, dependența formării oxizilor

rapizi de coeficientul de exces de aer reprezintă funcții extremale pentru . Cota

parte a oxizilor rapizi din emisiile produse în instalațiile de cazane energetice este 10 – 15 %, iar în cazanele de puteri mici 30 – 50 %.

Cea mai toxică substanță din componența gazelor de ardere este benzipirenul, care se formează în urma arderii chimic incomplete din cauza amestecului necorespunzător a combustibilului cu oxidantul și a pereților reci a focarului.

Pentru fiecare întreprindere industrială în localități, în dependență de limitele admisibile a concentrației, se stabilesc normele admisibile a emisiilor, care sunt incluse în documentația centralei termice, unde în afară de aceasta se mai indică măsurile de reducere a emisiilor de noxe în atmosferă.

30

31

Tab. 1. Concentrația maxim admisibilă a substanțelor nocive

Substanța nocivă Limitele admisibile a concentrației, mg/m3

maxim momentan mediu diurn

Praf (cenușă) 0,5 0,15

SO2 0,5 0,05

NO2 0,085 0,085

CO 3 1

C20H12 - 0,000001

Funingine 0,15 0,05

H2S 0,008 0,008

Măsurile de reducere a emisiilor de oxizi de sulf:

- procedee intracombustie: reținerea SO2 prin arderea combustibilului împreună cu aditivi pe bază de calcar;

- procedee postcombustie: reținerea SO2 după focar:o procedee uscate – adsorbția (legarea fizică) oxizilor de sulf;o procedee umede – absorbție (legare chimică) într-o soluție apoasă sau într-o

suspensie;o procedee semiuscate, în care aditivul folosit este o substanță alcalină.

Minimizarea producerii de NOx:

- injecția de abur sau apă în camera de ardere, care prin reducerea temperaturii flăcării reduce cu până la 50 % formarea oxizilor termici;

- recircularea gazelor de ardere în focar cu scopul reducerii temperaturii flăcării;- reducerea temperaturii aerului primar, ceea ce duce la reducerea temperaturii flăcării;- organizarea arderii în trepte (arderea decalată);- folosirea de panouri metalice sau ceramice în camera de ardere, poziționate corespunzător în

zona flăcării, care reduc temperatura flăcării preluând căldura de la aceasta și iradiind-o;- proiectarea arzătoarelor astfel ca să se reducă turbulența flăcării cu întârzierea amestecării

aerului cu combustibil și crearea unei zone de început a arderii bogate în combustibil;- reducerea încărcării termice a focarului.

Reducerea simultană a emisiilor de oxizi de sulf și azot poate fi realizată prin:

- arderea etajată și injecția de CaO;- cu ajutorul câmpurilor electromagnetice.

Reducerea de CO poate fi realizată prin crearea condițiilor unei arderi perfecte, amestecarea cât mai bună a combustibilului cu aerul, aflarea cât mai îndelungată a gazelor de ardere în zona focarului.

Reducerea emisiilor de CO2poate fi realizată prin:

- separarea CO2 de gazele de ardere prin utilizarea absorbției chimice, membranelor din polimeri, distilării la temperaturi joase;

- transportarea CO2 la locul unde în continuare va fi prelucrat;- utilizarea, stocarea cu eliminarea CO2.

31

32

Pentru desprăfuire gazelor de ardere pot fi utilizate captatoare de cenușă:

- mecanice, în care particulele solide se separă de gazele de ardere sub acțiune forțelor de inerție la schimbarea direcției fluxului gazelor. Aceste filtre la rândul său pot fi uscate și umede. Filtrele umede sunt acele filtre în care cenușa din gazele de ardere este reținută cu ajutorul apei;

- electrofiltre, principiul de funcționare a cărora se bazează pe ionizarea mediului gazos și atracției particulelor solide încărcate ale cenușii cu antrenarea ulterioară a lor la electrozi;

- cu medii filtrante; care se bazează pe trecerea gazelor printr-un strat filtrant care reține particulele în condiții medii de temperatură, umiditate și coroziune.

Dispersarea produselor de ardere în mediul ambiant, astfel ca la suprafața solului concentrația substanțelor nocive să nu depășească limita admisibilă poate fi realizată prin alegerea corespunzătoare a construcției și înălțimii coșului de fum și a instalațiilor de tiraj.

32

33

12. Bilanţurile cazanelor, bilanţul material, bilanţul termic, pierderile de căldură.

Bilanțul reprezintă compararea părților componente la intrare într-o instalație și componentele la ieșire din ea.

Pentru instalația de cazane se deosebesc bilanțuri:

1) material;2) termic (pentru agregatul de cazan);3) energetic (pentru instalația de cazane);4) exergetic (pentru fabricatul de cazan).

Bilanțul material al cazanului poate fi întocmit la o unitate de timp sau la o unitate de consum de combustibil.

În instalațiile de cazane de abur se produce abur, utilizat pentru necesități tehnologice și producerea energiei electrice, și apei fierbinte. Pentru menținerea concentrației de săruri în apa de cazan și evacuarea nămolului este prevăzută purjarea cazanului. Există două tipuri de purjare:

- continuă, care se efectuează permanent din tamburul de sus al cazanului și este destinată pentru menținerea bilanțului de săruri din cazan;

- periodică, , se efectuează din colectoarele inferioare a vaporizatorului cu scopul eliminării nămolului.

Bilanțul termic al agregatului de cazan reprezintă distribuirea căldurii introduse între căldura utilă și pierderile de căldură.

În bilanțul termic se ia în considerație cantitatea de căldură, introdusă în cazan cu aerul

preîncălzit într-o altă instalație , căldura fizică a combustibilului preîncălzit în afara

instalației și căldura chimică înglobată de combustibil .

Astfel, căldura disponibilă, introdusă în focar va fi:

.

O parte din căldura consumată în cazan, se consumă util (kJ/kg sau kJ/m3) se consumă

pentru obținerea a unui flux cu parametrii necesari, iar altă parte reprezintă pierderile.

Pentru 1 kg de combustibil solid sau lichid sau 1 m3 de combustibil gazos, ecuația bilanțului termic va avea forma:

,

Unde – pierderi de căldură cu gazele evacuate în atmosferă;

– pierderile de căldură cauzate de arderea chimic incompletă a combustibilului;

– pierderile de căldură cauzate de arderea mecanic incompletă a combustibilului;

33

Abur

Aer

Combustibil

Purjă

Zgură și cenușă

Abur

Gaze de ardere

Apă de alimentare

34

– pierderile de căldură prin înzidirile cazanului în mediul ambiant;

– pierderile de căldură cu cenușa și zgura evacuată din focar.

Cantitatea de căldură, introdusă în instalația de cazane, cu aerul preîncălzit în alte instalații se determină cu relația:

,

unde – coeficientul de exces de aer la intrare în preîncălzitorul de aer, iar în absența lui la

intrare în focar;

și – entalpiile cantității teoretice de aer necesare arderii complete a unei unități de

combustibil, preîncălzite într-o altă instalație, și a aerului rece, temperatura căruia se admite egală cu 30 oC.

Cantitatea de căldură, introdusă cu combustibil, kJ/kg sau kJ/m3, se determină cu expresia:

,

unde – capacitatea termică specifică a combustibilului, kJ/(kgK) sau kJ/(m3K);

– temperatura combustibilului, oC.

Această cantitate de căldură se ia în considerație, atunci, când temperatura combustibilului lichid sau gazos este mai mare de 30 oC, a combustibilului solid – 20 oC, iar umiditatea lui este mai

mare de .

Cantitatea de căldură util consumată în cazan se compune din căldura consumată pentru

preîncălzirea apei , vaporizarea ei și supraîncălzirea aburului, kJ/kg sau

kJ/m3:

.

Cantitatea de căldură consumată pentru preîncălzirea apei:

,

unde – cantitatea de abur produsă în cazan, kg/s;

– consumul de combustibil, kg/s sau m3/s;

- entalpia a apei de saturație la presiunea din cazan, kJ/kg;

- entalpia apei de alimentare, kJ/kg.

Cantitatea de căldură consumată pentru vaporizarea apei:

,

unde - entalpiile aburului saturat la presiunea din tambur, kJ/kg.

34

35

Cantitatea de căldură consumată pentru supraîncălzirea aburului:

,

unde – entalpia aburului supraîncălzit, kJ/kg.

Însumând aceste cantități de căldură se obține:

.

35

36

13. Analiza pierderilor de căldură. Randamentul brut al cazanului, consumul de combustibil.

Bilanțul termic al cazanului are forma:

, (1)

unde – cantitatea disponibilă în focarul cazanului;

– cantitatea de căldură consumată util;

– pierderi de căldură cu gazele evacuate în atmosferă;

– pierderile de căldură cauzate de arderea chimic incompletă a combustibilului;

– pierderile de căldură cauzate de arderea mecanic incompletă a combustibilului;

– pierderile de căldură prin înzidirile cazanului în mediul ambiant;

– pierderile de căldură cu cenușa și zgura evacuată din focar.

Împărțind ambele părți ale bilanțului la cantitatea disponibilă de căldură, obținem:

, (2)

unde –cantitatea procentuală de căldură consumată util;

– pierderi procentuale de căldură cu gazele evacuate în atmosferă;

– pierderile procentuale de căldură cauzate de arderea chimic incompletă a

combustibilului;

– pierderile procentuale de căldură cauzate de arderea mecanic incompletă a

combustibilului;

– pierderile procentuale de căldură prin înzidirile cazanului în mediul ambiant;

– pierderile procentuale de căldură cu cenușa și zgura evacuată din focar.

Randamentul brut al cazanului:

, sau , (3)

unde – suma pierderilor procentuale din cazan.

Pierderile de căldură cu gazele de ardere evacuate în atmosferă sunt numeric egale cu diferența

dintre entalpia gazelor de ardere la ieșire din ultima suprafață de schimb de căldură și

entalpia aerului din mediul înconjurător :

, (4)

unde ,

36

37

– coeficientul de exces de aer din focar ( );

– infiltrările de aer fals focar și tractul de gaze;

, (5)

unde – temperatura gazelor evacuate, oC;

, , – volumele teoretice ale gazelor din componența gazelor de ardere,

sau ;

- volumul teoretic al aerului necesar arderii complete a unei unități de combustibil,

sau ;

- volumul teoretic al vaporilor de apă din componența gazelor de ardere,

sau ;

, și – capacitățile termice specifice ale gazelor din componența gazelor

de ardere și a aerului, kJ/(kgK) sau kJ/(m3K).

, (6)

unde – temperatura aerului preluat din mediul ambiant, oC.

Dacă în procesul arderii combustibilului, elementele combustibile nu au interacționat cu oxigenul și au fost evacuate din focarul cazanului, apar pierderi de căldură datorate arderii

chimic incomplete .

Valoarea se determină prin analiza gazelor de ardere evacuate din cazan. Experiențele au

arătat că la arderea în strat pierderile procentuale la arderea chimic incompletă constituie 0,5 – 3 %, iar la arderea în volum – 0,5 – 1,5 %.

În orice focar la arderea combustibilului solid există pierderi legate de arderea mecanic incompletă. Aceste pierderi sunt divizate în trei componente: pierderi de căldură cu

combustibilul căzut jos de pe grătar , pierderi de căldură cu combustibilul rămas în zgură

și cel antrenat de gazele de ardere . Pierderile procentuale de căldură cauzate de arderea

mecanic incompletă a combustibilului variază între 0,5 și 14 % și sunt prezente doar la combustibilii solizi.

Datorită diferenței de temperatură din interiorul focarului și mediul ambiant prin înzidirea cazanului apare un flux de căldură înspre mediul exterior. Pierderile procentuale de căldură prin înzidirea cazanului vor fi:

, (7)

Unde – suprafața pereților exteriori a cazanului;

– coeficientul de transfer de căldură, ;

37

38

– coeficientul de transfer de căldură prin convecție, ;

– coeficientul de transfer de căldură prin radiație, ;

– temperatura din interiorul cazanului, oC;

– temperatura mediului exterior, oC;

– căldura inferioară de ardere a combustibilului, kJ/kg sau kJ/m3;

– consumul de combustibil m3/s sau kg/s.

Acest tip de pierderi depind de starea înzidirii.

Pierderile de căldură cu cenușa și zgura evacuată din focar sunt prezente doar la combustibilii solizi. Pierderile procentuale cu entalpia zgurii sunt mai mici de 1 %. Ele se determină cu expresia:

, (8)

unde – cota parte a cenușii rămase în focar sub formă de zgură, ;

– capacitatea termică specifică a zgurii, kJ/(kgK);

– temperatura zgurii, oC;

– conținutul de cenușă din combustibil.

38

39

14. Bilanţul energetic al cazanului, serviciile proprii, randamentul net.

Bilanțul energetic se referă la instalația de cazane și în afară de pierderile de căldură, ce apar în procesul arderii, mai include și consumurile de energie pentru serviciile proprii care au loc în instalațiile auxiliare, adică consumurile de energie necesare pentru organizarea adecvată a procesului de ardere și producerea energiei termice.

Consumul energiei pentru serviciile proprii:

- consumul de energiei electrică în:o pompele de apă, de condensat și păcură;o ventilatoare;o gospodăria de combustibil;o instalațiile de măcinare;o iluminare;o sisteme de condiționare;o sisteme de automatizare, control și dirijare;

- consumul de energie termică:o pierderi de căldură în gospodăria de combustibil;o sisteme de încălzirea;o apa caldă de consum;o pierderi de căldură în sistemul de încălzire preliminară a aerului

Randamentul net al instalației de cazane, spre deosebire de cel brut, ia în considerație nu doar pierderile de căldură din agregatul de cazan, dar și consumurile de energie termică și electrică pentru necesitățile proprii.

.

Astfel, randamentul net reprezintă raportul dintre energia livrată consumatorului și cea consumată în instalația de cazane pentru producerea ei:

sau

,

unde – căldura util consumată în instalația de cazane;

– echivalentul termic al consumului de energie electrică și termică pentru serviciile

proprii;

– consumul de combustibil;

– căldura inferioară de ardere a combustibilului;

– pierderile de căldură în agregatul de cazan;

– cota parte a căldurii înglobate în combustibil, consumate pentru acoperirea serviciilor

proprii ai instalației de cazane.

39

40

pentru instalațiile de cazane ce funcționează pe păcură și gaz, -

pentru instalații de cazane ce ard cărbune praf.

40

41

15. Organizarea procesului de ardere, focare, caracteristici.

Organizarea procesului de ardere constă în:

- pregătirea combustibilului;- dozarea combustibilului;- amestecul combustibilului cu aer;- aprinderea;- arderea în condiții optime (temperatura, amestecul, să se tragă gazele de ardere de la

rădăcina flăcării etc.).

Focarul reprezintă un spațiu mărginit de pereți în care are loc procesul de ardere a combustibilului cu scopul eliminării căldurii înglobate în acesta și obținerea produselor de ardere cu o temperatură cât mai mare. În același timp, focarul servește ca schimbător de căldură, în care are loc transferul de căldură către suprafețele de schimb de căldură.

Focarele pot fi clasificate:

a) după forma sa:- cameră;- tunel;

b) după poziția suprafețelor de schimb de căldură:- interioare;- exterioare

c) după metoda organizării procesului de ardere:- cu arzătoare și arderea în volum (pentru gaz natural, combustibil lichid, cărbune praf);- cu ardere în strat (combustibil solid):

• pe grătar;• în strat fluidizat.

Focarele ale agregatelor moderne de cazane trebuie să corespundă următoarelor cerințe: trebuie să satisfacă sarcina termică necesară cu obținerea agentului termic cu parametri necesari; trebuie să fie sigur în condițiile de exploatare de lungă durată, inofensiv și simplu în exploatare; arderea, după posibilitate, trebuie să fie chimic și mecanic cât mai completă; modificarea sarcinii termice în intervale cât mai mari; posibilitatea utilizării unui combustibil de rezervă etc.

Caracteristicile focarului sunt:

1. Caracteristicile geometrice:

a) volumul focarului , m3;

b) suprafața pereților focarului , m2;

c) suprafața de radiație , m2;

d) gradul de ecranizare a focarului ;

e) suprafața transversală a focarului , m2;

f) suprafața grătarului , m2.

2. Caracteristicile termice:a) sarcina termică:

, (1)

41

42

unde – consumul de combustibil, m3/s sau kg/s;

– căldura disponibilă în focarul cazanului, MJ/m3 sau MJ/kg.

b) Sarcina termică volumetrică, care caracterizează arderea combustibilului într-o

unitate de volum a focarului , MW/m3:

, (2)

c) Sarcina termică a suprafeței transversale , MW/m2:

, (3)

d) Sarcina termică a grătarului, care caracterizează arderea combustibilului pe o

unitate de suprafață a grătarului , MW/m2:

. (4)

3. Caracteristici tehnologice:

a) Coeficientul de exces de aer ;

b) infiltrările de aer fals în focar ;

c) pierderile de căldură datorate arderii chimic incomplete ;

d) pierderile de căldură datorate arderii mecanic incomplete ;

e) pierderile procentuale de căldură prin înzidirile cazanului în mediul ambiant ;

f) pierderile procentuale de căldură cu cenușa și zgura evacuată din focar ;

g) cota parte a cenușii antrenate de gazele de ardere ;presiunea necesară în focar:

- cazan cu depresiune S=20 – 70 Pa;- cazan cu suprapresiune P=1 – 5 kPa;- cazan cu suprapresiune mare P=0,5 – 1 MPa.

42

43

16. Arderea combustibilului solid în strat imobil şi fluidizat.

În focarele cu arderea în strat are loc arderea combustibilului solid. În dependență de metoda arderii și forma combustibilului se deosebesc focare cu arderea combustibilului solid pe grătar în strat imobil și a combustibilului solid măcinat în strat fluidizat.

În focarele cu grătar stratul de combustibil este imobil în raport cu grătarul, însă el poate să se deplaseze împreună cu grătarul, sau pe grătar de pe un element pe altul. Aceste focare pot fi cu deservire:

- manuală, în care alimentarea cu combustibil și eliminarea zgurii se efectuează manual;- semimecanizate, în care alimentarea cu combustibil se efectuează mecanizat, iar

eliminarea zgurii – manual. La acest tip de focare se referă focarele ;- mecanizate, în care alimentarea cu combustibil și evacuare zgurii are loc mecanizat..

Fig. 1. Schemele de alimentare a focarului cu cărbune.

a și b – mecanic (pentru cărbune mășcat), c – pneumatic (pentru cărbune mărunțit); d – pneumomecanic (pentru cărbunele ).

Focarele cu ardere în strat imobil se divizează în trei clase:

- cu grătar imobil și stratul de combustibil imobil, la care se referă focarul cu grătar manual orizontal. În acest tip de grătar poate fi ars orice tip de combustibil solid, dar din cauza deservirii manuale el este utilizat în cazanele cu productivitate mică (până la 1 – 2 t/h). Focarele cu alimentarea mecanică cu combustibil se utilizează în cazanele cu productivitatea de 6,5 – 10 t/h;

- cu grătar imobil și cu stratul de combustibil ce se deplasează pe grătar, la care se referă:o focarele cu bară de răscolire, la care combustibilul se deplasează pe grătar cu

ajutorul unei bare cu o formă specială care se mișcă de-a lungul grătarului dintr-o parte în alta. Ele se utilizează pentru arderea cărbunelui brun în cazanele cu o productivitate de până la 6,5 t/h;

o focarele cu grătar înclinat combustibilul proaspăt se încarcă de sus și pe măsura arderii combustibilului lunecă în partea de jos a focarului. Se utilizează pentru arderea deșeurilor lemnoase și turbei în cazanele cu productivitatea de până la 2 t/h;

o focare cu tunel rapid se utilizează pentru arderea turbei în cazanele cu productivitatea de până la 6,5 t/h și pentru arderea deșeurilor lemnoase în cazanele cu productivitatea de până la 20 t/h;

- focarele cu grătar mobil în lanț:o cu deplasare directă, în care grătarul se deplasează de la peretele din față înspre

cel posterior. Cărbunele ajunge pe grătar prin cădere liberă;o cu deplasare inversă, în care grătarul se deplasează de la peretele posterior înspre

cel din față. Cărbunele se aruncă pe grătar prin mecanism de aruncare;Acest tip de focare se utilizează pentru arderea huilei, cărbunelui brun și antracitului în cazanele cu productivitatea de 10 – 35 t/h.

43

44

Focarele cu arderea combustibilului în strat fluidizat se utilizează atât în cazanele mici, cât și în cele energetice de puteri mari. În acest tip de focar, presiunea aerului suflat de sub grătar impune particulele de combustibil să se ridice de pe grătar și să efectueze o mișcare rectilinie alternativă în sus și în jos, transformând stratul de combustibil în ceva asemănător fluidului fierbător. Pe măsura arderii sale, particulele de combustibil sunt antrenate în volumul focarului unde are loc arderea lor completă. Cantitatea de combustibil ce se află în stratul fluidizat e de 10 – 15 % din cantitatea lui totală. Pentru micșorarea temperaturii în zona stratului fluidizat se instalează suprafețe de schimb de căldură. Utilizarea acestor focare permite considerabil simplificarea schemei de pregătire a combustibilului solid, renunțând la prepararea prafului, și asigurând o ardere eficientă cu emisii minime de NOx.

44

Fig. 2. Schema focarelor cu arderea în strat imobil.

a –cu grătar manual orizontal; b - cu grătar imobil și cu aruncător de combustibil; c – cu bara de răscolire; d – cu grătar înclinat; e – cu tunel vertical, f – cu grătar mobil în lanț și deplasare directă; g – cu grătar mobil cu lanț și deplasare inversă.

Fig. 3. Focar cu arderea combustibilului solid în strat fluidizat.

a – schema arderii combustibilului; b – construcția focarului cu ciclon de înaltă temperatură; 1 – grătar, 2 – combustibil; 3 – focar; 4 – buncăr de cărbune; 5 – buncăr cu aditivi; 6 – ciclon de înaltă temperatură; 7 – ventilator.

45

17. Arderea combustibilului solid în suspensie, sisteme de măcinare a cărbunelui.

Necesitatea creșterii productivității (puterii) unitare a instalațiilor de cazane a condus la trecerea arderii combustibilului solid în suspensie – amestecul cărbunelui de praf cu aerul cald.

Cărbunele praf reprezintă un amestec de particule solide de formă neregulată dimensiunile de la până la 500 microni. Amestecul cărbunelui praf cu aerul prezintă pericol de explozie. Praful de cărbune cu un conținut de 7 – 9 % este disponibil la autoaprindere.

Astfel, arderea cărbunelui în formă de praf este utilizată în cazanele de medie și mare productivitate. Cu o eficiență destul de mare ard cărbunii cu conținut mare de cenușă și de umiditate – cărbunele brun, antracit etc. În aceste focare toate procesele sunt mecanizate.

Cărbunele se macină în sisteme speciale – sisteme de măcinare.

Pentru caracterizarea calității procesului de măcinare se utilizează rezultatul cernerii prafului prin site de diferite dimensiuni. Conform rezultatului cernerii se construiește caracteristica de măcinare a prafului ca o dependență a rămășiților Rx pe sită de dimensiunea x a sitei: Rx=f(x). Cele mai utilizate caracteristici a rămășiței de cărbune sunt R90 și R200.

De exemplu pentru antracit: , unde 90 – reprezintă mărimea sitei (90 microni), 6

– 8 % rămășița cărbunelui rămasă pe sită.

Schemele de preparare a cărbunelui sunt:

- individuale, care se amplasează nemijlocit în fața cazanului și prepară cărbunele doar pentru instalația dată;

- centralizate, care se utilizează pentru prepararea cărbunelui praf pentru toate cazanele din secție.

Un sistem de prepararea a cărbunelui praf include: sistem de măcinare și uscare a combustibilului, dozarea lui, transportarea și depozitarea. Mediul utilizat pentru uscarea cărbunelui poate fi aerul fierbinte, gazele de ardere, abur sau amestecul lor.

Sistemele individuale de măcinare a cărbunelui pot fi:

a) cu turație mare cu măcinare prin lovire (pentru cărbunii moi):1) cu ventilatoare;2) cu ciocane;

b) cu turație medie (pentru cărbune tari):1) cu bile;2) cu valțuri;

c) cu turație mică – cu tambur cu bile.

Utilajul auxiliar al instalațiilor de mori include alimentatoare de combustibil, cicloane, ventilatoare, șnecuri etc.

Alimentatoarele de cărbune brut sunt instalate înainte de moară și sunt destinate pentru dozarea cărbunelui în moară cu scopul reglării productivității morii și menținerea unui regim constant de lucru al ei. Ele pot fi de două tipuri cu discuri (destinat pentru transportarea combustibilului relativ uscat) sau cu raclete (pentru transportarea cărbunelui cu conținut mare de umiditate și turbei).

Alimentatoare de praf sunt destinate pentru transportul cărbunelui praf din buncăr la arzătoare. Există două tipuri de alimentatoare cu șnecuri (destinate pentru transportarea oricărui tip de cărbune) și cu palete (cărbunelui brun, și antracitului).

45

46

Fig. 1. Combinarea morii cu ciocane cu focar Fig. 2. Moară cu ventilator.

1 – electromotor; 2 – racorduri pentru aerul fierbinte; 3 – fereastra pentru introducerea cărbunelui; 4 – tunel; 5 – ambrazura ce unește moara cu focarul; 6 – introducerea aerului secundar; 7 – rotorul morii; 8 – ciocane.

1 – Racordul pentru intrarea aerului și combustibilului; 2 – organul de măcinare; 3 – rotor; 4 – corp; 5 – separator; 6 - canalul de ieșire a prafului de cărbune.

d)

Fig. 3. Schema de preparare a cărbunelui praf cu buncăr intermediar

Fig. 4. Moară cu bile.

1 – buncăr de cărbune brun; 2 – cântar; 3 – alimentator; 4 – moară cu bile; 5 – separator; 6 – ciclon; 7 – buncăr intermediar; 8 – șnec; 9 – ventilator; 10 – arzător; 11 – alimentator cu aer fierbinte; 12 – focar.

Cicloanele sunt destinate pentru separarea cărbunelui praf gata de aer în instalațiile de buncăre.

Ventilatoarele morilor sunt destinate pentru transportul pneumatic a cărbunelui praf și alimentarea lui în arzător. Acestea sunt prevăzute pentru presiuni de 750 – 1300 kg/m2 și un debit al aerului de 40 – 80 mii m3/h cu temperatura de 200 oC.

46

47

18. Arzătoare şi focare pentru combustibil solid.

Arzătoarele sunt aparate în care se organizează amestecul combustibilului cu oxidantul și se formează condițiile necesare pentru ardere.

Amestecul de combustibil praf și aerul secundar sunt introduse în focar cu ajutorul arzătoarelor turbulente sau laminare.

Arzătoarele turbulente se realizează:

- cu două dispozitive melc, cu turbionarea amestecului aer-praf în primul dispozitiv și a aerului secundar – în al doilea melc;

- cu flux direct și un dispozitiv melc, cu turbionarea numai a aerului secundar.

Acest tip de arzătoare este universal pentru orice tip de combustibil solid, dar cea mai largă aplicare l-a primit pentru arderea combustibilului cu conținut mic de substanțe volatile.

Arzătoarele laminare, datorită turbionării neînsemnate a aerului, creează jeturi cu bătaie mare și unghi mic de desfacere, și cu un amestec neînsemnat al aerului primar cu cel secundar. Ele pot fi imobile sau basculante. Arzătoarele laminare de regulă au o productivitate relativ mică. Acest tip de arzătoare se utilizează pentru arderea combustibililor cu un conținut mare de substanțe volatile: cărbune brun, turbă, huilei etc.

Fig.1. Arzător turbulent turbulent cu turbionarea doar a aerului secundar.

Fig. 2. Arzător turbulent cu turbionarea aerului primar și celui secundar.

1 și 2 – partea terminală a duzelor; 3 și 7 – canale inelare; 4 și 8 – melc; 5, 6 și 11 – conducte de oțel; 9 – duză pentru păcura (combustibilul de aprindere); 10 – timonă; 12 clapetă; 13 – prelungitor din fontă; 14 –con; 15 – prag.

Arzătoarele pentru arderea combustibilului praf, de obicei, se amplasează pe pereții verticali ai focarului: pe tavanul, frontal – pe peretele din față, în opoziție – pe pereții laterali sau pe peretele din față și cel posterior, sau în colțuri. Frontal arzătoarele se amplasează în cazanele cu o productivitate de până la 120 t/h. Astfel de amplasare este cea mai rațională pentru exploatarea cazanului. Însă în cazanele cu o productivitate de 150 – 220 t/h este necesar de amplasat arzătoarele frontal pe pereții laterali, deoarece lățimea frontului focarului nu permite amplasarea a mai mult de patru arzătoare, iar pe pereții laterali este posibilă amplasarea a șase arzătoare. În cazanele cu productivitate și mai mare are loc amplasarea frontală a arzătoarelor pe pereții din față și cel posterior. Amplasarea arzătoarelor în colțuri se aplică în focarele cazanelor cu productivitatea mai mare de 75 t/h. Însă această amplasare este mai puțin aplicată ca cea frontală.

Focarele pentru arderea cărbunelui în suspensie sunt de trei tipuri:

1) tip cameră deschisă;2) tip cameră semideschisă;

47

48

3) tip ciclon.

Fig. 3. Schemele posibile de amplasare a arzătoarelor.

I – pe tavan; II – frontal, III – în opoziție; IV – în colțuri.

După modul de evacuare a zgurii se deosebesc focare cu evacuarea zgurii:

a) în stare solidă. Partea de jos a acestor focare este realizată în formă de o pâlnie formată de partea de jos a ecranele pereților din față și celui posterior plasate sub un unge de 52o față de orizont. În această pâlnie rece are loc răcirea și granularea zgurii, care ulterior cade în dispozitivul de colectare a cenușii. Cantitatea de cenușă captată este de 5 – 10 %;

b) în stare lichidă. Acestea funcționează în cazul în care temperatura părții minerale este mai mare decât temperatura normală a stării lichide. Creșterea temperaturii se realizează prin încetinirea procesului de transfer de căldură de la produsele de ardere. Pentru creșterea temperaturii, zona de ardere se separă de restul focarului. Ecranele se acoperă cu material reflectant din cromit Cr2O5 sau carbură de siliciu CSi. Partea de jos a focarului se plasează sub un unghi de 15o

față de orizont. Cota parte a cenușii captate este de 10 – 20 %.

Caracteristicile focarului cu evacuare solidă a zgurii:

- ;

- ;

- ;

- .

Caracteristicile focarului cu evacuare lichidă a zgurii:

- ;

- ;

- ;

- .

48

Fig. 4. Schemele camerelor de ardere a cărbunelui praf.

a –tip deschis; b – tip semideschis; c – cu ciclon; 1 și 5 – arzătoare; 2 – focar; 3 – tractul de gaze; 4 – pereții focarului; 6 – evacuarea aerului; 7 – fereastra de ieșire a ciclonului; 8 – ciclon.

49

49

50

19.Arderea combustibililor lichid şi gazos; arderea simultană a mai multor combustibili.

Păcura poate fi arsă în focare cu productivitatea de abur de până la 950 t/h.

Pentru arderea combustibilului lichid, el trebuie preventiv să fie pulverizat cu scopul unei evaporări mai bune, deoarece la arderea combustibilului lichid ard vaporii lui.

Focarul pentru arderea păcurii constă din camera de ardere, suprafețele radiate și arzătoare.

Fig. 3. Schemele posibile de amplasare a arzătoarelor.

I – pe tavan; II – frontal, III – în opoziție; IV – în colțuri.

După principiul de pulverizare a păcurii, arzătoarele pot fi:

- mecanice, bazate pe principiul utilizării, la pulverizarea păcurii, a energiei mișcării de rotație în camera cilindrică. Lichidul turbionat puternic iese prin orificiul central al pulverizatorului (disc sau șaibă), care închide partea frontală a camerei cilindrice, executând o mișcare rotativă cu viteze mari. De la momentul ieșirii păcurii din pulverizator, el începe să execute o mișcare rectiline tangentă la traiectoria circulară din orificiul pulverizatorului. În rezultat lichidul formează o peliculă în forma unui hiperboloid. În mișcarea sa, această peliculă se rupe formând jeturi subțiri, iar mai apoi picături mici. Avantajul acestui tip de arzător constă în faptul că nu este necesar de a utiliza abur pentru pulverizare, iar dezavantajul – astuparea pulverizatorului cu cocsul de petrol și posibilitatea reglării productivității arzătorului în limitele de 80 – 100 %. Reglarea productivității arzătorului are loc prin laminarea combustibilului, ceea duce la micșorarea presiunii înainte de pulverizator și, ca rezultat, scăderea calității pulverizării;

- cu abur, bazate pe utilizarea energiei cinetice a jetului de abur: jetul subțire de combustibil lichid, nimerind sub un unghi în jetul de abur, ce se mișcă cu viteze mari, se rupe formând picături separate. Pentru pulverizare se utilizează abur cu presiuni de 0,5 – 25 MPa. Pentru pulverizarea 1 kg de combustibil se utilizează 0,3 – 0,5 kg de abur. Pulverizarea are loc cu atât mai bine, cu cât presiunea aburului înaintea arzătorului este mai mare. Dezavantajul arzătoarelor cu pulverizare cu abur constă în consumul mare a aburului și că sunt zgomotoase.La instalarea arzătoarelor cu pulverizare mecanică și cu abur, tot aerul necesar procesului de ardere, este introdus în focar în jurul trunchiului arzătorului prin ambrazuri rotunde. Pentru reglarea cantității de aer introduse se utilizează registre speciale. În instalațiile mari de cazane, aerul se introduce preîncălzit până la temperatura de 200 – 300 oC, iar în cele mai mici – rece. Viteza aerului, în cazul pulverizării mecanice, în registre se admite de 20 – 35 m/s, iar în cazul pulverizării cu abur – 5 – 8 m/s;

- rotative, bazate pe forța centrifugă, creată de un rotor de turații mari (5 – 7 mii rot/min). Acest tip de arzătoare este puțin răspândit. Productivitatea lor este de peste 3 t/h și se regulează în limitele de 15 – 100 %. Dezavantajul este că sunt gălăgioase și complicate în construcție;

50

51

- cu aer, principiul de funcționare fiind asemănător cu cele cu abur, cu remarca că aici se utilizează jetul de aer sub presiune. Productivitatea acestui tip de arzător ajunge până la 500 kg/h și se reglează în limitele de 20 -100 %. În acestea pulverizarea combustibilului este mai rea decât în celelalte tipuri, respectiv flacăra este mai lungă, iar pierderile de combustibil mai mari.

Fig. 2. Arzătoare cu pulverizarea combustibilului lichid.

a – pulverizare mecanică, b – pulverizare rotativă, c – cu mediu pulverizant; 1 – introducerea combustibilului, 2 și 3 – dispozitiv de pulverizare, 4 – introducerea aerului.

Camerele de ardere și suprafețele iradiate ale focarelor pentru arderea gazului se realizează asemănător cu cele pentru păcură și sunt calculate pentru aceeași parametri. De aceea ele pot fi utilizate și pentru arderea păcurii (și invers focarele destinate pentru arderea păcurii pot și utilizate pentru arderea gazului). Gazul și aerul necesar arderii sunt introduse în focar cu ajutorul arzătoarelor la presiunea din sistemul de alimentare cu gaz.

Arzătoarele de gaz pot fi amplasate pe pereții din față, posterior sau cele laterale, într-un rând sau două rânduri.

Tipul construcției arzătorului de gaz este determinat de tipul gazului ars, presiunea lui, productivitatea lui, și de faptul dacă arzătorul este destinat pentru arderea doar a gazului sau arderea combinată a două tipuri de combustibil.

Arzătoarele pentru gaz pot fi clasificate în:

- arzătoare cu flacără;- arzătoare fără flacără, la care arderea are loc în tuneluri ceramice practic fără flacără

După presiune pot fi: arzătoare de joasă, medie și mare presiune.

După modul de formare a amestecului combustibil-aer:

- de tip difuzor – amestecul se formează în camera de ardere;- de tip cinetic –amestecul se formează până la intrarea în camera de ardere

După modul introducerea a aerului:

- introducere forțată cu ajutorul ventilatorului;- cu injectarea aerului cu un jet de gaz.

După forma flăcării:

- turbionare;- laminare.

51

52

Arzătoarele pot fi destinate pentru arderea mixtă a combustibililor:

- gazos și lichid;- lichid și solid

praf.

Focarele destinate pentru arderea combustibilului lichid sau gazos trebuie să fie prevăzute cu supape de explozie, care se instalează în partea de sus a focarului unde este posibilă acumularea amestecurilor explozive.

52

Fig. 3. Arzătoare pentru arderea mixtă a păcurii și gazului.

a – introducerea centrală a gazului, b și c – introducerea gazului în secțiunea intermediară, c – introducerea periferică a gazului; 1 – duză pentru păcură, 2 – canalele de aer; 3 – canalele de combustibil gazos.

53

20.Transferul de căldură în cazane, generalităţi, transferul de căldură în părţile convective ale cazanelor.

Generalități. Focarul, în care sunt amplasate suprafețele de transfer de căldură, și canalele de gaze care îl urmează, formează tractul de gaz.

Transferul de căldură de la produsele de ardere la apă, amestecul apă-abur, abur și aer, care se mișcă în elementele cazanului, are loc prin pereții metalici. Transferul de căldură se realizează concomitent prin conducție, convecție și radiație. Transferul de căldură de la gazele de ardere la suprafața încălzită are loc prin convecție și radiație. Prin peretele metalic și prin depunerile care îl acoperă (atât din partea produselor de ardere, cât și din partea mediului încălzit) transferul de căldură are loc prin conducția termică, iar de la perete la mediul care-l spală – prin convecție și conducție.

În procesul de transfer de căldură de la gazele de ardere la suprafețele de transfer de căldură, raportul dintre convecție și radiație se schimbă.

La ecranele, din focarele cu ardere în strat și cu flacără, aflate în zona temperaturilor mai înalte, transferul de căldură prin radiație constituie 90 %, iar din focarele cu strat fluidizat – 70 – 80 %. La suprafețele de transfer de căldură de tip paravan, situate la ieșirea din focar, transferul de căldură prin radiație constituie 60 – 70 %. Pe măsura scăderii temperaturii gazelor de ardere, cota parte a transferului de căldură prin convecție crește, astfel că în supraîncălzitorul de abur ea constituie 70 – 80 %, iar în preîncălzitorul de aer – 95 %.

Suprafețele de transfer de căldură, convențional sunt divizate în:

Convecție Radiație Temperatura

1. Zona de radiație:- ecranele, festoanele,

supraîncălzitoarele aflate în focar;2 – 5 % 95 – 98 % 800 – 2000 oC

2. Zona de semiradiație:- suprafețele de transfer de căldură

de tip paravan aflate după focar;20 – 40 % 60 – 80 % 1400 – 700 oC

3. Zona convectivă de înaltă temperatură:- vaporizatoare și supraîncălzitoare;

70 – 80 % 20 – 30 % 1000 – 500 oC

4. Zona convectivă de joasă temperatură:- economizoare și preîncălzitoarele

de aer.

90 – 95 % 5 – 10 % 500 – 70 oC

Transferul de căldură în zonele convective ale cazanului.

Suprafețele convective de transfer de căldură de obicei se realizează în formă de rânduri de țevi cu amplasarea în șah sau coridoare, spălate de gazele de ardere. Mișcarea gazelor în fascicolul de țevi poate fi longitudinală sau perpendiculară. În aceste suprafețe

53

Fig. 1. Schema transferului de căldură de la produsele de ardere la corpul de lucru.

Fig. 2. Aranjare țevilor în fascicul.

a – în formă de șah; b – în formă de coridoare

54

de transfer de căldură, preponderent transferul de căldură are loc prin convecție, radiației revenind o cotă neînsemnată datorită temperaturii scăzute a gazelor de ardere.

Fluxul termic total către corpul de lucru din suprafața convectivă de transfer de căldură, se determină ca:

, (1)

, (2)

, (3)

unde – coeficientul de transfer de căldură prin suprafața dată, kW/(m2K);

– coeficientul convecției termice de la gazele de ardere la suprafața de schimb de

căldură, ;

– coeficientul convecției termice de la suprafața de schimb de căldură la corpul de

lucru, ;

, și – grosimile depunerilor de cenușă, de crustă și, respectiv, a peretelui țevii,

m;

, și – coeficienții conducției termice a stratului de cenușă, de crustă și,

respectiv, a peretelui țevii, .

– diferența medie de temperaturi ale gazelor de ardere și corpului de lucru, oC;

– suprafața de transfer de căldură, m2;

– numărul de țevi;

– lungimea țevii;

– diametrul exterior al țevii, m.

Fluxul termic:

. (4)

În cazul în care , atunci ,

unde ;

;

și - temperatura gazelor la intrare și, respectiv, la ieșire din suprafața de schimb de

căldură;

54

55

și - temperatura corpului de lucru la intrare și, respectiv, la ieșire din suprafața de

schimb de căldură.

Dacă , atunci . (6)

În rezultatul transferului de căldură de la gazele de ardere la corpul de lucru, entalpia gazelor scade, iar entalpia corpului de lucru (aburului, apei sau aerului) crește. Respectiv ecuația bilanțului termic al suprafeței de schimb de căldură va fi:

, (7)

unde și - entalpiile gazelor la intrare și ieșire din suprafața de schimb de căldură, ;

– creșterea entalpiei datorită aerului aspirat în canalul de gaze, ;

– coeficientul de reținere a căldurii.

55

56

21.Transferul de căldură în focare.

În focar concomitent are loc arderea combustibilului și transfer de căldură convectiv și prin radiație de la gazele de ardere către suprafața încălzită.Sursă de radiație în focar cu ardere în strat este suprafața încinsă a stratului de combustibil, flacăra de ardere a substanțelor volatile eliminate din combustibil, și produsele de ardere triatomice CO2, SO2 și H2O. La arderea în suspensie a cărbunelui praf și a păcurii cu flacără, surse de radiație sunt centrele de flacără, care se formează aproape de suprafața particulelor de combustibil la arderea substanțelor volatile, particulele de cocs încinse,, precum și gazele triatomice. La arderea combustibilului pulverizat în flacără, radierea particulelor este neînsemnată. La arderea gazului, sursa de radiație este volumul fierbinte al flăcării și gazele triatomice. Intensitatea iradierii flăcării depinde de componența gazului și condițiile de petrecere a procesului de ardere. Cea mai mare intensitate a iradierii o au substanțele volatile. Cea mai mică iradiere o au cocsul și cenușa încinsă. După intensitatea iradierii în spectrul razelor vizibile se deosebesc flăcări luminoase, semiluminoase și neluminoase.Iradierea flăcărilor luminoase și semiluminoase se datorează conținutului de particule solide – cocsului, cenușii și funinginii în gazele de ardere, iar iradierea flăcării invizibile – gazelor triatomice.Preluarea căldurii de către ecranele focarului depind de intensitatea iradierii mediului focarului și eficiența termică a ecranelor.Calculul transferului de căldură prin radiație.Scopul calculului transferului de căldură în focar este determinarea temperaturii produselor de ardere la ieșirea din focar, când sunt cunoscute construcția focarului și condițiile de funcționare a lui, sau determinarea suprafeței de schimb de căldură, care ar asigura temperatura necesară la ieșirea din focar.În practica inginerească se utilizează metoda de calcul bazată pe teoria similitudinii. Dependența funcțională a criteriilor determinante, în funcție de diferiți factori se determină pe cale experimentală.În formă generală absorbția de căldură de către suprafețele încălzite se determină din ecuația transferului de căldură în focar reieșind din legea lui Stephan-Boltzmann:

, (1)

unde – coeficientul integral al transferului de căldură prin radiație din focar;

– coeficientul iradierii corpului absolut negru, ;

– coeficientul eficienței termice a suprafeței încălzite;

– suprafața totală a pereților camerei de ardere, m2;

– temperatura medie a gazelor de ardere în focar, K;

– temperatura medie a suprafeței încălzite din focar, K.

Pe de altă parte căldura absorbită de suprafața încălzită poate fi determinată din ecuația bilanțului termic:

, (2)

unde – coeficientul de reținere a căldurii;

– consumul de calcul a combustibilului, kg/s sau m3/s;

– degajarea utilă de căldură în focar, kJ/kg sau kJ/m3;

- entalpia gazelor de ardere la ieșirea din focar, kJ/kg sau kJ/m3.

56

57

Valoarea , reieșind din condiția că volumul gazelor de ardere în focar și capacitatea

termică specifică a lor rămân neschimbate, poate fi găsită din ecuația:

, (3)

unde – volumul gazelor de ardere, m3/kg sau m3/m3;

– capacitatea termică specifică a gazelor de ardere, kJ/(m3K);

– temperatura adiabatică de ardere a combustibilului, K;

- temperatura medie a gazelor de ardere la ieșirea din focar, K.

Egalând valorile din ecuațiile bilanțului termic și transferului de căldură în focar, se obține:

. (4)

Parametrul, care ia în calcul radiația reflectată de la perete, se notează cu și se

introduce noțiunea de temperatura adimensională medie în focar și la ieșire din el:

și . (5)

Legătura dintre aceste două temperaturi este:

, (6)

unde și – coeficienți ce depind de caracteristicile proceselor din focar.

Pe baza analizei datelor experimentale privind funcționarea focarelor, s-a demonstrat că ,

iar este funcție de amplasarea zonei temperaturilor maxime din focar. Reieșind din aceste

propuneri, s-a propus expresia pentru determinarea temperaturii gazelor de ardere la ieșirea din focar:

, (7)

unde reprezintă criteriul lui Boltzmann;

, (8)

unde – fluxul specific de căldură transferat de la gazele de ardere la suprafața încălzită;

– fluxul specific de căldură reflectat de suprafața încălzită;

– parametru ce caracterizează câmpul de temperaturi din focar, care depinde de

amplasarea zonei temperaturilor maxime în focar.Această formulă este acceptată cu pentru calculele practice de transfer de căldură pentru

.

În forma desfășurată, expresia pentru determinarea temperaturii la ieșire din focar este:

. (9)

57

58

În cazul determinării suprafeței pereților focarului , se utilizează formula:

,

unde .

58

59

22.Circulaţia în cazane, generalităţi, structura şi caracteristicile curenţilor de fluid în cazane.

Mediul încălzit în elementele cazanului sunt apa, amestecul apă-abur și aerul, utilizat la arderea combustibilului. În procesul exploatării cazanului se modifică sarcina lui și caracteristicile fluxurilor mediilor indicate mai sus. În regimul stabilit în limitele admisibile a sarcinii cazanului, are loc regimul turbulent de curgere apei, amestecului de apă-abur, aburului, caracterizat prin

numărul lui Reynolds . Viteza apei în economizor în cazul când secțiunea

transversal de trecere rămâne nemodificată, este determinată de debitul ei, adică de sarcina cazanului.

La curgerea amestecului apă-abur prin suprafețele vaporizatoare la presiune mai joasă de valoarea ei critică, viteza lui depinde de titlul de vapori a amestecului și presiunii lui, respective, de sarcina termică și organizarea hidrodinamicii fluxului. Cu creșterea titlului de vapori, în cazul când secțiunea transversal de trecere rămâne nemodificată, viteza fluxului crește proporțional cu

creșterea volumului specific . La presiunile supracritice, viteza mediului depinde doar de

debitul lui. În supraîncălzitorul de abur, , în cazul când secțiunea transversal de trecere rămâne nemodificată, viteza aburului crește pe măsura creșterii temperaturii lui și micșorării presiunii.

Încălzirea externă a suprafeței vaporizatoare, duce la încălzirea apei și apariția aburului în ea. Vaporizarea începe pe porțiunea țevii, unde entalpia, în stratul adiacent peretelui, atinge valoarea, la care apa începe să fiarbă la presiunea dată. Bulele de abur, ce apar pe pereții țevii, la început rămân în contact cu peretele, iar, apoi, ajungând la dimensiuni de 1 – 2 mm, se rup de la perete. La viteze considerabile a apei, ruperea bulelor de perete se datorează, în mare parte, acțiunii dinamice a fluxului de apă.

În dependență de structura fluxului bifazic a amestecului de apă-abur, se modifică condițiile de răcire a peretelui interior al țevii, respectiv valorile coeficientului convectiv de transfer de

căldură de la peretele țevii la amestec și temperatura peretelui .

Structura fluxului amestecului de apă-abur. În dependență de titlul de vapori, viteză și presiune, structura amestecului curgător de apă-abur poate avea caracter diferit.

Structurii cu bule se caracterizează prin faptul că pe toată secțiunea țevii sunt distribuite uniform bule mici. Ea apare la un titlu mic a vaporilor în amestecul apă-abur.

Structura cu bule mari se caracterizează prin faptul că în mijlocul secțiunii țevii se formează bule de dimensiuni mari, separate unele de altele și te pereții țevii cu un strat subțire de apă. Este o

structură instabilă care apare la creșterea titlului de vapori și presiuni mici. La presiuni de 10 MPa, această structură nu s-a observat.

Structura cu miez, se caracterizează prin faptul că în mijlocul secțiunii țevii se mișcă un flux continuu de abur cu picături mici aflate în stare de suspensie, pe pereții țevii se mișcă un strat de apă, grosimea căruia se micșorează odată cu creșterea titlului de vapori a amestecului apă-abur și a vitezei fluxului.

59

Fig. 1. Structura amestecului de apă-abur

a – cu bule; b – cu bule mari; c – cu miez; d – cu emulsie; e – flux stratificat în conductă orizontală

60

Structura cu emulsie, se caracterizează prin faptul că fluxul de apă se rupe de la pereții țevii și este antrenat de abur în formă de picături. Pe pereții țevii rămâne o peliculă subțire de apă. Așa o structură apare la un titlu de vapori mai mare de 90 %.

Din regimurile indicate, cea mai bună răcire a pereților țevii, se asigură la structura cu bule care determină o funcționare stabilă a suprafețelor de schimb de căldură. În țevi, la regimul turbulent de curgere, profilul vitezelor în secțiunea transversală a țevii se caracterizează printr-un gradient mare lângă pereți. Curba profilului vitezelor pentru fluidul izoterm monofazic la Re < 100 000 se modifică conform legii:

,

unde și – distanța de la peretele țevii și raza interioară a țevii.

Prezența vaporizării complică profilul vitezelor. La mișcarea ascendentă aburul întrece apa deoarece la presiuni subcritice densitatea aburului este mai mică decât densitatea apei. Aburul, care întrece apa accelerează nucleul fluxului în comparație cu straturile periferice. La coborâre a amestecului apă-abur, apa se coboară mai repede decât aburul.

Caracteristicile fluxului de fluid.

Viteza masică a fluxului, kg/(m2s),

, (1)

unde – debitul masic al fluidului, kg/s;

– aria secțiunii elementului (țevii), m2;

– densitatea fluidului, kg/m3.

pentru tot volumul țevii.

Viteza medie a fluxului în elementul dat (țeavă) va fi:

, (2)

Unde – volumul specific mediu al fluidului în elementul dat, m3/kg.

Pentru amestecul de apă-abur este mai comod de utilizat viteza redusă, care prezintă raportul dintre debitul volumetric al apei sau a aburului și secțiunea transversală a țevii, m/s:

, (3)

, (4)

Unde și - debitul masic al apei, respectiv, al aburului;

și - volumul specific al apei, respectiv, al aburului.

Debitul masic în țeavă fiind .

60

61

Pe larg este utilizată noțiunea de viteză de circulație, adică raportul dintre debitul masic sumar la volumul specific al apei și aria secțiunii transversale a țevii:

. (5)

Titlul de vapori – raportul dintre debitul masic al aburului și masa amestecului de apă-abur:

(6)

Multiplul de circulație, reprezintă raportul dintre debitul apei și cantitatea de abur ce se formează într-o unitate de timp:

. (7)

La cazanele cu circulație forțată , iar la cazanele cu circulație naturală:

- la presiuni mai mici de 1,5 MPa;

- la presiuni de 1,5 – 4 MPa;

- la presiuni de peste 4 MPa.

61

62

23.Hidrodinamica elementelor cazanelor. Siguranţa hidrodinamicii cazanelor. Dereglări de circulaţie.

Hidrodinamica elementelor cazanelor. Mișcarea fluxului amestecului apă-abur este legată de

pierderi de energie și presiune. Căderea totală de presiune într-un element include pierderile

de presiune la frecare și rezistențe locale , pierderi legate de accelerarea fluxului

, componenta de nivel a presiunii , necesară pentru ridicarea fluidului la alt nivel și

căderea sumară de presiune din colector :

. (1)

Componenta de nivel a presiunii, adică căderea de presiune pentru ridicarea fluidului la înălțimea

la greutatea specifică constantă , este egală cu presiunea coloanei fluidului:

. (2)

Pierderile de presiune la accelerarea fluidului, pentru se determina din expresia:

. (3)

unde – densitatea fluidului,

– viteza medie a fluidului.

Pierderile de presiune la accelerarea fluidului bifazic vor determina conform:

, (4)

Pierderile lineare la frecarea fluidului monofazic la curgerea turbulentă se determină conform formulei:

, (5)

unde - coeficientul de frecare raportat;

– coeficientul de frecare, ce depinde de rugozitatea relativă a suprafeței țevii;

– diametrul interior al țevii;

– lungimea țevii.

Unde , – titlul de vapori la începutul porțiunii de țeavă și, respectiv, la sfârșitul ei.

Pierderile lineare la frecarea fluidului bifazic la curgerea turbulentă se determină conform formulei:

, (6)

unde – titlul de vapori mediu pe porțiunea de țeavă

, - densitatea apei, respectiv a aburului la temperatura de saturație;

– viteza de circulați a fluidului;

– coeficientul ce ia în considerație structura fluxului.

Pierderile locale de presiune datorate rezistențelor locale pentru fluidul monofazic sunt:

, (7)

unde – coeficientul rezistențelor locale;

Iar pentru fluidul bifazic:

62

63

, (8)

unde - coeficientul convențional al rezistențelor locale.

În dependență de organizarea circulației apei și amestecului apă-abur în sistemul de vaporizare, cazanele sunt:

a) cu circulație naturală;b) cu circulație forțată, care se mai divizează în cazane cu circulație directă și cu circulație

multiplă. În cazanele cu circulație naturală, mișcarea apei și amestecului apă-abur în sistemul vaporizator se realizează din contul presiunii create de coloana de apă în țevile de coborâre și coloanei

amestecului apă-abur în țevile de ridicare. În cazul dat multiplul de circulație , care

reprezintă raportul dintre debitul apei și cantitatea de abur ce se formează într-o unitate de timp, constituie 15 -100. Circularea apei în economizorul acestor cazane se efectuează cu ajutorul pompelor de alimentare, iar a aburului în tambur – din contul diferenței de presiune în tambur și conducta de abur după cazan.În cazanele cu circulație multiplă forțată circularea apei și amestecului apă-abur se realizează cu ajutorul pompei speciale. Multiplul de circulație al acestor cazane se află în limitele 6 – 10. Circularea apei în economizor și a aburului în supraîncălzitorul de abur se efectuează la fel ca și în cazanele cu circulație naturală.În cazanele cu circulație directă forțată, pompa de alimentare creează circulația forțată a apei, amestecului apă-abur și aburului prin suprafețele de încălzire formate dintr-un șir de țevi conectate paralel. Porțiuni separate ale acestor țevi au rolul de economizor, vaporizator și supraîncălzitor. Multiplul circulației în astfel de cazane este egal cu 1.Siguranţa hidrodinamicii cazanelor. Dereglări de circulaţie.În procesul de exploatare a cazanului la modificările bruște ale sarcinii, consumului de combustibil, presiunii și nivelului în tamburul cazanului apar regimuri nestaționare, care influențează siguranța circulației. În aceste cazuri pot apărea stagnarea (într-o țeavă sau câteva nu există circulație), circularea inversă a fluidului (are loc coborârea fluidului prin țevile de ridicare și ridicarea prin țevile de coborâre) sau scăderea nivelului apei în tambur mai jos de nivelul minim. La scăderea presiunii poate avea loc vaporizarea fluidului în țevile de coborâre, ceea ce duce la creșterea rezistenței în acestea. Scăderea bruscă de presiune este posibilă, de exemplu, la creșterea consumului de abur și degajările de căldură, la arderea combustibilului în focar, insuficiente. Abaterile termice pot apărea din cauza neuniformității câmpului de temperaturi a gazelor; neregularitatea funcționării arzătoarelor, infiltrările de aer fals; neuniformitatea vitezei gazelor sau depunerile de cenușă.

63

64

24.Suprafeţele de schimb de căldură ale cazanelor, coraportul lor, compoziţia şi dislocarea.

Principalele suprafețe de schimb de căldură: vaporizatorul, supraîncălzitorul de abur, economizorul și preîncălzitorul de aer.

Suprafețele de schimb de căldură a cazanelor moderne reprezintă sisteme de țevi conectate paralel, care absorb căldura fluxului gazelor de ardere transmisă fie prin radiație, fie prin convecție. Cel mai intensiv transfer de căldură prin radiație are loc în spațiul focarului, unde sunt cele mai mari temperaturi ale mediului gazos obținute în urma arderii combustibilului. Cel mai mare flux de căldură prin radiație este recepționat de ecranele din nucleul flăcării, care ajunge la 350 kW/m2 (la arderea cărbunelui brun) sau la 450 kW/m2 (la arderea păcurii sau gazului natural). Pe măsura răcirii gazelor de ardere, în partea superioară a focarului fluxul de căldură primit prin radiație de suprafețele de schimb de căldură este de 70 – 80 kW/m2.

Suprafețele convective de schimb de căldură , sunt amplasate în canalele orizontale de gaze sau canalul convectiv. Fluxul termic convectiv este direct proporțional cu diferența dintre temperatura gazelor și temperatura exterioară a țevilor și se micșorează conform deplasării gazelor de la 40 kW/m2 în canalul orizontal până la 10 – 15 kW/m2 în economizor.

La ieșirea din focar se amplasează suprafețele de schimb de căldură semiradiante - supraîncălzitor de abur de tip paravan, în care la transfer de căldură contribuie aproape în aceeași măsură convecția termică și radiația.

La modificarea temperaturii gazelor de ardere la ieșirea din focar, se modifică și raportul dintre suprafețele de schimb de căldură prin radiație și prin convecție. La modificarea temperaturii gazelor la ieșire din focar de la 900 oC până la 1200 oC, cel mai mult se modifică partea de transfer de căldură prin radiație. Suprafața minimă sumară a tuturor elementelor de schimb de căldură are loc la temperatura gazelor de ardere la ieșire din focar de 1250 – 1300 oC. Însă aceasta poate fi atinsă doar la arderea gazului natural și păcurii. În restul cazurilor această temperatură se determină din condițiile funcționării sigure a cazanului.

În afară de raportul dintre suprafețele de schimb de căldură prin radiație și convecție, o importanță mare o are consecutivitatea amplasării lor de-a lungul tractului de gaze – compoziția suprafețelor de schimb de căldură a cazanului. Dislocarea suprafețelor de căldură trebuie efectuată conform celor două principii:

1. Consecutivitatea amplasării suprafețelor de schimb de căldură de-a lungul tractului de gaze trebuie să corespundă condiției: pe măsura scăderii temperaturii gazelor de ardere, se amplasează suprafețele de schimb de căldură cu temperatura mai mică a fluidului de lucru. Astfel, temperatura medie din economizor este mai mică decât în primul pachet al supraîncălzitorului intermediar de abur, de aceea economizorul trebuie să se amplaseze, conform fluxului de gaze, după pachetul supraîncălzitorului intermediar de abur.

2. Fiecare suprafață de schimb de căldură separată trebuie realizată maxim posibil cu circulația fluxurilor gazelor de ardere și fluidului de lucru în contracurent, ceea ce duce la micșorarea acestor suprafețe de schimb de căldură.

Dislocarea reciprocă a canalelor de gaze a canalului de gaze (focar, canalul orizontal al gazelor de ardere, canalul convectiv), determină profilul cazanului. Profilul cazanului depinde de un șir de factori: tipul combustibilului; puterea unitară a cazanului, presiunea aburului

64

65

Supraîncălzitoarele au relativ suprafețe mari de schimb de căldură și se amplasează atât în zona de radiație, cât și în cea convectivă. Supraîncălzitoarele de înaltă presiune combinate, adică constau din partea de radiație (panourile radiante amplasate pe tavanul sau pereții focarului), partea de semiradiație (paravane amplasate la ieșirea din

focar) și partea convectivă (serpentinele amplasate în canalul orizontal de gaze și partea superioară a canalului convectiv).

Tab. 1. Amplasarea suprafețelor de schimb de căldură pe zoneSuprafața de schimb de căldură

Presiune mică Presiune medie Presiune mare Presiune critică

Vaporizator De radiațieDe semiradiațieDe convecție

De radiațieDe semiradiație

De radiație

Supraîncălzitor de abur

De convecție De convecție De radiațieDe semiradiațieDe convecție

De radiațieDe semiradiațieDe convecție

Economizor De convecție De convecție De convecție De convecție

Preîncălzitorul de aer

De convecție De convecție De convecție De convecție

Tab. 2. Caracteristicile zonelor de transfer de căldură ale cazanuluiZona Coeficientul global de

transfer de căldură, W/(m2K)

Diferența medie de temperatură, K

Fluxul termic, kW/m2

Zona de radiație 200 – 500 1500 500Zona de Semiradiație 100 – 200 700 120Zona de convecție de înaltă temperatură

50 – 100 400 30

Zona de convecție de joasă temperatură

10 – 30 100 2

65

Fig. 1. Profilurile de bază ale cazanelor

a –Tip П; b – tip T; c – tip N; d – tip V; e – tip turn.

66

25.Vaporizatoare, tipuri, construcţii, separarea aburului în cazane.

Vaporizatorul reprezintă suprafața de schimb de căldură a cazanului în care are loc vaporizarea apei.După modul în care se asigură circulația apei în cazane se deosebesc trei tipuri de cazaneÎn dependență de organizarea circulației apei și amestecului apă-abur în sistemul de vaporizare, cazanele sunt:

a) cu tambur cu circulație naturală;

b) cu tambur cu circulație forțată

c) fără tambur cu străbatere forțată.

În cazanele cu tambur vaporizatorul este format din tambur, conductele de coborâre, colectoare și țevile fierbătoareSuprafața vaporizatoare se realizează din fascicole de țevi verticale sau înclinate, care formează ecrane. În partea de sus ecranele sunt unite la tambur direct sau prin intermediul colectorului de sus, iar în partea de jos la colectorul de jos. Țevile au un diametru de 40 – 60 mm pentru presiuni de până la 40 bar și de 60 – 80 mm pentru presiunile mai mari de 40 bar. Țevile se unesc la tambur prin mandrinare, iar la colectoare prin sudură. Apa din tambur nimerește în colectorul de jos prin intermediul conductele de coborâre, care sunt scoase în afara focarului. Fiecare ecran are propriul său contur de circulație, ceea ce oferă alimentarea fiecăruia în corespundere cu sarcina sa termică. Tamburul reprezintă un cilindru (cu diametrul de 1 – 1,5 mm) cu capetele sferice. El se asamblează prin sudură din tablă, îndoită preventiv la prese speciale. Funcția tamburului constă în separarea aburului saturat de apă. În cazanele fără tambur, străbaterea forțată a amestecului apă-abur determină posibilitatea amplasării suprafețelor vaporizatoare în orice mod – cu mișcarea fluxului verticală, orizontală sau cu mișcare de ridicare-coborâre.Există trei tipuri de construcții ale vaporizatoarelor fără tambur cu străbatere forțată:

3. Construcția Ramzin, în care ecranele vaporizatoare se execută din fascicule de țevi cu diametrul interior de 25 – 40 mm, asamblate în formă de brâu răsucit cu mișcarea ascendentă a fluxului, care repetă conturul pereților focarului. De obicei pe pereții laterali ai focarului țevile sunt amplasate sub un unghi față de orizont (înclinate sub un unghi de 12 – 15o), iar pe pereții frontal și posterior – orizontal. Numărul de țevi din fascicul este determinat de puterea cazanului.

4. Construcția Bunson, în care ecranele vaporizatoare se amplasează vertical (analog cazanelor cu circulație naturală) și acoperă toată suprafața focarului. Fiecare ecran este secționat după lățime și secțiile sunt conectate între ele consecutiv. Fiecare secție este formată din 40 – 50 de țevi cu diametrul de 25 – 30 mm.

5. Construcția Sulzer, în care se utilizează țevi vaporizatoare cu ascensiune și coborâre consecutivă. Partea inferioară a ecranelor formează economizorul de radiație, care se confecționează din țevi orizontale sau puțin înclinate. Țevile vaporizatoare au un diametru mai mare (de 40 – 50 mm) decât cele ale economizorului și se amplasează în partea superioară a focarului. Ele reprezintă continuarea țevilor economizorului.

66

Fig. 1. Schema organizației mișcării fluidului în cazane.

a – cu tambur circulație naturală; b – cu tambur cu circulație multiplă forțată; c – fără tambur cu străbatere forțată.

67

Separarea aburului în cazane. Instalațiile de separare a aburului ale cazanelor sunt destinate pentru separarea picăturilor de apă din aburul saturat, format în vaporizatoarele cazanului. În aceste picături se conține o cantitate de săruri, corespunzătoare cantității pe care o conține apa de cazan; astfel, cu aceste picături, aburul, ce iese din tambur, antrenează cu el și o oarecare cantitate de săruri.După evaporarea acestor picături în supraîncălzitorul de

abur, aceste săruri se depun pe suprafețele interioare ale serpentinelor. În rezultat, are loc înrăutățirea transferului de căldură și apariția supraîncălzirii nedorite a țevilor. Sărurile la fel pot să se depună în armătura conductelor, înrăutățind etanșeitatea lor. Separatoarele aburului pot fi:

- gravitaționale;- inerțiale;- efect pelicular etc.

Separarea gravitațională se realizează în procesul mișcării aburului prin tambur de jos în sus. Pentru distribuirea uniformă a vitezelor de ascensiune a aburului în tambur, în spațiul apei a acestuia se amplasează un scut perforat. Pentru separarea suplimentară, în spațiul aburului la ieșirea din tambur se mai instalează un scut perforat.Separarea inerțială se realizează prin crearea unor viraje bruște a amestecului apă-abur, ce nimerește în tambur din țevile vaporizatoare, cu ajutorul unor șicane, iar pentru îmbunătățirea sa se instalează suplimentar un scut perforat.Cea mai efectivă separare are loc în ciclon prin turbionarea intensivă a fluxului de abur, ceea ce se explică prin utilizarea metodei peliculare de separare.Separarea peliculară se bazează pe principiul adeziunii picăturilor de apă, din volumul aburului, pe o suprafață umedă. La lovirea aburului umed de această suprafață verticală, pe ea se formează o peliculă de apă prin contopirea picăturilor mici de apă, care este destul de trainică și nu se rupe de către abur și în același timp se scurge liber în spațiul de abur al tamburului, iar aburul prin capacul ciclonului iese în spațiul de abur al tamburului. Instalarea jaluzelelor în partea superioară a ciclonului servește pentru transformarea mișcării turbionare a aburului în mișcare rectilinie.

67

Fig. 2. Construcția vaporizatoarelor fără tambur cu circulație forțată a – construcția lui Ramzin; b – construcția Sulzer; c – construcția Bunson

Fig. 30 Schemele dispozitivelor de separare a aburului în interiorul tamburului:

1 – scut perforat, 2 – jaluzele, 3 – scut perforat submersibil, 4 – scut de izbire, 5 – ciclon.

68

La utilizarea instalațiilor de separare, conținutul de umiditate în abur se micșorează până la 0,1 – 0,15 %.

68

69

26.Supraîncălzitoare de abur, tipuri, construcţii, reglarea temperaturii aburului supraîncălzit.

Supraîncălzitorul de abur este destinat pentru supraîncălzirea aburului saturat până la o anumită

temperatură cu scopul ridicării randamentului termic al ciclului turbinelor cu abur (la cazanele energetice), pentru ridicarea presiunii și uscarea aburului pentru evitarea condensării lui în conductele de transport (în cazanele energetice).

Supraîncălzitorul de abur reprezintă un sistem din țevi de oțel în formă de serpentine și conectate la două sau mai multe colectoare. Supraîncălzitorul se amplasează în zona celor mai ridicate temperaturi ale gazelor de ardere.

Supraîncălzitoarele se împart:

a) după tipul transferului de căldură în:1) convective – se amplasează în zona convectivă. Se

confecționează din țevi cu diametrul de 20 – 30 mm (până la 54 mm pentru supraîncălzitoarele intermediare), care formează serpentine vălțuite și prinse de colectoare rotunde. Colectoarele se amplasează în zona neîncălzită, se confecționează din oțel carbon și au diametrul de 200 – 300 mm. Se amplasează vertical sau orizontal; pot fi confecționate în formă de serpentine simple, duble sau triple;

2) de radiație – se amplasează pe tava, iar uneori și pe pereții focarului. Avantajul supraîncălzitorului de radiație față de cel convectiv îl constituie suprafața specifică de încălzire mai mică și lipsa rezistenților pe partea gazului. Răcire țevilor se realizează prin viteza înaltă a aburului (până la 30 m/s);

3) de semiradiație – se amplasează în partea de sus a focarului și parțial în tractul orizontal al gazelor.

b) după destinație:1) de bază – pentru supraîncălzirea aburului până la presiunea inițială;2) intermediare – pentru preîncălzirea aburului parțial destins;

c) după direcția de deplasare a aburului și gazelor de ardere:1) echicurent;2) contracurent;3) curgerea mixtă

d) după construcție:1) panouri – de radiație;2) paravane – de

semiradiație;3) pachete de serpentine –

convective.

Reglarea temperaturii aburului. Temperatura aburului supraîncălzit poate să varieze în legătură cu modificarea excesului de aer din focar, temperatura apei de alimentare, sarcina cazanului, depunerile pe suprafețele de schimb de căldură.

Reglarea temperaturii aburului supraîncălzit poate să se realizeze prin acțiunea asupra gazelor de ardere (repartizarea combustibilului la arzătoare, utilizarea canalelor de ocolire, recircularea

69

Fig. 1. Schema supraîncălzitorului de abur a cazanului. 1 – pachete de serpentine (supraîncălzitorul convectiv); 2 – paravan (supraîncălzitorul de semiradiație); 3 – panou radiant (supraîncălzitor de radiație).

Fig. 2. Schemele de conectare a supraîncălzitorului de abur.

a – echicurent; contracurent; c – mixtă.

70

gazelor, utilizarea arzătoarelor basculante.) sau asupra aburului (separarea debitului de abur, răcitoare de abur prin suprafață, injectarea condensatului, prin treapta de ocolire).

Răcirea aburului supraîncălzit poate fi realizată prin redistribuirea căldurii în focar prin recircularea gazelor de ardere, preluate de după economizor cu temperatura de 250 -350 oC, cu ajutorul exhaustorului.

Temperatura aburului supraîncălzit poate fi micșorată prin utilizarea căilor de ocolire a suprafețelor schimbătorului de căldură de către gazele de ardere.

Fig. 3. Schema de reglare a temperaturii aburului supraîncălzit prin canale de ocolire a gazelor de ardere.

Fig. 4. Schema de reglare a temperaturii aburului supraîncălzit prin recircularea gazelor.

a – cu canal de gaze liber; b – cu ocolire parțială; c și d – cu canal de gaze umplut

1 – focar; 2 – economizor; 3 – exhaustor de recirculare; 4 și 5 – alimentarea focarului cu gaze de ardere răcite; 6 – spre preîncălzitorul de aer; 7 – supraîncălzitorul de abur.

Răcitorul de abur prin injecția de condensat reprezintă o porțiune de conductă a aburului supraîncălzit în care se plasează o țeavă perforată, prin care are loc injectarea condensatului în abur.Răcitorul de abur prin suprafață reprezintă un schimbător cu țevi. În interiorul țevilor curge apa, iar prin exterior abur. Ca apă de răcire de obicei se utilizează apa de alimentare. Față de fluxul apei de alimentare, răcitorul poate fi conectat paralel sau consecutiv.Răcirea aburului prin treapta de ocolire presupune existența unei căi de ocolire, prin intermediului căreia apa de alimentare poate să ocolească una din treptele supraîncălzitorului.

Fig. 5. Schema reglării prin injecția condensatului.

Fig. 6. Schema reglării răcitorului de abur prin suprafață.

1 – tambur; 2 – vană; 3 – răcitor de abur; 4 – vasul condensatorului; 5 – colector cu dispozitiv injector;

a – conectare paralelă; b – conectare consecutivă; 1 – tambur; 2 – răcitor de abur; 3 – evacuarea apei după

70

71

6 –economizor. răcitorul de abur; 4 - economizor

71

72

27.Economizoare, preîncălzitoare de aer, tipuri, construcţii.

Economizorul este destinat pentru utilizarea căldurii gazelor de ardere în scopul preîncălzirii apei de alimentare. Prin utilizarea economizorului se pot micșora pierderile de căldură cu gazele de ardere evacuate în atmosferă și ridica randamentul instalației de cazane.

Economizoarele pot fi divizate conform:

a) materialului din care sunt construite:1) din oțel – prezintă pachete de serpentine. Aceste serpentine se amplasează orizontal.

Colectorul poate fi amplasat atât în afara, cât și înăuntrul canalului de gaze, însă este mai avantajoasă amplasarea înăuntru pentru evitarea infiltrărilor de aer fals;

2) din fontă – se utilizează la cazanele de joasă și medie presiune (până la 35 bar). Se confecționează în formă de pachete de tuburi cu aripioare. De obicei sunt nefierbătoare, deoarece la fierbere apar tensiuni la care fonta poate să nu reziste. Avantajul economizoarelor din fontă constă în faptul că există un pericol minim al coroziunii interne și externe, iar dezavantajele – rezistența mică la șocurile hidraulice (de berbec) și existența multor combinări prin flanșe. În cazul combustibililor cu conținut ridicat de cenușă pe nervurile țevilor se depune cu cenușă și zgură, de aceea sunt prevăzute dispozitive de suflare;

b) tipului:1) individuale – se instalează la cazane de abur moderne de mare putere;2) de grup – se instalează la cazanele din fontă și cazanele de abur (cu productivitatea de

până 1 t/h);c) gradului de încălzire a apei:

1) fierbătoare. În acest tip de economizoare se permite fierberea apei cu formarea vaporilor în proporție de 10 – 14 %, iar uneori și de 20 %. Ele sunt confecționate doar din oțel;

2) nefierbătoare. În acest tip de economizoare apa trebuie să se încălzească până la o temperatură cu 30 – 50 oC mai mică decât temperatura de fierbere. Constructiv economizoarele nefierbătoare se deosebesc de cele fierbătoare prin faptul că între ele și cazan poate să fie instalată armatura de închidere. De obicei în cazanele cu economizor nefierbător, există un canal de ocolire prin care trec gazele de ardere la pornirea cazanului;

d) după tipul apei încălzite:1) de alimentare – sunt destinate pentru preîncălzirea apei de alimentare a cazanului;2) de termoficare – pentru preîncălzirea agentului termic.

Fig. 1. Economizor din oțel cu tuburi.

a – schema conectării economizorului nefierbător; b – schema conectării economizorului fierbător; 3 – țevile economizorului; 4 – colectorul de intrare a economizorului, 6 – tamburul cazanului; 7 – ventil de închidere; 8 și 9 – supapele de reținere și siguranță; conductă de alimentare de ocolire.

72

73

Preîncălzitoarele de aer sunt destinate pentru preîncălzirea aerului din contul căldurii gazelor de ardere, ceea ce duce la ridicarea temperaturii teoretice de ardere și respectiv la intensificarea procesului de ardere.

Instalarea preîncălzitoarelor de aer oferă următoarele avantaje:

- ridicarea temperaturii în focar, ceea ce duce la ridicarea coeficientului de transfer de căldură;- micșorarea pierderilor prin arderea chimic incompletă și mecanic incompletă;- oferă posibilitatea micșorării coeficientului de exces de aer datorită intensificării proceselor

de ardere;- micșorarea temperaturii gazelor de ardere evacuate, respectiv, duce la micșorarea pierderilor

cu gazele evacuate;- micșorarea consumului de energie pentru instalațiile de tiraj și suflare.

După principiul de acțiune, preîncălzitoarele de aer pot fi:

1) regenerative, în care transferul de căldură are loc printr-un corp intermediar, care periodic este încălzită de gazele de ardere, iar apoi răcită de aer.

2) recuperative, în care transmiterea căldurii are loc printr-un perete despărțitor. Acestea la rândul său pot fi cu plăci, tubulare sau cu aripioare.

Preîncălzitoarele de aer de regulă se amplasează după economizor în conformitate cu mersul gazului.

Fig. 2. Preîncălzitor de aer regenerativ rotativ. Fig. 3. Preîncălzitor de aer cu plăci.

1 – rotor; 2 – corpul imobil; 3 – umplutura; 4 – roată dințată (coroană); 5 – roata dințată mică (de acționare); 6 – reductor; 7 – motor electric; 8 suprafețele ce separă fluxurile de gaze și aer.

1 – fluxul de aer; 2 – fluxul de gaze.

73

74

28.Apa în instalaţiile de cazane, feluri de apă, surse; impurităţile apei, indicii de calitate.

În exploatările energetice apa se foloseşte în calitate de:

1) agent termic (purtător de energie, caloportor) în sisteme şi instalaţii de încălzire, de alimentare cu apă caldă menajeră, în procese tehnologice;

2) agent de răcire în motoare, compresoare, condensatoare ale turbinelor şi în instalaţii frigorifice, sisteme de condiţionare ş.a.;

3) agent motor (agent de lucru) în instalaţii de forţă cu abur.

Folosirea largă a apei se lămureşte printr-un şir de factori:

- răspândirea apei în natură şi accesibilitatea ei pretutindeni;

- inofensivitatea apei, atât pentru organismele vii (netoxicitatea) cât şi pentru diverse materiale;

- proprietăţile termofizice favorabile ale apei, principalele dintre care sunt capacitatea termică specifică şi căldura de vaporizare.

- conductivitatea termică a apei este mai mare, iar viscozitatea - mai mică de cât la alte fluide, ceea ce intensifică transferul de căldură şi micşorează pierderile de sarcină în aparate, instalaţii şi conducte de transport;

- transferul de fază lichid-gaz se efectuează la parametri convenabili pentru procesele şi instalaţiile tehnice.

În instalaţii apa este folosită, de regulă, în circuit închis şi se ia din sursele naturale în două scopuri:

1. pentru umplerea sistemului la pornire,

2. ca adaos la recuperarea cheltuielilor tehnologice şi a pierderilor de apă şi abur.

Cheltuieli au loc în sistemele de răcire prin evaporarea apei în turnuri de răcire sau bazine şi lacuri deschise, la folosirea apei sau aburului pentru umezirea materialelor etc. Pierderile sunt legate de scurgerile prin neetanşeităţi, spălările periodice ale utilajului, la pane de utilaj etc.

Pot fi enumerate următoarele feluri de apă întâlnite în instalaţiile energetice:

- apă brută – apa cu caracteristici şi impurităţi din însuşi sursele naturale;

- apă tehnică – apa naturală după înlăturarea impurităţilor mecanice; este utilizată în sistemele de răcire, antiincendiare;

- apă potabilă – apa naturală după înlăturarea impurităţilor mecanice şi biologice şi care îndeplineşte condiţiile sanitare respective; se utilizează în menaj (apă rece şi apă caldă) şi în procese tehnologice ale industriei alimentare;

- apă tratată chimic – apa tehnică după tratarea chimică în scopul înlăturării impurităţilor dizolvate; se utilizează în instalaţiile de cazane, reţelele termice, sistemele de răcire prin evaporare nemijlocit pe suprafeţele răcite;

- condensat – apa obţinută prin condensarea aburului utilizat în instalaţiile energetice sau tehnologice;

- apă de adaos – apa tratată chimic care se adaugă pentru restituirea cheltuielilor şi pierderilor de apă în sistem;

- apă de alimentare – amestecul de condensat cu apă de adaos care, după degazare, se foloseşte pentru alimentarea cazanelor;

74

75

- apă de cazan – apa cu conţinut sporit de săruri, care circulă în interiorul cazanelor de abur;

- purjă – apa de cazan curată sau împreună cu nămolul de săruri format în interiorul cazanului;

- apă de reţea – apa tratată chimic şi degazată care se foloseşte în reţelele termice de transport şi distribuţie;

- apă reziduală, de canalizare – scurgerile şi deversările de la procesele tehnologice, spălări, menaj.

Impuritățile apei. Deosebesc impurităţi naturale şi tehnice.

Impurităţile naturale nimeresc în apă din mediul ambiant. La ele se referă:

- impurităţile biologice (microorganisme ce se dezvoltă în apele cu temperatură mai mare decât cea obişnuită pentru zona dată);

- impurităţile mecanice: sol, nisip, lut, humus, rămăşiţe de la descompunerea substanţelor organice, inclusiv şi a impurităţilor biologice; după dimensiunea particulelor (, în μm) impurităţile mecanice se deosebesc:

o grosiere - > 1,0;

o fine – 0,1<>1,0;

o coloidale - <0,1.

- substanţe solide, în majoritatea cazurilor – săruri, dizolvate; ele pot fi:

o disociate, sub formă de ioni,

o ne disociate ( de exemplu - SiO2);

- baze dizolvate;

- gaze dizolvate.

Impurităţile mecanice se întâlnesc într-o măsură mai mare în apele de suprafaţă. În acestea concentraţia lor, precum şi a celorlalte impurităţi, depinde de factorii meteorologici: ploi, topirea zăpezii ce aduc la creşterea impurităţilor mecanice şi reduc concentraţia sărurilor şi a bazelor dizolvate. În apele din sursele subterane impurităţile mecanice sunt neînsemnate sau chiar lipsesc, însă concentraţia celorlalte impurităţi - în cele mai frecvente cazuri este cu mult mai mare.

Impurităţile tehnice nimeresc în apă în urma proceselor tehnologice. La ele se referă:

- produsele petroliere şi alte substanţe uleioase, care pătrund în apă din sistemele de etanşări, ungere, gospodăriile de păcură ş.a.;

- ionii de fier, care nimeresc în apă şi condensat din conductele şi instalaţiile de oţel;

- amoniacul, zahărul (la fabricile respective) şi al.

Indici de calitate ai apei:

Transparenţa – caracterizează concentraţia impurităţilor mecanice - C imp, exprimată în mg/kg sau mg/l, aceste unităţi considerându-se identice, deoarece densitatea apei practic este egală cu 1 kg/l. Se determină acest indice prin metoda Snellin, care constă în măsurarea înălţimii stratului de apă prin care se vede clar conturul unui inel cu grosimea de 1 mm, sau a unui text cu caracterele de aceeaşi grosime.

75

76

Reziduul uscat – caracterizează conţinutul total de substanţe solide dizolvate (salinitatea generală) şi include de asemenea substanţele coloidale. Această mărime se determină prin două metode:

1. evaporarea unei cantităţi de apă filtrată şi uscarea reziduului rezultat la temperatura de 105 oC

2. expres metodă – se măsoară rezistenţa electrică a unui strat de apă; deoarece rezistenţa electrică depinde numai de cantitatea ionilor substanţelor disociate, eroarea acestei metode poate să ajungă la 25 %.

În dependenţă de valoarea reziduului uscat deosebesc următoarele tipuri de apă:

- slab mineralizată - Cs < 200 mg/l,

- mediu mineralizată - Cs = 200...500 mg/l,

- pronunţat mineralizată - Cs = 500...1000 mg/l.

- puternic mineralizată - Cs >1 g/l.

Duritatea apei exprimă conţinutul în apă a cationilor de calciu – Ca2+ şi de magneziu – Mg2+, care la temperaturi ridicate formează cu anionii CO3

2 - , SO32 - şi cu SiO2 depuneri tari pe

suprafeţele de schimb de căldură. Se exprimă în mg CaO/l, sau în greutăţi echivalente a sării date într-un litru – mval/l.

În funcţie de anionii cu care sunt legaţi Ca şi Mg deosebesc:

- duritate temporară – dt, care reprezintă totalitatea ionilor de calciu şi magneziu conţinuţi în bicarbonaţii de calciu şi magneziu (de aceea mai este numită şi duritate carbonatică); temporară se numeşte datorită faptului că aceste săruri la temperaturi apropiate de saturaţie se descompun conform relaţiilor:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O, (1)

Mg(HCO3)2 MgCO3 + CO2 + H2O; (2)

CaCO3 este puţin solubilă şi precipită, MgCO3 fiind mai solubilă, este supusă reacţiei de hidroliză:

MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2, (3)

Mg(OH)2 este foarte puţin solubil şi precipită;

- duritate permanentă (necarbonatică) – dp, produs a ionilor de Ca şi Mg în celelalte săruri ca: sulfatul de calciu sau magneziu (Ca, Mg SO4), silicatul de calciu sau magneziu (CaSiO3,Mg SiO3), clorura de calciu sau magneziu (CaCl2, Mg Cl2);

- duritate totală, reprezentând suma celor două:

d = dt + dp. (4)

După conţinutul de duritate apele naturale se clasifică în modul următor:

- de duritate mică - d < 2 mval/l,

- de duritate medie – d = 2...5 mval/l,

- dure – d = 5...10 mval/l,

- foarte dure – d >10 mval/l.

Alcalinitatea (A) apei se datorează prezenţei ionilor de bicarbonat (HCO3-), carbonat (CO3

2 -), hidroxid (OH-), silicaţi (HSiO3

-, SiO32 -) şi fosfat (HPO4

-, HPO42 -, PO4

3 -). Alcalinitatea poate fi

76

77

exprimată în mval/l. Alcalinitatea se mai poate exprima prin concentraţia ionilor de hidrogen (H+), prezenţi ca urmare a disocierii apei – cu indicele pH.

Apa se consideră:

- acidă la pH = 1...3,

- slab acidă la pH = 3...6,

- neutră la pH = 7,

- slab bazică la pH = 7...10,

- bazică la pH =10...14.

Conţinutul de bioxid de siliciu SiO2, este dizolvat în apele naturale în cantităţi de 3...12 mg/l, rareori, mai mult, dar poate ajunge şi la 50...60 mg/l.

Conţinutul de ioni de fier, ce se găsesc în apele naturale, dar nimeresc în apă şi condensat şi în rezultatul la coroziunii conductelor şi a utilajului.

Conţinut de gaze dizolvate. Gazele dizolvate în apă se împart în:

- uşor solubile – CO2, NH3, H2S, HCl, SO2 şi SO3;

- moderat solubile – O2 şi N2;

- greu solubile - CO, H2, CH4 şi alte hidrocarburi.

Concentraţia gazelor dizolvate se exprimă în mg/l.

Cea mai mare parte a cantităţii de gaze dizolvate nimereşte în apă pe cale naturală – din aerul atmosferic şi din straturile subterane. O parte însă (O2, CO2, H2) se formează în instalaţiile energetice.

77

78

29.Impactul impurităţilor asupra utilajului cazanelor, metode de reducere şi neutralizare.

Impactul impurităţilor asupra utilajului cazanelor.

Impurităţi mecanice, biologice şi uleiurile se manifestă ca depuneri în filtre, armătură, conducte, ceea ce măreşte rezistenţa hidraulică a utilajului, dereglează funcţionarea lui, în vaporizator participă la formarea depunerilor secundare.

Substanţele solide dizolvate au solubilitatea dependentă de temperatură şi la încălzire se elimină din apă. O parte din aceste substanţe se cristalizează în volumul de apă, formând nămol, alta - se depune pe suprafaţa de schimb de căldură sub formă de piatră de cazan – crustă. Depunerile micşorează transferul de căldură ceea ce are două urmări grave: reducerea productivităţii cazanului şi supraîncălzirea ţevilor şi, ca consecinţă - distrugerea (arderea) lor.

Deosebesc depuneri primare şi secundare. Depunerile primare sunt formate de cristalele sărurilor durităţii temporare – carbonaţii de Ca şi Mg, de silicaţi (CaSiO3, 5CaO5SiO2H2O), ionii de Fe şi alte metale. Un rol deosebit îl joacă CaSiO3, care formează crustă cu aderenţă puternică la metal. Cristalele depunerilor primare servesc în calitate de centre pentru depunerile secundare de celelalte săruri. Printre cristale se reţin impurităţile mecanice şi nămolul, formând depuneri secundare. Depuneri secundare formează şi substanţele organice: uleiurile, zahărul ş.a. Ultimele sunt depuneri spongioase, uşor de înlăturat, dar cu o conductivitate termică scăzută.

Sărurile cu solubilitatea redusă la temperaturi mai mici (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2) se degajă din apă în economizorul cazanului, celelalte – în sistemul de vaporizare.

În volum se cristalizează sărurile de Na şi alte metale (NaCl, Na2SiO3, FeSO4, Al(SO4)3 ş.a., formând nămol. În unele cazuri, mai ales la dereglări de circulaţie, depuneri pot forma şi aşa compuşi ca Na3PO4, Na2SO3 ş.a.). CaCO3 în majoritatea cazurilor se degajă în volum. Nămolul, în afară de faptul că contribuie la formarea depunerilor secundare, precipitându-se poate înfunda ţevile dacă nu este eliminat la timp prin purjarea periodică.

Căderea de temperatură în stratul de depuneri se determină din relaţia:

, (1)

unde: q este intensitatea fluxului de căldură, pe suprafeţele de vaporizare q = 0,5...1,5 W/m2;

- grosimea stratului de depuneri , în m;

λ – conductivitatea termică a depunerilor, care are valori pentru:

depunerile bogate în silicaţi - 0,06...0,23 W/(mK),

depunerile care conţin uleiuri -0,10...0,20 W/(mK),

depunerile bogate în carbonaţi de Ca -0,5...7,0 W/(mK),

depunerile bogate în sulfat de Ca -2,3...3,5 W/(mK).

Grosimea stratului de depuneri , în mm, poate fi apreciată cu formula:

, (2)

unde: este durata de funcţionare a cazanului, în h;

k – coeficient adimensional care depinde de compoziţia depunerilor:

la predominarea sărurilor de Ca şi Mg – k = 1,310-13,

la predominarea oxizilor de Fe – k = 5,710-14;

78

79

c – concentraţia în apa de cazan a substanţelor care formează depuneri, c = 1...5 mg/l;

– densitatea depunerilor:

depuneri bogate în silicaţi - 300...1200 kg/m3,

în carbonaţi şi sulfaţi de Ca - 2000 kg/m3,

bogate în oxizi de fier - 3000 kg/m3.

În tamburul cazanului o parte de săruri se ridică spre suprafaţa apei, de unde pot fi antrenate de abur şi transportate în supraîncălzitorul de abur.

Bazele dizolvate, în cantităţi mici, protejează suprafeţele cazanelor contra coroziunii. În cantităţi mari, însă, bazele aduc la formarea spumei la suprafaţa apei în tambur, ceea ce înlesneşte antrenarea sărurilor spre supraîncălzitor. În unele cazuri bazele provoacă coroziunea alcalină a suprafeţelor cazanelor.

Gazele dizolvate O2 şi CO2 aduc la coroziunea interioară a suprafeţelor de schimb de căldură ale cazanelor şi are ca urmare:

- defectarea suprafeţelor,

- impurificarea apei cu ioni de Fe.

Metode de reducere şi neutralizare.

Pentru ca apa să fie eficient folosită în instalaţiile de cazane, ea şi utilajul sunt expuse unui şir de operaţii.

1. Tratarea preliminară a apei se efectuează înainte de a fi introdusă apa în cazan şi include operaţiile:

- filtrarea mecanică pentru excluderea impurităţilor mecanice;

- limpezirea prin înlăturarea impurităţilor coloidale;

- eliminarea substanţelor uleioase;

- eliminarea ionilor de Fe;

- eliminarea compuşilor de Si;

- dedurizare şi eliminarea altor săruri;

- degazarea apei.

2. Tratarea apei în interiorul cazanului.

3. Purjarea continuă şi periodică a cazanului.

Pentru a proteja suprafeţele cazanelor şi a altor utilaje se iau următoarele măsuri:

1. Protejarea suprafeţelor prin acoperirea lor cu pelicule din substanţe protectoare.

2. Măsuri constructive de reducere a acţiunilor negative:

- utilizarea metalelor antiaderente,

- vaporizarea în trepte (tamburul împărţit în două zone ),

- amplasarea zonei cu depuneri sporite de săruri spre domeniul cu temperaturi ne periculoase ale gazelor.

3. Spălarea periodică a suprafeţelor cu soluţii slabe de acid.

4. Curăţarea mecanică a suprafeţelor.

79

80

5. Conservarea cazanelor pe perioada de staţionare.

80

81

30. Eliminarea impurităţilor mecanice, coloidale, uleioase, a ionilor de fier şi compuşilor de siliciu.

Eliminarea impurităţilor mecaniceTrecerea prin grătare şi site se aplică la apele de suprafaţă, care după ploi, topirea zăpezii etc. pot conţine impurităţi de dimensiuni mari antrenate de şuvoaie. Acest procedeu se organizează în locul prizelor de apă din sursele naturale – râuri şi lacuri.

Sedimentarea se aplică, de asemenea, la apele de suprafaţă cu un conţinut mare de nămol şi se efectuează în rezervoare speciale de capacitate mare, amplasate la centrale. Nămolul, depus pe fundul rezervorului, se evacuă cu dispozitive speciale.

Filtrarea apei se efectuează în filtre mecanice. Se utilizează filtre gravitaţionale, deschise, şi filtre sub presiune. El reprezintă un rezervor cilindric instalat vertical, în care se află stratul filtrant amplasat pe un fund permeabil. Fundul este format din duze cu fante verticale, secţiunea cărora se măreşte spre interior pentru a evita înfundarea lor cu particule din stratul filtrant.

Stratul filtrant la filtrarea apei reci poate fi format din nisip de cuarţ. Deoarece în apa caldă nisipul se dizolvă, impurificând-o cu SiO2, pentru aceasta se foloseşte umplutură de antracit. În cazurile pericolului de desfăşurare a reacţiilor chimice în apă, se utilizează umplutură din marmură, dolomită arsă, magnezit sau cărbune activat.

Dacă conţinutul de impurităţi este mare (Cimp>100 mg/l) filtrarea se produce în două trepte:

- brută - cu dimensiunile particulelor umpluturii δ=1,5...3,0 mm;

- fină – cu δ=0,5...1,0 mm.

Stratul de la fund, care acoperă duzele, are o granulaţie mai mare – până la 10 mm. La umplerea filtrelor o atenţie deosebită se atrage uniformităţii granulelor, astfel pentru filtrele fine ponderea granulelor cu δ < 0,5 mm nu trebuie să depăşească 10 %, iar a celor cu δ >1,0 mm – 20 %.

Caracteristica tehnologică a filtrelor este capacitatea specifică a stratului filtrant de a reţine impurităţi Cf, în kg/m3 = g/dm3 = g/l (la noi se consideră Cf = 3,0 kg/m3).

Bilanţul material al procesului de filtrare este exprimat cu următoarea relaţie:

, (1)

Aici: D este debitul apei filtrate, în t/h;

Cimp. – concentraţia impurităţilor în apă, în g/l;

τ – timpul de funcţionare a filtrului, în h, se consideră τ = 8...15 h;

– densitatea apei, în t/m3;

Vs.f. – volumul stratului filtrant, în m3;81

Hf

Hff

1

2

3

Fig. 1. Schema filtrului mecanic sub presiune:

1 – corp metalic, 2 - strat filtrant, 3 – fund permeabil; Hf –înălţimea filtrului, Hsf - înălţimea stratului filtrant.

82

Cf. - capacitatea specifică a stratului filtrant, în kg/m3.

Membrul din partea stângă a ecuaţiei (1) reprezintă cantitatea de impurităţi eliminate din apă, iar cel din dreaptă – depunerile în stratul filtrant.

Debitul volumic al apei, în m3/h, este:

, (2)

iar din altă parte:

, (3)

unde: w este viteza de filtrare, se consideră w = 5...7 m/h;

ff – aria secţiunii transversale a stratului filtrant, în m2, se calculează cu diametrul filtrului df:

. (4)

Având în vedere că volumul stratului filtrant Vs.f. = Hs.f.fs.f., din (6), (7), şi (8), obţinem expresia pentru calcularea înălţimii stratului filtrant, în m:

(5)

Utilizând formulele (7)...(10), după datele iniţiale: debitul apei Da şi conţinutul impurităţilor Cimp., poate fi efectuată dimensionarea filtrului.

Funcţionarea filtrelor este ciclică şi se compune din două faze:

- filtrare şi

- spălare cu afânare.

În faza de filtrare apa se deplasează prin strat descendent, impurităţile reţinându-se în acesta. De menţionat, că se întâlnesc filtre de presiune cu deplasarea apei ascendentă. Sfârşitul fazei se stabileşte după creşterea rezistenţei hidraulice a filtrului - Pf. Pentru stratul filtrant curat Pf. = 5..10 kPa (0,5..1,0 m. H2O), pentru stratul înfundat cu impurităţi - Pf. = 30..60 kPa (3,0..6,0 m. H2O).

Spălarea se efectuează prin pomparea apei curate în sens opus – ascendent, timp de 0,5...1,0 h. Viteza apei la spălare – 10...40 m/h, consumul de apă – 15...20 t la 1 m3 de strat filtrant. Afânarea, care are ca scop distrugerea boţurilor formate în strat, se efectuează cu aer comprimat introdus, de asemenea, prin partea de jos.

La spălare şi afânare se produce expandarea stratului filtrant, înălţimea lui crescând cu:

- 30...40 % - la umplutura de nisip,

- 50 % – la umplutura de antracit.

Din această cauză, pentru a evita antrenarea materialului filtrant de către apa de spălare şi evacuarea lui din filtru, înălţimea stratului filtrant constituie nu mai mult de 40...60 % din înălţimea filtrului.

Eliminarea impurităţilor coloidale

Fiind în majoritatea lor substanţe de provenienţă organică, impurităţile coloidale, nimerind în cazan, provoacă fierberea neregulată, formarea în apă a CO2, amoniacului ş.a. Deoarece

82

83

impurităţile coloidale sunt foarte mici ( <0,1 μm), pentru a fi înlăturate este necesar de a le uni în particule mai mari. Cu acest scop se aplică metoda de coagulare.

Coagularea prezintă un proces fizico–chimic de alipire a particulelor coloidale la flocoane active de substanţă specială, de regulă, hidroxizi. Substanţele flocoanelor au o sarcină opusă aceleia a particulelor coloidale. După compensarea sarcinilor are loc o coagulare rapidă (pericinetică), legată de absorbţia substanţelor organice, în 1...2 minute. În perioada de timp următoare (coagularea ortocinetică) hidroxidul formează flocoane, care pot fi sedimentate sau eliminate prin filtrare.

Pentru obţinerea hidroxizilor în apa brută se adaugă aşa numiţii coagulanţi, sau săruri de limpezire. Aceste substanţe sunt: sulfatul de aluminiu - Al2(SO4)3·8H2O, sulfatul de fier FeSO4·7H2O, mai rar - clorura de fier - FeCl3, aluminatul de sodiu - Al(ONa)3.

Coagulanţii sub formă de soluţii de cca.10 % se introduc în apa tratată unde au loc reacţiile de hidroliză:

Al2(SO4)3 + 6H2O→ 2Al(OH)3↓ +3H2SO4, (6)

4FeSO4 + 10 H2O + O2 → 4Fe (OH)3↓ + 4H2SO4, (7)

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3HCl. (8)

Dozele de coagulanţi se determină experimental. Viteza procesului în integral depinde de pH–ul mediului şi temperatură. Temperatura favorabilă este în limitele de 20...30 0C. În condiţii favorabile durata procesului este de 5...7 min., în condiţii nefavorabile – 20...30 min.

Eliminarea din apă şi condensat a substanţelor uleioase (dezuleierea)

Caracterul de impurificare a apei şi condensatului cu substanţe uleioase poate fi diferit. La impurificarea aburului acestea se află în condensat sub formă dispersată şi chiar coloidală. La nimerirea lor în apă sau condensat uleiurile se află sub formă de picături sau particule relativ mari. În primul caz, uneori, se recurge la coagulare. În general, se utilizează instalaţii speciale.

Cele mai simple construcţii au instalaţiile pentru captarea uleiurilor aflate în apă sub formă de particule mari, care în volum de apă deschis faţă de mediul ambiant se ridică la suprafaţa apei.

Pentru curăţarea de ulei a condensatului şi apei în care acesta se află în stare dispersată, se folosesc instalaţii cu filtre în una sau două trepte. Capacitatea de reţinere a uleiului de către umplutura filtrului la temperatura de 90...100 0C este de 25...35 %, iar la 50...60 0C - de 15...25 % din masa uscată a umpluturii.

Umplutura nu poate fi spălată sau regenerată şi de aceea la epuizarea capacităţii de absorbţie ea se înlocuieşte cu alta proaspătă. Vremea epuizării se determină după rezistenţa hidraulică a filtrului.

83

Fig. 2. Aparat de productivitate mică pentru limpezirea apei prin coagulare:

1 – corpul reactorului, 2 – stocator de nămol, 3 – grătar pentru nivelarea vitezei apei, 4 – racord de drenare, 5 şi 6 – racorduri pentru

evacuarea nămolului, 7 – racord pentru introducerea coagulantului, 8 – ferestre, 9 – ventil de reglare, 10 şi 11 – racorduri pentru

evacuarea apei limpezite, 12 – separator de aer, 13 – ieşirea aerului, 14 - introducerea apei

iniţiale, 15 – robinete de control.

84

Pentru eliminarea uleiului se aplică, de asemenea, filtrarea prin suprafeţe aluvionate cu praf de filtrare. Ca suprafeţe se folosesc cilindri din ceramică poroasă, pânze pe carcase din plasă metalică ş.a. Pelicula filtrantă aluvionată se formează prin spălarea suprafeţei cu o suspensie de praf din diatomit sau cărbune activat.

Eliminarea ionilor de fier

Ionii de fier nimeresc în apa naturală dacă în calea apei freatice nimeresc zăcăminte de fier sau săruri care-i conţin. În condensat ionii de Fe pătrund pe cale tehnică în urma coroziunii conductelor şi a utilajului. Daunele aduse instalaţiilor se manifestă prin depunerea pe ioniţii filtrelor de tratare chimică a apei, depuneri care nu se înlătură la regenerare, şi participarea la depunerile de crustă în ţevile de fierbere ale cazanelor.

Concentraţia ionilor de fier în condensat, de obicei, este de ordinea 0,05...0,5 mg/l dar poate fi şi destul de mare, atingând valoarea de 0,5...2,0 g/l. În apele subterane conţinutul lor de obicei nu depăşeşte 5...7 mg/l.

Pentru a reduce concentraţia ionilor de fier în condensat, în primul rând, trebuie de luat măsuri de evitare pe cât posibil a coroziunii utilajului.

La concentraţii mari oxizii de fier se află în condensat sub formă de particule suspendate şi pentru eliminarea lor se utilizează filtre de limpezire cu umplutură de antracit, cocs şi cărbune activat. Aceste filtre, la viteza de filtrare de 10...12 m/h reduc conţinutul de fier cu 40...60 %. Filtrele se spală periodic cu condensat curat, dar trebuie de avut în vedere depunerile remanente de fier pe particulele stratului. De aceea, periodic umplutura trebuie spălată cu soluţie de acid sau schimbată.

Aceste filtre pot fi utilizate ca treaptă unică, dacă cerinţele faţă de condensat nu sunt prea înalte şi concentraţia iniţială nu este prea mare. La tratări mai profunde ele se folosesc ca treaptă preliminară.

Tratarea mai profundă se efectuează în filtre cu celuloză. Acest tip de filtre funcţionează ciclic. Celuloza se fărâmiţează şi într-un malaxor se amestecă cu apa. Emulsia se pompează în corpul filtrului unde se depune pe suprafaţa permeabilă a elementelor filtrante. Aluvionarea se consideră terminată când din filtru iese apă limpede, fără fibre de celuloză. Spălarea celulozei saturate cu fier se efectuează prin trecerea apei în sens opus.

Se utilizează, de asemenea, filtre cu

84

Fig. 3. Schema instalaţiei pentru eliminarea din apă şi condensat a substanţelor uleioase:

1 – captator de ulei, 2 – filtru de limpezire, 3 – rezervor de condensat, 4 – filtre de sorbţie, 5 – pompe.

Fig. 4. Schema instalaţiei de eliminare a ionilor de fier cu filtre aluvionate cu celuloză:

1 – corpul filtrului, 2 – elemente filtrante, 3 – amestecător, 4 - rezervor pentru spălarea elementelor filtrante, 5 – pompe.

85

elemente cu umplutură compactă de celuloză. Elementul filtrant reprezintă un strat de celuloză cu grosimea de 5..10 cm amplasat între două pânze metalice.

Desilicierea apei

Conţinutul bioxidului de siliciu în apă ajunge până la 20 mg/l. Acesta, în prezenţa ionilor de Ca2+

şi Mg2+, participă la formarea depunerilor. La presiuni mari (>5,0 MPa) el se dizolvă în abur. La alcalinităţi mici bioxidul de siliciu poate să acţioneze corosiv.

Din apa de adaos SiO2 se înlătură prin adsorbţie pe flocoane active de Al(OH)3, Fe(OH)3, dar mult mai eficient cu Mg(OH)3, care poate să reacţioneze cu acidul silicilic:

Mg(OH)3 + H2SiO3 → MgSiO3↓ + 2H2O. (9)

Desilicierea se efectuează, de obicei, împreună cu limpezirea şi decarbonarea apei. Desilicierea apei se produce şi la tratarea cu anioni.

85

86

31. Dedurizarea apei, metode; dedurizarea în câmp magnetic.

Dedurizarea reprezintă eliminarea din apă a ionilor de Ca2+ şi Mg2+. În funcţie de gradul de puritate impus, de conţinutul sărurilor de duritate şi de compoziţia acestora se utilizează mai multe metode de dedurizare:

- metoda termică,

- tratarea cu lapte de var,

- tratarea în câmp magnetic,

- tratarea cu polifosfaţi, descompunere cu acizi,

- tratarea prin schimb de ioni.

Fiecare din aceste metode poate fi aplicată separat, sau împreună cu altele.

Tratarea termică a apei

Se disting două tipuri de tratare termică a apei: desalinizarea prin încălzire şi vaporizarea.

Demineralizarea prin încălzire este bazată pe reducerea solubilităţii substanţelor dizolvate cu creşterea temperaturii apei. Un efect mai considerabil se observă la eliminarea durităţii carbonatice a apei. Bicarbonaţii disociază în apă:

Ca(HCO3)2 + H2O → Ca2+ + 2(HCO3-). (1)

La rândul său

2HCO3 → H2O + CO2↑ + CO32-, (2)

Ca2+ + CO32- = CaCO3↓. (3)

La fel şi pentru alţi bicarbonaţi:

Mg(HCO3)2 + H2O → Mg(OH)2 + CO2↑, (4)

NaHCO3 → NaOH + CO2↑. (5)

În rezultatul acestor reacţii se produce decarbonarea apei prin eliminarea gazului CO2 precum şi dedurizarea prin sedimentarea în volum a CaCO3.

Încălzirea se efectuează prin suprafaţă sau în volum prin barbotarea aburului prin apă la tratarea preliminară. Procesul se petrece la temperaturi de 102...105 0C. Durata lui este de 15...20 minute. La unele cazane mici, fără economizor, procesul se organizează în interiorul cazanului.

Demineralizarea prin vaporizare constă în obţinerea distilatului apei de alimentare, tratată în preliminar prin condensarea aburului produs în instalaţii speciale.

Aburul de încălzire cu parametrii reduşi (abur prelevat din priza unei turbine, sau de la un cazan special de joasă presiune) cedează căldura prin pereţii ţevilor fierbătoare ale vaporizatorului apei de alimentare. Aburul generat condensează în condensatorul de suprafaţă. În scopul menţinerii bilanţului de săruri şi eliminării nămolului format vaporizatorul este dotat cu racorduri pentru purjare.

86

Fig. 1. Schema instalaţiei de vaporizare:

1 – vaporizator, 2 – condensator;V – abur, C – condensat primar, AA – apă de alimentare, D – distilat (condensat secundar),

Pj – purjă.

87

Distilatul se foloseşte pentru umplerea cazanelor de înaltă presiune, mai ales a celor cu străbatere forţată. La centralele nucleare se utilizează chiar bidistilat.

Tratarea apei cu var

Tratarea cu var la cazanele de productivitate mică şi cu presiune mică este unica metodă de tratare chimică. La presiuni medii şi mari ea face parte din tratarea preliminară, deoarece o demineralizare profundă prin ea nu se poate obţine.

În apa tratată se introduce aşa numitul lapte de var cu concentraţia acestuia de 2...10 %, în funcţie de valoarea pH necesară – de la 9 la 12. În apa de var CaO se transformă în Ca(OH)2, care participă la următoarele reacţii cu impurităţile dizolvate:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + H2O, (6)

Mg(HCO3)2+ 2Ca(OH)2→Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2O, (7)

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2, (8)

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O ş.a. (9)

Din aceste reacţii se vede că concomitent se produce decarbonarea apei. De asemenea, se reduce alcalinitatea apei, iar prezenţa ionilor de Mg reduc şi conţinutul de siliciu.

Tratarea se organizează, de obicei, în aparate cu sedimentarea precipitatului. Durata procesului este de 15...20 minute. Ulterior apa se supune filtrării mecanice.

Tratarea magnetică a apei

Experimental s-a constatat că la traversarea curentului de apă a liniilor câmpului magnetic caracteristicile ei se modifică. Modificările mai pronunţate se observă la apele care conţin impurităţi feromagnetice, un procent mai mare de sulfat şi carbonat de calciu şi un conţinut redus de CO2. O parte de CaCO3 cristalizează în volum, astfel depunerile de crustă se reduc. Depunerile devin mai spongioase şi mai uşor de înlăturat la curăţare şi spălare.

Deoarece partea chimică a procesului depinde de conţinutul multor substanţe în apă iar cea fizică nu este clară întru totul, caracteristicile procesului şi utilajului în fiecare caz, pentru fiecare sursă de apă, se stabileşte experimental. Viteza apei în spaţiul de lucru este de 0,5...2,0 m/s, grosimea spaţiului – 2...10 mm, intensitatea câmpului magnetic – până la 400 kA/m.

Tratarea magnetică nu este profundă şi de aceea se utilizează pentru apa din reţele termice, din sisteme de răcire, pentru instalaţii de cazane cu productivităţi şi presiuni mici.

87

Fig. 3. Aparat pentru tratarea magnetică a apei:

1 - intrarea apei, 2 – corpul aparatului, 3 – mantaua magnetului, 4 – bobine, 5 – spaţiul de lucru, 6 - ieşirea apei,

7- cleme.

Fig. 2. Schema de decarbonatare cu var:

1 – distribuitor de apă, 2 – saturatorul apei de var, 3 – reactor, 4 – filtru.

88

32.Desalinizarea apei prin schimb de ioni, scheme de tratare a apei.

Tratarea prin schimb de ioni prezintă înlocuirea în apă ale unor ioni prin alţii inofensivi, sau mai puţin ofensivi pentru utilaj. Se bazează pe proprietatea unor materiale, practic insolubile în apă, de a reţine ioni din soluţii şi de a-i înlocui cu alţii la schimbarea condiţiilor.

Materiale schimbătoare de ioni sunt numite în general ioniţi şi în funcţie de sarcină pot fi cationiţi sau anioniţi. Ionitul prezintă baza solidă (matricea) care, fiind tratată cu grupe funcţionale speciale, la introducerea ionitului în soluţie permit formarea la suprafaţa ei a potenţialului respectiv şi în jurul acestuia – norului difuz de ioni. Ionii din stratul difuz posedă o cantitate sporită de energie cinetică şi pot părăsi acest strat, însă în locul lor trebuie să revină din exterior alţi ioni cu aceeaşi sarcină. De aceea, la schimbarea în mediul în care se află ioniţii a concentraţiei ionilor unei substanţe cu ionii alteia, ionii din stratul difuz sunt înlocuiţi cu ultimii. Reacţiile de schimb de ioni sunt reversibile.

Procesul în care are loc schimbul de cationi este numit cationare, cel de anioni – anionare. În procesele de cationare ionii de duritate – Ca2+ şi Mg2+ se înlocuiesc cu ioni care formează substanţe care nu dau depuneri de crustă. În funcţie de ionii de schimb deosebesc următoarele cicluri de cationare:

- ciclul de sodiu – Na+;

- ciclul de hidrogen – H+,

- ciclul de amoniac – NH4+.

În procesul de anionare în apă se înlocuiesc radicalii acizi: HCO3-, Cl-, SO4

2-. În calitate de ioni de schimb în acest proces serveşte grupa hidroxilică OH-.

Ioniţii pot fi substanţe organice (cărbunele sulfonat, răşinile fenolice şi răşinile polistirenice) sau anorganince (zeoliţii). Ei au formă de granule cu dimensiunile = 0,3...2,0 mm şi se utilizează în straturi ale filtrelor de presiune, mai rar, în membrane de schimbători de ioni. Caracteristica tehnologică a ioniţilor este capacitatea de schimb de ioni Ci, în g echivalent/l.

În formulele reacţiilor chimice care descriu procesele de schimb de ioni ionitul se notează cu simbolul R (răşini), mai rar I (ionit) sau M.

Filtrele cu ioniţi sunt analogice celor pentru filtrarea mecanică a apei. Stratul de ionit se încarcă pe fundul permeabil al filtrului, ocupând 0,4...0,6 din înălţimea lui.

Ciclul de filtrare este constituit din următoarele faze:

- de lucru,

- afânare,

- regenerare,

- spălare.

În faza de lucru are loc procesul de schimb de ioni. Spre deosebire de filtrele mecanice, rezistenţa hidraulică nu creşte. Apa se mişcă de sus în jos. În aşa direcţie se produce şi descărcarea (sărăcirea) stratului de ionit. Faza se termină când suprafaţa însărăcită coboară la fundul permeabil - fin. Aceasta

88

Fig. 1. Schema fazei de lucru a unui filtru cu schimb de ioni:

1...fin – poziţia suprafeţei însărăcite de ioni în momentul

respectiv.

89

se poate determina prin analiza apei la ieşire – concentraţia ionilor respectivi începe să crească. În practică durata ciclului de lucru este de 6...22 h. Viteza apei este de 5...20 m/h.

Afânarea are ca scop fărâmiţarea boţurilor formate în timpul lucrului prin alipirea între ele a granulelor de ionit. Se efectuează prin pomparea apei de jos în sus cu viteza de 10...20 m/h timp de 15...20 minute. În timpul afânării stratul expandează, înălţimea lui mărindu-se cu 50...80 %.

Regenerarea constă în încărcarea ionitului cu ionii de schimb. Se efectuează prin trecerea prin stratul de ionit a soluţiei de substanţă care conţine ionii respectivi. Soluţia este pregătită în rezervoare speciale. Volumul soluţiei este de 2...3 ori mai mare decât volumul ionitului.

Consumul de reactiv poate fi determinat cu formula:

Gr = ar Ci VR , (1)

unde ar este consumul specific de reactiv, în kg/g echiv.

În funcţie de concentraţia soluţiei şi volumul stratului durata fazei este de 15...45 minute.

Regenerarea poate fi cu deplasarea apei în aceeaşi direcţie ca şi în ciclul de lucru sau în sens invers – generarea în contracurent. Ultima permite economisirea reactivilor, însă cere o construcţie mai complicată a filtrelor.

Spălarea se efectuează după terminarea fazei de regenerare pentru a elimina din filtru surplusul de reactiv de regenerare. Apa de spălare, brută sau dedurizată, se introduce prin partea de sus şi se scurge până când din ea dispar ionii reactivului respectiv. Volumul apei de spălare este egal cu 5...10 VR.

Volumul de ionit posedă şi proprietăţile unui strat filtrant mecanic. El reţine impurităţile mecanice rămase în apă, sau formate prin cristalizarea unor săruri. De aceea periodic (1...2 ori pe săptămână) se efectuează şi spălarea filtrului de nămol. Această spălare se efectuează înaintea fazei de regenerare.

Bilanţul de ioni al filtrului poate fi exprimat cu ecuaţia:

D(di – df)l = VRCi , (2)

unde D este debitul apei, în t/h;

di şi df – duritatea apei, respectiv, iniţială şi finală, în mg/l;

l – durata fazei, în h;

VR – volumul ionitului, în m3;

Ci – capacitatea de schimb a ionitului, în g/m3.

Dimensionarea filtrelor cu schimb de ioni se efectuează după aceeaşi metodică ca şi a filtrelor mecanice:

, (3)

unde wa este viteza apei, în m/h.

Ciclul de tratare cu sodiu se utilizează pentru dedurizarea apei. În filtru se desfăşoară reacţii de tipul:

2Na/R + CaCl2 → Ca/ R + 2NaCl; (4)

2Na/R + MgSO4 → Mg/ R + Na2SO4. (5)

Astfel ionii de duritate Ca2+ şi Mg2+ rămân în filtru, iar cu apa se elimină săruri care, cristalizându-se în volum, nu dau depuneri pe pereţii de schimb de căldură. De oarece masa

89

90

molară a 2 ioni de Na (2 x 23 = 46) este mai mare decât a unui ion de Ca (40) şi, cu atât mai mult, a unui ion de Mg (24), salinitatea apei creşte.

Regenerarea filtrelor se efectuează cu soluţie de 5...12 % de sare de bucătărie – NaCl. Consumul de sare este de 0,20...0,25 kg/g echiv.

Na – cationarea se foloseşte ca metodă unică de tratare chimică a apei pentru cazanele de presiune joasă şi pentru reţelele termice. Apele cu duritate mare se tratează în două trepte.

Destinaţia ciclului de tratare cu hidrogen (H – cationare) este înlăturarea completă a cationilor din apă. Se foloseşte în complex cu alte scheme de schimb de ioni. Schimbul de ioni se petrece conform reacţiilor:

2H/R + CaCl2 → Ca/ R + 2HCl; (6)

2H/R + MgSO4 → Mg/ R + H2SO4; (7)

2H/R + CaCO3 → Ca/ R + H2O +CO2↑. (8)

Din aceste reacţii rezultă două concluzii:

1. H – cationarea sporeşte aciditatea apei,

2. după filtrul cu hidrogen este necesară decarbonatarea apei - eliminarea din apă a bioxidului de carbon.

Suprafeţele interioare ale filtrelor necesită protecţie anticorosivă.

Regenerarea filtrelor se efectuează cu soluţie de 1...2 % de H2SO4 sau 5...10 % de HCl.

Lucrul cu acizii incomodează şi îngreuiază folosirea filtrelor cu ioni de hidrogen.

H-cationarea se utilizează împreună cu Na-cationarea sau cu anionarea apei. În funcţie de raportul bază/acid în apă, filtrele se unesc în serie sau în paralel.

Ciclul de tratare cu amoniac se utilizează mai rar şi de asemenea împreună cu ciclul de sodiu. Regenerarea filtrelor se efectuează cu soluţie de 2..3 % de (NH4)2SO4. Reacţiile care se produc în filtru sunt:

2NH4/R + Ca(HCO3)2 → Ca/ R + 2NH4HCO3; (9)

2NH4/R + CaCl2 → Ca/ R + 2NH4Cl; (10)

2NH4/R + MgSO4 → Ca/ R + (NH4)2SO4. (11)

În interiorul cazanului la temperaturi înalte sărurile de amoniac se descompun cu degajarea de CO2 şi amoniu NH3:

NH4HCO3 → NH3↑ + H2O + CO2↑; (12)

(NH4)2SO4 → NH3↑ + H2SO4; (13)

NH4Cl → NH3↑ + HCl. (14)

Gazele sunt antrenate de abur, iar acizii rămân în cazan, prezentând pericol de coroziune a suprafeţelor.

Ciclul de tratare cu anioni se efectuează pentru îndepărtarea din apă a radicalilor acizi şi, concomitent cu cationarea, produce desalinizarea completă a apei. Regenerarea filtrelor se efectuează cu soluţie de 2...5 % de NaOH. Reacţiile de schimb de ioni:

R/ OH + Cl- → R/ Cl + OH-; (15)

2R/ OH + SO42- → R/ SO4

2- + 2OH-. (16)

90

91

Trecerea în apă a ionilor hidroxilici provoacă creşterea pH ceea ce, la rândul său, duce la disocierea acizilor slabi H2CO3 şi H2SiO3, ionii cărora participă la reacţii:

R/ OH + H+ + HCO3- → R/ HCO3

- + H2O; (17)

R/ OH + H+ + HSiO3- → R/ HSiO3

- + H2O. (18)

Astfel în filtrele cu anioni se produce concomitent decarbonatarea şi desilicierea apei.

Scheme de tratare a apei

În funcţie de productivitate, presiunea din cazan şi caracteristicile iniţiale ale apei brute schemele de tratare a apei diferă foarte mult – de la o instalaţie simplă de tratare cu var până la complexe care conţin şi instalaţii de coagulare şi filtrare mecanică, şi filtre de tratare cu cationi şi anioni.

În fig. 2 este prezentat un exemplu de schemă de tratare cu coagularea în rezervorul-decantor şi dedurizarea în filtru cu schimb de ioni cu ciclu de sodiu. Încălzirea apei se efectuează până la temperatura de 20...30 0C pentru a facilita desfăşurarea proceselor. După această schemă se tratează apa din sursele naturale pentru cazane cu presiunea până la 4,0 MPa. Un exemplu de schemă de desalinizare completă a apei prin tratarea în filtre cu schimb de cationi şi anioni este prezentată în fig. 2. În astfel de scheme pot fi introduse şi filtre cu ciclul de sodiu sau de amoniu.

Deoarece filtrele funcţionează ciclic, în sistemele de tratare a apei la centrale fiecare din ele trebuie să fie nu mai puţin de două exemplare, care să poată funcţiona în paralel. Se utilizează două scheme de conexiune a filtrelor: conexarea în lanţ şi circulară. La conexarea în lanţ deservirea şi automatizarea sunt mai simple de efectuat, dar scoaterea din funcţiune a unui element opreşte tot lanţul, pe când, în schemele circulare se poate lucra cu elemente din orişice lanţ al schemei, deci ultima este mai fiabilă.

91

Fig. 2. Schema de principiu a instalaţiei de tratare a apei în centrale termice cu cazane de presiune

joasă:1 – apa brută, 2 – repartizor, 3 – preîncălzitor de apă,

4 – abur sau apă fierbinte, 5 – preparator de coagulant, 6 – decantor, 7 – rezervor intermediar, 8 – pompă,

9 – filtru mecanic, 10 – filtru de schimb de ioni cu ciclul de sodiu, 11 – apă tratată.

Fig.3. Schema de principiu a instalaţiei de tratare chimică profundă a apei:

1 – introducerea apei limpezite, 2 – filtru cu ciclul H treapta I, 3 – filtru cu anioni, 4 - filtru cu ciclul H treapta II, 5 – turn de aerisire, 6 – evacuarea CO2, 7 – ventilator, 8 – rezervor, 9 – pompă, 10 – filtru

cu anioni, 11 – apă tratată.

92

33.Degazarea apei, metode, degazarea termică, calculul degazoarelor termice.

Degazarea apei

Scopul degazării este de a elimina gazele, care au fost dizolvate în apa brută (O2, CO2, N2, H2S, etc.) sau au apărut la tratarea apei în centrală (CO2, H2 etc.), pentru a proteja suprafeţele interioare ale cazanului de coroziune. Pericolul principal îl constituie O2 şi CO2, de şi în anumite condiţii acţiuni negative pot provoca H2 şi alte gaze. Degazarea prezintă ultima treaptă de tratare a apei în exteriorul cazanului.

Există mai multe metode de degazare a apei:

- chimică,

- electrochimică,

- prin desorbţie,

- termică.

Metoda chimică constă în tratarea apei cu diferiţi reactivi: sulfit de sodiu – Na2SO3, hidrazină – N2H4 ş.a.:

2Na2SO3 + O2 → 2Na2SO4; (1)

N2H4 + O2 → N2 + 2H2O. (2)

Prin aceste metode se elimină numai hidrogenul. Ele se folosesc la tratarea de corecţie a apei.

Degazarea electro-chimică se efectuează la traversarea apei cu temperatura de 70 0C a unui pat de şpan din oţel sau fontă. În acest caz se produce impurificarea apei cu ioni de Fe şi în instalaţii energetice această metodă nu se utilizează.

Desorbţia oxigenu-lui se efectuează la barbotarea apei cu gaze inerte fierbinţi (t = 700 0C). Acestea pot fi produse de ardere curăţate de O2. Metoda este complicată şi poate aduce la mărirea cantităţii de CO2. Din această cauză ea şi nu se utilizează.

Tratarea termică se bazează pe proprietatea soluţiilor de gaze de a-şi micşora concentraţia de saturaţie cu creşterea temperaturii. La temperatura de fierbere concentraţia tinde spre 0 (fig. 20). Această metodă este cea mai simplă şi mai accesibilă la obiectele energetice şi de aceea este şi cea mai răspândită.

Degazoare termice

Apa tratată se încălzeşte prin amestec cu abur sau apă fierbinte sub presiune, şi temperatură mai mare decât a celei tratate. Instalaţiile în care se efectuează procesul se numesc degazoare. Degazorul de obicei, este compus din două elemente separate: coloana de degazare şi recipientul de stocare a apei degazate.

În funcţie de presiunea de lucru deosebesc trei tipuri de degazoare:

- cu vid,

- atmosferice şi

- cu presiune ridicată.

Degazoarele cu vid funcţionează la presiunea absolută P = 40 kPa (ts = 70 0C) şi se utilizează în centralele termice cu cazane de apă fierbinte şi în reţelele termice. În

92

Fig. 1. Schema unui degazor cu vid:

1 - corpul degazorului, 2– introducerea apei pentru degazare, 3 – talere

perforate,4 – introducerea aburului sau a apei fierbinţi, 5 – evacuarea apei degazate, 6 – evacuarea gazelor.

93

degazoarele cu vid, apa pentru degazare se introduce în partea de sus a rezervorului şi curge sub formă de şuviţe printr-un sistem de talere perforate. Aburul se introduce prin parte de jos, se ridică, traversând şuviţele de apă, şi încălzindu-le, elimină gazele. La introducerea apei fierbinţi, aceasta, la reducerea presiunii, parţial se vaporizează, aburul ridicându-se pe acelaşi traseu. Încălzind apa aburul se condensează. Gazele eliminate sunt extrase din partea de sus cu un ejector cu abur sau apă.

Degazoarele cu vid se confecţionează cu productivitatea de la 5 t/h până la 300 t/h.

Degazoarele atmosferice sunt cele mai răspândite. În centralele termice cu presiunea până la 4,0 MPa se utilizează în schema termică de bază, în cele cu presiunea mai mare – pentru degazarea apei de adaos din ciclul de bază şi din reţelele termice. Ele funcţionează la presiunea de 0,12 MPa (ts = 104,8 0C), fiind conectate cu atmosfera printr-un zăvor hidraulic cu înălţimea coloanei de apă de 2 m.

Apa şi condensatul se introduc în partea de sus a coloanei de degazare, se scurge în şuviţe prin fundurile perforate ale talerelor în rezervorul de stocare. Şuviţele sunt traversate de aburul care le încălzeşte şi elimină gazele din ele, care se evacuează din partea de sus a coloanei. Apa şi condensatul se introduc în degazor cu temperatura de 80 0C. Introducerea apei cu temperatura mai mică înrăutăţeşte procesul de degazare.

Aburul la presiunea 0,15...0,17 MPa se introduce prin dispozitivul de barbotare în volumul de apă din rezervorul de

acumulare. Capacitatea rezervorului este prevăzută astfel, ca apa degazată să se reţină în el nu mai puţin de 20...30 min., timp ce permite descompunerea carbonaţilor şi degajarea bioxidului de carbon. Pentru a înlesni acest proces, printr-un perete special, volumul de apă din rezervor este separat în două părţi, care sunt unite printr-un orificiu în partea de jos a peretelui. Evacuarea apei se efectuează din partea opusă coloanei de degazare. Aburul se introduce în volumul de apă pentru a o încălzi suplimentar. O parte din abur, de la separatorul de purjă, cu presiunea 0,12 MPa, se introduce în spaţiul de abur pe deasupra volumului de apă.

Degazoarele cu presiune ridicată se folosesc în ciclurile centralelor termoelectrice cu presiuni înalte. Presiunea în degazor este de 0,5...0,7 MPa (ts = 145...165 0C). Principiul de funcţionare este acelaşi ca şi la cele precedente, însă rezervorul

93Fig. 3. Schema de calcul a

degazorului atmosferic.

Fig. 2. Schema unui degazor atmosferic:

1- coloana de degazare, 2 – talere perforate, 3 – evacuarea gazelor, 4 - introducerea apei pentru degazare, 5 – introducerea aburului, 6 – rezervor,

7 – dispozitiv de barbotare, 8 – perete separator, 9 – evacuarea apei degazate.

94

este mai mic, deoarece în acest degazor se introduce apa de adaos, care de acum a fost trecută prin degazorul atmosferic, şi condensatul, care nu conţine carbonaţi.

Calculul degazoarelor termice

Calcularea degazoarelor se efectuează în baza a două ecuaţii:

- ecuaţia bilanţului material, în care se compară fluxurile de apă şi abur care intră în degazor , în kg/s, cu cele care iese din ele:

(3)

- şi ecuaţia bilanţului termic, în care se compară fluxurile respective de entalpie:

,

(4)

unde: φ este coeficientul de reţinere a căldurii, φ = 0,95...0,98;

hi şi hj - entalpiile specifice ale agenţilor termici respectivi, în kJ/kg.

Fluxurile de intrare sunt:

- apa de adaos cu debitul Dad şi temperatura tad;

- condensatul cu debitul Dc şi temperatura tc;

- aburul de la expandorul de purjă cu debitul Dvpj şi entalpia h”;

- aburul de încălzire cu debitul Dv şi entalpia hv;

fluxurile de ieşire:

- apa de alimentare cu debitul Daa şi entalpia h’;

- aburul ieşit împreună cu gazele eliminate, debitul Dvg şi entalpia h”;

Pentru schema dată vom avea:

Dad + Dc + Dv + Dvpj = Daa + Dvg; (5)

Dadcatad+ Dccatc +Dvhv + Dvpj h”)=Daah’+Dvgh”. (6)

Unde ca este capacitatea termică specifică a apei, ca = 4,19 kJ/(kg.K).

La calcularea degazoarelor mărimile necunoscute sunt: debitele aburului pentru încălzire Dv şi a apei de alimentare Daa, ele determinându-se prin rezolvarea sistemului de ecuaţii (5) şi (6).

Valoarea debitului aburului evacuat împreună cu gazele este de 1...3 % din Daa. Fluxul de căldură conţinut de acest abur constituie 6...18 %. Aburul se evacuează în atmosferă, deci, aceste procente sunt pierderi de apă şi, respectiv, căldură.

94

95

34. Tratarea apei în interiorul cazanelor; purjarea cazanelor, reducerea pierderilor de căldură la purjare.

Tratarea apei în interiorul cazanului

Se utilizează două metode de tratare a apei în interiorul cazanului:

1. de bază – când tratarea preliminară în exteriorul cazanului nu se efectuează;

2. de corecţie, care se realizează după tratările exterioare.

Tratarea în interior de asemenea poate fi de două feluri:

a. termică,

b. chimică.

Tratarea de bază se utilizează la cazanele mici, care se alimentează din reţelele de apă potabilă. Tratarea termică se aplică ca tratare de bază, de regulă, la cazanele ignitubulare.

Tratarea chimică poate fi şi de bază şi de corecţie. Ea constă în introducerea reactivilor în apa de alimentare la intrare în cazan sau nemijlocit în tamburul cazanului. Se introduc reactivii: hidroxidul de sodiu – NaOH; fosfaţi de sodiu - Na3PO4,

(NaPO3)n, mai rar Na2HPO4 şi NaH2PO4; hidrazina N2H4.

La introducerea hidroxidului de sodiu

se produc reacţiile:

NaOH + MgCl2 → Mg(OH)2↓ + 2NaCl; (1)

NaOH + Ca(HCO3)2 → Na2CO3 + CaCO3↓ + 2H2O; (2)

2NaOH + Mg(HCO3)2 → Mg(OH)2↓ + 2NaHCO3. (3)

CaCO3↓ şi Mg(OH)2↓, posedând o solubilitate foarte mică, se precipită în volum sub formă de nămol.

Carbonatul acid de sodiu NaHCO3 se descompune:

NaHCO3 → Na2CO3 + H2O +CO2↑. (4)

Soda calcinată formată, la rândul său, acţionează asupra sărurilor de duritate:

Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + Na2SO4 (5)

Trinatriufosfatul Na3PO4, se introduce la tratarea de corecţie:

6Na3PO4+10CaSO4+2NaOH→3Ca(PO4)2Ca(OH)2+10Na2SO4. (6)

Compuşii rezultaţi se precipită în nămol. În plus, la tratarea cu fosfaţi, pe suprafeţele ţevilor se formează o peliculă protectoare contra coroziunii iar depunerile devin mai afânate şi mai uşor de înlăturat.

95

Fig.25. Instalaţie de tratare termică (dedurizatorul Obrezcov) a apei în interiorul cazanului ignitubular:

1 – corpul cazanului, 2 – introducerea apei de alimentare, 3 - extragerea aburului, 4 – deversor, 5 - uluc, 6 – covată, 7 – jgheab, 8 – conductă de purjă,

9 – tub de flăcări.

96

Tratarea cu hidrazină se foloseşte pentru asimilarea oxigenului.

Purjarea cazanelor

Purjarea prezintă eliminarea unei părţi de apă din volumul cazanului, care se face cu scopul menţinerii bilanţului de săruri în cazan și evacuarea nămolului format la precipitarea sărurilor dizolvate în apă.

Menţinerea bilanţului de săruri se asigură prin purjarea continuă. Ea se efectuează continuu din tamburul de sus sau din cicloanele separatoare exterioare. Ea constituie 0,2...5,0 % din productivitatea cazanului. Cantitatea de purjă se reglează după conţinutul de săruri în apa de cazan care se controlează la cazanele mici prin analize periodice, la cele mari – prin măsurarea cu aparate speciale.

Evacuarea nămolului se efectuează prin purjarea periodică. Ea se produce peste fiecare 4...8 ore din „punctele inferioare” ale cazanului – colectoarele sau/şi tamburul de jos ale vaporizatorului. Dacă în apă se conţin săruri uşoare, nămolul cărora iese la suprafaţa apei din tambur, purjarea periodică se efectuează şi din tamburul de sus, de la suprafaţa apei.

Cantitatea purjei continuă se determină în baza bilanţului de săruri al vaporizatorului.

, (7)

unde este masa sărurilor introduse în cazan cu apa de alimentare,

- masa sărurilor evacuate cu purja,

- masa sărurilor antrenate cu aburul,

Mdep.- masa sărurilor depuse pe suprafaţa vaporizatorului.

şi Mdep. sunt neînsemnate comparativ cu celelalte şi de aceea se neglijează.

Daa Caa = DpjCac, (8)

unde: Daa şi Dpj sunt debitele, respectiv ale apei de alimentare şi purjei, în kg/s;

Caa şi Cac – concentraţia sărurilor, respectiv în apa de alimentare şi în apa de cazan, în mg/kg.

Conţinutul de săruri în apa de cazan depinde de tipul cazanului şi de presiunea aburului. Valorile admise sunt:

- pentru cazane ignitubulare - Cac = 12000 mg/kg,

- pentru cazane acvatubulare:

la P < 3,0 MPa - 1500...3000 mg/kg,

la P = 3,0 ... 6,0 MPa - 1000...1500 mg/kg,

la P = 6,0...10,0 MPa - 500...1500 mg/kg.

Având în vedere că:

Daa = Dv + Dpj, (9)

. (10)

96

Fig. 26. Schema destinderii purjei:

1 – tambur, 2 – conducta de purjare, 3 – expandor de

purjă, 4 – ventil de laminare, 5 – răcitorul apei de purjă,

6 – apă de adaos spre degazor, 7 - . abur spre

degazor,

97

Procentul de purjă se va calcula cu formula:

. (11)

Pentru a reduce pierderile de apă şi căldură cu purja se utilizează expandorul de purjă. Purja la presiunea din tambur, cu temperatura şi entalpia apei saturate la această presiune, se destinde până la presiunea de 0,12 MPa, răcindu-se până la temperatura de 104,8 0C. Căldura degajată se consumă pentru transformarea unei părţi de apă în abur. Aburul se îndreaptă la degazor, apa rămasă - se răceşte până la temperatura de cca. 40 0C, încălzind apa de adaos, care vine de la instalaţia de tratare a apei cu temperatura nu mai mare de 30 0C.

La instalaţiile de presiune înaltă destinderea purjei se efectuează în două trepte. Presiunea în expandorul de înaltă presiune este egală cu cea din degazorul respectiv.

În unele sisteme apa de purjă este folosită ca apă de adaos pentru reţelele termice, deoarece ea nu conţine săruri de calciu şi magneziu.

O măsură de reducere a depunerilor de săruri şi a cantităţii de purjă la cazane prezintă vaporizarea în trepte . Volumul de apă din tamburul cazanului este separat cu un perete special în două compartimente: curat şi salin. Apa de alimentare se introduce în compartimentul curat. Purjarea compartimentului curat se produce în compartimentul salin prin orificiul în peretele despărţitor. Purja din zona salină se evacuează în exterior – la expandorul de purjă. În secţia de apă curată concentraţia sărurilor poate fi mai mică de cât în cazanele cu vaporizarea într-o treaptă, iar salinitatea apei din compartimentul salin poate fi mai mare decât de obicei, ceea ce reduce cantitatea purjei.

La zona curată a tamburului sunt racordate cca. 80 % din suprafaţa de schimb de căldură a vaporizatorului. Suprafaţa unită la secţia salină se amplasează în zona temperaturilor mai reduse ale gazelor. Extragerea aburului se efectuează din compartimentul curat.

97

Fig. 27. Schema vaporizării în trepte:

1 – tamburul cazanului, 2 – introducerea apei de alimentare,3 – extragerea aburului, 4 – compartimentul curat al tamburului,

5 – peretele despărţitor, 6 – compartimentul salin, 7 – evacuarea purjei, 8 – contururi de vaporizare.

98

35.Scheme termomecanice ale instalaţiilor de cazane, schema de principiu a unei Centrale Termice.

În schemele termomecanice ale instalațiilor de cazane cu ajutorul reprezentărilor grafice convenționale se prezintă utilajul de bază și cel auxiliar legate cu liniile de conducte pentru transportarea agentului termic (apă sau abur). Schemele termomecanice pot fi:

1) de principiu;2) desfășurate (funcționale);3) de montaj (de lucru).

În schema termomecanică principială se reprezintă doar elementele principiale (cazanele, preîncălzitoare, degazoare, pompele) și conductele care le leagă fără armătură, utilaj auxiliar, conductele auxiliare și fără menționare numărului și plasarea utilajului (excepție fac parte doar cele ce schimbă principiul de funcționare a schemei). Acest tip de schemă servește la dimensionarea elementelor de bază ale instalației.

În schema termomecanică desfășurată se prezintă toate elementele , toate conductele de legătură și toată armătura. Includerea într-o schemă a tuturor elementelor și utilajelor instalației de cazane, este foarte complicat din cauza numărului mare a acestora. De aceea, această schemă se divizează pe părți conform procesului tehnologic: schema preparării apei; schemele conductelor de apă; schemele conductelor de apă; schemele de alimentare cu combustibil etc. Aceasta permite în schema desfășurată prezentarea destul de detaliată și clară a tuturor elementelor de bază și auxiliare ale instalației de cazane, la fel și de a prezenta diametrele tuturor conductelor. Acest tip de schemă servește pentru personalul de deservire.

Fig. 1. Schema termomecanică de principiu a centralei termice cu cazane de abur pentru sistemul deschis de alimentare cu căldură.

1 – cazan; 2 – separator de purjă; 3 –pompă de alimentare; 4 – preîncălzitor de apă brută;; 5 – instalația de tratare chimică a apei; 6 – consumatorul de căldură; 7 – pompă de adaos a apei de rețea; 8 – preîncălzitoarele apei de rețea;

98

99

9 – degazorul atmosferic; 10 – răcitorul aburului din degazor; 11 – pompă de rețea; 12 – supapa de reglare; 13 – supapa de reducere a presiunii; 14 - preîncălzitorul apei tratate chimic după I treaptă de tratare; 15 – răcitorul apei ce nimerește în vasul acumulator; 16 – vasul acumulator.

Schema termomecanică de montaj de obicei se execută în reprezentare ortogonală, iar uneori nodurile complicate și în reprezentare axonometrică cu indicarea nivelului amplasării conductelor, gradul de înclinație a lor, armăturii, suporturilor, dimensiunilor etc. Acest tip de scheme la fel se divizează pe părți pentru comoditatea și ușurarea lucrărilor de montaj a utilajului, armăturii și conductelor.

În figura de mai sus este prezentată schema principială a unei centrale termice cu cazane de abur pentru sistemul deschis de alimentare cu căldură. Centrala termică este destinată pentru alimentarea cu căldură, ventilație și apă caldă menajeră. Schema dată se aplică pentru centralele termice de putere mică. Prepararea agentului termic are loc în două trepte. În afară de aceasta, este prevăzut un acumulator de apă, care servește pentru acoperirea sarcinii de vârf pentru alimentarea cu apă caldă menajeră.

99

100

36. Gospodării de combustibil, sarcini şi funcţii; gospodării de combustibil solid.

Noțiuni generale privind gospodăria de combustibil

Gospodărie de combustibil reprezintă totalitatea dispozitivelor și mecanismelor destinate pentru recepționarea, depozitarea, transportarea, prelucrarea primară a combustibilului înainte de arderea lui. Structura și condițiile de lucru a gospodăriei de combustibil depinde de tipul și proprietățile combustibilului, modul de ardere, consum și modul de transportarea a combustibilului, precum și de amplasarea teritorială a instalațiilor de cazane.

Gospodăria de combustibil trebuie să asigure alimentarea cu combustibil fără întreruperi a cazanelor și să corespundă următoarelor condiții: toate procesele legate de alimentarea, descărcarea și depozitarea, pregătirea pentru procesul de ardere și transportarea combustibilului trebuie să fie mecanizate și după posibilitate automatizate. Pierderile de combustibil trebuie să fie minime, și caracteristicile lui fizice și chimice nu trebuie să se înrăutățească; investiția inițială și cheltuielile de exploatare trebuie să fie minime.

În sistemul gospodăriei de combustibil solid și lichid se efectuează următoarele operații:

- recepționarea combustibilului;- transportarea combustibilului de la

locul de recepționare la locul de depozitare sau la cazane, și de la depozit la cazane;

- păstrarea combustibilului la depozit în cantități suficiente pentru alimentarea neîntreruptă a cazanelor în cazul eventualelor rețineri în livrarea combustibilului cu transportul extern;

- prelucrarea primară a combustibilului;- evidența consumului și livrărilor de

combustibil.

În cazul gospodăriei de combustibil gazos depozitarea rezervei de combustibil nu se prevede și funcțiile gospodăriei se reduc la recepționarea gazului, transportarea lui la cazane și evidența consumului lui.

Gospodăria de combustibil solid.

Combustibilul solid se transportă de la locul de extragere la instalațiile de cazane, de obicei, cu transportul feroviar în vagoane-basculante cu capacitate de la 60 până la 125 tone. Descărcarea vagoanelor cu combustibil și prelucrarea lui nu trebuie să dureze mai mult de 2-3 ore.

În perioada de iarnă combustibilul solid umed (turba, cărbunele brun etc.) îngheață în timpul transportării lui în vagoane, ceea ce complică descărcarea lui. În legătură cu aceasta în gospodăria de combustibil apare necesitatea în aplicarea unor dispozitive ce ar ușura descărcarea combustibilului. În calitate de astfel de dispozitive se aplică încălzirea combustibilului în vagoane înainte de descărcare, care se realizează cu ajutorul produselor de ardere cu temperatura de 100 – 180 oC timp de 1,5 ore, precum și mecanisme de afânare.

În caz general gospodăria de combustibil include: dispozitive pentru cântărirea combustibilului recepționat; dispozitiv pentru decongelarea sau afânarea combustibilului în vagoane; dispozitive

100

Fig. 1. Schema gospodăriei de combustibil solid

1 – cântar pentru vagoane; 2 – dispozitiv de recepționare cu basculantă pentru vagoane; 3 – instalația de măcinare de prima treaptă; 4 – ambar pentru dezghețarea vagoanelor cu combustibil; 5 – transportor cu bandă; 6 – nod de transfer; 7 – transportor la nodul de divizare a fluxului de combustibil; 8 – nodul de divizare a fluxului de combustibil; 9 – transportor la depozitul de combustibil și de la depozit la nodul de vizare a fluxului; 10 – transportor la instalațiile de măcinare; 11 – instalații de măcinare; 12 – transportor la galeria de buncăre; 13 – nod de transfer la transportorul orizontal; 14 – cântar bandă; 15 – buncăr cu combustibil brut a cazanului; 16 – depozit de combustibil.

101

de recepționare și descărcare a combustibilului; depozit de combustibil; dispozitive pentru mecanizarea lucrului la depozit; mecanisme pentru transportarea combustibilului de la dispozitivele de descărcare la depozit și în sistemul de alimentare cu combustibil a cazanelor; mecanisme de transportare a combustibilului la instalațiile de măcinare; instalațiile de măcinare; mecanismele de transportare a combustibilului la buncărele cazanelor; dispozitive de măsurare a combustibilului consumat.

În dependență de condițiile concrete componența și schema gospodăriei de combustibil pot să se modifice considerabil.

101

102

37. Gospodării de combustibil lichid şi gazos.

Gospodării de combustibil lichid

Cel mai des combustibil lichid utilizat în instalațiile de cazane este păcura. Avantajul utilizării păcurii constă în faptul că poate fi depozitată și utilizată ca combustibil de rezervă, iar dezavantajele sunt că este scumpă și reprezintă o sursă puternică de poluare a mediului.

Gospodăria de combustibil lichid (păcură) constă din dispozitive receptoare cu jgheaburi de scurgere, rezervoare de păcură; stații de păcură, conducte ce fac legătura dintre stația de pompare și secția de cazane și conducte de păcură din interiorul secției de cazane.

Păcura poate fi livrată cu cisternele transportului feroviar sau auto (la distanțe mai mici de 45 km). În cisterne păcura este încălzită cu abur până la o anumită temperatură și este scursă rezervoarele recipiente cu jgheab, din care ea este transportată în rezervoarele de păcură, iar apoi pe măsura necesității este pompată în secția de cazane prin conductele de păcură.

Rezervoarele pentru păcură se confecționează din fier sau beton armat și pot fi subterane, semiîngropate sau de suprafață. Cele subterane au avantajul deoarece există un pericol minim de apariție a incendiului, pierderile de căldură sunt minime în ele, scurgerea combustibilului în ele are loc sub acțiunea forțelor gravitaționale.

Alimentarea cazanelor cu păcură se realizează cu pompele de păcură, care se amplasează în apropierea rezervoarelor. Pentru evitarea înfundării pompelor cu substanțe străine, pe care le conține păcura, se instalează filtre de curățare fină. Pompele utilizate pot fi centrifuge, cu piston sau cu roți dințate sau cu piston plonjor și se instalează de obicei la nivelul fundului rezervorului ca să fie întotdeauna inundate.

Conductele de păcură, ce unesc rezervoarele de păcură cu instalațiile de cazane, se realizează în număr singular. În secția de cazane păcură iarăși trece prin filtre fine pentru evitarea înfundării arzătoarelor. La alimentarea cazanului păcura se încălzește până la așa o temperatură la care se va asigura o așa viscozitate care este necesară pentru o pulverizare bună.

Fig. 1. Schema gospodăriei de păcură cu rezervoare de suprafață

1 – vagon cisternă; 2 – rezervor recipient; 3 – rezervor de păcură; 4 – colector de abur; 5 și 8 – filtre fine; 6 – pompe de păcură; 7 – filtru brut; 9 – preîncălzitoare; 10 – cazane.

102

103

Gospodării de combustibil gazos.

Gazul se transportă prin conducte și de aceea nu poate fi stocat. Gazul poate fi combustibil de bază, unic, sezonier, de aprindere sau de suport (pentru arderea combustibilului de joasă calitate).

Pe teritoriul localităților urbane și rurale, precum și consumatorilor casnici, comunali și industriali în dependență de presiunea maximă de lucru, în MPa, se utilizează următoarele conducte de gaz: de joasă presiune – până la 0,002 (pentru gaz artificial), 0,003 (pentru gaz natural) și până la 0,0035 – 0,004 (pentru gaz lichefiat); de medie presiune – de la 0,005 până la 0,3; de înaltă presiune – de la 0,6 până la 1,2.

Pentru consumatorii industriali gazul poate fi livrat din conducte magistrale sau în rețelele uzinelor de gaze, iar în cazurile când este nevoie de presiuni mai mici a gazului decât în conductă, reducerea presiunii gazului și menținerea automată a ei la nivelul dat se execută în:

1) punctele de reglare a presiunii, amplasate la rețelele orășenești de distribuție, precum și pe teritoriul întreprinderilor industriale;

2) instalațiile de reglare a presiunii, montate nemijlocit la consumator și destinate pentru alimentarea cu gaz a cazanelor și altor agregate amplasate într-o singură încăpere.

3) Punctele și instalațiile de reglare a presiunii în dependență de presiunea de intrare în ele se divizează în puncte și instalații de reducere a presiunii de medie presiune (de la 0,05 până la 0,3 MPa) și de înaltă presiune (de la 0,3 până la 1,2 MPa).

Punctele de reglare a presiunii trebuie să fie amplasate în clădiri speciale sau dulapuri instalate pe suporturi ignifuge, la o distanță 10 – 15 m de clădiri și 5 – 8 m de drumuri auto.

Este inadmisibilă amplasarea punctelor de reducere a presiunii în subsoluri.

În schema de mai sus este prezentată schema alimentării cu gaz a unei centrale termice. În punctele de reducere a presiunii intră reglator de presiune, filtru, supapa de siguranță, dispozitive de închidere (robinete și vane), conductă de gaz de derivație și dispozitivele de măsură și control. În filtru are loc curățarea gazului de impurități mecanice, în reglator – laminarea până la presiunea necesară. Supapa de siguranță servește pentru stoparea alimentării cu gaz a sistemului de presiune mai scăzută, dacă ea atinge o valoare mai mică sau mai mare decât presiunea dată. Conducta de derivație servește pentru alimentarea cu gaz în cazul petrecerii lucrărilor de

103

Fig. 2. Schema punctelor de reglare și transportării gazului de la punctul de reducere a presiunii la agregatele de cazane

1 – dispozitiv de suflare; 2 – linia de golire de la supapa de golire; 3 – supapa de golire; 4 – contor; 5 și 12 – manometre; 6 – termometru; 7 – reglator de presiune; 8 – supapă de siguranță; 9 – linie de impuls; 10 – filtru; 11 – și 15 – vane; 13 – magistrala comună; 14 – reglator de consum; 16 – robinet cu ungere automată la arzătoare; 17 – aprinzător; 18 – diafragmă pentru măsurarea consumului de gaz.

104

reparație a echipamentului de bază a punctului de coborâre a presiunii. La trecerea cazanelor la alimentare cu gaz prin conducta de derivație reglarea presiunii are loc manual cu ajutorul vanelor.

Pe conducta de gaz înaintea fiecărui arzător se instalează două vane de închidere – de lucru și de bază.

Vana de reglare se instalează imediat înaintea arzătorului și servește pentru admisia gazului în arzător, reglării debitului și oprirea alimentării. Vana de bază, sau de control, conform circulației gazului se instalează înaintea celei de reglare și înaintea punerii în funcțiune se deschide complet. În timpul staționării cazanului ambele vane sunt strâns închise.

Pentru controlul presiunii pe conducta de gaz după reglatorul de presiune și înaintea fiecărui arzător se instalează manometre.

104

105

38. Captarea şi evacuarea cenuşii şi zgurii la Centrale.

Captarea ți evacuarea cenușii.

În rezultatul procesului de ardere a combustibilului se produce un deșeu – cenușă în formă de particule mice (praf) și bucăți mari – zgură. La arderea în strat a diferitor tipuri de combustibili cea mai mare parte a cenușii (75-90 %) rămâne în focar și canalele de gaze, iar restul (particule mai mărunte) este antrenat de gazele de ardere și evacuat în atmosferă.

La arderea cu flacără a combustibilului solid (în formă de praf) cantitatea particulelor antrenate cu gazele de ardere este considerabil mai mare (80-90 %). Astfel, cenușa și particulele de combustibil nearse antrenată de gazele de ardere poluează atmosfera. Cenușa în atmosferă duce la schimbarea regimului de radiație în atmosferă. Interacționând cu NOx, CO2 și SO2 formează acizi. Cenușa evacuată în atmosferă are dimensiuni foarte mici putând pătrunde foarte ușor în ochii și plămânii omului, cauzând daune considerabile sănătății omului. De aceea gazele de ardere înainte de evacuare în atmosferă trebuie să fie curățate de cenușă în instalații speciale – captatoare de cenușă cu care sunt înzestrate aproape toate instalațiile moderne de cazane ce funcționează pe combustibil solid.

După principiul de funcționare, captatoarele de cenușă se împart în:

- mecanice, în care particulele solide se separă de gazele de ardere sub acțiune forțelor de inerție la schimbarea direcției fluxului gazelor. Aceste filtre la rândul său pot fi uscate și umede. Filtrele umede sunt acele filtre în care cenușa din gazele de ardere este reținută cu ajutorul apei;

- electrofiltre, principiul de funcționare a cărora se bazează pe ionizarea mediului gazos și atracției particulelor solide încărcate ale cenușii cu antrenarea ulterioară a lor la electrozi;

- cu medii filtrante; care se bazează pe trecerea gazelor printr-un strat filtrant care reține particulele în condiții medii de temperatură, umiditate și coroziune;

- cu construcție combinată, care constau din câteva tipuri de filtre consecutive.

La filtrele mecanice se referă cele cu ciclon și cu jaluzele. În instalațiile de putere mică și medie cele mai răspândit utilizate sunt bateriile de cicloane, care constau din câteva cicloane cu diametre mici. Bateriile de cicloane asigură un randament de reținere de 75-85 % la pierderi de presiune de 500-700 Pa..

Filtrele cu jaluzele de obicei se utilizează în instalațiile de cazane de putere mică. Randamentul de reținere al acestora ajunge la 80 %. Mărimile sale relativ mici,

105

Fig. 1. Baterie de cicloane

a – vedere generală; b – melcul ciclonului; 1 – ciclon; 2 – melcul (spirala); 3 – colectorul de intrare; 4 – capac; 5 – tub de evacuare; 6 – corpul ciclonului; 7 – buncărul de cenușă.

Fig. 2. Schema filtrului cu jaluzele

1 – corpul filtrului; 2 – rețeaua de jaluzele; 3 – orificiu de evacuare; 4 – difuzor; 5 – canal de gaze; 6 – ciclon; 7 - clapetă

106

precum și posibilitatea instalării a lor atât în canalele verticale de gaze, cât și în cele orizontale îi conferă un avantaj mare față de alte tipuri de filtre.

Filtrele umede (scrubere) sunt de două tipuri cu tuburi Venturi sau cu gratii din bare. În ele se utilizează principiul separării inerțiale a particulelor umezite preventiv. Cele mai răspândite sunt cele cu tuburi venturi, deoarece ele sunt destul de simple în construcție, compacte și pot fi utilizate la o gamă largă de cărbune.

Electrofiltrele asigură un randament de reținere până la 99 %, au o rezistență hidraulică mică. Însă consumul specific de metale și costul construcției sunt foarte ridicate, având gabarite mari și o exploatare mai complicată decât în cazul altor tipuri de filtre. După forma electrozilor, filtrele electrostatice sunt tubulare sau cu plăci. Cel mai des se utilizează construcția electrofiltrelor cu plăci verticale. Electrofiltrele se utilizează în cazanele de medie și mare putere.

În calitate de materiale filtrante pentru filtrele cu medii filtrante pot servi plăci ceramice, strat de materiale fibroase între plase de sârmă, materiale granulare (nisip), țesături. Dintre acestea cele mai eficiente sunt filtrele cu țesături. Randamentul de reținere a acestora ajunge la 99,5 %

Eliminarea cenușii și zgurii din cazan.

În dependență de puterea instalației de cazan se utilizează următoarele metode de eliminare a cenușii și zgurii: mecanică,

hidraulică și pneumatică.

În cazanele cu productivitatea mai mică de 2 t/h de obicei se aplică eliminarea manuală.

Eliminarea mecanică se realizează cu ajutorul instalației cu screper sau a elevatoarelor cu cupe. Procesul de lucru al acestora constă în următoarele: Din buncărele de cenușă, cenușa și zgura după umplerea lor cu apă sunt aruncate într-un canal special, în care cu ajutorul unui troliu și a cablului de tracțiune se deplasează o cupă (screper) În mișcarea sa Screperul antrenează cenușa și zgura și pe rampa înclinată o transmite în buncărul colector. Din acesta zgura și cenușa cu ajutorul autotransportului și a altor unități de transport sunt eliminate în halda de cenușă. Canalul prin care se deplasează screperul poate fi uscat sau împlut cu apă. Această metodă se utilizează la cazanele cu productivitatea mai mare de 10 t/h.

Metoda pneumatică de eliminarea a cenușii și a zgurii se bazează pe abilitatea fluxului de gaze la o viteză anumită de a permuta substanțele nisipoase. La eliminarea pneumatică ca agent de transport servește aerul, viteza căruia la eliminarea cenușii depășește 15 m/s, iar la eliminarea zgurii 25 m/s.

Acest tip de sisteme sunt destul de simple, asigură foarte bine condițiile sanitare și permit utilizarea cenușii și zgurii în formă uscată transportate în construcție. Dezavantajul lor îl reprezintă consumul mare de energie și uzarea conductelor. Aceste sisteme se utilizează la cazanele cu productivitatea de 0,3 – 10 t/h.

106

Fig. 3. Schema filtrului umed (scruber).

1 – dispozitiv de spălare; 2 – partea conică a filtrului; 3 – corp; 4 – duze de spălare; 9 - duze de stropire; 10 – tubul venturi; 11 – difuzor; 12 – captator de picături.

Fig. 4. Schema electrofiltrului

1 – intrarea gazelor; 2, 3 – electrozi; 4 – ieșirea gazelor; 5 – buncărul de cenușă

107

Metoda hidraulică de eliminare a cenușii și a zgurii se utilizează de obicei în instalații de cazane mari, și anume în centralele termoelectrice. În astfel de sisteme atât în interiorul cazanului, cât și în afara lui transportarea cenușii și a zgurii se efectuează cu ajutorul apei. Cenușa și zgura formată în focar este spălată de apă în canal, prin care masa hidraulică se scurge sub acțiune forțelor gravitaționale în buncărul colector, de unde cu ajutorul pompelor, numite pompe de dragaj, se transportă prin conducte până la halda de cenușă, care poate să se afle la o distanță mai mare de 2 km de la instalația de cazane.

În unele cazuri sistemul hidraulic de eliminare a cenușii și zgurii se combină cu cel pneumatic. În acest caz zgura și cenușa din buncăre se transportă în mod pneumatic până la canalele sistemului hidraulic.

107

108

39. Sisteme de ventilare şi tiraj.

Alimentarea cu aer a focarului pentru asigurarea procesului de ardere și evacuarea gazelor de ardere pot fi realizate atât în mod natural – cu ajutorul coșului de fum, cât și artificial – cu utilizarea ventilatoare și exhaustoarelor.

Coșurile de fum sunt destinate pentru:

- evacuarea produselor de ardere din cazan;- dispersarea produselor de ardere în mediul ambiant, astfel ca la suprafața solului

concentrația substanțelor nocive să nu depășească limita admisibilă.

Coșul de fum creează tirajul natural, iar mișcarea gazelor de ardere în acest caz are loc din contul forțelor gravitaționale, create de diferența de densitate dintre aerul atmosferic rece și gazele de ardere fierbinți din canalele de gaze și coșul de fum. Cu cât este mai mică temperatura aerului exterior și mai mare presiunea lui atmosferică, mai mare temperatura gazelor de ardere și mai înalt coșul de fum – cu atât tirajul natural este mai mare.

La funcționarea cazanelor cu o suprapresiune în focar sau a cazanelor de productivitate mică, când tirajul creat de coșul de fum este suficient, exhaustoarele nu se instalează. În cazanele de mică productivitate uneori pentru suflarea aerului și crearea tirajului gazelor de ardere este suficientă utilizarea doar a coșului de fum și de ventilatoare și exhaustoare nu este nevoie.

Coșurile de fum funcționează în condiții complicate: la diferențe mari de temperatură, de presiune, umiditate, acțiunea agresivă a gazelor de ardere, forțe exercitate de vânturi și propria greutate. Ele pot fi confecționate din cărămidă (cu înălțimea până la 100 m), beton armat (până la 400 m) și metal (până la 20 m).

Coșul din cărămidă au fundamentul și trunchiul în formă de trunchi de con. Grosimea minimă a pereților fiind de 250 mm. Partea inferioară a coșului se căptușește cu cărămidă șamotă (refractară) pentru protecția de acțiunea gazelor fierbinți. În soclul coșului sunt prevăzute ferestre pentru canalele de gaze și șicane direcționale, iar în canalele de gaze și la baza coșului guri de vizitare pentru evacuarea cenușii.

Coșurile de fum din cărămidă se confecționează cu un diametru minim de 0,6 m și se utilizează la arderea oricărui tip de combustibil (gaz, păcură etc.).

Coșurile de fum din beton armat posedă o rezistență mecanică înaltă , însă ele nu sunt capabili de a opune rezistență la acțiunea compușilor sulfurici, umidității și temperaturii înalte a gazelor de ardere. De acea partea interioară a lui se căptușește cu cărămidă refractară sau anticorozivă sau se acoperă cu izolație (țesătură din fibre de sticlă).

Coșurile de fum din metal se confecționează din tablă de oțel cu grosimea de 3 – 15 mm. Coșul constă din mai multe elemente sudate între ele. Trunchiul coșului se instalează pe placă din fontă, iar pentru rezistență la o înălțime de 2/3 din înălțimea totală se fixează tendoane din tije de oțel cu diametru de 5 – 7 mm.

La arderea gazului poate fi utilizat orice tip de coș de fum, iar la arderea cărbunelui sau păcurii – doar coșuri din cărămidă și beton armat. Utilizarea coșurilor de fum înalte nu este întotdeauna îndreptățită, uneori este mai rațional de utilizat coșuri mai joase cu instalarea ventilatoarelor și exhaustoarelor.

Instalarea ventilatoarelor și exhaustoarelor asigură o funcționare mai sigură și mai eficientă, permite menținerea depresiunii sau suprapresiunii necesare în focar și de automatiza alimentarea focarului cu aer.

108

109

Înălțimea coșului de fum se determină cu următoare relație:

,

unde – coeficient ce depinde de stratificarea termică a atmosferei în condițiile meteorologice

nefavorabile, în care concentrația substanțelor nocive este maximă (pentru Moldova );

– debitul sumar al substanțelor nocive evacuate din instalația de cazane, g/s;

– coeficient adimensional ce ține seama de viteza de sedimentare a substanțelor nocive

în aerul atmosferic;

și – coeficienți adimensionali ce țin seama de condițiile de evacuare a coșului;

– debitul gazelor de ardere;

– coeficient adimensional ce ține seama de relieful teritoriului;

– diferența de temperatură dintre temperatura gazelor de ardere și temperatura medie

a aerului (temperatura medie a celei mai calde luni la ora 14 din perioada de vară).

Ventilatoarele de aer au corp metalic în formă de melc, în care este instalat rotorul cu palete, iar pe axă – un motor electric. La rotirea rotorului în centru se creează o depresiune, în care printr-un orificiu rotund intră o nouă porție de aer, și din contul forțelor centrifuge el este aruncat pe pereții corpului și nimerește în orificiile de refulare dreptunghiulare. Productivitatea ventilatorului trebuie să asigure alimentarea cu o rezervă de 10 % față de necesarul real de aer arderii, iar înălțimea de pomparea a ventilatorului trebuie să acopere rezistențele hidraulice ale tractului de aer (canale de aer, clapete, arzătoare, aparat director). În calitate de ventilatoare de aer cel mai des se utilizează ventilatoare centrifuge de presiune medie. Aspirarea aerului pentru suflare se realizează din partea de sus a secției de cazane și parțial din exterior cu ajutorul supapelor speciale.

Exhaustorul reprezintă un ventilator centrifug cu palete masive ale rotorului. Productivitatea exhaustorului trebuie să fie mai mare cu 10 % față de volumul total al gazelor de ardere evacuate din cazan luând în considerație temperatura lor, iar înălțimea de pompare trebuie să acopere toate rezistențele a întregului tract a gazelor de ardere (focar, canale de gaze, economizor, preîncălzitoare de aer, coșului de fum) excluzând tirajul creat de coșul de fum.

Dimensionarea ventilatorului aer și exhaustorului și se face conform debitului de aer, respectiv al gazelor de ardere, și presiunii.

Productivitatea ventilatorului de aer: ,

unde – volumul teoretic de aer necesar arderii complete a unei unități de combustibil;

consumul de combustibil;

– coeficientul de rezervă ( );

109

110

– coeficientul de corecție la temperatură ( );

– temperatura aerului aspirat;

- coeficientul de corecție la presiune ( )

Productivitatea exhaustorului: ,

unde – volumul teoretic al gazelor de ardere rezultate în urma arderii complete a unei

unități de combustibil;

- coeficientul de corecție la temperatură );

– temperatura gazelor de ardere înaintea exhaustorului;

- coeficientul de corecție la presiune ( – pentru cazul când presiunea gazelor

evacuate este egală cu presiunea atmosferică, în restul cazurilor );

– coeficientul de rezervă ( ).

Presiunea pe care trebuie să o creeze ventilatorul:

,

unde – pierderile de presiune din canalele de aspirație;

– pierderile de presiune din canalele de după ventilator;

– pierderile de presiune din preîncălzitorul de aer;

– pierderi de presiune din canalul dintre preîncălzitorul de aer și focar;

– pierderi de presiune din calorifere;

– presiunea necesară la intrare în instalația de ardere;

– coeficientul de rezervă.

Puterea electromotorului ventilatorului de aer și a exhaustorului se calculă conform formulei de mai jos:

, unde – randamentul ventilatorului sau ventilatorului.

110

111

40.Cadrul metalic şi înzidirea cazanelor; armatură grea şi fină.

Rolul cadrului metalic:

- susținerea greutății cazanului;

- suportul pentru înzidirea cazanului;

- suportul pentru arzătoare, scări, podeste etc.

Elementele de bază a cadrului metalic sunt scoase în afara înzidirii, ceea ce asigură o temperatură joasă și constantă a lor.

Cadrul metalic poate fi legat sau nu de construcția clădirii.

La cazanele mari cadrul metalic constituie 20-25 % din greutatea metalului întregului cazan.

1 tonă de metal corespunde 1 t/h de abur.

Cadrul metalic de obicei se confecționează din oțelul Ст 3 (OL 30).

Scările și podestele.

Scările se confecționează sub un unghi de 50 o. cu lățimea mai mare de 60 cm, iar podestele se amplasează la o distanță de 3-6 m între ele. Scările au balustrade din ambele părți.

Podestele pentru deservire se amplasează din considerentul creării unor condiții prielnice pentru reparația, curățarea, supravegherea suprafețelor de încălzire și exploatării agregatului de cazan.

Lățimea podestelor: de 2000 mm nemijlocit în locurile de deservire a mecanismelor și echipamentului, 1200 mm – în locurile frecvent deservite și 800 mm în alte locuri.

Podestele pot fi acoperite cu oțel reliefat sau canelat cu grosimea de 4 – 6 mm.. Înălțimea balustradei la podeste este de 1,2 m, iar în partea de jos se instalează o îngrădire cu înălțimea de 100 mm din tablă de oțel.

Înzidirea cazanului prezintă sistemul de construcții care izolează focarul și canalele de gaze de mediul ambiant. Înzidirea cazanelor este destinată pentru dirijarea curenților de gaze, etanșarea

focarului și canalelor de gaze, micșorarea pierderilor de căldură în mediul ambiant din canalele de gaze și protecția de arsuri a personalului ce deservește instalația. Conform condițiilor de exploatare temperatura suprafeței exterioare nu trebuie să depășească 50oC. doar în unele locuri se permite ridicarea temperaturii până la 70 o C. Se deosebesc trei tipuri de înzidiri:

- grele;- ușoare;- ușoare pe țevi.

Înzidirea grea se întâlnește la cazanele de mică putere, slab ecranate sau fără ecrane. În regiunea focarului temperatura trebuie să scadă de la 1200 – 1300 o C (în focar) până la 50 – 70 o C (la suprafața exterioară a înzidirii), de aceea înzidirea trebuie să aibă grosime mare (începând de la 500-600 mm până la 750-1000 mm). Se execută din cărămidă (cu două straturi de cărămidă – obișnuită în exterior și refractară în interior). Pentru permiterea liberă a dilatărilor termice prin colțurile înzidirii se lasă rosturi verticale de temperatură (de dilatație). Înzidirea grea de obicei este independentă de cadrul metalic al cazanului și se reazemă pe fundament.

111

Fig. 1. Înzidirea ușoară pe suport metalic

1 – suport metalic; 2 – cărămidă de șamotă; 3 – cordon de azbest cu diametrul 25 mm; 4 – manta metalică; 5 – rost de dilatație

112

Înzidirea grea este simplă în construcție dar are o masă de 1000 – 1200 kg/m2. Înălțimea cazanelor la care se întâlnește astfel de înzidire nu depășește 12 m. Acest tip de înzidire se întâlnește doar la cazanele vechi (de exemplu la ДКВР).

Focarele cazanelor moderne sunt puternic ecranate de aceea temperatura suprafeței interioare a înzidirii este doar de 500 – 600 o C. Acest fapt permite simplificarea înzidirii și crearea așa numitei înzidiri ușoare.

Înzidirea ușoară este divizată în brâie cu o înălțime de 1000 – 1500 mm. Fiecare brâu se sprijină pe cadru metalic prin suporturi și grinzi metalice. Astfel, toată înzidirea ușoară se reazemă pe cadrul metalic și se confecționează din cărămidă roșie (în interiorul înzidirii) și cărămidă de diatomit (în exteriorul înzidirii) sau uneori din panouri de beton cu grosimea de 200-500 mm și formate din două straturi. Din exterior de obicei se folosește o manta metalică cu grosimea de 2-3 mm. Între manta și cărămida de diatomit sau stratul exterior de beton se lasă un rost de aer cu grosimea de 5-10 mm. În locul cărămizii diatomice pot fi utilizați: sovelit, vermiculit sau vată de zgură. Masa înzidirii ușoare poate ajunge la 400 kg/m2.

Înzidirea ușoară pe țevi constă din câteva mase termoizolante. La țevi la o distanță oarecare sunt sudate tije din oțel cu diametru de 10 – 12 mm, la care la rândul său se fixează o plasă metalică. La început spațiul dintre țevi este umplut cu o masă de cromit. Acesta formează primul strat cu grosimea de 40 mm.

Plasa metalică, astfel, se va afla în interiorul acestui start. După aceasta se fixează o plasă din sârmă (cu grosimea de 3 mm și mărimea celulelor de 20 mm) și se pune al doilea strat de izolație termică cu grosimea de 50 mm. Acest strat se confecționează din beton ușor. Apoi se fixează plite din sovelit și din nou o plasă metalică. Grosimea celui de-al treilea strat este de 50 mm. Pe partea exterioară pe plasă se acoperă cu o tencuială elastică de protecție contra gazelor. Această tencuială este constituită din azbest, argilă, gudron și ulei mineral. Înzidirea ușoară pe țevi nu este legată de cadrul metalic. Pentru întărirea construcției, țevile focarului sunt înfășurate în câteva locuri cu brâie laminate. Astfel de înzidire are o grosime de 130-180 mm și masa ei ajunge la 120 – 200 kg/m2.

Armatura fină reprezintă toate dispozitivele și aparatele pentru dirijarea funcționării elementelor agregatului de cazan, ce se află sub presiune, pentru pornirea, oprirea și reglarea traseelor de abur, apă, gaz natural și păcură, și dispozitivele de siguranță. Conform destinației sale armatura fină se divizează în armătură de închidere, reglare, de suflare și de siguranță. Armatura poate fi cu acționare forțată și automată.

Conform construcției sale armatura cu acționare forțată se divizează în ventile, vane și robinete, iar cea cu acționare automată în supape de siguranță și de reținere și oale de condensat. Convențional la armatura fină se atribuie și indicatoarele (sticlele) de nivel.

Ventilele se utilizează în calitate de organe de reglare și închidere (pe conducte de diametru de până la 150 mm). Ventilele și vanele la presiuni relativ mici (până la 35 bar) se

112

Fig. 2. Înzidire ușoară pe țevi

1 – țeava ecranului; 2 – țevi de coborâre; 3 și 8 – plasă metalică; 4 – torcretă; 5 – tijă; 6 – izolație termică; 7 – plăci de azbest; 9 – tencuială.

Fig. 3. Ventil de reglare.

1 – corp; 2 – conul profilat al supapei; 3 – scaunul supapei.

113

confecționează din fontă și se racordează la conducte prin flanșă sau prin filet la diametre de până la 2 inch; iar la presiuni mai mari – din oțel, iar racordarea se face prin sudare.

Armătura grea (garnitura) este destinată pentru deservirea focarului, traseului de gaze și a canalelor de aer. Aceasta include uși de vizitare, guri de deservire, vizoare, clapete, șubere, clapete de explozie.

Clapetele și șuberele sunt destinate pentru închiderea și reglarea fluxurilor de aer și de gaze. Clapetele de explozie se instalează pe focare, canale de gaze și instalațiile de măcinare a cărbunelui.

113

114

41.Aparate de măsură, control şi informaţii la cazane.

Destinația aparatelor de măsură, control și informații la cazan constă în efectuarea legăturii dintre obiect și personalul de deservire.

În instalația de cazan se măsoară:

- presiunea apei, aburului, păcurii, gazului, gazelor de ardere în canale și focar;- temperatura apei, aburului în diferite puncte ale instalației, temperatura metalului din

care este confecționat supraîncălzitorul de abur;- debitul apei la intrare în cazan și a aburului la ieșire din cazan;- nivelul în tambur;- compoziția (concentrația) gazelor, sărurilor în apa de cazan și purjă.

Aparatele de măsură și control pot fi cu indicatoare și cu înregistrare. Înregistrarea se face cu două scopuri:

- pentru determinarea indicilor funcționării cazanului;- pentru determinarea cauzelor avariilor și dereglărilor în funcționarea instalației.

Pentru măsurarea presiunii pot fi utilizate:

1) manometre Bourdon – pentru măsurarea presiunilor relativ mari (0,5 – 1000 atm);2) manometru cu burduf - pentru măsurarea presiunilor de la 1 atm până la 1000 atm;3) manometre cu tub de tip U cu rezervor și cu tub vertical – pentru măsurarea presiunilor

relativ mici(0,001 – 100 atm);4) micromanometre cu tub înclinat – pentru măsurarea presiunilor foarte mici (până la 3

kPa);5) etc.

Pentru măsurarea debitului de lichid sau gaz în conducte (canale) deseori se utilizează dispozitive de strangulare, executate în formă de diafragme sau ajutaj. Principiul de lucru al acestora se bazează pe apariția unei diferențe de presiune statică între amonte și avalul strangulării la curgerea unui fluid.

Măsurarea temperaturii se efectuează cu ajutorul termometrelor cu lichid, termometre termoelectrice (termocuple), pirometre optice, termometre cu rezistență etc.

În termometrele cu lichid, sub acțiunea temperaturii, are loc dilatarea lichidului din interiorul tubului de steclă. În calitate de lichid se utilizează: mercur (de la – 35 oC până la +600 oC), alcool (de la -60 oC până la +80 oC), petrol lampant (0-30 oC).

Termocuplele se execută în formă de electrozi din materiale diferite sudate la un capăt între ele, care sunt amplasate într-un corp metalic. Electrozii sunt izolate de corpul metalic cu ajutorul mărgelelor din ceramică. La încălzirea electrozilor, la sudura dintre ele, apare tensiune electromotoare și la capetele libere ale

electrozilor apare o diferență de potențial (de tensiune) care se măsoară cu ajutorul voltmetrului.

În dependență de nivelul temperaturilor măsurate se utilizează următoarele termocuple:

- termocuplu platinorodiu-platină (de la -20 oC până la +1300 (1600 temperatura maxim admisibilă pentru o perioadă scurtă de timp) oC);

114

Fig. 1. Dispozitive cu îngustare pentru măsurarea debitului.

a – diafragmă; b – ajutaj; 1 –conductă; 2, 4 – ștuț; 3 – dispozitiv cu îngustare

115

- termocuplu cromel-alumel (de la -50 oC până la 1000 (1300) oC);- termocuplu cromel-copel (de la -50 oC până la 600 (800) oC);- termocuplu cupru-constantan (de la -200 oC până la 200 (500) oC).

Termometrele cu rezistență funcționează după principiul modificării rezistenței electrice a elementului sensibil sub acțiunea temperaturii. În calitate de element sensibil poate servi sârmă subțire înfășurată în jurul carcasei și acoperită cu izolație, sau tijă semiconductoare izolată la un capăt de corp.

Fig. 2. Termometru termoelectric

Fig. 3. Termometru cu rezistență Fig. 4. Nivelmetru din tamburul cazanului.

1,3 – termoelectroade; 2 – mărgele din ceramică; 4 – sudură.

1, 2 – bornele de ieșire; 3 elementul sensibil, 4 – carcasă; 5 – izolație; 6 – corp.

1 – tambur; 2 – tub de legătură; 3 – sticlă de nivel; 4 – scară; 5 – conductă de purjare; 6 – robinet; 7 – manometru diferențial; 8 – vas de egalizare.

Termometrele cu rezistență și termocuplele se completează atât cu indicatoare, cât și dispozitive secundare de înregistrare cu posibilitatea înscrierii pe o diagramă a mai multor temperaturi.

Pirometrele optice se bazează pe luminozitatea corpului analizat (de exemplu a flăcării) cu luminozitatea firului încălzit de la o sursă de curent. Ele se aplică pentru măsurarea temperaturilor înalte (până la 2000 oC).

Măsurarea nivelului lichidelor se realizează cu ajutorul celor mai simple nivelometre – sticle (indicatoare) de nivel, care funcționează după principiul vaselor comunicante (figura 2). Măsurarea nivelului este necesară pentru aprecierea rezervei lichidului în vas – determinarea raportului dintre consumul mediului și debitul acestuia (de exemplu în tambur, degazor, oale de condensat etc. )

Compoziția gazelor de ardere se determină cu ajutorul gazoanalizatoarelor. După principiul de funcționare se deosebesc trei grupe de gazoanalizatoare. Gazoanalizatoarele din prima grupă se bazează pe principiul absorbției selective. Există analizatoare chimice portative și automate. Gazoanalizatoarele din a oua grupă se bazează pe principiul comparării proprietăților fizice ale aerului și gazelor. Cea mai largă aplicare au găsit-o electro gazoanalizatoare. Ele controlează excesul de aer prin măsurarea concentrației CO2. Există și gazoanalizatoare pentru determinarea

115

116

conținutului de oxigen, principiul de funcționarea ale cărora se bazează pe proprietățile magnetice distincte ale gazelor.

Din a treia grupă de gazoanalizatoare fac parte cromatografii, care permit o determinare cu o precizie înaltă concentrația oricărui component din amestecul de gaze.

Concentrația sărurilor în cazan este necesar de determinat pentru asigurarea funcționării normale a suprafețelor de vaporizare – ecranelor focarelor, supraîncălzitoarelor, pentru organizarea purjării cazanului și funcționarea vaporizării în trepte. Ea se determină prin metoda analizei chimice – în laborator sau operativ conform dispozitivelor din panourile de control, care utilizează principiul electroconductivitatea mediului Aceste dispozitive sunt formate din doi electrozi amplasați în mediul analizat și conectați la o sursă de curent, intensitatea căruia se măsoară cu ampermetru. Dispozitivele se etalonează preventiv într-un mediu cu conținut de săruri (de exemplu NaCl).

116

117

42.Automatizări, dispozitive de protecţie şi blocare.

Obiectul reglat împreună cu reglatorul automat formează sistemul automat de reglare (SAR). Majoritatea operațiilor de reglare a funcționării cazanului se realizează de SAR.

SAR pot fi:

- de stabilizare, când acțiunea de dirijare rămâne neschimbată în toate regimurile de lucru a echipamentului, adică se mențin constante presiunea, temperatura, nivelul și alți parametri;

- cu program, când valoarea parametrului reglat se modifică în timp conform unui program impus preventiv. Acest tip de automatizare se realizează în procesele ciclice, de exemplu la pornirea și oprirea instalației;

- de urmărire, când mărimea sau parametrul reglat se modifică în funcție de valoarea altor mărimi (de exemplu alimentarea cu aer în dependență de consumul de combustibil).

De obicei un SAR combină în sine mai multe tipuri de reglare menționate mai sus.

Automatizarea instalației de cazane poate fi completă, în acest caz echipamentul este dirijat de la distanță cu ajutorul diverselor echipamente, aparate și alte dispozitive, fără participare omului, de la panoul central de comandă. O automatizare complexă prevede existența SAR a echipamentului de bază și supravegherii permanente a personalului de deservire. Uneori se aplică automatizare parțială când SAR este prevăzut doar pentru o parte a echipamentului. Nivelul de automatizare a instalației de cazane se determină prin calcule tehnico-economice.

Toate dispozitivele de control pot fi divizate în cinci grupe, destinate pentru măsurarea:

1) debitului aburului, apei, combustibilului, uneori și a aerului și gazelor de ardere;2) presiunea aburului, apei, gazului, păcurii, aerului; și depresiunea în elementele și canalele

cazanului și echipamentului auxiliar;3) temperatura aburului, apei, combustibilului, aerului și gazelor de ardere;4) nivelul apei în tamburul cazanului, cicloane, rezervoare, degazoare; nivelul

combustibilului în buncăre și rezervoare;5) compoziția calitativă a gazelor de ardere, aburului și apei.

Aproape toate dispozitivele constau din element sensibil – senzor, element transmițător și aparat secundar pentru vizualizarea mărimii măsurate

Cu ajutorul automatizării se rezolvă următoarele probleme:

- reglarea în careva limite a parametrilor nominali, ce caracterizează decurgerea procesului;

- dirijarea – realizarea periodică a unor operații – de obicei de la distanță;- protecția echipamentului de defecțiunile cauzate de dereglarea regimului de lucru;- blocarea, care asigură conectarea și deconectarea a mecanismelor auxiliare și

organelor de dirijare cu o anumită consecutivitate, necesare conform procesului tehnologic.

Blocarea se realizează:

a) restrictiv-permisivă, pentru prevenirea acțiunilor incorecte ale personalului în regim normal de funcționare;

b) de avarie, care intră în acțiune în regimurile care pot duce la traumarea personalului și deteriorarea echipamentului;

c) pentru înlocuire, care pune în funcțiune echipamentul de rezervă în locul celui deconectat.

117

118

Reglatoarele automate de obicei primesc impulsul de la senzorii aparatelor de măsură și control sau de la senzori speciali. Reglatorul sumează algebric impulsurile, le amplifică și apoi le transmite la organele de reglare. Valoarea parametrului reglat este măsurată de elementul sensibil și se compară cu valoare nominală. La devierea parametrului reglat de valoare lui nominală apare un semnal de dezechilibrare. La ieșire din reglator se generează un semnal, care determină acțiunea mecanismelor de execuție asupra obiectului reglat pentru micșorarea dezechilibrului. Reglatorul va acționa atâta timp, până când parametrul reglat nu se va egala cu valoarea lui nominală.

În calitate de mecanisme de execuție se utilizează servomotoare hidraulice cu piston, dispozitive pneumatice și electrice. Reglatoarele electronice în instalațiile de cazane cel mai des se utilizează pentru reglarea procesului de ardere, alimentării, temperaturii și a altor parametri.

Sarcina reglării procesului de ardere în focarul cazanului constă în menținerea consumului de combustibil în corespundere cu consumul aburului sau căldurii; asigurarea alimentării cu aer în focar în corespundere cu consumul de combustibil; reglarea presiunii gazelor de ardere evacuate.

În afară de procesul de ardere în cazan se mai reglează automat debitul apei de alimentare în corespundere cu nivelul apei în tambur; debitul purjei în corespundere cu concentrația sărurilor în apa de cazan; debitul condensatului injectat în funcție de temperatura aburului supraîncălzit.

118

119

43.Noţiuni despre exploatarea cazanelor; stările cazanelor, reparaţii, deservire.

Exploatarea instalațiilor de cazane constă în deservirea agregatului de cazan, utilajului auxiliar, cu scopul asigurării siguranței, securității și eficacității funcționării lor.

Exploatarea trebuie să fie realizată în conformitate cu instrucțiunile Inspecției de Supraveghere – organ de stat, care se supune de obicei direct guvernului.

În baza acestor instrucțiuni trebuie să fie întocmite instrucțiuni pentru personal și instrucțiuni tehnologice pentru deservirea și reparația utilajului, tehnica securității, prevenirea și lichidarea avariilor etc.

În secția de cazane trebuie să fie prezentă următoarea documentație tehnică: proiectul instalației de cazane cu calcule, planuri și scheme ale comunicațiilor; pașapoartele, desenele tehnice și descrierea utilajului auxiliar Cunoașterea instrucțiunilor, organizarea lucrului și materialelor menționate este obligatorie pentru personal.

Exploatarea cazanului se divizează pe perioade: pregătirea și punerea în funcțiune; deservirea în timpul lucrului; oprirea agregatului ce se află în funcțiune; menținerea în regim nefuncțional; reparația agregatului.

În perioada de exploatare cazanul poate să se afle în următoarele stări:

1) de lucru:a. regim staționar;b. regim tranzitoriu;

2) de rezervă:a. activă;b. pasivă;c. conservare;

3) de reparație:a. accidentale;b. curente;c. capitale.

Etapele de pornire și oprire a cazanului se stabilesc de instrucțiuni. Toate operațiile se notează în jurnal special.

Pornirea cazanului. Înaintea aprinderii focului în cazan se efectuează examinarea exterioară a lui, pentru a verifica starea buna funcționare și pregătirea pentru pornire. Se examinează focarul, suprafețele de transfer de căldură prin convecție și radiație, supraîncălzitorul de abur, economizorul, preîncălzitorul de aer, înzidirea, supapele de explozie, mantaua cazanului, colectoarele, conductele de apă, și armatura, conductele de gaz și păcură, arzătoarele, dispozitivele de protecție. După montare sau reparație capitală trebuie să fie executate alcanizarea și spălarea suprafețelor de schimb de căldură. Toate robinetele de aerisire trebuie să fie deschise, iar armatura de purjare, suflare și golire trebuie să fie închisă, cu excepția supapelor de purjare a supraîncălzitorului și sistemului de recirculare a apei în economizor. Umplerea cazanului are loc cu apă degazată la început ce temperatura de 60 – 70 oC, iar la sfârșit nu mai mare de 100 oC.

Încălzirea neuniformă a tamburului la umplerea rapidă a lui poate duce la apariția tensiunilor termice în corpul lui. Umplerea tamburului la presiuni medii trebuie să se petreacă timp de 1–1,5 ore, iar la presiuni ridicate timp de 1,5 – 2,5 ore. Umplerea cazanului trebuie efectuată până la limita de jos a indicatorului de sticlă, deoarece când se va începe procesul de evaporare nivelul ei va crește din contul dilatării termice. Canalele de gaze înainte de aprindere trebuie să fie ventilate timp de 10 – 15 minute din contul tirajului natural sau prin pornirea exhaustorului. După ce au fost executate umplerea cazanului, ventilarea canalelor de gaze și suflarea conductelor de gaz, se

119

120

aprind arzătoarele de gaz, de păcură sau stratul de combustibil pe grătar. Concomitent se controlează etanșeitatea cazanului după nivelul apei în stecla de nivel. La creșterea presiunii, după ce din conductele de aerisire și supapele de siguranță va începe a ieși abur, ele trebuie să fie închise. Suflarea indicatoarelor de nivel a apei se efectuează la presiunea de 0,05 – 0,1 MPa. În cazul existenței canalului de gaze de ocolire, produsele de ardere sunt trecute pe lângă economizor, iar în lipsa canalului de ocolire trebuie să fie pusă în funcțiune linia de recirculare a apei. Pentru evitarea coroziunii, ventilatoarele trebuie să fie puse în funcțiune când temperatura gazelor de ardere după ele va fi mai mare de 120 oC. Focarul trebuie să se încălzească uniform, de aceea arzătoarele trebuie de pornit în mod simetric câteva arzătoare sau duze. Aprinderea focului în cazan cu tambur, de presiune medie se efectuează timp de 2 – 4 ore, de presiune înaltă timp de 4 – 5 ore,

Deservirea cazanului în timpul lucrului constă în controlul funcționării lui și reglarea acestuia prin intermediului echipamentului și mecanismelor auxiliare.

Sarcinile principale ale deservirii cazanului sunt:

- menținerea presiunii aburului, productivității (sarcinii) cazanului la nivelul necesar prin reglarea consumului de combustibil, alimentării cu aer și tirajului;

- menținerea temperaturii necesare a aburului supraîncălzit;- alimentarea uniformă a cazanului cu apă și menținerea nivelului în tambur;- întreținerea echipamentului auxiliar.

Oprirea cazanului poate fi planificată sau de avarie.

Oprirea cazanului are loc în următoarea ordine:

1. Se oprește alimentarea cu combustibil, se deconectează arzătoarele și duzele.2. După oprirea arderii în focar, cazanul se deconectează de magistrala de abur și se

pornește purjarea supraîncălzitorului timp de 40 – 50 minute.3. Timp de 4 – 6 ore are loc răcirea treptată a cazanului.4. Se ventilează canalele de gaze prin tiraj natural și se suflă cazanul.5. Peste 8 – 10 ore după oprire se repetă suflarea și după necesitatea se pornește ventilatorul

de tiraj.6. În timpul staționării cazanului se urmărește nivelul apei din tambur și după necesitate se

compensează apa din cazan.7. După 18 – 24 ore dup ă oprirea cazanului când temperatura apei atinge valoare de 70 -80

oC este permisă scurgerea lentă a apei.

La perturbarea regimului normal de funcționare a cazanului în urma defecțiunilor, care pot provoca avarii (devierea nivelului apei în tambur peste limitele admise, ieșirea din funcțiune a tuturor indicatoarelor de nivel, creșterea neadmisibilă a presiunii în cazan, depistarea fisurii în ecrane, stingerea flăcării în cazan, explozia gazelor în canale, aprinderea depunerilor de funingine în canalele de gaze), și în cazurile de avarie cazanul trebuie să fie oprit imediat. Ordinea opririi rămâne aceiași.

Revizia tehnică se efectuează cu scopul prevenirii avariilor și cuprinde ansamblul de operații de verificare și eliminarea defecțiunilor, controlul stării tehnice a cazanului înainte reparațiile planificate. Revizia tehnică se execută după 1 – 2 mii de or de lucru și durează de la o zi până la o săptămână. Se efectuează la cazanul oprit.

Reparația cazanului. În procesul de lucru are loc uzarea neuniformă a elementelor cazanului, ceea ce impune petrecerea periodică a reparațiilor:

1) planificate:- capitale – se efectuează după 14 – 50 mii de ore de funcționare. În rezultatul

reparațiilor capitale cazanul se readuce la starea inițială sau la parametri mai ridicați

120

121

decât cei inițiali. Costul reparațiilor capitale constituie 25 % din costul inițial al cazanului. Se schimbă tamburul, țevile, schimbătoarele de căldură, conductele, înzidirea cazanului. Reparația capitală se petrece de obicei cu modernizarea cazanului și durează timp de 1 – 2 luni;

- curente – se efectuează după 6 – 7 mii de ore de funcționare. Acestea includ înlocuirea țevilor (până la 45 % din totalul lor), înzidirii, izolației, înlocuirea rotorilor ventilelor, înlocuirea armăturii și arzătoarelor. Costul lor constituie 2 – 4 % din costul inițial al cazanului și durează de la o săptămână până la o lună;

2) accidentale – se reduc la înlăturarea cauzei și urmărilor accidentului. Durata depinde de accident.

121

122

44.Particularităţile exploatării suprafeţelor de schimb de căldură ale cazanelor: eroziunea, ancrasarea (murdărirea) şi coroziunea suprafeţelor cazanelor.

Ancrasarea (murdărirea) suprafeţelor cazanelor. Pe suprafețele de schimb de căldură pot să se depună particule solide, formând depuneri pe suprafețele externe. Depunerile pe țevi micșorează coeficientul de transfer de căldură ceea ce duce la înrăutățirea transferului de căldură și creșterea temperaturii gazelor de ardere evacuate. În afară de această depunerile pe suprafețele de schimb de căldură duc la creșterea rezistenței tractului de gaze și limitarea tirajului.

Pentru eliminarea depunerilor de pe suprafețele de schimb de căldură se utilizează următoarele metode:

- suflarea cu abur, sau cu aer comprimat;- curățirea prin vibrații;- curățirea cu elice;- curățirea prin impulsuri;- etc.

Metoda de curățare prin vibrații de obicei se utilizează în cazul supraîncălzitoarelor convective și semiradiante. Eliminarea depunerilor are loc prin intermediul vibrațiilor transversale sau longitudinale a țevilor, create de către vibratoare electromotoare sau pneumatice.

Dispozitivele cu vibrații longitudinale se aplică de obicei la serpentinele verticale a suprafețelor de încălzire, suspendate pe suspensii elastice de cadrul metalic al cazanului. Vibratoarele electromecanice nu permit ridicare frecvenței vibrațiilor mai sus de 50 Hz, ceea ce nu este suficient pentru eliminarea depunerilor tari. În astfel de cazuri este mai rațional de utilizat vibratoare pneumatice la care frecvența vibrațiilor atinge valoare de 1500 Hz.

Curățirea cu elice se utilizează pentru eliminarea depunerilor tari. Pe suprafața curățată de la o înălțime anumită se împrăștie uniform elice de dimensiuni mici. La ciocnirea cu suprafața de schimb de căldură, elicele distrug depunerile atât de pe partea din fața, cât și din partea dorsală, și cu o cantitate de funingine cad în partea de jos a focarului. Elicele se separă de cenușă în separatoare speciale.

În sistemele de curățare cu impuls se utilizează camerele de ardere cu impuls, în care periodic are loc aruncarea unor fluxuri de gaze de ardere, ce posedă cantități mari de energie. Cu ajutorul undelor în tractul de gaze are loc distrugerea depunerilor și curățarea țevilor.

122

Fig. 1. Instalația de curățire prin vibrații.1 – țevile supraîncălzitorului; 2 – bară vibratoare; 3 – vibrator.

Fig. 2. Schema principială a instalației de curățire cu elice.

1 – buncăr de elice; 2 – ajutaj; 3 – dispozitiv de introducere; 4 – conductă pentru elice; 5 – captator de elice; 6 – alimentator cu talere; 7 – conductă de introducere; 8 – împrăștiator de elice; 9 elice; 10 – suprafață curățată; 11 – ventilator.

123

La murdărirea puternică a țevilor se utilizează o metodă complexă de curățare, care include diverse metode.

Eroziunea şi coroziunea suprafeţelor cazanelor. La arderea combustibilului solid, prezența cenușii în gazele de ardere provoacă eroziunea țevilor, pereților canalelor de gaze, stâlpilor, grinzilor de sprijin și suporturilor suprafețelor de schimb de căldură.

Eroziunea este cauzată de loviturile și frecarea particulelor solide ale cenușii, în rezultatul cărora are loc roaderea și micșorarea grosimii pereților țevilor. Eroziunea țevilor duce la apariția crăpăturilor și ruperea, care cauzează oprirea cazanului. Viteza eroziunii este determinată de cantitatea cenușii în fluxul de gaze, forma, dimensiunile, viteza și proprietățile abrazive a acestor particule, rezistența la eroziune a metalului țevilor, caracteristicile constructive ale suprafețelor de schimb de căldură, uniformitatea distribuției cenușii etc.

Cea mai mare influență la eroziune o are viteza fluxului de gaze. La arderea combustibilului cu conținut de cenușă înalt abrazivă, viteza gazelor în suprafețele de schimb de căldură în dependență de densitatea fasciculelor de țevi este limitată la 6 – 8 m/s, iar la arderea combustibilului cu abrazivitatea mică 10,5 – 12 m/s. Cu creșterea infiltrărilor de aer fals și coeficientul de exces de aer, viteza gazelor și eroziunea în canalele de gaze crește.

Caracteristicile abrazive ale cenușii în mare parte sunt determinate de forma particulelor de cenușă. În cazul formei sferice a particulelor de cenușă eroziunea este minimă. De aceea una din metodele de combaterea a eroziunii constă în evacuarea umedă a zgurii, în procesul căreia particulele de cenușă se topesc și obțin o formă sferică. În același timp crește cota parte a cenușii eliminate din focar sub formă de zgură și se micșorează cota cenușii antrenate de gazele de ardere, respectiv, se micșorează și eroziunea.

Creșterea procesului de erodare se atestă în locurile de întoarcere a fluxului de gaze. În același timp are loc redistribuirea cenușii și gazelor în secțiunea canalului de gaze, crește neuniformitatea vitezei și concentrației, iar în zona creșterii lor are loc creșterea bruscă a eroziunii țevilor. De aceea este rațional de a proteja țevile în aceste zone de eroziune.

În suprafețele de schimb de căldură în formă de serpentine, în cazul pasului transversal mare între țevi sau în cazul jocului mare între serpentine și pereți are loc accelerarea particulelor de cenușă și creșterea intensității uzurii. Micșorarea pasurilor transversale și amplasarea în formă de șah a țevilor provoacă ciocniri mai dese ale particulelor cu țevi și micșorarea vitezei lor, respectiv, micșorarea intensității eroziunii.

Eroziunea în oarecare măsură depinde și de funcționarea sistemelor de captare a cenușii și metoda de ardere a combustibilului. De exemplu, la creșterea dimensiunilor particulelor de cenușă sau la arderea mecanic incompletă a combustibilului crește efectul eroziunii.

Coroziunea reprezintă distrugerea metalului țevilor, pereților canalelor de gaze în rezultatul acțiunii chimice sau electrochimice a mediului. Coroziunea poate avea loc atât din partea fluidului de lucru, cât și din parte gazelor de ardere. În apă și abur poate să se conțină gaze agresive – O2 și CO2, iar în produsele de ardere – SO3, SO2, compușii de vanadiu, H2S etc.

Cel mai intensiv procesele de coroziune are loc în cazanele în care se arde păcură sau cărbune cu conținut înalt de sulf. Se deosebește coroziune de temperaturi înalte și de temperaturi joase. Coroziunea de înaltă temperatură are loc în focar și în supraîncălzitoarele de abur, ea este provocată de sulfiți, H2S, metalele alcaline (K3Fe(SO4)2, Na3Fe(SO4)2), compușii vanadiului, care se caracterizează prin temperaturi joase de topire și acțiune corozivă înaltă. Coroziunea sulfurică și de vanadiu poate fi diminuată la absența surplusului de oxigen, ceea ce, de exemplu, poate fi obținut la arderea păcurii cu un coeficient mic de exces de aer. Pe de altă parte, micșorarea excesului de aer poate intensifica coroziunea sulfitică sau de H2S. Aceasta poate fi diminuată prin redistribuirea aerului și combustibilului la arzătoare.

123

124

Coroziunea de temperaturi joase poate apărea în preîncălzitoarele de aer și este provocată de condensarea vaporilor pe pereții țevilor. Cea mai intensivă coroziune apare la condensare a acidului sulfuric. De exemplu, la arderea păcurii cu un conținut mare de sulf, durata de viață a preîncălzitorului scade până la 0,5 – 1 ani.

Coroziunea de joasă temperatură poate fi micșorată prin utilizarea recirculării aerului, materialelor rezistente la coroziune, diferitor aditivi, creșterea temperaturii pereților. Pentru micșorarea cheltuielilor pentru reparația preîncălzitoarelor de aer, primele secții și cele mai expuse la coroziune se execută sub forma unor secții separate.

124

Teoria Arderii Si Instalatii de Cazane

Documents

Transcript of Teoria Arderii Si Instalatii de Cazane