Tratarea Gazelor Industriale

58
1 VALERIA MIRON TRATAREA GAZELOR INDUSTRIALE

Transcript of Tratarea Gazelor Industriale

Page 1: Tratarea Gazelor Industriale

1

VALERIA MIRON

TRATAREA GAZELOR INDUSTRIALE

Page 2: Tratarea Gazelor Industriale

2

Capitolul 1

INTRODUCERE Dezvoltarea economiei naţionale a impus creşterea considerabilã a consumului de energie sub toate formele, conducând la solicitãri importante ale surselor energetice primare şi implicând eforturi pentru mãrirea contribuţiei tuturor formelor de energie. Procesele industriale reclamã cel mai adesea cantitãţi mari de combustibil din care o parte, în multe cazuri importantã, se evacueazã sub formã de gaze de ardere (resurse energetice). Resursele energetice reprezintã unul dintre suporturile dezvoltãrii economico-sociale ale unei ţãri, volumul şi structura activitãţilor socio-economice fiind în corelaţie directã cu disponibilitatea şi volumul resurselor. Prin securitatea resurselor energetice naţionale se înţelege gradul de acoperire a nivelului consumului de energie, în general, şi a celui pentru producerea energiei electrice şi termice, în special. Pe plan intern a fost analizatã evoluţia fiecãrui tip de resursã primarã şi s-au studiat posibilitãţile de asigurare a necesarului pentru producerea energiei electrice şi termice. Declinul natural al resurselor indigene şi, în consecintã, necesitatea apelãrii tot mai mult la import, impune cunoaşterea resurselor pe plan mondial, a modului de dispunere a acestora şi a tendinţelor structurii consumului, acestea fiind importante atât sub aspectul evoluţiei posibile a preţurilor, cât şi al stabilirii eventualelor surse de import. Utilizarea unei anumite resurse de energie primarã reprezintã rezultanta îmbinãrii corespunzãtoare a urmãtoarelor patru aspecte: - serviciile pe care fiecare tip de resursã le asigurã; - tehnologiile care vor fi capabile sã satisfacã mai bine aceste servicii; - beneficiile aduse de servicii; - riscurile pe care le implicã utilizarea unei anumite resurse (ecologice, financiare etc.). Spre deosebire de o mare parte din tãrile Europei, România prezintã trei mari avantaje care ar putea sã-i permitã elaborarea unei strategii a resurselor: - dispune de resurse naturale importante; - are capacitãti de producere a energiei electrice şi termice excedentare, lucru ce poate permite o optimizare a utilizãrii resurselor pentru obţinerea unor costuri de producţie minime în condiţiile menţinerii unor capacitãţi corespunzãtoare în stare de funcţionare;

- are o pozitie geograficã favorabilã. In România, din totalul resurselor consumate la nivelul economiei naţionale circa 25 % sunt destinate producerii energiei electrice şi 25 %, producerii energiei termice. Poziţia geograficã favorabilã face posibilã o diversificare a surselor de aprovizionare, element important în asigurarea stabilitãţii şi securitãţii acoperirii deficitului de resurse

Page 3: Tratarea Gazelor Industriale

3

energetice indigene chiar şi în condiţiile unor situaţii de crizã (crize energetice, embargouri, conflicte armate etc.). Securitatea resurselor energetice naţionale trebuie pusã în corelaţie directã cu securitatea posibilitãţilor de acoperire a consumului. Ca urmare a impactului creşterii costurilor la furnizor asupra consumatorului, modul tradiţional de elaborare a strategiilor trebuie schimbat. A apãrut o nouã filozofie: strategia de planificare integratã a productiei, transportului, distribuţiei si consumului de energie. In elaborarea fiecãrei strategii, în mod obligatoriu trebuie sã se ţinã seama de situaţia prezentã, la care se vor racorda opţiunile strategice adoptate. Consumul eficient de energie reprezintã o necesitate vitalã pentru România, atât în prezent cât şi în viitor, deoarece trebuie sã asigure: - o dezvoltare economicã echilibratã; - calitatea mediului ambiant; - înbunãtãţirea nivelului de trai al populaţiei. Utilizarea actualã a energiei în economia României comportã o serie de elemente caracteristice: - un consum mare de energie primarã şi finalã pe unitatea de produs intern brut (PIB) realizat (de 2…3 ori mai mare fatã de unele ţãri dezvoltate), agravat în ultimii ani de creşterea consumurilor specifice energetice pe produse şi activitãti, determinate de reducerea gradului de încãrcare a capacitãţilor de producţie şi de uzura lor moralã şi fizicã; - neasigurarea continuitãţii în alimentarea cu purtãtori de energie datoritã declinului producţiei interne de hidrocarburi şi dificultãţilor financiare şi de organizare pentru procurarea energiei din import; - structura neechilibratã a consumului, cu un consum ridicat în industrie şi un consum redus la populaţie; - nivel de poluare ridicat la producerea, transformarea şi în consumul de energie; - lipsa de capital a agenţilor economici pentru promovarea unor lucrãri eficiente energetic, coroboratã cu dobânzi ridicate la obţinerea creditelor; - lipsa de informare şi instruire economicã a unor autoritãti şi a cadrelor tehnico-economice privind potenţialul şi practicile de implementare a programelor de eficienţã economicã; - faptul cã nu existã o producţie internã satisfãcãtoare de aparate de mãsurã pentru toţi purtãtorii de energie, echipament eficient de utilizare şi reglare, şi nici suficiente firme de inginerie şi expertizã capabile sã implementeze proiectele de eficienţã energeticã. Creşterea eficienţei de utilizare a energiei trebuie sã constitue obiectivul principal al politicii economice şi, mai ales, al politicii energetice a României. Intr-o primã etapã, trebuie avute în vedere lucrãri care se realizeazã “fãrã costuri” sau cu “costuri restrânse”, cum ar fi: încãrcarea la capacitate şi funcţionarea continuã a instalaţiilor care au asiguratã desfacerea produselor finite, materiile prime, energia şi

Page 4: Tratarea Gazelor Industriale

4

materialele, respectarea disciplinei tehnologice şi de consum, efectuarea la termen şi în condiţii de calitate a lucrãrilor de exploatare, întreţinere şi reparaţii, eliminarea pierderilor de purtãtori de energie, retehnologizarea proceselor industriale mari consumatoare de energie. In paralel, trebuie fãcute primele eforturi pentru realizarea de obiective de investiţii care sã asigure o eficienţã ridicatã, astfel încât, din unitatea de energie consumatã sã se obtinã un volum mai mare de produse şi activitãţi necesare vietii. Ca urmare, în etapa actualã de dezvoltare economico-socialã, economia de combustibili şi energie sub orice formã este o problemã de bazã, care implicã luarea unor mãsuri de mare avengurã atât pe linia valorificãrii resurselor energetice recuperabile (r.e.r.), cât şi pe linia descoperirii de noi surse de energie. In acest sens, industria oferã numeroase posibilitãţi de valorificare a r.e.r., fapt care contribue la îmbunãtãţirea randamentului proceselor tehnologice şi la reducerea consumului specific de energie sub diferite forme. Economia de energie şi reducerea consumului energetic asigurã creşterea profitului care constitue, la rândul lui, o sursã pentru ridicarea standardului de trai, posibilitãţi de reinvestire a capitalului acumulat, reducerea presiunii asupra balanţei energetice şi a importului de energie la nivelul economiei şi, nu în ultimul rând, la reducerea stresului asupra mediului ambiant. Eficienţa energeticã primeşte o puternicã amprentã globalã şi socialã. Acţiunile de eficienţã economicã trebuie extinse în toate sectoarele de activitate economico-socialã, inclusiv în sectorul consumului casnic, deoarece rezultatele acestora sunt cumulative. In ultimele decenii industria siderurgicã s-a dezvoltat foarte mult, dar în continuare se cautã noi metode de cre�tere a produc�iei de fontã �i o�el. Cre�terea produc�iei de fontã se datoreazã îmbunãtã�irii indicilor tehnico-economici de func�ionare a furnalelor, ca aggregate principale de producere a fontei, pe baza utilizãrii tehnologiilor avansate de elaborare )pregãtire avansatã a încãrcãturii din punct de vedere mecanic �i termic, ridicarea temperaturii aerului insuflat, utilizarea aerului îmbogã�it în ozigen �i a combustibililor auxiliary, suflarea de gaze reducãtoare la baza cuvei). De asemenea, introducerea pe scarã largã a automatizãrii �i utilizarea calculatoarelor de proces constitue un element de bazã în conducerea �i controlul proceselor din furnal Impactul industriei siderurgice asupra mediului Deoarece produc�ia de o�el �i fier se bazeazã pe procese pirotehnologice, poluarea aerului este principala problemã a industriei siderurgice. La numãrul mare de gaze eliminate în aer se adaugã o cantitate considerabilã de praf care con�ine substan�e periculoase (metale grele). Rãcirea apei �i metodele de separare umedã creazã probleme în privin�a puritã�ii apei. Instala�iile cu foc continuu necesitã cantitã�i mari de apã �i genereazã ape

Page 5: Tratarea Gazelor Industriale

5

contaminate cu ulei. In turnarea fãrã racier prin pulverizare �arja se elibereazã direct în apã. Procesele metalurgice produc de asemenea, cenu�a care ar trebui reciclatã. Acolo unde nu se face reciclare �i nu existã instala�ii finale de descãrcare, praful �i mâlul din sistemul de curã�are a gazelor pot polua apele de suprafa�ã �i subterane. In furnale �i mori de conversie în laminar �i în timpul forjãrii, protec�ia împotriva zgomotului �i vibra�iilor este foarte importantã. Turnãtoriile produc multe de�euri provenite din amestecul de formare, rebuturi �i zgurã de cubilou. Scurtarea procesului de turnare a materialului rulant în formã finalã permite economisirea energiei �i diminuarea cantitã�ii de substan�e reziduale, de�euri �i emisii. Majoritatea proceselor pirotehnologice industriale (încãlzirea, topirea, evaporarea, dezagregarea, recoacerea, prãjirea �i arderea diferitelor produse tehnologice) se realizeazã cu ajutorul cãldurii degajate prin arderea unui combustibil. Caracteristica de bazã a tuturor proceselor pirotehnologice industriale este nivelul termic ridicat, bine determinat pentru fiecare proces în parte. Nivelul termic al procesului este reprezentat de temperatura finalã tp a produsului tehnologic. Procesele pirotehnologice industriale se pot împãr�i în douã grupe: - încãlzirea, topirea �i evaporarea, când sub ac�iunea cãldurii introduse se modificã numai proprietã�ile fizice ale materialelor prelucrate, în special starea lor de agregare; - dezagregarea, recoacerea, prãjirea �i arderea, care sunt înso�ite �i de modificãri în structura chimicã a materialului prelucrat; ele conduc la formarea de noi substan�e. Pentru procesele din prima grupã, mãrimea temperaturii tp este determinate precis de proprietã�ile termodinamice ale produsului final (de temperatura de topire sau evaporare în condi�ii de presiune date �i de specificul mediului gazos din camera de lucru). De exemplu, la presiunea atmosfericã temperatura de topire a fierului este 1535oC, a cuprului, 1083oC, a o�elului, 1550oC. In aceste condi�ii, ob�inerea metalului lichid la temperaturi mai joase nu este posibilã, iar o oarecare supraîncãlzire a acestuia nu este ra�ionalã, din cauza pierderilor exergetice mari, a sublimãrii metalului �i a înrãutã�irii recuperãrii cãldurii din gazele de ardere. Caracteristica principalã a unui proces pirotehnologic este randamentul :

iQuQ

=η (1.1)

unde : Qu este cãldura utilã ; Qi – cãldura consumatã. Pentru procesele pirotehnologice industriale, determinarea lui Qu �i Qi este îngreunatã �i complicatã datoritã modificãrilor endo - �i exoterme ale materialului prelucrat, de

Page 6: Tratarea Gazelor Industriale

6

cantitatea deosebitã a de�eurilor sub formã de zgurã �i de utilizarea suplimentarã a cãldurii dincolo de limitele camerei de lucru de bazã, în care are loc procesul ternologic. Cantitã�ile de cãldurã necesare sunt determinate scriind ecua�ia de bilan� termic pe proces :

Qcc + Qex + Qft + Qfi = Qpt + Qen + Qzg + Qr + Qg [kJ/kg produs] (1.2) unde : Qcc este cãldura legatã chimic a combustibilului ; Qex – cãldura degajatã de reac�iile exoterme care au loc în camera de lucru ; Qft – cãldura fizicã a materialelor tehnologice de bazã ; Qfi – suma cãldurilor fizice ale componentelor necesare arderii ; Qpt – cãldura con�inutã de produsul tehnologic final ; Qen – cãldura absorbitã în reac�iile endoterme din încãrcãturã ; Qzg = cãldura de�eurilor lichide sau solide : zgurã sau alte produse rezultate în urma proceselor ; Qr – cãldura totalã evacuatã în mediul înconjurãtor, prin rãcirea for�atã a camerei de lucru �i prin dispersia în atmosferã ; Qg – con�inutul total de cãldurã al gazelor evacuate (cãldura sensibilã �i cãldura legatã chimic).

Page 7: Tratarea Gazelor Industriale

7

Page 8: Tratarea Gazelor Industriale

8

Capitolul 2

GAZE INDUSTRIALE

2.1. Gaze de ardere Principalul utilaj în care se produc gaze de ardere este generatorul de abur (cazan). Cazanul este un ansamblu de mai multe aparate termice având ca scop realizarea unor procese de încãlzire sau vaporizare a apei (în unele cazuri şi supraîncãlzirea aburului format), cãldura necesarã fiind furnizatã fie de un combustibil care arde în focar, fie de gazele de ardere cu temperaturã ridicatã recuperate dintr-un proces tehnologic. In general, combustibilul utilizat în cazanele industriale este un combustibil gazos (gazul metan). Ecua�ia de ardere în aer a combustibilului gazos este:

CH4 + 2 . O2 → CO2 + 2 . H2O

1 Nm3 CH4 + 2 . Nm3 O2 → 1 Nm3 CO2 + 2 . Nm3 H2O Oxigenul teoretic necesar:

O2t = 2 Nm3 O2/ Nm3 comb Oxigenul real necesar:

O2r = α . O2t Nm3 O2/ Nm3 comb Oxigenul excedentar:

O2ex = (α – 1) . O2t Nm3 O2/ Nm3 comb Aerul real introdus:

Lr = O2r/0,21 Nm3 L/ Nm3 comb Azotul introdus cu aerul:

N2r = 0,79/Lr Nm3 N2/ Nm3 comb Ecua�ia de ardere în aer:

1 Nm3 CH4 + Nm3 L → 1 Nm3 CO2 + 2 . Nm3 H2O+ O2r + N2r

2.2. Gazul de furnal

2.2.1. Provenien�ã Fiecare furnal este format din urmãtoarele unitã�i legate direct func�ional �i constructiv : furnalul propriu-zis, estacada buncãrelor, hala de turnare, epurare brutã, preîncãlzitoare de aer (caupere), camera de automatizare, mãsurã �i control. Agregatul principal pentru producerea fontei este furnalul : un recipient dezvoltat pe înãl�ime, în care, pe la partea superioarã este introdusã încãrcãtura formatã din straturi de minereu �i cocs, iar pe la partea inferioarã, se insuflã aerul de combustie care,

Page 9: Tratarea Gazelor Industriale

9

oxidând combustibilul, dezvoltã gazele reducãtoare �i energia termicã necesarã proceselor metalurgice. Produsele proceselor metalurgice sunt : gazul de furnal captat �i evacuat pe la partea superioarã, fonta �i zgura depozitate la partea inferioarã, în creuzet, de unde sunt evacuate intermitent. Constructiv, furnalul are la exterior un blindaj metalic, iar la interior, captu�ealã refractarã constituitã din elemente de rãcire cu apã �i captu�eala refractarã propriu-zisã. Geometria interioarã este diferitã pe înãl�imea furnalului, asigurând prin profilul realizat curgerea cât mai u�oarã a materialelor încãrcate, în contracurent cu gazele ascendente, precum �i utilizarea ra�ionalã, atât în sec�iune verticalã cât �i orizontalã, a energiei termice �i chimice, în condi�iile de productivitate ridicatã cu consumuri energetice cât mai reduse. Pãr�ile componente ale furnalului sunt : - gura de încãrcare, de formã cilindricã, unde este realizatã distribu�ia controlatã a materiilor prime încãrcate ; - cuva furnalului, de formã tronconicã, cu baza mare în jos, având rolul de a pregãti termic încãrcãtura ce coboarã spre pãr�ile inferioare ; - sacul de cocs (pântecul furnalului), de formã cilindricã, caracterizat de începerea �i dezvoltarea rapidã a schimbãrilor de stare, concomitent cu desfã�urarea rapidã a proceselor de reducere �i formare a stropilor de fontã �i de zgurã ; - etalajul furnalului, de formã tronconicã, cu baza micã în jos, constitue zona de desfã�urare a proceselor metalurgice de formare a fontei �i zgurii, continuare a proceselor de reducere �i de dirijare a cocsului spre gurile de vânt ; - creuzetul furnalului, de formã cilindricã : la partea superioarã, în zona gurilor de vânt, au loc procesele de ardere �i de formare a gazelor reducãtoare, iar în pãr�ile inferioare, sunt definitivate procesele metalurgice de formare a fontei �i zgurii, depozitarea produselor topirii în intervalele dintre evacuãri.

FURNAL

MINEREU DE

FIER

COCS FONDANT COMBURANT (aer +oxigen)

FONTA ZGURA GAZ DE FURNAL

Page 10: Tratarea Gazelor Industriale

10

Furnalul este un cuptor de topire tip cuvã cu func�ionare continuã, în care materia primã (minereu, cocs �i fondan�i) încãrcatã pe la partea superioarã, coboarã în permanen�ã sub ac�iunea greutã�ii proprii �i vine în contact cu gazele calde cu diferite temperaturi, care circulã de jos în sus. Gazele calde cedeazã cãldura încãrcãturii, iar aceasta suferã o serie de modificãri fizico-chimice, ob�inându-se fontã topitã sub formã de picãturi care se scurg spre creuzet. Zgura formatã din gangã (partea nemetalicã a minereurilor sau sterilul), fondan�ii, cenu�a combustibilului �i alte impuritã�i din minereu se topesc �i coboarã sub formã de picãturi spre creuzet, unde se separã deasupra fontei lichide datoritã greutã�ii specifice diferite. Fondan�ii sunt materiale naturale (calcarul) care se adaugã în încãrcãtura furnalului pentru a se combina cu ganga din minereuri în vederea formãrii zgurei. Materialele solide (minereu, cocs �i fondan�i) se dozeazã în anumite propor�ii �i se introduc în furnal prin partea de sus cu ajutorul unui dispozitiv special numit aparat de încãrcare. Este astfel construit încât sã permitã încãrcarea continuã a furnalului fãrã scãparea gazelor ãn atmosferã (inchiderea etan�ã este realizatã de cele douã conuri, mare si mic). La gura de încãrcare se aflã �i conductele de evacuare a gezelor de furnal. In zona creuzetului, furnalul prezintã douã orificii : de evacuare a fontei topite, în partea de jos, iar mai sus, în partea opusã, orificiul de evacuare a zgurei. La partea superioarã a creuzetului se gãsesc gurile de vânt pentru introducerea aerului necesar arderii combustibilului, adus printr-o conductã inelarã. In vederea cre�terii temperaturii �i reducerii consumului specific de combustibil, aerul suflat este preîncãlzit în prealabil în preîncãlzitoarele de aer numite caupere. Furnalele au (3…4) caupere : unul încãlze�te aerul, unul este de rezervã �i douã se încãlzesc cu ajutorul gazelor de furnal. Conectarea �i deconectarea cauperelor se face automat.

2.2.2. Reac�ii care au loc în furnal In figura 2.1 sunt prezentate sectoarele unui furnal cu nivelul de temperaturã �i reac�iile chimice care au loc.

2.2.3. Compozi�ia gazelor de furnal Compoziţia gazului de furnal variază în funcţie de condiţiile de topire �i modul de desfăşurare al procesului în furnal, în limitele indicate în tabelul 2.1. Cantitatea de gaz de furnal variază în funcţie de calitatea fontei elaborate, încãrcãtura folositã �i consumul specific de combustibil echivalent, la arderea cu aer atmosferic, în limitele:

- 1900...3100 m3N/t fo;

- 3400...4800 m3N/t Kechivalent;

Page 11: Tratarea Gazelor Industriale

11

- 3800...5500 m3N/t Cechivalent.

Guri de vânt Zona de ardere

1200oC

1550oC

FeO + C = Fe + CO SiO2 + 2C = Si + 2CO

1300oC Formarea zgurei

Incãlzire lichid

FeO + CO = Fe + CO2 FeO + H2 = Fe + H O

1000oC FeO + CO = Fe + CO2 F O + H F +

800oC

200o

H2O lichid = H2O vapori H2O din solutie= H2O vapori MgCO2 = MgO + CO2 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O

Fig.2.1

Page 12: Tratarea Gazelor Industriale

12

Tabelul 2.1. Compoziţia gazului de furnal Funcţionare cu cocs Funcţionare cu mangal

Normal Min. Max. Normal Min. Max.

% %

CO2 14...18 12 20 10...15 7 20

CO 22...26 20 28 25...30 20 33

CH4 0,2...0,4 0,1 0,6 0,4 0,8 2,5

H2 4...6 2 8 7...8 5 10

H2 54...56 50 60 52...54 47 66

CO2+CO 39...40 38 41 39 40 38

2

2HCO

CO+

0,35...0,45

-

-

-

-

-

2.2.4. Instalaţia de captare a gazului de furnal

In urma proceselor din furnal, rezultă cantităţi importante de gaz furnal, gaz care, la ieşirea pe la partea superioară, antrenează şi cantităţi însemnate de praf. Având putere calorifică de 920-960 Kcal/Nm3, el este supus unor procese de epurare în instalaţii specializate. Aproximativ, cantitatea de gaz evacuatã se poate determina pe baza bilanţului azotului folosind relaţia:

NgNaVaVg = , [Nm3/h] (2.1)

unde: Vg [Nm3/h] - volumul de gaz evacuat din furnal; Va [Nm3/h] - volumul de aer insuflat; Na [%] - procentul de azot din aerul insuflat; Ng [%] - procentul de azot din gazul de furnal.

Page 13: Tratarea Gazelor Industriale

13

Mai exact, cantitatea de gaz furnal poale fi determinată şi pe baza bilanţului carbonului, deci funcţie de consumul specific de cocs, după relaţia:

2,2212

100)4CHCO2CO(

]0fC[).m.aC.m.abfCfakCk(xVg⋅

++−⋅+⋅+⋅

= [Nm3/t.f0]

(2.2)

sau

4CHCO2CO]0fC[).m.aC.m.abfCfakCk(x7,186Vg

+−⋅+⋅+⋅

= [Nm3/t.f0]

(2.3)

unde: x este un coeficient care exprimă pierderile de C în praful de furnal, care depinde de regimul de funcţionare al furnalului, având valori între (0,94 ... 0,98). Valoarea mai mică se referă la furnalele ce funcţionează cu presiune normală la gura de încărcare, valoarea mai mare pentru furnalele ce funcţionează cu presiune ridicată;

k [t/t.f0] - consumul specific de cocs; Ck, Cf Ca.m [%] - procentul de carbon din cocs, fondanţi, adaosuri metalice; [Cf0] [%] - carbonul din fontă; af, bam [t/t.f0] - consumul de fondant, adaos metalic; CO2, CO, CH4 [%] - conţinutul elementelor în gazul de furnal.

Măsurătorile pentru funcţionarea cu diferite încărcături au scos în evidenţă următoarele limite cantitative de praf evacuat cu gazul de furnal:

- 50 -100 g/m3 la funcţionarea cu minereuri prăfoase; - 20 - 50 g/m3 la funcţionarea cu aglomerat şi minereuri sortate; - 8-15 g/m3 la funcţionarea cu încărcătură sortată şi cu presiune la gura de

încărcare mai mare de 0,9 ats. Din relaţia (2.3) rezultă că la gura de încărcare sunt evacuate gaze de circa (1,4...1,5) ori mai mari decât cantitatea de aer insuflat la gurile de vânt Această cantitate trebuie evaluată în următoarele condiţii:

- evacuare cât mai uniformă pe secţiunea gurii de încărcare, pentru a nu crea diferenţe însemnate în regimul metalurgic pe circumferinţă;

- să asigure o viteză cât mai redusă la gura de încărcare, pentru a antrena cât mai puţin praf.

Page 14: Tratarea Gazelor Industriale

14

Pentru aceste considerente, colectarea gazului brut la gura de încărcare se face printr-o secţiune ce acoperă circa 40 % din secţiunea de trecere a gazului în secţiunea gurii, această secţiune fiind realizată prin montarea a 4 conducte captatoare, uniform poziţionate pe circumferinţa cupolei.

Fig.2.2. Conducte colectoare gaz furnal tip pantalon; b)cu o singură conductă coborâtoare

Fiecare două conducte colectoare ce pleacă de la cupolă se unesc într-o conductă suitoare a cărei secţiune de trecere este de (25...30) % din secţiunea gurii de încărcare (Fig. 144-a). Din cele două conducte suitoare, coboară spre sacul de praf câte o conductă, ambele unificându-se înainte de intrarea în sacul de praf. La furnalele de construcţie mai nouă, conductele suitoare se unesc între ele, iar din această unificare, spre sacul de praf coboară o singură conductă (Fig.144-b). La furnalele de 1700 m3 de la Galaţi, este utilizată prima variantă de colectare şi transport al gazului brut, iar la furnalele de 2700 respectiv 3500 m3 este aplicată soluţia cu o singură conductă coborâtoare. Conductele pentru transportul gazului brut sunt dimensionate în funcţie de volumul de gaz transportat în unitatea de timp pentru o viteză mai mare de 16 m/s. Se consideră că la

Page 15: Tratarea Gazelor Industriale

15

viteze mai mari, este eliminată orice posibilitate de depunere a prafului pe conducte. De regulă, dimensionarea este făcută pentru viteze de (18...20) m/s. Constructiv, conductele de gaz brut sunt confecţionate din tablă din oţel sudată. Ele se sprijină atât pe cupola furnalului, cât şi pe construcţia metalică ce sprijină pe stâlpii furnalului, ţinându-se cont că aceasta trebuie să susţină greutatea conductelor, inclusiv căptuşeala, cât şi ipoteza umplerii 60 % a acesteia cu praf, a cărui greutate volumetrică este de (2...2,2) t/m3. Deoarece gazul de furnal iese în mod curent din furnal cu temperaturi de până la (350...400)°C, iar în cazuri de excepţie chiar cu temperaturi de (800...1000)°Cr conductele de gaz brut sunt căptu�ite cu materiale refractare. La tipurile mai vechi de conducte, era efectuată înzidirea cu cărămizi de şamotă aşezate pe lăţimea standardizată de 113 mm a cărămizilor. La conductele de construcţie nouă, înzidirea cu cărămizi a fost înlocuită cu aşezarea prin intermediul unor ancore, al unui strat de (60...100) mm de beton bazaltic (soluţie aplicata la furnalele mari de la Galaţi). Pentru preluarea eventualelor dilatări, conductele captatoare, la ieşirea din cupola furnalului, sunt prevăzute cu compensatori de dilatare, fie cu presetupă, fie lenticulari. La furnalele cu trasee mari de conducte de gaz brut, sunt montaţi compensatori şi la intrarea conductei în sacul de praf. Pentru " spălarea" conductelor de gaz în cazul unor opriri, precum şi pentru efectuarea unor lucrări de intervenţii sau inspecţii la aparatul de încărcare, conductele sunt prevăzute cu ştuţuri pentru introducerea aburului, precum şi cu câte o uşă de vizitare. Pentru evacuarea în atmosferă a gazului de furnal, la partea superioară a conductelor colectoare sunt montate, funcţie de mărimea furnalului, (2...3) clape atmosferice. Acestea pot fi acţionate de la distanţă (Fig. 2.3) cu troliu electric şi cablu sau acţionare directă cu

cilindru hidraulic (fig.2.4).

Page 16: Tratarea Gazelor Industriale

16

Fig.2.3. Clapa atmosferică cu acţionare de la distanţă

Constructiv, o clapã atmosferică se compune din corpul principal (7) fixat prin flanşa cu şuruburi la conducta de gaz, un corp secundar (6) care formează şi scaunul de sprijin al clapei propriu-zise. Corpul principal are la interior un distrugător de energie de formă conică, susţinut cu 4 nervuri de corp. Corpul secundar este realizat din oţel aliat, iar scaunul este încărcat cu material dur. Pe exteriorul corpului secundar, se află elementul elastic format dintr-un compensator cu patru lentile care susţine un scaun tip flanşa cu două garnituri din teflon. Capacul are forma unei calote sferice, turnat din oţel refractar, susţinut de o articulaţie sferică pe braţul de acţionare al capacului. Capacul are două scaune de etanşare: unul pe scaunul corpului secundar fix şi cel de al doilea pe scaunul mobil exterior. Braţul capacului, executat din oţel aliat, este acţionat prin intermediul unui bolţ de suport, iar pe partea opusă este articulat la tija cilindrului hidraulic. Strângerea clapei de

scaun la tipul de clapă acţionată hidraulic este realizată de presiunea uleiului din cilindru (Fig.2.4), în timp ce strângerea clapei pe scaun la sistemul cu acţionare de la distanţă este realizată prin intermediul unor contragreutăţi (Fig. 2.3). Conductele de gaz brut nu pun probleme deosebite în exploatare, singurele probleme ce pot apărea sunt legate de starea garniturilor de etanşare de la capacele gurilor de vizitare de pe conducte, precum

Page 17: Tratarea Gazelor Industriale

17

şi de scaunul de etanşare de la clapele atmosferice. Schimbarea garniturii de pe scaunul mobil în cadrul reviziilor planificate măreşte simţitor siguranţa în exploatare, în special a clapelor atmosferice cu dublă etanşare.

2.2. Gaz de cocserie

Prin distilarea uscatã a cãrbunilor de pãmânt în spa�ii închise �i în lipsa aerului, se ob�in patru produse principale:

- gazul de cocserie (de generator);

- gudronul;

- apele amoniacale; - reziduul solid (cocsul �i semicocsul). Distilarea cãrbunilor la temperaturi înalte se efectueazã în uzinele cocsochimice sau în uzinele de gaz. In func�ie de temperatura la care se efectueazã procesul termic de distilare a cãrbunilor se disting:

- semicocsificarea când, sub ac�iunea temperaturii de (500...600)°C, cãrbunii de pãmânt (lignitul) sunt transforma�i în semicocs, gudroane, gaze etc. Semicocsificarea se face cu scopul fie de a înnobila cãrbunii inferiori (ligni�ii) �i de a ob�ine semicocsul, fie de a ob�ine o cantitate cât mai importantã de gudroane nedescompuse;

- cocsificarea când, la temperaturi ce pot ajunge pânã la (1000...1100)°C, cãrbunii de pãmânt, mai ales huila, sunt transforma�i în cocs, gudroane, gaze etc. Cocsificarea sau prelucrarea la temperaturi înalte se face cu scopul de a ob�ine cocs metalurgic. Compozi�ia gazelor de cocserie depinde de felul cãrbunilor de pãmânt �i de temperatura la care se face distilarea. In general, gazele componente sunt H2, CH4. CO, H2S etc. Aceste gaze au puterea caloricã cuprinsã între 4000 �i 8500 kcal/m3 �i sunt folosite pentru încãlzire.

Page 18: Tratarea Gazelor Industriale

18

Gudronul este un lichid uleios de culoare brunã care con�ine hidrocarburi aromatice. Este mai greu decât apa �i are un miros specific, neplãcut. Apele amoniacale con�in dizolvate amoniac liber �i sãruri de amoniu. Apele amoniacale sunt întrebuin�ate fie la ob�inerea amoniacului, fie la prepararea sãrurilor de amoniu folosite ca îngrã�ãminte minerale. Cocsul obtinut în uzinele cocsochimice con�ine 95% carbon �i are o putere caloricã de (6800...8000) kcal/kg. Este folosit drept combustibil �i ca agent reducãtor. Dacã se �ine seama de faptul cã pentru fiecare tonã de fontã ob�inutã în furnal se consumã circa o tonã de cocs, este lesne de în�eles importan�a cãrbunilor pe pãmânt ca materie primã de bazã pentru dezvoltarea industriei sidelurgice. Uzinele cocsochmice care se construiesc pe lângã marile combinate metalurgice, pentru a se ob�ine cocsul necesar fabricãrii fontei, dau în acela�i timp subproduse de cocserie.

Page 19: Tratarea Gazelor Industriale

19

Page 20: Tratarea Gazelor Industriale

20

Capitolul 3 TRATAREA GAZELOR INDUSTRIALE

Parametrul principal care determinã con�inutul de cãldurã al gazelor industriale este temperatura. Independent de direc�ia de utilizare a acestei cãlduri, în practica uzualã se constatã des abateri considerabile de la normã ale temperaturii. In multe cazuri, aceastã temperature cre�te datoritã arderii necorespunzãtoare a componentelor în canalele de gaze, din cauza imperfec�iunii formãrii amestecului �i a arderii combustibilului în camera de lucru propriu-zisã. Cel mai adesea se întâlnesc cazurile în care temperatura realã a gazelor este mai micã decât cea normalã. Acest lucru are loc din cauza absorb�iei suplimentare de aer ceace are mari dezavantaje: are loc înrãutã�irea func�ionãrii instala�iei de tiraj, supraîncãrcatã de debitul suplimentar de aer care trebuie evacuate, se reduce cantitatea de cãldurã posibil a fi recuperate, mãrind pierderile de cãldurã cu gazelle evacuate. De aceea, reducerea la minim a cantitã�ii de aer fals pãtruns în canalele de gaze care fac legãtura între camera de lucru �i instala�ia recuperatoare constitue una din principalele mãsuri ce trebuie luate în exploatare.

3.1. Particularitã�ile particulelor antrenate în gazele de ardere Caracteristica gazelor de ardere tehnologice posibil a fi recuperate, utilizate ca agent termic, este con�inutul mare de particule antrenate, u�or fuzibile �i polidisperse. In ele predominã frac�iile mici �i foarte mici gãsite în toate cele trei stãri de agregare. Aceste caracteristici speciale ale particulelor antrenate au o influen�ã asupra condi�iilor de exploatare �i asupra direc�iilor alese de recuperare. Formarea “antrenãrii” tehnologice poate avea urmãtoarele cause: - evacuarea odatã cu gazelle de ardere a particulelor solide ale încãrcãturii, ale arderii �i ale cãptu�elii interioare a camerei de lucru; - loviturile produse de picãturile lichide ale topiturii �i zgurii antrenate odatã cu gazelle de ardere; - evaporarea par�ialã (sublimarea) a materialului tehnologic. Aceasta explicã particularitã�ile calitative: con�inut mare (concentra�ie gravimetricã), polidispersitate �i posibilitatea existentei stãrilor lichidã, solidã �i gazoasã. Frac�iunea gravimetricã admisã a antrenãeii dã numai o imagine conven�ionalã �i incompletã asupra proprietã�ilor de murdãrire. Aceasta se explicã prin faptul cã ac�iunea de murdãrire a suprafe�elor de transfer de cãldurã �i a canalelor de gaze nu este determinatã de greutatea antrenãrii ci de numãrul particulelor de pe aceste suprafe�e. Numãrul particulelor existente într-o unitate de greutate a antrenãrii se modificã invers propor�ional cu cubul dimensiunilor liniare. Aceasta mãre�te în mod deosebit valoarea frac�iilor mici �i foarte mici ale antrenãrii.

Page 21: Tratarea Gazelor Industriale

21

Examinarea proprietã�ilor de murdãrire ale antrenãrii trebuie sã �inã seama �i de fuzibilitatea sa, deoarece proprietã�ile de murdãrire sunt în strânsã legãturã cu starea produselor din agregat, care ac�ioneazã asupra diferitelor suprafe�e interioare. Fuzibilitatea antrenãrii tehnologice este determinate de componen�a ei mineralo-chimicã, foarte variatã atât din punct de vedere calitativ, cât �i cantitatic. De asemenea, o mare influen�ã o are interac�iunea diverselor componente ale antrenãrii ca �i ac�iunea acestora asupra cãptu�elii refractare a canalelor de gaze arse. Aceasta condi�ioneazã �i intensitatea eroziunii cu zgurã.

3.2. Ac�iunea antrenãrii topite asupra suprafe�elor instala�iei recuperatoare

In gazele de ardere tehnologice cu temperaturi înalte captate de instala�ia recuperatoare, antrenarea tenologicã se gãse�te în stare fuzibilã. Antrenarea topitã, zgura, ac�ioneazã asupra cãptu�elii refractare a canalelor de gaze �i suprafe�elor metalice sau ceramice de încãlzire a instala�iei recuperatoare, prin: - crãparea �i a�chierea cãptu�elii refractare este rezultatul tensiunilor termice care apar datoritã diferen�ei de temperature �i a coeficien�ilor diferi�i de dilatare a straturilor refractare care intrã în componen�a cãptu�elii refractare �i a suprafe�ei de ardere alãturatã; - corodarea cu zgurã a suprafe�ei în urma reac�iei chimice a ei cu antrenarea: este un process fizico-chimic complex, rezultatul coroziunii materialului refractar �i a eroziunii produse de antrenarea topitã sub formã de particule solide �i lichide. Ambele procese se intensificã reciproc: prin eroziune este îndepãrtatã de pe suprafa�a materialului refractar pelicula de protec�ie, iar coroziunea afâneazã �i tope�te materialul refractar Coroziunea cu zgurã cre�te odatã cu mãrirea porozitã�ii cãrãmizii refractare, cate în mod current este (10…20)%, �i odatã cu reducerea viscozitã�ii topiturii prin cre�terea temperaturii acesteia; - zgurificarea: este procesul de formare în fazã lichidã a depunerilor rezistente. Este determinatã de temperatura suprafe�ei �i de intensitatea lovirii acesteia cu particulele topite ale antrenãrii. Pentru prevenirea tuturor acestor efecte dãunãtoare asupra cãptu�elii refractare �i a suprafe�elor de transfer de cãldurã amplasate în drumul ccanalelor de ardere, sunt necesare urmãtoarele mãsuri: - asigurarea rãcirii ini�iale (prin radia�ie fãrã contact) a gazelor �i a antrenãrii topite panã la temperaturi mai mici decât temperature începutului zgurificãrii;

Page 22: Tratarea Gazelor Industriale

22

- excluderea posibilitã�ii contacturlui direct al gazelor de ardere �ia antrenãrii topite cu suprafe�ele calde racordate la canalele gazelor de ardere.

3.2.1. Curã�area gazelor de furnal Gazele de furnal evacueazã pânã la (5…15)% din cantitatea de minereu introdusã. Praful de furnal este format în propor�ie de (80…90)% din particule mãrunte de minereu �i dintr-o cantitate neînsemnatã de combustibil pulverizat. Acest praf este transportat la fabricile de aglomerare unde se adaugã în compozi�ia încãrcãturii de aglomerare. In cazul în care gazele nu sunt epurate apar unele probleme ca: necesitatea construirii canalelor verticale ale grilajelor cauperelor pentru a se evita înfundarea acestora deci încãlzitoarele nu ar fi utilizate suficient, înfundarea arzãtoarelor întrebuin�ate pentru arderea acestui gaz. Func�ie de diferitele întrebuin�ãri ale gazului de furnal se folosesc metode de curã�are corespunzatoare. Pentru o mai bunã eficien�ã se merge pe aparate combinate, de tipuri �i sisteme diferite func�ionând în serie. Adoptarea acestor sisteme duce la cre�terea investi�iei dar asigurã scopul principal. Instala�iile utilizate la epurarea gazelor sunt acelea�i cu cele utilizate în alte industrii (ind. lemnilui, hârtiei, celulozei, centrale termoelectrice, industria constructoare de ma�ini etc.). O clasificare a metodelor de epurare a gazelor dupã natura poiluan�ilor este dificilã deoarece este complicatã stabilirea componen�ei unui poluant �i este imposibilã uniformizarea factorilor nocivi ace�tia gãsindu-se nn diferite combina�ii într-un grad mai mic sau mai mare de pondere a unora asupra celorlal�i. Pentru o epurare completã se pot utiliza douã categorii de metode : fizice si chimice : - metode fizice : uscate, umede �i combinate ; - metode chimice : prin spãlare, prin reducere, prin separare, prin absorb�ie si prin adsorb�ie.

Din punct de vedere al exploatãrii, instala�iile �i aparatele de epurare se pot clasifica : - instala�ii �i aparate de epurare directã a poluan�ilor ; - instala�ii �i aparate de epurare care necesitã un tratament ini�ial al poluan�ilor ; - instala�ii �i aparate de epurare care utilizeazã ambele principii în acela�i timp.

Din punct de vedere al mediului în care lucreazã : - instala�ii si aparate de epurare care lucreazã în medii umede ;

- instala�ii �i aparate de epurare care lucreazã în medii uscate.

Dupã modul de ac�ionare :

Page 23: Tratarea Gazelor Industriale

23

- instala�ii �i aparate de epurare care lucreazã în medii umede ; spãlãtoare, filtre umede, epuratoare cu spumã, separatoare dinamice ;

- instala�ii �i aparate de epurare care lucreazã în medii uscate : aparate gravita�ionale, aparate care folosesc principiul de impact, �oc �i iner�ie, aparate care folosesc principiul centrifugal, aparate care folosesc medii filtrante, aparate care folosesc principii electrostatice. O clasificare exactã a instala�iilor �i aparatelor de epurare este foarte greu de fãcut, iar grupãrile prezentate mai sus sunt orientative în scopul de a scoate în eviden�ã complexitã�ile care se pun în fa�a speciali�tilor. Se men�ioneazã acest lucru deoarece niniun aparat în func�iune sau nou nu respectã în totalitate condi�iile impuse de epurare, ele fiind concepute în func�ie de necesitã�ile analizate de la caz la caz. Combinatul Siderurgic Arcelor Mittal Gala�i a inaugurat instala�ia de desprãfuire de la Furnalul nr. 4, valoarea investi�iei fiind de circa 7,5 milioane de dolari. Instala�ia va capta praful �i fumul de la fontã �i zgurã, având o putere de aspirare de peste 640.000 m3/orã. Cantitatea de praf din aerul evacuat de la Furnalul nr. 4 va fi de 10 miligrame/m3, iar concentra�ia de praf în halã se va reduce la 8 miligrame/m3. Instala�ia de desprãfuire de la Furnalul nr. 4 este cel de al cincilea proiect de mediu inclus în cele 13 obiective agreate cu Garda Na�ionalã de Mediu. Arcelor Mittal Gala�i s-a angajat sã realizeze toate investi�ile necesare pentru protec�a mediului, iar î momentul de fa�ã acestea sunt în curs de realizare. Dintre cele 13 obiective ale Programului de Conformare, compania a finalizat cinci, alte �se sunt în diverse stadii de implementare, iar douã proiecte vor fi încheiate în 2008. Primul proiect finalizat a fost epurarea apelor uzate de la spãlarea gazelor de convertizor �i recuperarea �lamului, investi�ia fiind de 1,2 milioane de dolari. Programul a continuat cu modernizarea instala�iei de ape fenolice de la Uzina Cocso-Chimicã, modernizarea instala�iei de stripare �i refacere a bazinelor de omogenizare �i aerare de la Cocserie, investi�ia în aceste trei sub-proiecte fiind de 2 milioane de dolari. Cel de-al treilea proiect finalizat a fost implementarea unui sistem de mãsurare �i colectare a emisiilor de pulberi �i gaze la co�uri, valoarea acestuia fiind de 700.000 de dolari. ArcelorMittal Galati a dat în folosin�ã instala�ia de desprãfuire de la Furnalul 5, dupã o investi�ie de 7,5 milioane de dolari. Acesta a fost al patrulea proiect inclus în Programul de Conformare.

3.2.2. Praful de furnal La ieşirea din furnal, gazul conţine cantitã�i de (10...60) g/ m3

N praf. Cantitatea de praf depinde de granulaţia încãrcãturii furnalului, presiunea la gura furnalului �i intensitatea de funcţionare. Este format în propor�ie de (80...90)% din particule mãrunte de minereu �i dintr-o cantitate neînsemnatã de combustibil pulverizat.

Page 24: Tratarea Gazelor Industriale

24

Praful de furnal este transportat la fabricile de aglomerare unde se adaugã în compozi�ia încãrcãturii de aglomerare. Compozitia prafului depinde de proprietăţile încãrcãturii. In tabelul 2.2. sunt prezentate câteva exemple de compoziţii de praf de furnal.

Tabelul 2.2. Compoziţia prafului de furnal Fe Mn P S SiO2 Al2O3 CaO MgO Tipul fontei

elaborate %

Martin 52,7 2,34 0,057 0,108 10,99 2,50 2,20 1,10

Martin 53,88 0,74 0,035 0,030 12,98 1,25 1,65 0,22

Silicioasa 6,21 7,50 0,14 1,12 38,55 9,45 25,00 4,78

Thomas 34,0 1,58 1,23 0,31 8,62 4,06 13,00 0,07

Page 25: Tratarea Gazelor Industriale

25

Page 26: Tratarea Gazelor Industriale

26

Capitolul 4

DIRECTII DE RECUPERARE A GAZELOR INDUSTRIALE Gazele de ardere, gazele de furnal, gazele de cocs, gazele de rafinãrie fac parte din grupa resurselor industriale recuperabile combustibile: resursã con�inutã sub formã de energie chimicã în purtãtori de energie solizi, lichizi sau gazo�i �i care poate fi extrasã prin arderea acestora.

4.1. Importan�a recuperãrii Importan�a recuperãrii cãldurii acestor gaze constã în: - economia de combustibil realizatã direct la nivelul procesului sai agregatului tehnologic; - economia de enrgie realizatã indirect prin reducerea pierderilor eferente extrac�iei �i transportului combustibilului primar pânã la procesul respectiv; - economia de consum de mijloace materiale �i de muncã socialã pentru prospectarea, extrac�ia �i transportul combustibilului primar; - modernizarea proceselor de produc�ie; - cre�terea productivitã�ii �i scãderea pre�ului de cost al produsului finit.

4.2. Direc�ii de recuperare In figura 4.1. sunt prezentate posibilitãtile de recuperare a cãldurii gazelor industriale. Principalele direc�ii de recuperare sunt: A. Direc�ie tehnologicã: presupune utilizarea totalã sau par�ialã a acestor gaze în agregatul tehnologic din care au rezultat sau în altul apropiat. Principalele posibilitã�i de recuperare în direc�ie tehnologicã sunt: preîncãlzirea aerului de combustie, a combustibilului, a materialelor tehnologice, încãlzirea diver�ilor agen�i termici sau a unor medii de lucru pentru desfã�urarea unor precese tehnologice sau în diverse combina�ii între aceste posibilitã�i. In felul acesta se pot recupera cca.40...70% din energia con�inutã. Recuperarea cãldur5ii gazelor �i utilizarea în direc�ie tehnologicã este limitatã din considerente tehnico-economice care privesc atât instala�ia recuperatoare cât �i agregatul tehnologic care produce resursa. B. Direc�ie energeticã: presupune utilizarea acestor gaze în afara procesului tehnologic din care au provenit, pentru alimentare cu cãldurã, producerea frigului industrial, producerea energiei electrice sau combinat. In cazul recuperãrii în direc�ie energeticã pentru încãlzirea sau climatizarea spa�iilor sau pentru prepararea apei calde, studiile efectuate au arãtat cã nu se poate recupera decât 30...35% din energia con�inutã. C. Recuperare combinatã: presupune utilizarea acestor gaze atât în scopuri energetice cât �i în scopuri tehnologice. Efectul energetic �i economic în acest caz este maxim.

Page 27: Tratarea Gazelor Industriale

27

Gaze utilizate în alt process tehnologic Energie primarã consumatã (energie electricã, cãldurã,

combustibil)

PROCES TEHNOLOGIC

Gaze industri-

ale

Incãlzire materiale

Preîncãlzire aer

Preîncãlzire apã

Preîncãlzire combustibil

SCR

Gaze utilizate în acelasi proces tehnologic

Gaze evacuate în mediul ambiant Gaze utilizate în scopuri energetice

Apã caldã (abur)

Energie termicã

Consumator

Energie electricã si termicã

IFCMV, IFA, ICA, II

IFA, ICA, II PT

Energie electricã

Fig. 4.1

Page 28: Tratarea Gazelor Industriale

28

Stabilirea direc�iei de utilizare a gazelor trebuie fãcutã �inând seama de alegerea corectã a debitelor nominale, mai ales în cazul unor varia�ii mari a acestora, de eventualitatea necesitã�ii unei surse de rezervã, de dezvoltarea sistemelor de alimentare cu energie electricã �i termicã a intreprinderii în care apar aceste gaze �i a zonei în care este amplasatã aceastã intreprindere. In final, direc�ia de recuperare a gazelor �i mãrimea recuperãrii este stabilitã în urma unui calcul tehnico-economic.

4.3. Limitele recuperãrii gazelor industriale

Considerând con�inutul de energie al gazelor recuperabile Qg fa�ã de un nivel energetic zero, energia efectiv utilizatã Qef este mai micã din cauze de naturã termodinamicã, de regim �i tehnico-economice (fig.4.2). Limitãrile de naturã termodinamicã sunt determinate de con�inutul de energie al mediului ambiant Qo caracterizat de temperatura To �i presiunea po. Energia ce poate fi recuperatã din punct de vedere termodinamic din gazele industriale va fi:

Qtd = Qg – Qo (4.1) Se poate defini astfel un grad de recuperare termodinamic:

Qo

Qc

Qte

Qg

Qtd

∆Qtd

Qreg

Con�inut energetic al mediului ambiant

Con�inut energetic zero

Con�inut energetic consumabil

Con�inut energetic utilizabil tehnico-economic

Con�inut energetic al

Energie recuperabilã

Limitãri de naturã termodinamicã

Limitãri de regim

Energie

Qg

∆Qth

∆Qr

Fig.4.2

Page 29: Tratarea Gazelor Industriale

29

gToT

1gQtdQ

td,r −==η (4.2)

unde: To [K] este temperatura mediului ambiant; Tg [K] – temperatura gazelor industriale. Gradul de recuperare termodinamic este întotdeauna subunitar; scade cu cre�terea temperaturii mediului ambiant To sau cu mic�orarea nivelululi termic al gazelor industriale Tg. Limitãrile de regim sunt determinate de nesimultaneitatea regimurilor de producere �i utilizare a gazelor. Energia Utilizabilã va fi:

Qreg = Qtd - ∆Qr = Qtd – Qo - ∆Qr (4.3) Se poate defini un grad de recuperare posibil din punct de vedere al regimului de consum:

tdQgQrQ

1tdQ

rQ1

tdQregQ

rec Δ−Δ

−=Δ

−==η (4.4)

Gradul de recuperare posibil din punct de vedere al regimului de consum este întotdeauna subunitar; valoarea acestuia ar putea deveni egalã cu unitatea în cazul ideal, al simultaneitã�ii dintre producerea �i consumul gazelor industriale. Limitãrile de naturã tehnico-economicã sunt determinate de cele mai multe ori de tipul �i de dimansionarea optimã din punct de vedere tehnico-economic a instala�iei recuperatoare. Energia efectiv recuperabilã va fi:

Qref = Qreg – ∆Qth (4.5) unde, ∆Qth rezultã în urma calculelor tehnico-economice de optimizare a instala�iei recuperatoare luând în considerare �i condi�iile impuse de consumator. Se poate defini un grad de recuperare din punct de vedere tehnico-economic:

regQthQ

1regQrefQ

teΔ

−==η (4.6)

Luând în considerare toate cele trei limitãri analizate se define�te gradul efectiv de recuperare a gazelor industriale:

Page 30: Tratarea Gazelor Industriale

30

terectd,rgQ

refQef,r η⋅η⋅η==η (4.6)

4.4. Eficien�a recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale

Principalii factori de care trebuie sã se �inã seama la aprecierea eficien�ei recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale sunt: - temperatura, debitul �i presiunea minimã admisibilã a gazelor; - caracteristicile elementeloe componente care ar duce la înrãutã�irea transferului de cãldurã în instala�iile recuperatoare; - limitãri �i condi�ii suplimentare privind tipul, construc�ia, locul de amplasare �i transportul instala�iei recuperatoare; - prevederea unei surse suplimentare de încãlzire atunci când gazele industriale nu au un regim corespunzãtor de disponibilitate sau nu corespund calitatic condi�iilor impuse de consumator. Eficien�A recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale se stabile�te prin calcule tehnico-economice, unul din elementele principale care influen�eazã rezultatele acestor calcule fiind economia de combustibil primar realizatã. Eficien�a recuperãrii este determinatã de economia de cãldurã realizatã , comparativ cu situa�ia în care gazele nu ar fi recuperate �i utilizate. Se definesc douã categorii de economii de cãldurã (combustibil primar) realizate prin recuperarea �i utilizarea gazelor industriale: - economie posibilã, care reprezintã cantitatea de cãldurã (combustibil) ce poate fi economisitã în cazul unei recuperãri complete a tuturor formelor de gaze industriale a cãror refolosire este ra�ionalã din punct de vedere economic; - economie efectivã, care reprezintã cantitatea de gaze industriale posibil a fi recuperate, cu luarea în considerare a punerii în func�iune a instala�iei recuperatoare, a modernizãrii celor existente �i a scoaterii din func�iune a celor învechite. Criteriile de apreciere a eficien�ei recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale sunt:

A. Criterii tehnice Pentru stabilirea eficien�ei recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale se considerã: - con�inutul de energie al gazelor fa�ã de mediul ambiant; - limitele tehnice posibile de recuperare func�ie de natura gazelor, de tipul instala�iei recuperatoare �i de condi�iile de desfã�urare a procesului de recuperare; - posibilitatea de utilizare a gazelor recuperabile tehnic din punct de vedere al consumatorilor acestor gaze;

Page 31: Tratarea Gazelor Industriale

31

- în cazul instala�iilor tehnologice existente trebuie sã se �inã seama de realizarea �i încadrarea instala�iilor recuperatoare �i a anexelor lor (conducte, ventilatoare, pompe etc.) în fluxul tehnologic, mai ales în cazul recuperãrii în direc�ie tehnologicã.

B. Criterii economice Pentru realizarea investi�iei în cursul unui an se calculeazã criteriul cheltuielilor totale actualizate:

Z = I . pn + C [lei/an] (4.7) unde: I [lei] reprezintã investi�iile totale în solu�ia analizatã; pn [an]-1 – coeficientul normat de eficien�ã economicã a investi�iei; C [lei/an] – cheltuielile anuale totale ale investi�iei analizate. Considerând cele douã solu�ii, fãrã �i cu recuperare a gazelor industriale, criteriul cheltuielilor anuale de calcul va fi:

∆Z = Z1 – Z2 [lei/an] (4.8) sau:

∆Z = ∆I . pn + ∆C [lei/an] (4.9) unde: Z1, Z2 – cheltuieli anuale de calcul în varianta fãrã recuperare, respectiv, cu recuperare; ∆I, ∆C – diferen�ele de investi�ii totale, respectiv, cheltuielile totale anuale dintre cele douã variante:

∆I = I1 – I2 [lei] (4.10) ∆C = C1 – C2 [lei/an] (4.11)

In cele mai multe cazuri, investi�ia totalã se calculeazã cu rela�ia:

∆I = ∆Iin – (Ir + Ianexe) [lei] (4.12) cu: ∆Iin – investi�ia aferentã pãr�ii din agregatul tehnologic înlocuitã sau care devine disponibilã prin utilizarea gazelor; Ir – investi�ia în instala�ia recuperartoare;

Ianexe – investi�iile aferente instala�iilor anexe necesare solu�iei cu recuperare.

∆C = Cin – (Cr + Canexe) [lei/an] (4.13) cu:

Cin = ∆B . cb + ∆Cin [lei/an] (4.14) ∆B [tcc/an] – economia anualã de combustibil realizatã prin recuperarea gazelor;

Page 32: Tratarea Gazelor Industriale

32

cb [lei/tcc] – pre�ul combustibilului economisit; ∆Cin [lei/an] – diferen�a de cheltuieli anuale de exploatare pentru agregatele înlocuite sau care devin disponibile prin recuperarea gazelor; Cr – cheltuieli cu instala�ia recuperatoare; Canexe – cheltuieli cu instala�iile anexe. Utilizarea gazelor industriale devine eficientã dacã ∆Z > 0. Metoda calculãrii directe a cheltuielilor anuale ∆Z este recomandatã deoarece necesitã numai cunoa�terea diferen�elor de investi�ii �i cheltuieli anuale pentru cele douã variante, cu sau fãrã recuperare, reducându-se mult complexitatea calculelor. Criteriul termenului de recuperare a investi�iilor:

CIT

ΔΔ−

= [an] (4.15)

Recuperarea �i utilizarea gazelor industriale devine eficientã economic pentru T < Tn, termenul normat de recuperare. Criteriul termenului de recuperare(de revenire) a energiei înglobate în instala�ia recuperatoare �i a consumurilor suplimentare de energie aferente acesteia:

BrB

bTΔ

= [ani] (4.16)

unde: Br [tcc] – echivalentul în combustibil al energiei înglobate în instala�ia recuperatoare �i anexele ei, inclusiv cel aferent consumului suplimentar de energie pentru solu�ia de recuperare;

∆B [tcc] – economia totalã de combustibil realizatã prin recuperarea gazelor industriale.

C. Criterii ecologice Criteriile ecologice stabilesc influen�a recuperãrii gazelor industriale asupra mediului ambiant, gradul de utilizare a resurselor primare de energie înlocuite �i disponibilitatea acestora. Prorec�ia mediului înconjurãtor �i a resurselor naturale este un factor important în stabilirea �i derularea programelor de restructurare din economie �i devine determinantã în procesul de luare a deciziilor în proiectele cu impact major asupra mediului. In acest sens, sunt prezentate câteva din indeile de bazã ale Conferin�ei Na�iunilor Unite privind Mediul �i Dezvoltarea ce a avut loc la Rio de Janeiro în iulie 1992: - oamenii au dreptul sã trãiascã �i sã munceascã într-un mediu sãnãtoe, în deplinã armonie cu natura; - dezvoltarea actualã nu trebuie sã submineze necesitã�ile de dezvoltare ale genera�iilor prezente �i viitoare;

Page 33: Tratarea Gazelor Industriale

33

- na�iunile trebuie sã coopereze pentru conservarea, protejarea �i restabilirea sãnãtã�ii �i integritã�ii ecosistemelor. Tãrile dezvoltate au responsabilitatea de a sus�ine �i promova transferul de tehnologii nepoluante cãtre �ãrile în curs de dezvoltare; - na�iunile trebuie sã reducã �i sã elimine modelele nedurabile de produc�ie �i consum; - na�iunile trebuie sã coopereze la promovarea unui sistem economic interna�ional transparent care sã ducã la o cre�tere economicã �i o dezvoltare durabilã a tuturor �ãrilor; - fiecare na�iune trebuie sã elaboreze legi de mediu �i sã-�i dezvolte legisla�ia na�ionalã privind datoria fa�ã de victimile poluãrii. Rela�ia dublã dintre protec�ia mediului �i dezvoltarea economicã trebuie sã creeze acel echilibru care sã permitã realizarea obiectivelor unei dezvoltãri durabile. Legea protec�iei mediului în România, elaboratã în 1995, î�i pripune prevenirea �i reducerea poluãrilor de orice naturã, conservarea �i pãstrarea calitã�ii factorilor de mediu, gospodãrirea responsabilã a resurselor naturale �i evitarea supraexploatãrii acestora, reconstruc�ia ecologicã zonelor afectate de poluarea produsã de activitã�ile antropice �i fenomenele naturale distructive �i nu în ultimul rând, pãstrarea unui echilibru între mediul natural �i calitatea vie�ii. Prorec�ia mediului ambiant �i a resurselor naturale este un factor important în stabilirea �i derularea programelor de restructurare �i retehnologizare din economia româneascã. Con�inutul de cãldurã al gazelor evacuate dintr-un proces tehnologic este calculate cu rela�ia:

gatga,pcgaVgaQ ⋅⋅= && (4.17) unde: gaV& [Nm3/s] este debitul volumic de gaze de ardere, calculate din ecua�ia de ardere în aer a combustibilului; cp,ga [kJ/Nm3.K] – cãldura specificã a gazelor de ardere; tga [oC] – temperature gazelor de ardere la ie�ire din agregatul tehnologic. Debitul volumic de gaze de ardere este:

gaV& = G . (b . cgaV& + t

gaV& ) . (1 - zga) [Nm3/s] (4.18) cu: G [kg/s] – sarcina tehnologicã a agregatului; b Nm3/kg produs – consumul specific de combustibil; c

gaV& [Nm3/kg comb.] – cantitatea de gaze rezultatã prin arderea unitã�ii de volum de combustibil; t

gaV& [Nm3/kg produs] – cantitatea de gaze rezultatã de la încãrcãturã;

Page 34: Tratarea Gazelor Industriale

34

zga – coeficient de evacuare a gazelor de ardere din camera de lucru a agregatului. Pentru agregatele cu func�ionare continua, valoarea coeficientului zga este (0,03…0,05). Conform figurii 4.1. principalele direc�ii de recuperare a cãldurii gazelor industriale sunt urmãtoarele:

A. Preîncãlzirea materialelor tehnologice Utilizarea cãldurii gazelor de ardere pentru preîncãlzirea preliminarã a materialelor înaintea camerei de lucru este prezentatã în fig.4.3. Se considerã camera de lucru fãrã preîncãlzirea aerului de ardere. Exemplu : cuptor multizonal pentru încãlzirea metalelor. Existã o limitã constructivã si de temperaturã, bine determinatã, între camera de lucru si partea de preîncãlzire a agregatului. Principala caracteristicã a acestui mod de folosire regenerativã a cãldurii gazelor de ardere o constitue faptul cã regimul termic în camera de lucru de bazã si în întregul agregat nu numai cã nu se mãresc, ci chiar se reduc putin. De aceea, considerând constantã cantitatea totalã de cãldurã primitã de agregat, nu se poate considera cresterea cantitãtii relative de cãldurã utilã. Ca urmare, productivitatea agregatului, în cel mai bun caz, rãmâne aceeasi sau se reduce putin. De aceea, considerând constantã valoarea productiei G [t/h] si luând ca bazã constanta cantitãtii de cãldurã Qt preluatã de agregat, consumul specific de combustibil este :

u,gtgcgViQev,gtgcgViQ

1b2b⋅⋅−

⋅⋅−⋅= [kg/kg produs] (4.19)

Dupã cum rezultã din relatia (4.19) consumul specific de combustibil se reduce în acest caz numai datoritã rãcirii gazelor de ardere de le tg,ev la tg,u. Aceste constatãri sunt corecte nulai în cazul ipotezei cantitãtii de cãldurã primitã de agregat constantã. Dacã consumul orar de combustibil B rãmâne constant,

tp tm’

tg,u tg,ev

combustibil

aer

1 2

tm’’

Fig. 4.3. 1 – camera de lucru; 2 – preîncãlzitor de materiale

Page 35: Tratarea Gazelor Industriale

35

odatã cu preîncãlzirea materialelor tehnologice va creste si productivitatea agregatului la valoarea G2 = B/b2. Se poate spune cã, preîncãlzirea materialelor tehnologice este similarã, ca eficientã tehnicã si energeticã, cu preîncãlzirea apei de alimentare în economizorul unui cazan. Limitele tehnico-economice ale utilizãrii gazelor de ardere pentru preîncãlzirea materialelor tehnologice sunt date de coeficientul de regenerare a cãldurii :

ev,gtgcgViQ

ccQ

''mtmc

r⋅⋅⋅

⋅=η (4.20)

unde : cm este cãldura specificã a materialului tehnologic ; tm’’ – temperatura finalã a materialului tehnologic ; Qcc/Qi = b2 – consumul specific de combustibil în cazul preîncãlzirii materialelor tehonologice Din relatia (4.20) rezultã cã posibilitãtile de utilizare regenerativã a gazelor de ardere pentru preîncãlzirea materialelor tehnologice cresc odatã cu mãrirea cãldurii specifice a materialului încãlzit si cu reducerea consumului specific de combustibil (cresterea calitãtii sale Qi). B. Preîncãlzirea apei In figura 4.4. este reprezentat un preîncãlzitor de apã (6) montat în canalul de evacuare a gazelor de ardere produse în cazan. Ecua�ia de bilan� termic :

wQgaQ && = (4.21) rela�ie în care :

- fluxul termic cedat de gazele de ardere :

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅⋅= ''

gat'gatga,pcgaVgaQ && [W] (4.22)

- fluxul termic absorbit de apã :

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅⋅= '

wt''wtw,pcwmwQ && [W] (4.23)

In general, este cunoscutã temperatura finalã a apei tw’’ [oC], din condi�iile impuse de temperaturile din tambur. Rezultã debitul de apã necesar :

Page 36: Tratarea Gazelor Industriale

36

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅

='wt''

wtw,pc

gaQwm

&& [kg/s] (4.24)

C. Preîncãlzirea aerului In figura 4.4. este reprezentat un preîncãlzitor de aer (7) montat în canalul de evacuare a gazelor de ardere produse în cazan. Ecua�ia de bilan� termic :

LQgaQ && = (4.25) rela�ie în care :

- fluxul termic cedat de gazele de ardere :

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅⋅= ''

gat'gatga,pcgaVgaQ && [W] (4.26)

- fluxul termic absorbit de aer :

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅⋅= '

Lt''LtL,pcLVLQ && [W] (4.27)

In general, este cunoscut debitul volumic de aer VL [Nm3/s], din ecua�ia de ardere în aer a combustibilului. Rezultã temperatura finalã a aerului :

L,pcLVgaQ'

Lt''Lt

⋅+=&

& [oC] (4.28)

D. Producerea energiei termice La scarã industrialà, energia termicã este produsã în generatoarele de abur, numite simplu cazane. Cazanul este un ansamblu de mai multe aparate termice având ca scop realizarea unor procese de încãlzire sau vaporizare a apei (în unele cazuri şi supraîncãlzirea aburului format), cãldura necesarã fiind furnizatã fie de un combustibil care arde în focar, fie de gazele de ardere cu temperaturã ridicatã recuperate dintr-un proces tehnologic.

Page 37: Tratarea Gazelor Industriale

37

Cazanele pot fi clasificate din multe puncte de vedere, cele mai importante fiind clasificãrile funcţionale, constructive şi dupã solutia de circulaţie din interiorul sistemului fierbãtor (tabelul 1.). Tabelul 4.1

Criteriul de clasificare

Tipuri specifice de cazane Solutii specifice de cazane

Cazane de apã caldã pentru Locuinte

- din elemente - ignitubulare

Cazane de apã fierbinte pentru încãlziri de ansambluri, încãlziri industriale sau agent Tehnologic

- din elemente - acvatubulare verticale

Cazane de abur tehnologic în centrale termice industriale

- ignitubulare - cu tevi cu înclinatie micã - cu tevi cu înclinatie mare

Cazane de abur energetic si - cu tevi cu înclinatie mare tehnologic în centrale termice - de radiatie Industriale

- navale

Clasificare functionalã

Cazane cu destinatie specialã - recuperatoare etc. Cazane cu volum mare de apã - ignitubulare Clasificare

constructivã Cazane cu volum mic de apã - acvatubulare Cazane cu circulatie naturalã - cazane de abur clasice Cazane cu circulatie fortatã multiplã

- cazane de abur speciale

- toate cazanele pentru apã caldã si fierbinte

Clasificare dupã solutia de circulatie în sistemul fierbãtor Cazane cu circulatie fortatã

unicã - cazane de abur energetic foarte mari

Suprafeţele de transfer de cãldurã sunt din ţevi de oţel şi asigurã transferul de cãldurã de la gazele de ardere produse în focar la apã, abur sau aer: ecranele de radiaţie, amplasate în focar (transfer de cãldurã prin radiaţie), sistenele fierbãtoare, supraîncãlzitorul, preîncãlzitoarele de apã şi aer (transfer de cãldurã prin convecţie). Economizorul şi preîncãlzitorul de aer sunt amplasate în ultima parte a cazanului, când gazele de ardere mai au un nivel energetic suficient pentru a mai putea ceda cãldurã utilã. Aceste elemente ale cazanului au ca efect reducerea temperaturii de evacuare a gazelor de ardere la coş, fiind considerate suprafeţe de recuperare a cãldurii. Un cazan de abur supraîncãlzit (fig.4.4.) este alcãtuit din arzãtorul 1, care asigurã amestecul aer - combustibil şi arderea lui în focarul 2, unde se dezvoltã un volum mare de gaze de ardere cu temperaturã ridicatã (1500…2000)oC. Gazele de ardere schimbã cãldura prin radiaţie cu ecranele 3, în interiorul cãrora are loc vaporizarea parţialã a apei, formându-se un amestec apã - abur

Page 38: Tratarea Gazelor Industriale

38

(emulsie). In continuare, gazele de ardere pãrãsesc focarul cu o temperaturã de (900…1300)oC şi transmit cãldurã prin convecţie şi radiaţie sistemului fierbãtor 4, supraîncãlzitorului 5, economizorului 6 şi preîncãlzitorului de aer 7, ieşind din cazan cu o temperaturã de (180…250)oC.

Pe circuitul apei şi aburului, legãtura între elementele cazanului se face prin vasul comun numit tambur, din care se distribuie apa saturatã şi în care se separã aburul saturat.

Fig.4.4. Schema de principiu a unui cazan 1 - arzãtor; 2 - focar; 3 - ecrane de radiatie; 4 - sistem fierbãtor convectiv; 5 - supraîncãlzitor; 6 - economizor; 7 - preîncãlzitor de aer; 8 - cos; 9 - tambur

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Abur

Combustibil

Aer

la tambur

Apã

Aer

la camera de ardere

Gaze de ardere

Page 39: Tratarea Gazelor Industriale

39

Instalaţia de cazan cuprinde şi o serie de utilaje care nu au fost prezentate în schemã; pompe pentru alimentarea cu apã, gospodãria de combustibil, ventilatoare sau suflante pentru alimentarea cu aer a arzãtoarelor, suflãtoare de funingine, separatoare, transportoare, desprãfuitoare pentru evacuarea zgurii şi a cenusii, instalaţia de automatizare pentru optimizarea funcţionãrii, instalaţia automatã de protecţie pentru preîntâmpinarea pericolului de avarii etc. Ecuaţia de bilanţ termic pentru un cazan de abur este :

Q& H + Q& B + Q& L + Q& wi = Q& ach + Q& af + Q& cr + Q& wp + Q& ga + Q& u [kW] (4.29)

relaţie în care : Q& H este fluxul de cãldurã rezultat prin arderea combustibilului :

Q& H = B . HI , (4.30) cu : B, [kg/h] sau [Nm3/h] – consumul de combustibil ; Hi , [kJ/kg] sau [kJ/Nm3] – puterea caloricã inferioarã a combustibilului ; Q& B – fluxul de cãldurã rezultat prin arderea fizicã a combustibilului :

Q& B = B . iB (4.31) cu : iB , [kJ/kg] sau [kJ/Nm3] – entalpia specificã combustibilului ; Q& L – fluxul de cãldurã intrat cu aerul de combustie :

Q& L = L . iL (4.32) cu : L , [Nm3/h] – consumul de aer ; iL , [kJ/Nm3] – entalpia specificã a aerului ; Q& wi – fluxul de cãldurã intrat cu apa de alimentare :

Q& wi = mwi . cpw . twi (4.33) cu : mwi, [kg/s] – debitul de apã de alimentare ; cpw, [kJ/kg.K] – cãldura specificã a apei ; twi, [0C] – temperatura apei de alimentare ;

Page 40: Tratarea Gazelor Industriale

40

Q& ach – fluxul de cãldurã pierdut prin arderea chimicã incompletã a combustibilului ( prezenţa C, CO, H2 în gazele de ardere) :

( ) ( )( ) 100co2co530,0

cco12860achQ⋅+⋅

⋅⋅= (4.34)

Q& af – fluxul de cãldurã pierdut prin arderea fizicã incompletã a combustibilului (intervine numai la combustibilii lichizi si solizi) ; Q& cr – fluxul de cãldurã pierdut prin convectie – radiatie prin peretii cazanului :

Q& cr = ∑ αi . Si . (tpi – te) (4.35) cu : αi , [W/m2.grd] – coeficientul de convectie ; Si, [m2] – suprafata de transfer de cãldurã ; tpi , [0C] – temperatura medie a peretelui ; te , [0C] – temperatura mediului ambiant ; Q& wp – fluxul de cãldurã pierdut prin apa purjatã :

Q& wp = mwp . iwp (4.36) cu : mwp, [kg/s] – debitul de apã purjatã ; iwp = f(ptambur) Q& ga – fluxul de cãldurã iesit cu gazele de ardere :

Q& ga = Vga . cpga . tga (4.37) cu : Vga , [Nm3/s] – debitul volumic al gazelor de ardere evacuate ; cpga , [kJ/Nm3.K] – cãldura specificã a gazelor de ardere ; tga, [0C] – temperatura gazelor de ardere Q& u – fluxul de cãldurã al aburului produs de cazan :

Q& u = Dab . iab (4.38) cu : Dab , [kg/s] – debitul de abur produs ; iab = f(pab, tab) Randamentul brut al unui cazan este dat de relatia:

Page 41: Tratarea Gazelor Industriale

41

ηb = 100 - (q2 + q3 + q4 + q5 + q6) (4.39)

unde: q2 - pierderea specificã de cãldurã prin entalpia gazelor de ardere evacuate la cos; q3 - pierderile de cãldurã prin arderea chimicã incompletã a combustibilului; q4 - pierderile de cãldurã prin arderea mecanicã incompletã a combustibilului (specifice combustibililor solizi); q5 - pierderile de cãldurã spre mediul ambiant prin suprafetele exterioare ale cazanului; q6 - pierderea de cãldurã prin evacuarea zgurii la temperaturã înaltã (specifice combustibililor solizi). Randamentul net al cazanului tine seama si de consumurile energetice pentru serviciile interne (alimentare cu apã, combustibil, aer, evacuarea gazelor, suflarea suprafetelor etc.). Randamentele diferã mult dupã tipul cazanului si combustibilul utilizat (tabelul 4.2). Tabelul 4.2

Tipul cazanului Valoare Cazane fãrã suprafete auxiliare pentru combustibil gazos si lichid 0,8…0,85

- pentru combustibil solid ars în strat 0,7…0,8 Cazane cu suprafete auxiliare pentru combustibil gazos si lichid 0,87…0,92

- pentru combustibil solid pulverizat 0,85…0,9 - pentru combustibil solid ars în strat 0,75…0,85

Indicii energetici specifici pentru un cazan de abur sunt : - randamentul termic brut :

( )LQwiQHQwpQwiQuQ

b,t +−

+−=η (4.40)

- consumul specific de combustibil conven�ional ;

cHQuQbη⋅

= (4.41)

Page 42: Tratarea Gazelor Industriale

42

Producerea aburului supraîncãlzit presupune urmãtoarele procese : - preîncãlzirea izobarã a apei subrãcite 1 – 2 de la temperatura T1 la T2 :

q12 = i2 – i1 (4.42)

- fierberea propriu-zisã (proces izobar-izoterm de transformare a apei saturate în abur saturat) 2 – 3 :

q23 = i3 – i2 (4.43) - supraîncãlzirea izobarã a aburului saturat 3 – 4 de la temperatura Ts la T4 :

q34 = i4 – i3 (4.44)

ps Ts

T1

T4 4

3 2

1

T

s Fig. 4.5

Page 43: Tratarea Gazelor Industriale

43

Cantitatea de cãldurã totalã :

q14 = i4 – i1 (4.45)

D.1. Utilizarea gazelor de ardere din procesele pirotehnologice în cazanele de abur recuperatoare Utilizarea cãldurii gazelor de ardere din procesele pirotehnologice în cazanele recuperatoare pentru producerea aburului reprezintã una din solu�iile cel mai des aplicate pentru îmbunãtã�irea balan�ei energetice a procesului. Cazanele sunt fabricate pentru presiuni ale aburului de (8…45) bar cu debite variabile, func�ie de mãrimea agregatului tehnologic. Caracteristicile tehnico-economice ale cazanelor recuperatoare depind de parametrii aburului produs, adicã de temperatura gazelor de ardere folosite : - cazane cu temperaturã înaltã (tga > 1100…1200oC). Depunerile antrenate de gazele de ardere sunt în stare lichidã sau gazoasã. Transferul de cãldurã predominant este radiatia. Aceste cazane sunt folosite dupã cuptoarele siderurgice cu reverbera�ie, pentru topire, afânare, la agregatele energotehnologice cu ciclon folosite frecvent în metalurgie �i chimie. Din aceea�i grupã fac parte �i cazanele recuperatoare ale convertizoarelor din metalurgia neferoasã �i feroasã. Aburul produs are (100…1400 bar la (540…560)oC. - cazane cu temperaturã joasã (tga < 100oC). Sunt utilizate la cuptoarele cu bare regenerative, cu camere recuperatoare ale metalurgiei neferoase �i de calcinare cu strat fierbãtor din siderurgie. Aburul produs are (40…45) bar la (400…450) oC. Cazane recuperatoare cu temperaturã înaltã (fig.4.6) se racordeazã direct sau prin intermediul canalelor de gaze la camerele de lucru ale cuptoarelor. In ele, transferul de cãldurã cãtre suprafe�ele de fierbere ecranate se face prin radia�ie, rãcind gazele de ardere pânã la (800…900) oC. Se asigurã granularea depunerilor tehnologice �i de ardere. 2

1

3

Comb.

Aer preîncãlzit

Abur Apã Aer

Gaze de ardere

Fig.4.6 1 – camera de lucru a agregatului tehnologic; 2 – cazan de abur

recuperator; 3 preîncãlzitor de aer

Page 44: Tratarea Gazelor Industriale

44

Dupã cazanul recuperator, gazele de ardere sunt rãcite în preîncãlzitorul de aer 3, aerul preîncãlzindu-se pânã la temperaturi de (300…400) oC. Func�ionarea acestor cazane este apropiatã de cea a cazanelor clasice. Diferen�a constã în faptul cã în gazele de ardere existã cantitã�i însemnate de particule polidisperse �i u�or fuzibile, în stare solidã, lichidã sau de vapori. Din cauza rãcirii treptate a particulelor mari din « antrenarea » lichidã, în partea de radia�e a cazanului, pe �evile fierbãtoare, se depune o peliculã lipicioasã care îmbâcse�te suprafe�ele de transfer de cãldurã prin radia�ie �i convec�ie. Este mic�orat transferul de cãldurã, ceea ce duce la scãderea debitului de abur. Curã�area mecanicã a acestor suprafe�e (suflare, curã�ire cu alice sau prin vibra�ii) nu rezolvã complet acestã problemã. Se impune montarea separatoarelor de zgurã cu peliculã lichidã la ie�irea gazelor de ardere din camera de lucru. Cazane recuperatoare cu temperaturã joasã se amplaseazã în canalul gazelor de ardere, ca ultimã treaptã de recuperare a cãldurii acestora, cu temperatura de cca.600oC.

8

5

tg’

1

76

2

3

4

abur supraîncãlzit

abur saturat de joasã presiune tgu

Page 45: Tratarea Gazelor Industriale

45

Din aceste motive, temperatura gazelor evacuate în atmosferã nu poate scãdea sub (220…230) oC iar presiunea aburului produs nu poate depã�i (40…45) bar. Ele se realizeazã cu suprafe�ele de încãlzire inseriate în bloc (fig. 4.7) sau intercalate între preîncãlzitoarele de aer ale agregatului tehnologic (fig. 4.8). Preîncãlzirea aerului de ardere se face în douã trepte : într-o primã treaptã, într-un recuperator metalic, pânã la (300…400) oC �i în a doua treaptã, într-un recuperator ceramic sau din cãrãmidã. Gazele evacuate vor avea o temperaturã de (150…180) oC, reducându-se consumul de metal de (2,0…2,5) ori pe tona de abur produs. In cazul recuperãrii cãldurii gazelor de convertizor (fig.4.9), apar urmãtoarele probleme: - gazele de ardere con�in o cantitate de cãldurã legatã fizic �i chimic care reprezintã pânã la 80% din cantitatea totalã disponibilã; - în gazele de ardere existã pânã la 150 g/Nm3 de « antrenãri » solide �i lichide cu dispersie micã predominând particulele de ordinul micronilor. De aceea, cazanele recuperatoare produc abur saturat cu presiunea de 25 bar, introdus apoi în acumulatoarele de abur unde i se reduce presiunea la 18 bari, mic�orându-se considerabil valoarea sa energeticã ;

Gaze de ardere

1

Comb.

Aer preîncãlzit

2

Abur Apã

3

Aer

Fig. 4.8 1 – camera de lucru a agregatului tehnologic; 2, 4 –

preîncãlzitor de aer ; 3 - cazan de abur recuperator

4

Page 46: Tratarea Gazelor Industriale

46

- în timpul func�ionãrii au loc varia�ii bru�te ale cantitã�ii de gaze de ardere �i a temperaturii lor. Ca urmare, suprafa�a de încãlzire �i greutatea cazanului este de cca. 2 ori mai mare4 decât cea necesarã în condi�iile alimentãrii continue cu cãldurã. Pentru aceasta, este necesarã captarea �i folosirea în comun a gazelor de ardere de la (2…3) convertizoare cu fuc�ionare nesimultanã, care asigurã o alimentare mai uniformã cu gaze de ardere.

D.2. Eficienta economicã a cazanelor de abur recuperatoare depinde de eficien�a lor energeticã, economia de combustibil realizatã �i de costul instala�iilor suplimentare. Economia de combustibil depinde de direc�ia de utilizare a aburului livrat �i de nivelul termic al gazelor de ardere la intrare în cazan.

Fig.4.9 1 – tambur separator de abur; 2 – pompe de circulatie; 3 – filtru de apã de alimentare ; 4 – serpentine de firbere ale

agregatelor tehnologice 1 si 2 ; 5 – supraîncãlzitor de abur comun ; 6 – instalatia tehnologicã ; 7 – purja continuã

2

1

3

4 4

5

6 7

Abur

Page 47: Tratarea Gazelor Industriale

47

Economia anualã de combustibil se calculeazã cu rela�ia :

( ) ( )310.3,29in,c

1cx1ga,uQ

⋅η

α−⋅−⋅⋅τ=ΔB [t/an] (4.42)

unde : Qu,ga [MJ/h] este cantitatea de cãldurã utilizatã a gazelor de ardere ; τ [h/an] – durata anualã de func�ionare a cazanului recuperator ; α – coeficient de �ine seama de înrãutã�irea func�ionãrii CET înlocuite ; se recomandã (0,2…0,4) ; ηc,in – randamentul mediu anual al cazanelor înlocuite. Analizând aceastã rela�ie, se constatã cã economia de combustibil depinde în primul rând de valoarea cantitã�ii de cãldurã utilizatã Qu,ga care diferã de cantitatea totalã de cãldurã a gazelor de ardere Qga. Se define�te gradul de utilizare a cãldurii gazelor de ardere:

'gat

''gat'

gat

gaQga,uQ

u−

≈=η (4.46)

unde, '

gat , ''gat reprezintã temperaturile gazelor de ardere la intrare, respectiv,

ie�ire din cazanul recuperator.

E. Producerea energiei electrice In instala�iile cu turbine cu gaze are loc transformarea energiei chimice a combustibilului în energie termicã în camera de ardere CA, unde combustibilul este injectat în aerul provenit de la un compressor. Energia termicã este transformatã în energie cineticã în ajutajele turbinei cu gaze, iar în rotorul turbinei este transformatã în energie mecanicã servind la ac�ionarea arborelui turbunei.

CAq2

C

lC

T

G

lT

SCq2

1

23

4

Page 48: Tratarea Gazelor Industriale

48

Instala�ia cu turbine cu gaze poate func�iona:

- în circuit închis: cãldura cedatã mediului exterior se poate considera ca fiind cedatã într-un schimbãtor de cãldurã real;

- în circuit deschis: schimbãtor de cãldurã fictiv. In camera de ardere CA procesul de ardere a combustibilului are loc la presiune constantã.

V

p2

p1

q1

q21 4r 4

32r2

p

Fig. 4.11

q2

32

s

2r

2

p2

p1

T

1 44r

q1

Fig. 4.12

Page 49: Tratarea Gazelor Industriale

49

In cazul circuitului deschis, compresorul C aspirã gazele la parametrii p1, T1 pe care-l comprimã pânã la p2, T2. Aerul comprimat intrã în camera de ardere CA pentru a asigura oxigenul necesar arderii combustibilului. Gazele de ardere rezultate intrã în turbina T unde se destind producând unlucru mecanic lT. O parte este folositã pentru angrenarea compresorului lC �i cealaltã parte, într-un generator pentru producerea curentului electric l:

lT = lC + l [J/Nm3] (4.47) Procesul teoretic (comprimare �i destindere adiabaticã): - randamentul termic al ciclului:

( )( )

1T2T

1T3T

11T4T

12T3Tpc1T4Tpc

11q2q

1t−

−−=

−⋅

−⋅−=−=η (4.48)

Se noteazã raportul H1p2p= - raport de comprimare / destindere. Rezultã:

k1k

Hk1k

1p2p

1T2T

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (4.49)

k1k

H2T3T

1T2T

2T3T

1T3T

⋅=⋅= (4.50)

2T3Tk

1kH

2T3T

k1k

H

1

1T3T

3T4T

1T4T

=

⋅⋅−

=⋅= (4.51)

Rezultã:

Page 50: Tratarea Gazelor Industriale

50

k1k

H

11t −−=η (4.52)

- randamentul exergetic al ciclului:

c

1t

m1TaT

11q1exqex

exex Θ

⋅η=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

==+

−=η

ll (4.53)

unde: Ta – temperatura termodinamicã a mediului ambiant; T1m – temperatura termodinamicã medie la sursa caldã;

Θc = 1- m1TaT

- factorul Carnot

q1 = ( )2T3T

lnpcm1T2s3sm1Tsm1T ⋅⋅=−⋅=Δ⋅ - cãldura dezvoltatã în

timpul arderii combustibilului; 2exq1exq −=l - lucrul mecanic disponibil; Puterea culeasã la arborele turbinei:

PT = PC + P (4.54) Rezultã puterea disponibilã:

P = PT – PC = m . (i3 – i4) – m . (i2 – i1) (4.55) Pentru ciclul real, comprimarea �i destinderea sunt transformãri adiabate ireversibile (se iau în considerare frecãrile dintre gaze �i paletele compresorului/turbinei):

C,adC

T,adTr η−η⋅=

lll (4.56)

Dacã se �ine seama �i de frecãrile din lagãre se ob�ine:

C,mecC,adC

T,mecT,adTr η⋅η−η⋅η⋅=

lll (4.57)

D.1. Instalatia cu regenerare

Imbunãtãtirea randamentului instala�iei cu turbine �i gaze se poate face prin recuperarea cãldurii gazelor la ie�ire din turbinã pentru preîncãlzirea aerului

Page 51: Tratarea Gazelor Industriale

51

comprimat la intrarea în camera de amestec. Se utilizeazã un schimbãtor de cãldurã regenerativ SCR. Se mic�oreazã astfel diferen�a dintre temperatura aerului la intrare în camera de ardere �i temperatura gazelor de ardere, reducându-se corespunzãtor consumul de cpmbustibil.

q1

6’

3

5’

5 2

1

s

T

4

6

q2

Fig. 4.13

GT

1

2

SCR

CA

5

C

4

3 combustibil

6

Fig.4.12

Page 52: Tratarea Gazelor Industriale

52

Dacã recuperarea cãldurii ar fi totalã (SCR cu suprafa�ã infinitã) s-ar ob�ine punctele 5’ si 6’. Se define�te gradul de recuperare ρ ca raportul dintre cãldura preluatã de aer pentru încãlzirea de la T2 la T5 �i cãldura preluatã de aer în cazul recuperãrii totale, adicã pentru încãlzirea de la T2 la T5’ :

2T'5T2T5T

−−

=ρ (4.58)

Temperatura realã T6 se determinã din ecua�ia de bilan� termic pe recuperator :

( ) ( )2T4T2T'5T2T5T6T4T −⋅ρ=−⋅ρ=−=− (4.59) Randamentul termic al ciclului :

( ) ( )( ) ( )2T4T2T3T

2T4T1T4T11q2q

1t −⋅ρ−−−⋅ρ−−

−=−=η (4.60)

E. Producerea combinatã a energiei termice �i energiei electrice O metodã foarte eficientã de mãrire a economicitã�ii instala�iilor cu turbine cu abur este cea a producerii simultane a energiei mecanice �i a energiei termice. Acest lucru este posibil prin utilizarea unui debit de abur destins complet sau par�ial în turbine pentru a acoperi nevoile industriale sau casnice de cãldurã prin a�a numitele instala�ii de termoficare. In felul acesta se recupereazã o parte din cãldura latentã de vaporizare care este cedatã sursei reci în condensatorul instala�iei cu turbine cu abur. La stabilirea schemei de termoficare �i a parametrilor de lucru trebuie sã se �inã seama de faptul cã energia termicã trebuie livratã la consummator la o temperature corespunzãtoare scopului urmãrit: aburul utilizat pentru termoficare trebuie sã pãrãseascã turbine la presiuni relative ridicate:

Page 53: Tratarea Gazelor Industriale

53

- pentru termoficare urbanã, presiuni de 0,6…2 bar (temperaturi de satura�ie 85…120oC), func�ie de temperature ambiantã; - pentru termoficare industrialã, presiuni de 2…18 bar (temperaturi de satura�ie 120…207oC). Având în vedere faptul cã la instala�iile fãrã termoficare aburul se poate destined pânã la presiuni de 0,06…0,03 bar (turbine cu condensa�ie) rezultã cã prin extragerea aburului din turbine la presiuni mai ridicate pentru a fi utilizat la termoficare conduce la scãderea lucrului mechanic produs în turbine. Acest dezavantaj este minor în compara�ie cu avantajul mãririi eficien�ei globale a instala�iei pusã în eviden�ã prin randamentul termic al instala�iei cu turbine cu abur cu termoficare:

TQ1QTL

tT −=η (4.61)

unde: LT este lucrul mechanic produs de turbine; Q1 – cãldura extrasã de la sursa caldã;

QT – cãldura utilizatã la termoficare. In energeticã, un rol deosebit îl au centralele termoelectrice CTE �i cele electrice de termoficare CET numite, în general, instala�ii termoenergetice cu abur. Aparatele principale necesare pentru o instala�ie termicã cu abur sunt : generatorul de vapori (cazan), pompa de alimentare cu apã a cazanului, turbina cu abur �i condensatorul. Pompa de alimentare cu apã ridicã presiunea apei atât cât este necesar pentru a compensa pierderile hidraulice din instala�ie. Ciclul de referin�ã este ciclul Rankine, realizat din douã izobare �i din douã adiabate lucrând cu abur supraîncãlzit si apã subrãcitã. Principalele avantaje ale ciclului Rankine sunt : - consum mic de lucru mecanic de comprimare (în pompã se comprimã apã care are un volum specific de câteva sute de ori mai mic decât cel al vaporilor) ; - temperatura t1 a ciclului este ridicatã prin supraîncãlzirea aburului la cca. (600…650)oC, ceea ce duce la cre�terea randamentului termic ; - cea mai simplã posibilitate de realizare a procesului izobar de fierbere �i a proceselor adiabate de destindere �i comprimare. Schema instalatiei cu turbine cu abur este prezentatã în figura 4.14, iar precesele, în diagrama T-s, în figura 4.15.

Page 54: Tratarea Gazelor Industriale

54

6

4

3

K

G

2

PT

1

T

QK

PP

5

EC

F 5

QF

SI

Fig. 4.14

p2

p1

2

6

4

3

T

s

5 1

T1

T2

Fig 4 15

Page 55: Tratarea Gazelor Industriale

55

Generatorul de vapori (cazan) este format din : - EC economizor – are loc încãlzirea izobarã a apei din starea 4 (apã subrãcitã) pânã în starea 5 (apã saturatã) ; - F fierbãtor – fierberea izobar-izotermã a apei (procesul 5-6) ; - SI supraîncãlzitor – supraîncãlzirea aburului (procesul 6-1) ; Aburul cu starea 1 este destins reversibil în turbina T de la presiunea p1 la presiunea p2 ; Condensarea izobar-izotermã are loc în condensatorul K la ie�ire, ob�inându-se apã saturatã cu starea 3. Pompa P ridicã presiunea apei la p1, presiunea din cazan. Ecua�ia de bilan� termic pe instala�ie :

TPKQPPFQ +=+ && (4.62) unde : ( )4i1imFQ −⋅= && - fluxul absorbit în cazan ; ( )3i4imPP −⋅= & - puterea consumatã de pompã ; ( )3i2imKQ −⋅= && - fluxul cedat în condensator ; ( )2i1imTP −⋅= & - puterea produsã de turbinã Deoarece izobarele sunt foarte apropiate de curba de lichid saturat (i3 = i4), puterea consumatã de pompã se poate neglija PP = 0. Randamentul termic al ciclului Rankine :

3i1i2i1i

FQTP

t −−

==η & (4.63)

Page 56: Tratarea Gazelor Industriale

56

BIBLIOGRAFIE

1. Stãncescu, I.D., Termoenergeticã industrialã, Ed.Tehnicã, Bucure�ti,1979

2. Petrescu, S., s.a., Termotehnicã �i ma�ini termice, EDP, Bucure�ti,1979

3. Zaharescu, I., Solu�ii energotehnologice de valorificare a gazelor calde cu poten�ial termic mediu �i scãzut, Ed.Tehnicã, Bucure�ti,1986

Page 57: Tratarea Gazelor Industriale

57

CUPRINS Capitolul 1. Introducere 2 Capitolul 2. Gaze industriale 7 2.1. Gaze de ardere 7 2.2. Gaze de furnal 7 2.2.1. Provenien�ã 7 2.2.2. Reac�ii care au loc în furnal 9 2.2.3. Compozi�ia gazelor de furnal 9 2.2.4. Instala�ii de captare a gazelor de furnal 11 2.3. Gaze de cocserie 16 Capitolul 3. Tratarea gazelor industriale 18 3.1. Particularitã�ile particulelor antrenate în gazele Industriale 18 3.2 Ac�iunea antrenãrii topite asupra suprafe�elor instala�iilor recuperatoare 19 3.2.1. Curã�area gazelor de furnal 20 3.2.2. Praful de furnal 21 Capitolul 4. Direc�ii de recuperare a gazelor industriale 23 4.1. Importan�a recuperãrii 23 4.2. Direc�ii de recuperare 23 4.3. Limitele recuperãrii gazelor industriale 25 4.4. Eficien�a recuperãrii �i utilizãrii gazelor industriale 27 A. Preîncãlzirea materialelor tehnologice 31 B. Preîncãlzirea apei 32 C. Preîncãlzirea aerului 33 D. Producerea energiei termice 33 E. Producerea energiei electrice 44 F. Producerea combinatã a energiei termice si energiei electrice 49

Page 58: Tratarea Gazelor Industriale

58

Bibliografie 53 Cuprins 54