Generatoare de Abur

Cuprins

Introducere:

Generalități generatoare de abur

Scurt istoric

Procese de ardere:

– Combustibil energetici

Calculul arderii pentru un combustibil dat

Arderea combustibililor gazoși și lichizi, avantaje. Organizarea procesului de ardere

Arderea combustibililor solizi: calculul arderii, calculul diagramei entalpie-temperatură, calculul diagramei teoretice de ardere

Arderea combustibililor solizi în focarele generatoare de abur

Instalații pentru arderea cărbunelui în strat:

Clasificarea focarelor cu grătar

Tipuri de focare cu grătar

Instalații pentru arderea cărbunelui pulverizat:

Rolul și clasificarea arzătoarelor pentru gradul de cărbune

Arzătoare turbionare

Arzătoare cu fante

Clasificări și scheme constructive ale focarelor cu grad de cărbune și evacuarea cenuși în stare solidă (în stare lichidă)

Arderea intensificată a combustibililor solizi:

=== generatoare de abur ===

Cuprins

Introducere:

Generalități generatoare de abur

Scurt istoric

Procese de ardere:

– Combustibil energetici

Calculul arderii pentru un combustibil dat

Arderea combustibililor gazoși și lichizi, avantaje. Organizarea procesului de ardere

Arderea combustibililor solizi: calculul arderii, calculul diagramei entalpie-temperatură, calculul diagramei teoretice de ardere

Arderea combustibililor solizi în focarele generatoare de abur

Instalații pentru arderea cărbunelui în strat:

Clasificarea focarelor cu grătar

Tipuri de focare cu grătar

Instalații pentru arderea cărbunelui pulverizat:

Rolul și clasificarea arzătoarelor pentru gradul de cărbune

Arzătoare turbionare

Arzătoare cu fante

Clasificări și scheme constructive ale focarelor cu grad de cărbune și evacuarea cenuși în stare solidă (în stare lichidă)

Arderea intensificată a combustibililor solizi:

Bazele teoretice ale procedeelor de ardere intensificată

Focare cu arderea combustibililor solizi în strat fluidizat

– Focare ciclon, focare turbionare, aspecte tehnico-economice ale focarelor cu ardere intensificată

Analizoare de gaze

Determinarea coeficientului de aer pe cale analitică

Principii de funcționare ale amortizoarelor de gaze

Analizorul TESTO-3

1. INTRODUCERE

În ultimele decenii a apărut o creștere a complexității proceselor industriale și în același timp o creștere a cerințelor referitoare la performanțele acestor procese și ale produselor fabricate. Drept urmare au fost dezvoltate metode moderne de proiectare a generatoarelor de abur și inclusiv a focarelor, metode moderne de determinare a câmpului de temperaturi din focar.

Generatorul de abur reprezintă un complex de instalații care realizează transformarea energiei chimice a combustibilului sau alte forme de energie (electrică sau nucleară) în căldură, sub formă de abur sau de apă caldă, apă care furnizează unui consumator. În generatoarele de abur au loc fenomene complexe chimice, mecanice, hidraulice, etc.

Generatoarele de abur care transformă energia chimică a combustibililor naturali în căldură poartă numele de cazan de abur. Transformarea energiei chimice a combustibililor naturali în căldură se face prin procesul de ardere, care este un proces de reacție chimică între componentele combustibile ale combustibilului respectiv și oxigenul de aer atmosferic, ce se desfășoară în focar.

În vederea desfășurării procesului de ardere în condiții bune, combustibilul se pregătește prin încălzire sau pulverizare într-o instalație specială, denumită instalație de pregătire (preparare) a combustibilului, compusă din buncăr de cărbune, instalație de uscare și măcinare, iar aerul de obicei prin încălzire într-o suprafață de schimb de căldură prin suprafață denumită preîncălzitor de abur.

Preîncălzirea aerului se face de la gazele de ardere, înainte de ieșirea din cazan. Cantitatea de aer folosită în procesul de ardere se numește aer necesar arderii. Înainte de ardere combustibilul pregătit și aerul preîncălzit se amestecă intim într-un aparat denumit arzător, care permite amestecului intim aer – combustibil să intre în focar. În focar are loc procesul de reacție cu formare de gaze de ardere la temperatură ridicată, gazele de ardere formându-se din elementele combustibile și din gazele conținute în combustibil.

În afară de gazele de ardere în focar se mai formează cenușa și zgura din materia minerală solidă necombustibilă a combustibilului, partea de materie minerală sub focar numindu-se zgură, iar partea de materie minerală antrenată de gazele de ardere din focar numindu-se cenușă sau cenușă antrenată.

Gazele de ardere cedează căldura fluidului de lucru de obicei apa, reducându-i treptat temperatura până la temperatura de evacuare din cazan.

O parte din gazele de ardere (gaze de ardere recirculate) folosesc la uscarea combustibilului în instalația de preparare a acestuia. Fluidul de lucru își ridică temperatura, de la temperatura de alimentare (cu care intră în cazan) până la temperatura nominală(cu care iese din cazan). În timpul încălzirii fluidul de lucru poate sau nu să-și modifice starea de agregare.

Există două tipuri de focare pentru arderea combustibililor solizi în stare pulverizată:

a) focare cu evacuarea zgurii în stare solidă la care mărimea focarului trebuie să fie aleasă în funcție de tipul, construcția și amplasarea arzătorului, pe de o parte și de calitatea combustibilului care impune temperatura gazelor de ardere la ieșirea din focar.

b) focare cu evacuarea zgurii în stare lichidă.

Soluția de evacuare a zgurii în stare lichidă din camera de ardere presupune menținerea zgurii la o temperatură superioară temperaturii de curgere a acesteia. Această soluție a fost promovată în ideea obținerii, pe de-o parte a unor încărcări termice specifice foarte mari ale spațiului de ardere, care să conducă la instalații cu gabarite reduse și pe de altă parte, la un grad ridicat de reținere a părții minerale din combustibil în camera de ardere. În instalațiile de ardere cu evacuare în stare lichidă a zgurii a cunoscut o varietate mai mare de soluții constructive decât cele cu evacuare în stare solidă. Principala caracteristică a diverselor variante constructive o constituie gradul de reținere a cenușii în camera de ardere.

Arderea în focare de praf de cărbune depinde de proprietățile cărbunilor și de mărimile particulelor de praf, adică de așa – numitul material măcinat, de concentrația oxigenului în focar, precum și de temperatura procesului de ardere care depinde de puterea calorifică a cărbunilor în gradul de ecranare a focarului și de coeficientul de emisiune a radiației flăcării de praf de cărbune. Un factor deosebit de important pentru desfășurarea procesului de ardere este, de asemenea, viteza de curgere a amestecului de praf de cărbune cu gaze prin focar, precum și mărimea acestui focar. Influența fiecăruia din acești asupra procesului de ardere nu a fost încă pe deplin studiată. Chiar și calculul aproximativ al acțiunilor simultane depășește posibilitățile actuale ale celor mai mari mașini cifrice.

Pentru un inginer, în etapa de analiză a procesului tehnologic și elaborarea modelelor matematice pentru sinteza sistemului apare necesitatea efectuării a o serie de calcule tehnologice și analize sistematice cum ar fi:

– calculul de transferuri de căldură, de coeficienți de transfer și de pierderi de căldură în procesele termice;

– calculul debitelor de fluid, a pierderilor de presiune între diversele puncte ale instalației și dependența lor de mărimile ce caracterizează fluxul tehnologic;

– calculul regimurilor posibile de funcționare în cadrul proceselor de vaporizare – condensare la echilibru, al reacțiilor chimice.

2.Procese de ardere

2.1.Combustibili energetici

2.1.1. Generalități. Clasificarea combustibililor.

Se numește ardere procesul chimic de combinare a două substanțe – combustibilul și oxidantul – care are loc cu degajarea puternică de căldură, provocând o creștere bruscă a temperaturii amestecului substanțelor aflate în reacție.

Prin noțiunea de combustibil se înțelege orice substanță, care conține și poate degaja liber elemente carburante în stare atomică. Din punct de vedere energetic, pentru ca o substanță să fie folosită drept combustibil, ea trebuie să îndeplinească o serie de condiții și anume:

– să se combine cu oxigenul în aer exotermic, cu o gegajare specifică de căldură suficient de mare la o temperatură cât mai ridicată;

– să-și mențină constante în timp caracteristicile fizico-chimice și tehnologice, pentru a putea fi prelucrată în condiții optime din punct de vedere termic;

– să conțină în cantități foarte reduse substanțe ca sulful sau vanadiul, care prin ardere produc gaze cu acțiune nocivă asupra părții metalice a instalației de cazane;

– să nu aibă o utilizare superioară arderii;

Oxidant poate fi orice substanță, care conține și care poate degaja atomi de oxigen în stare liberă. Privită dintr-un punct de vedere mai larg, arderea se poate efectua și cu ajutorul altor elemente: sulful, fluorul, clorul, etc.

Combustibili pot fi clasificați după numeroase criterii: proveniență, stare de agregare, vârstă geologică sau vârstă chimică, origine și materie primă metamorfozată, modul de obținere, diferite caracteristici predominante, etc.

Din punctul de vedere al provenienței, combustibili pot fi naturali și artificiali. Cei artificiali sunt fie forme înnobilate sau derivate într-un proces de înnobilare a celor naturali, printr-un procedeu mecanic (cărbune spălat, șlam, mixte), termomecanic (brichetare, deshidratare) sau termo-chimic (semicocs, distilare fracțională), fie substanțe organice, fabricate industrial pentru a înlocui combustibili naturali.

Starea de agregare sub care se prezintă combustibilii (solidă, lichidă sau gazoasă), constituie un criteriu hotărâtor în ceea ce privește organizarea procesului de ardere, implicit în alegerea formei constructive a focarului.

Astfel de combustibilii gazoși și lichizi se ard în cameră, pe câtă vreme combustibilii solizi pot fi arși fie în cameră, fie în strat.

2.1.2. Puterea calorică

Puterea calorică reprezintă cantitatea de căldură, care se degajă prin arderea completă a unui kilogram de combustibil solid sau lichid sau a unui metru cub normal de combustibil gazos.

La arderea unui combustibil apare în fum o cantitate de vapori de apă proveniți din umiditatea inițială a combustibilului W sau din arderea hidrogenului H. După starea în care se găsește apa în produsele arderii deosebim:

– puterea calorică inferioară (Hi), când apa sa află în stare de vapori;

– puterea calorică superioară (Hs), când apa se află în stare lichidă și prin urmare a pus în libertate, prin condensarea vaporilor, căldura de vaporizare;

În baza acestor definiții, rezultă în mod clar următoarea relație de legătură:

[kj/kg] (1.1)

în care:

– este puterea calorifică inferioară a probei pentru analiză, în kj/kg sau kj/Nm3;

– puterea calorică superioară a probei pentru analiză, în kj/kg sau kj/Nm3;

(9H+Wt) – cantitatea totală de apă care se găsește în fumul rezultat din arderea unității de greutate sau de volum din combustibilul considerat, în kj/kg sau kj/Nm3;

Puterea calorică a unui combustbil poate fi determintă direct pe cale experimentală , sau indirect, prin calcul cunoscându-se compoziția elementară a combustibilului.

Pe cale experimentală în conformitate cu STAS 5269-69, puterea calorică a combustibililor solizi sau lichizi grei se determină arzând complet în bomba calorimetrică o cantitate cunoscută de combustibil (circa 1g), în atmosferă de oxigen la o presiune de circa 25-35 bar și măsurând apoi exact cantitatea degajată. Puterea calorică din bomba Hb reprezintă puterea calorică superioară a combustibilului ars, în condiții diferite de acelea întâlnite în practica focarelor industriale și prin urmare este normal ca cele două valori să nu coincidă.

Puterea calorică a combustibililor gazoși sau a celor lichizi ușori se determină conform STAS R 3361-62 cu ajutorul unui calorimetru special. Principiul metodei constă în arderea completă a unei cantități anumite de gaz și transmiterea, fără pierderi, a călduri degajate în procesul de ardere, unei cantități de apă care se determină prin cântărire.

Pe bază de calcul puterea calorică a combustibililor poate fi determinată dacă se cunoaște analiza lor elementară. Încercările de a lega puterea calorică a combustibilului de compoziția sa au o vechime destul de mare. La timpul său Doulong, pentru stabilirea formulei sale (1819-1838), dorind să ia în considerare influența negativă a oxigenului din combustibil, a emis ipoteza că toată cantitatea de oxigen este legată de hidrogen. Conform acestei scheme ipotetice numai hidrogenul rămas „liber” este supus oxidării și prin urmare degajă căldură, care, după cum se deduce din rapoartele stoechiometrice, este egal cu diferența (H – ). Plecând de la puterile calorice ale carbonului curat, hidrogenului și sulfului, el a propus o formulă de calcul empirică, care transcrisă în sistemul internațional de unități de măsură are forma:

[kj/kg], (1.2)

în care C, H, O și S reprezintă participările în greutate ale carbonului, hidrogenului, oxigenului și sulfului în combustibil, iar coeficienții numerici puterile calorice inferioare (tabelul 1.1).

Puterea calorifică inferioară a unor combustibili elementari

Din relația (1.1) se deduce:

[kj/kg], (1.3)

O formulă similară este propusă și de Asociația inginerilor germani:

[kj/kg], (1.4)

Aceste formule duc în multe cazuri la abateri însemnate față de valorile măsurate în laborator.

Formula lui Mendeleev (1897) este cea mai reușită în cea ce privește posibilitatea de aplicare largă a ei pentru diferiți combustibili:

[kj/kg], (1.5)

Puterea calorică a combustibililor gazoși se raportează la 1 Nm3 și se calculează cu ajutorul unor relații de forma:

Hi=12635(CO2)c+10742(H2)c+35707(CH4)c+59461(C2H4)c+63572(C2H6)c+86402 (C2H6)c [kj/m3N], (1.6)

în care (CO)c, (H2)c, etc., reprezintă participarea volumică a oxidului de carbon, hidrogenului, etc., în compoziția gazului combustibil, iar coeficienții numerici sunt egali cu puterea calorifică a gazelor respective (vezi tab. 1.1).

În cazul amestecului a doi combustibili solizi, sau a unui combustibil solid cu unul lichid,pentru calculul puterii calorifice se poate folosi formula:

[kj/kg] (1.7)

în care:

p – este participarea masică a unui combustibil;

Hi2,Hi2 – sunt puterile calorifice inferioare ale combustibililor care se amestecă, în kj/kg.

În cazul amestecului dintre un combustibil solid sau lichid și un combustibil gazos, în mod convențional, calculul se efectuează pentru 1 kg combustibil solid sau lichid, ținându-se seama de cantitatea de combustibil gazos care revine acestuia (în m3N). Rezultă prin urmare formula de calcul:

[kj/kg], (1.8)

în care:

– este puterea calorifică inferioară a combustibilului solid sau lichid, în kj/kg;

– puterea calorifică inferioară a combustibilului gazos, în kj/m3N;

n – cantitatea de combustibil gazos ce revine unui kilogram de combustibil solid sau lichid, în m3N/kg.

Pentru a se putea calcula rezervele și consumurile de combustibil diferiți, la care trebuie să se țină seama pe lângă cantitatea de combustibil și de puterea lor calorifică, s-a introdus noțiunea de combustibil convențional. Acesta este un combustibil fictiv a cărui putere calorifică este de 7 000 kcal7kgf, respectiv 29 271,2 kj/kg.

2.2.Calculul arderii pentru combustibilul dat

Calculul componentelor procesului de ardere. Pornind de la compoziția dată a combustibilului solid (lignit), am determinat următoarele mărimi:

cantitatea teoretică de O2 [m3N/kg comb];

cantitatea volumetrică specifică de aer de ardere VA0 [m3N/kg comb];

volumul teoretic de aer;

volumul real de aer umed, considerând coeficientul de exces de aer =1,2.

În continuare s-au determinat componentele gazelor de ardere și volumul teoretic și real al gazelor de ardere.

Următoarea etapă de calcul a constituit-o calculul diagramei entalpie – temperatură. În cadrul acestui calcul a fost necesar determinarea entalpiilor volumelor de gaze teoretice, entalpia aerului umed, entalpia componenților din gazele de ardere.

Rezultatele calculului pentru temperaturi cuprinse între 0 și 2000 [0C] sunt prezentate sub formă tabelară.

După determinarea diagramei i-T, cu ajutorul ecuației de bilanț determinăm entalpia gazelor de ardere, iar cu ajutorul diagramei i-T determinăm temperatura teoretică de ardere corespunzătoare acestei entalpii și a unui coeficient de exces de aer.

2.2.1. Determinarea secțiunii de curgere prin arzătoare pentru realizarea debitului normal de abur la parametri ceruți

Calculăm consumul de combustibil al generatorului de abur cu formula caracteristică și de debitul efectiv de combustibil ars în generator, coeficienți foarte necesari în desfășurarea mai departe acestei lucrări.

Se realizează dimensionarea preliminară a focarului, adică determinarea principalelor dimensiuni. Pentru aceasta se utilizează formulele de încărcare termică din care rezultă:

secțiunea transversală;

volumul focarului;

înălțimea brâului de arzătoare;

lățimea focarului;

lungimea focarului:

înălțimea focarului.

În cuprinsul acestui capitol s-au prezentat mai multe metode de proiectare, fiecare având limitele ei de utilizare. Astfel, metoda sovietică VTI-TKTI este analitică, în timp ce metoda autohtonă și vest, bazându-se pe date statistice și monograme, permit analiza rapidă a mai multor variante, ușurând astfel calculele tehnico-economice.

O etapă importantă în proiectarea generatoarelor de abur o constituie calculul termic.

Numai pe baza rezultatelor acestui calcul devine posibil alegerea corespunzătoare a materialelor, verificarea de rezistență (în regim static și la oboseală), precizarea caracteristicilor hidro-aero-gazodinamice ale agregatului, precum și stabilirea parametrilor instalațiilor anexe. Calculul termic focarului l-am realizat prin metoda ICSITEE. Pentru acest calcul am folosit programul EXCEL, program de calcul tabelar.

Un punct important al acestui capitol este „Calculul termic al suprafeței de schimb de căldură ale unui generator de abur”, în cadrul căreia se determină temperatura gazelor de ardere la ieșirea din suprafețele de schimb de căldură și cantitatea de căldură schimbată între gazele de ardere și abur.

2.2.2. Determinarea condițiilor de aprindere pentru combustibilul considerat

Utilizăm ecuațiile condițiilor de aprindere, ecuații care se rezolvă prin calcularea coeficienților care intră în componența lor, coeficienți care se determină pe baza unor formule caracteristice.

În majoritatea acestor formule se găsesc temperaturile:

– temperatura particulei de combustibil;

– temperatura mediului gazos ce înconjoară particula.

Aceste 2 temperaturi variază în funcție de diametrul particulei de combustibil și în funcție de umiditatea combustibilului. De aceea pentru a determina variația acestor temperaturi se utilizează aceste 2 ecuații diferențiale.

Rezolvarea sistemului de ecuații se face numeric, utilizând algoritmul Kutta – Merson, sau prin integrarea numerică cu ajutorul programului Matblat.

Soluțiile Tp și Tg ale sistemului format din aceste ecuații reprezintă variația temperaturii particulei, respectiv fazei gazoase în perioada de preaprindere. În cazul simulării unor procese dinamice descrise prin ecuații diferențiale neliniare este necesară efectuarea unor transformări în ecuațiile procesului pentru eliminarea unor erori de calcul sau erori de metodă de integrare.

Procesele de ardere corespund unor procese de reacție și căldura dezvoltată este prinsă în ecuațiile diferențiale printr-un termen de forma:

q=k0*c1*exp(-A/RT)

unde k0 și A/RT au valori de ordinul (106-1010), iar exp(-A/RT) ia valori de ordinul 10-10 până la 10-14. În acest caz dacă metoda de integrare lucrează cu mai puțin de zece zecimale semnificative rezultă practic q=0 datorită erorii de calcul.În aceste condiții se recomandă transformarea lui k0 sub formă de exponențială: k0=exp(a), iar produsul k0*exp(-A/RT)=exp(a-A/RT) ceea ce conduce la creșterea preciziei de calcul a exponențialei.Al doilea aspect care apare este legat de unitățile de măsură cu care se lucrează. De exemplu în aceste ecuații apare la numitor d2 care ia valori de ordinul 40*10-12m2 deci apare factor în membrul drept al ecuațiilor 1012. în aceste condiții orice procedură de integrare numerică a unor sisteme de ecuații diferențiale devine divergentă. În acest caz se recomandă fie micșorarea pasului de integrare, dar de la o anumită valoare nu se mai poate crește precizia, fie schimbarea scalei de timp. În cazul de față s-a lucrat cu =106*t.

2.2.3. Determinarea câmpului de temperaturi

În acest capitol am prezentat metoda de modelare complexă matematico-fizică a arderii amestecului de praf de cărbune cu aer. Pentru a lămuri problema în ansamblu, în subcapitolele 4.1.1. și 4.1.2. se face o trecere critică în revistă a elaborărilor de până acum și a metodelor de calcul pentru flacăra cărbunilor de praf. Metoda prezentată în această lucrare se compune din:

– calculul desfășurării procesului de ardere pe baza unui model matematic, în care este impus cu anticipație bilanțul masei:

– examinarea bilanțului masei, adică a intensității amestecării în aproprierea inedită a arzătorului, pe modelul unui singur arzător;

– examinarea intensității amestecării în camera de ardere pe modelul camerei de focar, executat după metoda de modelare „cu arzătorul retras”;

– stabilirea celei mai probabile desfășurări a amestecării în camera reală de ardere, pe baza cercetărilor de model ale arzătorului și ale camerei de ardere;

– stabilirea bilanțului masei care constituie baza calculelor procesului de aprindere și de ardere a cărbunilor concreți într-un arzător concret de praf de cărbune.

Calculele dau posibilitatea de a analiza flacăra prafului de cărbune, în special în ce privește condițiile create de diferite tipuri de arzătoare și camerele de focare pentru cărbuni concreți. Metoda de modelare complexe matematico-hidraulice a focarelor, permite utilizarea mai completă decât până acum a informațiilor obținute prin modelarea fizică pentru analiza arderii în focare de praf de cărbune.

2.3.Arderea combustibililor gazoși. Avantaje.

Organizarea procesului de ardere.

Odată cu extinderea exploatării gazului natural și cu construcția conductelor de gaze pentru alimentarea la mare distanță, gazul natural a căpătat o mare importanță în industrie. Alături de acesta trebuie luate în considerare gazele siderurgice – gazul de furnal și gazul de cocserie – care se obțin ca un produs secundar al proceselor de producere a fontei și de cocsificare a cărbunelui. Combustibilul gazos este folosit în instalațiile energetice din țara noastră, datorită pe de o parte rezervoarelor existente, iar pe de altă parte avantajelor pe care le prezintă. Datorită puterii calorifice mari, atât gazul natural cu conținut predomină propanul sau butanul, sunt mult folosite drept combustibil în centre termoelectrice mari.

Transportul gazului se face prin conducte, care comportă cheltuieli de exploatare foarte mici și este suficient de sigur pentru a elimina necesitatea de depozitare. Instalațiile de pregătire a combustibilului gazos pentru a fi ars se rezumă de regulă la simple stații de reducere a presiunii și de menținere a ei la o valoare constantă, prevăzute cu dispozitive de siguranță și aparate de măsură și control.

Arzătoarele de gaz sunt simple și cer o întreținere redusă. Arderea se produce într-un spațiu relativ mic, la temperaturi înalte. Deoarece arderea se face cu excese foarte mici de aer, practic foarte mici, se obțin randamente înalte.

Reglarea procesului de ardere este mai ușoară decât în cazul instalațiilor care folosesc combustibili solizi și chiar lichizi, ceea ce permite să se realizeze mai ușor orice regim, iar focarul poate prelua ușor variațiile de sarcină. Automatizarea focarelor, care funcționează cu combustibil gazos, este cu mult mai simplă decât în cazul folosirii combustibilului solid, iar acesta ușurează sensibil munca personalului de deservire.

Lipsa aproape totală a cenușii face ca suprafețele de schimb de căldură să se păstreze curate și în consecință se elimină necesitatea instalațiilor de suflare, costisitoare și greu de întreținut. Datorită lipsei de praf și funingine instalația de cazane nu necesită dispozitive pentru curățarea gazelor de ardere înainte de a fi eliminate pe coșul de fum.

Organizarea procesului de ardere a combustibililor gazoși într- un curent de aer se poate baza pe diferite principii, reprezentate schematic în figura 5.1. Ca metode extreme trebuie considerate metodele cinetice și difuzive de ardere. În primul caz se creează în prealabil un amestec omogen de combustibil și aer, care se introduce în instalația focarului. În cazul al doilea, combustibilul și aerul se introduce separat în focar, unde se creează condiții pentru amestecarea lor prin difuziune.

Fig. 5.1. Schemele principale de organizare a procesului de ardere

pentru combustibilii gazoși:

a – difuziv; b – cinetic; c – intermediar; D, K – frontul de ardere

difuziv și cinetic.

Independent de metoda folosită pentru producerea amestecului carburant, durata totală a procesului de ardere este constituită din două părți: timpul necesar pentru efectuarea contactului fizic între oxidant și combustibil f și timpul consumat pentru desfășurarea reacției chimice propriu-zise r:

t=f+r.

La rândul său, stadiul fizic f se compune din timpul necesar difuziunii oxigenului în combustibil d și din timpul de încălzire al amestecului format, până la temperatura de aprindere înc.

Dacă arderea este organizată după principiul cinetic (fig. 5.1, b) timpul necesar formării amestecului este redus la zero și în consecință, timpul total este egal cu timpul necesar desfășurării reacției chimice propriu-zise:

t r

În cazul arderii cinetice, viteza totală de ardere depinde în special de legile cineticii chimice: energia de activare a reacțiilor, concentrația agenților de reacție, temperatura și presiunea realizată în spațiul de ardere.

Flacăra este scurtă, transparentă, cu capacitate mică de radiație.

Flacăra neluminoasă, caracteristică arderii cinetice, având un coeficient de radiație mic, transmite o cantitate de căldură redusă prin radiație. Din acest motiv suprafețele de schimb de căldură prin radiație, dispuse în focar, nu sunt bine utilizate și sunt necesare suprafețe mai mari de schimb de căldură prin convecție, ceea ce contravine tendinței generale manifestată în construcția generatoarelor de aburi moderne.

Din contră, dacă durata fazei fizice a procesului este mult mai mare decât durata necesară desfășurării fazei chimice, adică dacă d r, rezultă:

t = d

și prin urmare, procesul de ardere se desfășoară în domeniul difuziv (fig. 5.1, a).

În cazul arderii difuzive viteza totală de ardere depinde în special de factorii fizici, care influențează schimbul de masă și căldură în flacără și joacă un rol esențial în fenomenele de aprindere, propagare a frontului de flacără și stabilitate a arderii.

Cazul cel mai general, când în procesul de ardere vitezele de reacție chimice și de amestecare sunt comparabile, este denumit ardere intermediară (fig. 5.1, c).

În focarele cazanelor de abur, datorită temperaturilor ridicate care se stabilesc, viteza de reacție chimică este foarte mare și ca atare, în procesul de ardere rolul principal revine factorilor fizici, care determină schimbul de masă și căldură.

Procesul de schimb de masă și căldură este influențat atât de condițiile aerodinamice de curgere a fluidelor ce reacționează, cât și de procesele chimice care atrag după sine schimbarea temperaturii, compoziția amestecului, proprietăților fizice ale agenților, etc.

Arderea combustibililor lichizi. Avantaje.

Organizarea procesului de ardere.

Puterea calorifică foarte mare, conținutul redus de cenușă, lipsa uneori a sulfului și vanadiului din compoziție, posibilitatea bună de transport, transvazare și depozitare, viteza de ardere foarte ridicată, etc. constituie factorii principali pentru care combustibilii lichizi, în deosebi păcura, sunt folosiți pe scară largă în focarele generatoarelor de abur.

Organizarea procesului de ardere a combustibililor lichizi în focarele generatoare de abur comportă o pregătire prealabilă: curățire, încălzire, pulverizare. Picăturile de combustibil deplasându-se în mediul din focar trec printr-o serie de stadii succesive: evaporarea, descompunerea pirogenetică, amestecarea cu oxidantul și arderea propriu-zisă.

În urma descompunerii pirogenetice, din hidrocarburile complexe se formează hidrocarburi mai simple și hidrogen.

Arderea picăturilor de combustibil lichid are loc în suspensie.

Schema fizică a arderii picăturilor nemișcate de combustibil consideră că picătura este înconjurată de un mediu oxidant, care are temperatura mai mare de cât temperatura de autoaprindere a combustibilului. La început picătura se încălzește, iar apoi după atingerea temperaturii de vaporizare, începe procesul de ardere. Oxigenul din mediul înconjurător difuzează printre vaporii de combustibili către picătură. Împrejurul ei se formează un amestec carburant, la o temperatură suficient de ridicată, care se aprinde.

Ca urmare a arderii vaporilor de combustibil, temperatura mediului înconjurător se ridică și în consecință se mărește căldura ce trece prin picătură, ceea ce duce la intensificarea intensificării. Regimul staționar al arderii începe numai atunci când se vor egala cele două procese: procesul de vaporizare, în urma căruia se formează o cantitate determinată de vapori, și procesul difuziunii, care asigură trecerea cantității corespunzătoare de oxigen, necesară pentru arderea vaporilor de combustibil formați.

Dacă procesul difuzării oxigenului spre zona de ardere se desfășoară mai lent decât procesul vaporizării, atunci timpul de ardere este determinat de timpul necesar difuziunii. În cazul în care vaporizarea picăturilor de combustibil se desfășoară mai lent decât difuziunea oxigenului, timpul de ardere este determinat de timpul necesar producerii vaporizării combustibilului lichid.

Să cercetăm una din schemele arderii picăturii nemișcate (fig. 6.1.). Picătura 1 este înconjurată de stratul de vapori 2 la a cărui margine exterioară se produce procesul de ardere. Din exterior difuzează oxigenul spre frontul flăcării 3, iar de aici spre exterior, produsele arderii.

La temperatura ridicată, care se stabilește de obicei în focar, viteza de ardere este determinată de viteza de vaporizare, care depinde de condițiile trecerii căldurii dinspre mediul înconjurător către suprafața picăturii, atât prin radiație cât și prin convecție.

Fig. 6.1 Schema arderii picăturii

nemișcate de combustibil lichid:

1 – picătura de combustibil;

2 – stratul de vapori; 3 – frontul

flăcării; 4 – zona în care se face

difuziunea oxigenului și a produselor

arderii.

Căldura schimbată în unitatea de timp pe unitatea de suprafață, rezultă din expresia:

q=(Tg – Tp) [W/m2] (6.1.)

în care :

– este coeficientul complex de schimb de căldură prin radiație și convecție de la mediul gazos la suprafața picăturii, în W/m2*grd;

Tg – temperatura volumului gazos, care înconjoară picătura sau a frontului flăcării, în K;

Tp – temperatura picăturii, în K.

Cantitatea de lichid, care se vaporizează în unitatea de timp pe unitatea de suprafață a picăturii de combustibil, poate fi determinată după ecuația:

[kg/m2*s] (6.2)

unde:

q – este căldura latentă de vaporizare, în J/kg;

R – constanta vaporilor de combustibil, în J/kg*K;

K – constanta ce depinde de felul combustibilului.

Într-un regim staționar căldura transmisă spre picătură este folosită în întregime la vaporizarea combustibilului și prin urmare:

(Tg-Tp)=qv*mp (6.3)

sau

(Tg-Tp)=qv*Ke (6.4)

Trebuie remarcat că dintre mărimile car intră în ecuația (6.4), valoarea coeficientului de schimb de căldură se determină cel mai dificil. Valoare criteriului Nu = depinde de viteza relativă a picăturii în mediul gazos și conform datelor experimentale este funcția de criteriul Re = . Pentru numere Re 100, calculul coeficientului de convecție poate fi efectuat după relația:

Nu=0,56 Re0,5 (6.5)

iar pentru Re 100, după relația:

Nu=2+0,16 Re (6.6)

În cazul dimensiunilor mici ale picăturilor sau la viteze relative reduse, vor rezulta, după cum este normal, valori mici pentru cifra Re și ca atare relația (6.6) capătă forma simplificată:

Nu= (6.7)

În baza relațiilor (6.3) și (6.7) urmează că:

qmp= (6.8)

timpul de ardere (vaporizare) al combustibilului se determină ținând seamă că între cantitatea de combustibil care se vaporizează în timpul d și cantitatea de căldură transmisă spre picătură în același timp trebuie să existe relația:

dm= (6.9)

în care:

dm=-4r2pd (6.10)

și

dQ=4r2(Tg-Tp)d (6.11)

unde:

r – este raza picăturii de combustibil, în m;

p – densitatea picăturii de combustibil, în kg/m3;

– timpul de ardere, în s.

Din relațiile de mai sus se obține expresia:

d= (6.12)

care poate fi înregistrată între limitele 0- pentru timp, respectiv r0-0, pentru rază:

=-[s]. (6.13)

Dacă se admite simplificarea exprimată de relația (6.7), rezultă în final:

=[s]. (6.14)

Din ecuația (6.14) urmează că timpul de ardere al picăturii este proporțional cu pătratul razei inițiale, ceea ce pune în evidență că picăturile cele mai mari ard mai încet decât cele mici.

Ecuația (6.14) arată de asemenea că timpul de ardere crește odată cu creșterea densității și a căldurii de vaporizare a combustibilului și scade la creșterea temperaturii mediului înconjurător Tg, în ipoteza că temperatura picăturii Tp rămâne constantă.

Rezultatele obținute pe cale teoretică, deși descriu cu suficientă precizie fenomenul arderii picăturii de combustibil, au totuși o aplicare limitată din cauza ipotezelor admise inițial: regim staționar și simetrie sferică a proceselor de schimb de căldură și masă.

Aceste ipoteze sunt în general valabile în cazul arderii picăturilor foarte fine, când convecția naturală sau forțată nu poate juca rol important.

În jetul de lichid pulverizat picăturile au dimensiuni de la câțiva microni până la câteva sute de microni. Pentru picăturile de dimensiuni mari nu se mai pot neglija o serie de factori (rezistența aerodinamică a picăturii, asimetria procesului de ardere, forțele gravitaționale, etc.), care modifică condițiile de ardere adoptate teoretic în demonstrația de mai sus. De asemenea este dificil să se cunoască valorile precise ale unor parametri fizici și chimici ai combustibilului și mediului oxidant, care depind de repartiția câmpului de viteze, concentrații, temperaturi în imediata vecinătate a picăturii. Din aceste motive s-a căutat un parametru global, care să caracterizeze arderea unui anumit tip de combustibil lichid și care să poată fi ușor determinat experimental.

În acest sens, de cea mai largă utilizare, se bucură legea diametrelor:

d2=d02-K (6.15)

în care:

d0 – este diametrul inițial al picăturii, la timpul =0;

d – diametrul picăturii la timpul ;

K – constanta de evaporare.

Constanta de evaporare depinde de natura combustibilului, cât și de parametrii aerodinamici și fizico-chimici ai procesului. Valoarea sa se poate determina experimental trasând dependența d2=() (fig. 6.2) și observând că sistemul de coordonate ales, K=tg .

În cazul arderii combustibililor lichizi grei, procesele de ardere devin mai complexe, datorită temperaturilor mari ale suprafeței picăturii, care poate depăși 4500C, ceea ce conduce la transformarea carboidelor, reacții care sunt însoțite de degajări de gaze și vapori, precum și formarea reziduului poros de cocs (cenosfera).

Fig. 6.2. Variația diametrului picăturii

de combustibil lichid în funcție de timp.

În anumite cazuri suprafața picăturii se acoperă cu o crustă, care împiedică procesul de evaporare și conduce la supraîncălzirea picăturii, ceea ce grăbește procesul de cracare cu degajări de vapori și gaze în interiorul picăturii. Ca urmare, sub acțiunea crescândă a presiunii din interior, picătura se umflă în limitele plasticității membranei după care are loc spargerea picăturii și împrăștierea conținutului său interior sub formă de vapori și componenți lichizi.

Timpul de ardere al picăturilor de combustibil lichid greu poate fi considerat ca sumă a patru componente:

– timpul de întârziere la aprindere i necesar încălzirii picăturii până la temperatura de aprindere a volatilelor;

– timpul de ardere a materiilor volatile;

– timpul de întârziere la aprindere al cenosferei ic, necesar încălzirii picăturii până la temperatura de aprindere a cenosferei;

– timpul c de ardere al cenosferei.

Cercetările [12] au arătat că pentru picăturile de combustibil lichid greu timpul de existență nu scade uniform cu pătratul diametrului inițial.

Relația de calcul a timpului de existență are forma:

e=d0n (6.16)

2.1.3.Arderea combustibililor solizi. Avantaje.

Organizarea procesului de ardere

Organizarea procesului de ardere a combustibilului solid în focare, redată intuitiv în figura 7.4, cuprinde următoarele faze:

1) Pregătirea mecanică a combustibilului (sortare sau sfărâmare);

2) Alimentarea focarului cu combustibil și aer precum și asigurarea circulației acestora;

3) Realizarea unui contact intim între combustibil și oxidant (aer);

4) Pregătirea termică a combustibilului și a aerului necesar arderii (preîncălzirea aerului și a combustibilului, uscarea combustibilului, degajarea substanțelor volatile);

5) Aprinderea gazelor rezultate în urma pregătirii termice a combustibilului;

6) Arderea materiilor volatile și a cocsului;

7) Asigurarea circulației gazelor rezultate din arderea combustibilului și eliminarea lor;

8) Separarea și eliminarea părților solide necombustibile (cenușă și zgură).

Fig. 7.4. Fazele organizării proceselor de ardere a combustibililor

solizi.

Totalitatea acestor faze, adică procesul de ardere a unui combustibil solid, poate fi realizat folosind unul din următoarele procedee: arderea în strat, arderea în cameră sub formă de praf în suspensie.

3. Instalații pentru arderea cărbunelui în strat

3.1. Clasificarea focarelor cu grătar

Procedeul arderii cărbunelui în strat este cel mai vechi dintre procedeele de ardere utilizate astăzi. A cunoscut o linie de dezvoltare ascendentă de la grătare fixe cu deservire manuală până la instalațiile complet mecanizate de astăzi. În țările cu rezerve de cărbune superior focarele generatoare de abur de putere mică și medie se mai înzestrează și astăzi cu grătare adecvate datorită costului de investiție redus, spațiului ocupat restrâns, exploatării relativ simple și sigure, inerției termice mari etc.

În țara noastră cea mai mare rezervă de combustibil prospectat o constituie lignitul, a cărui ardere implică utilizarea unor grătare capabile să asigure o răscolire intensă a stratului de cărbune, pentru a împiedica astfel zgurificarea, care conduce la valori inacceptabile a pierderilor prin nearse. Conținutul ridicat de balast al ligniților impune o atenție deosebită cu privire la asigurarea aprinderii și arderii stabile.

Rezultatele cercetării de ardere a ligniților din România pe grătarul cu împingere răsturnată propus de Institutul de Energetică, sunt superioare celor obținute pentru alte tipuri de grătare, totuși randamentul arderi (79-87%) rămâne sub valorile obținute pentru arderea pulverizată a ligniților.

Astăzi există un număr foarte mare de tipuri de focare cu grătar, care diferă între ele prin gradul de mecanizare al principalelor operații de deservire (alimentarea cu cărbune proaspăt, deplasarea și răscolirea stratului de cărbune în timpul arderii, evacuarea cenușii și zgurei), prin modul în care se face aprinderea (superioară, inferioară și mixtă), prin direcția curentului de aer și gaze arse fașă de curentul de combustibil și zgură (contracurent, echicurent, încrucișat).

Caracteristic pentru focarele cu ardere în strat este prezența grătarului, care are rolul de a susține cărbunele în timpul arderii și de a permite aerului primar să pătrundă cât mai uniform în stratul de cărbune. Grătarul se compune din bare sau plăci, de diverse forme și dimensiuni, care se sprijină pe grinzi.

Grătarul separă spațiul focarului în două părți: una inferioară pe unde se evacuează cenușa și zgura, denumită din această cauză cenușar, iar cealaltă superioară, unde are loc arderea materiilor volatile și a produselor gazeificării cărbunelui, denumită spațiul de ardere.

Mărimile caracteristice ale grătarelor sunt:

a) Suprafața grătarului, care reprezintă suprafața pe care se poate așeza combustibilul;

b) Raportul dintre suprafața liberă și suprafața totală a grătarului raport variabil între 0,2 și 0,7 în funcție de tipul grătarului și modul de introducere a aerului în focar (aspirat, insuflat).

c) Încărcarea mecanică specifică a grătarului, reprezentând raportul dintre cantitatea de combustibil arsă în timp de o secundă pe grătar B și suprafața totală a grătarului Agr, se exprimă prin relația:

bg= (7.1)

d) Încărcarea termică specifică aparentă a grătarului reprezintă raportul dintre căldura dezvoltată în mod teoretic prin arderea completă a cărbunelui pe grătar și suprafața grătarului:

qg= (7.2)

e) Coeficientul de răcire, definit ca raportul dintre suprafețele unei bare spălate de aer și suprafața acoperită de cărbune:

kr= (7.3)

în care h este înălțimea barei de grătar și s lățimea ei măsurată pe partea unde se așează cărbunele (fig. 7.5). În aceleași condiții de ardere și aceleași cărbune, valori mai ridicate ale coeficientului kr înseamnă o răcire bună și asigură o exploatare mai lungă a barelor de grătar, deoarece acestea vor funcționa la solicitări termice mai reduse.

Fig. 7.5. Coeficientul de răcire pentru diferite bare de grătar.

3.2. Tipuri de focare de grătar

În figura 7.6 se prezintă schema unu focar interior cu grătar plan, constituit din barele paralele, așezate alăturat prin simple rezemare la capete pe grinzi transversale, sprijinite la rândul lor de grinzi longitudinale. Barele grătarului formează o suprafață plană orizontală sau cu o ușoară spre partea superioară (pantă 1 : 20), mărginită la capătul anterior de pragul focarului, iar la posterior de altar. Combustibilul se introduce pe grătar prin ușa de alimentare, iar aerul primar prin ușa cenușarului.

Fig. 7.6. Focar interior cu grătar plan:

1 – bară de grătar; 2 – spațiu de ardere; 3 – cenușar;

4 – ușa de alimentare; 5 – ușa cenușarului;

6 – grindă transversală; 7 – grindă longitudinală;

8 – prag; 9 – altar.

Barele grătarului (fig. 7.7), cu diversitate mare de forme (simple, ondulate, poligonale) sunt confecționate din fontă tunată în cochilie pentru a avea o suprafață dură. Dimensiunile caracteristice ale barelor variază între limitele: lungimea L = 400-800 mm, înălțimea h = 80-100 mm, lățimea pe care se așază cărbunele s= 10-20 mm, lățimea intensităților 6-10 mm, coeficientul de răcire kr în jur de 12.

Fig. 7.7. Bare pentru grătar plan.

Deservirea manuală, pierderile de căldură foarte mari (mai ales prin nearse) și coeficientul excesului de aer foarte ridicat au făcut ca acest grătar, să aibă doar utilizări foarte limitate. Simplitatea construcției este principalul motiv pentru care a fost prezentat aici.

Mecanizarea procesului de încărcare a cărbunelui folosind fie un grătar înclinat cu un unghi față de orizontală mai mare decât unghiul de taluz natural al cărbunelui, fie cu un dispozitiv mecanic (fig. 7.8) a reprezentat un salt calitativ în construcția focarelor cu grătar, cu repercusiuni favorabile în ceea ce privește reducerea coeficientului excesului de aer în focar și a aprinderilor de căldură prin nearse.

4 Instalații pentru arderea cărbunelui pulverizat

4.1. Rolul și clasificarea arzătoarelor pentru praful de cărbune

Praful de cărbune este insuflat în focar cu ajutorul aerului prin instalația de arzătoare. Aerul care conține particule de praf în suspensie și pătrunde în focar împreună cu acestea se numește aer primar. Restul de aer necesar arderii, care pătrunde în focar prin arzător, sau în jurul ambrazurii poartă denumirea de aer secundar. În sfârșit, aerul insuflat prin orificii prevăzute anume în pereții focarului este denumit aer terțiar.

Prin noțiunea de instalație de arzătoare se înțelege întregul ansamblu care concură la introducerea în focar a prafului de cărbune și a aerului, amestecate în mod corespunzător. Instalația de arzătoare trebuie să asigure amestecarea bună a prafului și a aerului, posibilitatea aprinderii cât mai repede a amestecului, arderea cât mai completă a prafului și stabilitatea procesului de ardere.

Construcția arzătoarelor nu trebuie să permită apariția de zone cu lipsă de aer și nici atingerea pereților de către flacără. Atât practica exploatării focarelor cu praf de cărbune, cât și cercetările de laborator au pus în evidență că în desfășurarea procesului de depunere a zgurei și a coroziunii țevilor rolul hotărâtor îl are modul în care se desfășoară arderea. La rândul său, desfășurarea arderii este condiționată de arzătoare și de caracteristicii curgerii în focar. Din păcate curgerea în focar este greu de determinat. Cercetările pe modele, la rece, sunt valoroase, deși nu trebuie supraapreciate. Forma focarului poate influența în mod favorabil condițiile de curgere, dar rolul principal îl au totuși arzătoarele.

Realizarea unui amestec uniform a prafului de cărbune cu aerul de ardere constituie problema cea mai dificilă. Aproape în toate cazurile, viteza fluidului purtător în secțiunea de ieșire este foarte neuniformă și în consecință concentrațiile momentane de praf de cărbune variază foarte mult într-o secțiune transversală. De asemenea profilul granulometric prezintă mari oscilații într-o anumită secțiune, procentul cel mai ridicat al granulelor mari aflându-se în zone vitezelor maxime.

Numărul tipurilor de arzătoare este foarte ridicat și nu se poate deosebi în mod clar un criteriu unic de clasificare. Se pare însă că cea mai corectă clasificare o constituie cea după procesul de amestecare și modul de formare a flăcării după care se deosebesc: arzătoarele turbionare, ambrazuri și arzătoare cu fante.

Arzătoarele cu fante sunt acelea în care amestecul praf-aer prima iese separat din arzător și apoi se adaugă aerul secundar, formând fiecare jeturi separate. La arzătoarele turbionare și ambrazuri amestecarea dintre aerul primar – praf și totalitatea aerului secundar are loc în interiorul sau imediat la ieșirea din arzător, deci înainte de aprindere.

4.2. Arzătoare turbionare

În figura 7.36 este reprezentat arzătorul melc cu flacăra rotundă turbulentă care se construiește în țara noastră pentru arderea lignitului. Amestecul de praf de cărbune și aer primar intră în focar prin tubul central 3, care are la sfârșit o piesă de capăt din fontă 4, rezistente la temperaturi înalte. Reglarea secțiunii de ieșire pentru aerul primar se realizează cu ajutorul conului de împrăștiere 5, care poate fi deplasat axial. Aerul secundar, care a trecut prin melcul 1, iese din focar turbionar, prin spațiul inelar dintre piesa de capăt 4 și zidărie.

Fig. 7.36. Arzător cu flacără:

1 – melc; 2 – tijă; 3 – tub central; 4 – piesă de capăt; 5 – con de împrăștiere;

6 – vizor; 7 – roată de mână; 8 – clapeta pentru reglarea aerului secundar.

Arzătorul turbionar TKZ de construcție sovietică (fig. 7.37) se deosebește de cel descris anterior prin faptul că turbionarea amestecului de aer primar și praf de cărbune se realizează în melcul 2 și din această cauză conul de împrăștiere nu mai este necesar. Pentru mărirea unghiului de conicitatea al flăcări, necesar în special la arderea cărbunilor săraci în volatile piesa de capăt 5 se execută divergentă.

Intensificarea amestecării celor doi curenți la ieșirea din arzător poate fi influențată prin poziția unei clapete sub formă de limbă 8, care poate obtura intrarea aerului secundar.

În figura 7.38 este reprezentat un arzător turbionar de tip Borsig la care turbionarea amestecului praf-aer se face prin introducerea tangențială a acestuia în spațiul inelar 1, iar turbionarea curentului de aer secundar cu ajutorul aripioarelor 2. Direcțiile contrare de rotire ale jeturilor la ieșirea din arzător provoacă ruperea de către curentul de aer secundar a vânei spirale de praf-aer primar și în felul acesta se realizează un bun amestec.

Fig. 7.37. Arzător turbionar TKZ:

1 – melc pentru aerul secundar; 2 – melc pentru aerul primar;

3 – tubul central; 4 și 5 – piese de capăt din fontă; 6 – orificiu pentru

injectorul de păcură; 7 – pârghie de acționare; 8 – clapetă de aer.

Fig. 7.38. Arzător turbionar tip Borsig:

1 – camera pentru turbionarea amestecului praf-aer primar; 2 – aripioare;

3 – tub central pentru injectorul de păcură.

Schema de aprindere a amestecului de praf și aer pentru arzătoarele rotunde turbionare este arătată în figura 7.39.

Curentul de aer secundar, care este răsucit în melc sau în dispozitive cu palete, creează un jet foarte divergent și ușurează probabil prin aceasta lărgirea zonei curenților contrari în miezul flăcării, intensificând totodată procesul de formare a amestecului la periferie.

Arzătoarele turbionare folosite în practică se construiesc pentru debite de combustibil de (9,5 – 18) tf/h. Viteza la ieșire a aerului primar se situează în limitele precizate în tabelul 7.2.

Fig. 7.39. Configurația curgerii aerului și gazelor arse

în cazul arzătoarelor turbionare:

a – cu turbionarea numai aerului secundar;

b – cu turbionarea aerului primar și secundar.

Vitezele recomandate pentru calculul arzătoarelor turbionare

Arzătoarele turbionare se pot folosi pentru toți cărbunii, totuși în general ele se folosesc la arderea cărbunilor săraci, deoarece pentru cărbunele brun din motive de economicitate este rațional să se folosească focare cu moară în puț.

Aproape întotdeauna, arzătoarele turbionare se așează pe peretele frontal sau față în față pe pereții laterali.

4.2.1. Ambrazuri

La arderea prafului de turbă, cărbune brun și chiar huilă, preparat în instalații prevăzute cu mori cu ciocane cu puț, introducerea amestecului aer-praf de cărbune în focar se face printr-o fereastră sub forma unui difuzor plan asimetric denumit ambrazură.

În fond ambrazura face parte din categoria arzătoarelor cu amestec și s-a dezvoltat în ideea măririi debitului unitar al arzătoarelor turbionare. În stadiul actual se folosesc diverse tipuri de ambrazuri: simple, cu deflector, cu ejecție, cu fante, etc.

Funcționarea focarelor cu ambrazură simplă (fig. 7.40) se caracterizează printr-o amestecare nesatisfăcătoare, printr-un unghi mic de deschidere al flăcării și printr-o umplere proastă a volumului focarului de către flacără. De aceea folosirea ambrazurii simple este indicată pentru cazane cu debitul de până la 75 t/h.

Fig. 7.40. Ambrazură simplă (deschisă):

1 – ambrazură; 2 și 3 – fantă pentru introducerea

aerului secundar.

În ultima vreme, pentru cazanele de debit mijlociu și mare și-au găsit întrebuințare focarele cu ambrazură înzestrate cu deflector fix sau mobil, care împarte curentul de praf-aer în două părți (fig. 7.41). În felul acesta se mărește unghiul de deschidere al flăcării ceea ce are ca urmare îmbunătățirea umplerii focarului; în același timp în spatele deflectorului se creează o recirculare a gazelor fierbinți, care mărește stabilitatea aprinderii combustibilului.

Aerodinamica focarului se îmbunătățește simțitor prin folosirea ambrazurilor cu ejecție (fig. 7.42).

De regulă ambrazurile pentru cazanele cu debit de la 12 la 120 tf/h sunt amplasate pe peretele frontal. Pentru debite mari este posibilă așezarea ambrazurilor față în față pe cei doi pereți laterali.

La așezarea frontală a ambrazurii, viteza amestecului de praf de cărbune și aer primar se recomandă să se ia în limitele (4-6) m/s pentru toate tipurile de ambrazuri. Viteza aerului secundar insuflat prin ajutaje deasupra și dedesubtul ambrazurii variază între (20-40) m/s. În mod special, când se folosește ambrazură cu ejecție, aerul secundar iese cu viteza de (15-20) m/s prin ajutajul superior și cu (25-30) m/s prin cel inferior.

În toate cazurile, s-a dovedit eficace introducerea a cca (10-15)% din cantitatea de aer necesară arderii printr-un ajutaj amplasat în peretele din spate al focarului la nivelul ambrazurii.

În cazul amplasării ambrazurilor în colțurile focarului, viteza amestecului de praf de cărbune și aer primar se ia aproximativ (5-18) m/s, iar a aerului secundar de (30-35) m/s.

Fig. 7.41. Ambrazură cu deflector orizontal:

1 – puțul de separație; 2 – ambrazură; 3 – deflector;

4 – focar mufă; 5 și 6 – fantă pentru insuflarea

aerului secundar;

Fig. 7.42. Ambrazură cu ejecție:

1 – ajutaje fantă.

Pentru generatoarele de abur cu debitul mai mare de 240 t/h, folosirea focarelor cu moară în puț nu s-a dovedit indicată.

4.2.2. Arzătoarele cu fante

În ultima vreme au căpătat o răspândire tot mai mare arzătoarele cu fante. În figura 7.43 este prezentat un arzător cu fante UP-4 de construcție sovietică, destinat pentru arderea cărbunilor bruni și huilei. Amestecul de praf și aer primar pătrunde prin tubul central 1, de unde prin ajutajul-fantă 2 iese în focar. Aerul secundar intră prin ajutajul exterior 3, care îmbracă ajutajul fantă 2. Pentru deplasarea flăcării cu înălțimea focarului, în scopul reglării temperaturii de supraîncălzire a aburului, ajutajele arzătorului pot fi rotite pe un motor electric (printr-un reductor și un sistem cu pârghii) în sus cu un unghi de 120 și în jos cu 200 față de planul orizontal.

Aprinderea jetului se face pe suprafața sa exterioară (fig. 7.44, a).

Fig . 7.44. Schema de curgere a jetului de aer și praf de cărbune

În cazul arzătoarelor fantă:

a – cu aer secundar în exterior;

b – cu aer secundar în interior.

Arzătorul este compus din două părți așezate simetric față de un plan intermediar orizontal. Aerul secundar pătrunde prin orificiile 1, iar amestecul de praf-aer primar, prin orificiile 2.

De multe ori în construcția arzătoarelor cu fantă se întâlnesc tendințe de a diviza jetul de praf-aer primar în mai multe părți și a intercala între ele vine de aer secundar. Pe această bază s-au construit arzătoarele multifante, care realizează o scurtare simțitoare a lungimii flăcării.

Arzătorul de tip registru, reprezentat în figura 7.46 se compune din mai multe conducte scurte prin care se introduce aerul primar și praful de cărbune furnizat în general de mori ventilator amplasate chiar sub arzătoare. În partea finală conductele arzătorului sunt înclinate cu circa 200 față de orizontală.

În vederea măririi stabilității procesului de aprindere și ardere prin recircularea unei cantități de gaze arse în zona de aprindere, ca și pentru o

mai bună amestecare a aerului cu combustibilul, în fantele de aer secundar sunt așezate deflectoare.

Fig. 7.43. Arzător cu fante UP-4:

1 – tub central; 2 – ajutaj fantă; 3 – intrarea aerului secundar;

4 – servomotorul pentru reglarea direcției flăcării.

În figura 7.47 este reprezentat un arzător reglabil cu manta dublă de tip Walther, folosit pentru arderea prafului de huilă într-un focar cu topire a cenușei. Conform figurii, jeturile se unesc cu copul de a mării puterea de ardere într-un anumit punct. Ajutajele sunt trase cât mai mult în afară și sunt protejate prin țevi de răcire, pentru ca aprinderea să se poată efectua

în aproprierea gurii arzătorului fără deterrului fără deter, de exemplu în cazul unei sarcini reduse. Din figură se pot vedea și mărimea vitezelor de ieșire a diferitelor jeturi.

Fig. 7.47. Arzător reglabil cu manta dublă tip Walther.

În figura 7.48 este reprezentat un arzător tip Babcock pentru cărbune brun. Se remarcă execuția ajutajelor de amestec cu strat dublu de aer periferic. Vitezele și proporțiile de aer sunt indicate de desen.

Un arzător ce se situează între tipurile cu fante și cu amestec este arzătorul cu lovire și ricoșare (Prallbrenner) [36] amplasat pe tavanul focarului (fig. 7.49). Aerul primar (15-20% din cel necesar) împreună cu praful de cărbune este insuflat prin orificiile 1, în jurul cărora se introduce aer secundar (20-25% din cel necesar) prin orificiile 2. restul de aer secundar (circa 60% din cel necesar arderii) se insuflă prin orificiile 3. prevederea unor țevi de impact 4 asigură un amestec intens între praful de cărbune și aer.

Fig. 7.48. Arzător de colț tip Babcock:

1 – aer superior; 2 – amestec aer primar-praf;

3 – aer mijlociu; 4 – aer periferic; 5 – aer inferior.

Fig. 7.49. Arzător de tavan cu lovire și ricoșare (Prallbrenner):

1 – orificiu pentru aer primar și praf;

2 și 3 – orificii pentru aerul secundar;

4 – țevi de impact.

Arzătoarele cu fantă se construiesc pentru debite unitare de cărbune de (7-14) t/h. Viteza aerului primar între limitele (22-32) m/s, iar cea a aerului secundar între (27-37) m/s.

În alegerea vitezelor de insuflare ale amestecului de praf de cărbune-aer primar, respectiv aer secundar, – trebuie să se țină seama și de viteza de aprindere aer-praf funcție de calitatea combustibilului, exprimată prin conținutul de volatile Vmc, umiditate și cenușă al cărbunelui. Din figura 7.50 se observă pentru combustibilii cu conținut redus de materii volatile, deci cu o susceptibilitate la aprindere redusă, este necesar să se adopte viteze mai mici de insuflare ale amestecului aer-combustibil, pentru ca arderea să fie stabilă.

Tot în sensul reducerii vitezei de insuflare a amestecului aer-combustibil influențează și creșterea conținutului de cenușă și umiditate, raportat la starea inițială în cazul schemelor de pregătire a prafului cu insuflare directă fără insuflarea vaporilor de apă (fig. 7.51).

Fig. 7.51. Variația vitezei de ieșire din arzător

în funcție de conținutul de umiditate și cenușă

al cărbunelui.

Fig. 7.52. Arzător cu fante prevăzut cu dispozitive centrifugale

de separare a vaporilor de apă:

1 – aer superior; 2, 5 și 8 – aer periferic; 3 – aer, vapori de apă

și praf fin (Bruden); 4 – aer intermediar; 6 și 9 – praf de cărbune și aer primar;

7 – aer central; 10 – aer inferior; 11 – dispozitiv de rotație.

În cazul arderii cărbunilor cu umiditate ridicată s-au aplicat dispozitive centrifugale pe conductele de amestec de aer primar-combustibil, în vederea separării vaporilor de apă și particulelor fine de praf (Bruden); care se introduc în focar pe la partea superioară (fig. 7.52).

4.3. Clasificarea și schemele constructive ale focarelor

cu praf de cărbune și evacuarea cenușii în stare solidă

Camerele focarelor pentru arderea cărbunelui pulverizat se deosebesc între ele prin așezarea arzătoarelor, configurația flăcării, modul de îndepărtare al zgurii și așezarea ecranelor.

Dacă se face o clasificare a focarelor din punctul de vedere al drumului parcurs de flacără, se pot distinge în tehnica actuală trei tipuri principale de focare și anume: liniare, centripete și centrifuge. Ele sunt reprezentate schematic în figura 7.53.

Fig. 7.53. Tipuri principale de focare pentru praf de cărbune

Cu evacuarea cenușii în stare solidă:

a – liniar cu flacără U; b – liniar cu flacără L; c – liniar cu flacără S;

d – centripet cu arzătoare în colțuri; e – centrifug.

Din categoria focarelor liniare fac parte cele cu flacără în formă de U, L, S și eventual combinațiile posibile ale acestora.

În cazul focarelor centripete, jetul de praf-aer cât și curentul gazelor de ardere se îndreaptă de la exterior spre interiorul focarului, evacuarea gazelor făcându-se pe verticală de sus în jos.

În sfârșit, cea de-a treia categorie o constituie focarele centrifuge în care gazele de ardere se scurg din interior spre exterior. Această categorie de focare este puțin răspândită în practică din cauza dificultăților constructive.

Arzătoarele se dispun pe peretele frontal, pe pereții laterali față în față sau la nivele diferite precum și în colțurile focarului. Numărul și tipul arzătoarelor este dependent e așezarea lor și de producția de abur a cazanului. Pentru orientare se recomandă datele din tabelul 7.3.

În figura 7.53, a este prezentată schema reprezentată schema bine cunoscutului focar pentru arderea cărbunelui pulverizat cu flacăra în U. Acest focar a fost elaborat și a căpătat răspândire chiar la începutul dezvoltării arderii cărbunelui pulverizat.

Numărul de arzătoare reprezentat pentru focarele cu praf de cărbune

După cum se vede în figură, arzătoarele sunt așezate în bolta camerei focarului. Se întrebuințează de obicei arzătoare cu fante, care se așază într-un singur rând pe lățimea focarului. Jetul de aer primar și cărbunele pulverizat, împreună cu aerul secundar se amestecă în camera focarului și flacăra, care se formează, se deplasează de sus în jos.

În practica exploatării acestor focare se obișnuiește ca din cantitatea totală de aer necesară arderii (20 – 30)% să fie aer primar, (10 – 15)% aer secundar introdus prin arzător, iar restul, cunoscut sub denumirea de aer terțiar, se introduce prin orificiile dispuse în peretele frontal al focarului.

Schema focarului cu flacăra în U este afectată de o serie de deficiențe.

Aerul terțiar ieșind prin mai multe orificii ale peretelui frontal, are viteze inițiale prea mici și nu este capabil să pătrundă în curentul principal până la o adâncime suficientă. Turbulența flăcării este nesatisfăcătoare, centrul de degajare a căldurii se îndepărtează de baza flăcării, înrăutățind condițiile de aprindere. Acest lucru se manifestă în special la cărbunii, care reacționează greu sau la înrăutățirea pulverizării, care apare de regulă la creșterea sarcinii cazanelor înzestrate cu sisteme individuale de preparare a prafului de cărbune.

Creșterea temperaturii gazelor de ardere în camera de topire a focarelor cu evacuarea zgurii în stare lichidă, determină în mod evident și o mărire a vitezei de ardere, ceea ce face ca particulele de cărbune, chiar și mai grosolane, să aibă timp suficient să ardă complet în drumul lor descendent sau chiar la suprafața băii de zgură. Acesta este motivul pentru care în tehnica americană focarele liniare cu flacără în formă de U se folosesc și în prezent drept focare cu evacuarea zgurii în stare lichidă.

Focarele cu flacără în formă de L (fig. 7.53. b) sunt cele mai răspândite întrebuințându-se la arderea tuturor cărbunilor. Evacuarea cenușii se face în stare pulverulentă.

Ele se folosesc arzătoare cu flacără rotundă.

În focarele cu flacără în formă de L, lungimea flăcării, prin care se înțelege lungimea liniei frânte de la gura arzătorului până la axa verticală a focarului și apoi după înălțimea focarului până la înălțimea medie a ferestrei de evacuare a gazelor, trebuie să nu fie mai mică decât valorile indicate în tabelul 7.5.

Numărul arzătoarelor este de cel puțin două. Dacă se folosesc trei arzătoare sec recomandă dispunerea în colțurile unui triunghi echilateral așezat cu vârful în jos.

La cazanele mari este posibilă amplasarea arzătoarelor atât pe peretele frontal, cât și pe peretele posterior. Pentru a nu mări adâncimea focarului și a se putea amplasa în cazul unor cazane uriașe morile de-a lungul pereților din față și spate, s-au realizat flăcări în formă de S, prin amplasarea orificiilor arzătoarelor pe doi pereți opuși ai focarului, dar la două nivele diferite ca în figura 7.53,c.

Amplasarea arzătoarelor pe mai multe nivele dă posibilitatea unei mențineri mai ușoare a temperaturii aburului supraîncălzit la scăderea de sarcină a cazanului, prin oprirea injectoarelor de jos.

Focarele cu arzătoarele amplasate în colțuri (fig. 7.53,d) folosesc tipul cel mai simplu de arzătoare cu fantă, așezate în partea de jos a camerei focarului, de obicei câte două în fiecare colț. Aceste arzătoare dau curenți, care se dezvoltă liber pe parcursul lor, cu un unghi de dispersie foarte mic și cu bătaie lungă. Efectul aerodinamic necesar în focar se realizează prin așezarea arzătoarelor în așa fel, încât jetul, care iese din arzător, să fie dirijat după tangenta la cerc imaginar descris în centrul camerei focarului. La viteze mari de injectare în focar se formează o flacără în formă de vârtej, care se ridică la partea de sus a camerei focarului (fig. 7.54). În partea centrală a focarului apare o zonă depresionară și curgerea gazelor de sus în jos.

Din practică rezultă că focarele cu arzătoarele amplasate în colțuri rezolvă cu totul satisfăcător problema arderii cărbunilor uscați cu conținut mare de volatile. Capacitatea mare de ardere a acestor cărbuni asigură stabilitatea procesului de ardere din focar, chiar la sarcini mici ale cazanului. Situația se schimbă dacă se ard în aceste focare cărbuni cu o cantitate mică de volatile. Din cauza unghiului de dispersie foarte mic al flăcării, aprinderea cărbunelui pulverizat se deplasează în adâncimea camerei focarului și arderea stabilă a cărbunelui pulverizat poate avea loc numai la sarcini mari ale cazanului.

Fig. 7.54. Schema circulației gazelor în focarul

cu arzătoare în colțuri.

Pentru cărbunii care se aprind greu fie din cauza unui conținut mic de volatile, fie din cauza unei pulverizări înrăutățite, schemele obișnuite de ardere dau, în general, rezultate nesatisfăcătoare. Măsurile ce se iau în astfel de cazuri constau în ridicarea temperaturii în regiunea din camera de combustie, unde are loc aprinderea. Aceasta se realizează prin separarea procesului de ardere în două trepte (fig. 7.55).

Fig. 7.55. Schema focarului cu ardere în două trepte.

În prima treaptă este insuflat praful de cărbune împreună cu o cantitate de aer mai mică chiar decât cantitatea teoretică necesară pentru ardere. În felul acesta se realizează aici temperaturi foarte înalte (1 500 – 1 600) 0C și aprinderea este asigurată. Din prima treaptă însă, gazele de ardere ies cu cantitate apreciabilă de particule nearse, din cauza lipsei aerului. Terminarea arderii are loc în cea de-a doua treaptă, unde este insuflat aerul secundar.

Arzătoarele sunt astfel îndreptate încât curenții de aer primar și praf de cărbune se întâlnesc în centrul camerei focarului. În felul acesta se creează un regim intens de vârtejuri, deci un amestec intim al prafului de cărbune cu aerul primar. Din figura 7.55 se vede că din cauza ciocnirii, o parte din aerul primar împreună cu praful de cărbune este îndreptat în jos spre pâlnia de zgură, drumul particulelor de cărbune se lungește și scad pierderile prin ardere mecanică incompletă. Partea importantă a gazelor, împreună cu particulele incandescente de cărbune, se îndreaptă însă în sus. Ea întâlnește vârtejul produs prin suflarea aerului secundar. În acest vârtej are loc din nou un amestec activ al prafului de cărbune cu aerul și în această regiune se termină în mod practic arderea.

Vârtejul aerului secundar nu are numai rolul de a intensifica arderea particulelor de cărbune, ci în același timp el egalizează temperaturile pe întreaga suprafață a camerei focarului și în acest fel preîntâmpină depunerile de zgura pe țevile fierbătoare sau pe țevile supraîncărcate.

Simetria câmpului de viteze și de temperaturi cere o repartiție uniformă a prafului de cărbune în toate colțurile; din acest motiv este necesar ca toate arzătoarele montate în cele patru colțuri să fie alimentate de fiecare moară, ceea ce complică însă foarte mult conductele de praf. Dacă acest principiu nu este respectat, la sarcini parțiale când se impune oprirea unei mori, simetria flăcării dispare.

Construcția unor agregate de cazan, cu debite mari și foarte mari reclamă necesitatea unor focare de dimensiuni importante, cu secțiuni mari. În astfel de situații, dispunerea arzătoarelor în colț îngreunează stăpânirea procesului de amestec. Pentru a se evita astfel de neajunsuri, se folosesc focare cu secțiune poligonală, ca de exemplu cel din figura 7.56, la care forma bazei este octogon.

Baza poligonală permite rotirea flăcării deoarece jeturile ce pornesc din arzătoare sunt tangente și aici la un cerc fictiv. Arzătoarele din colțurile A sunt alimentate de două mori, iar cele din colțurile B de alte mori. Oprirea unuia sau mai multor arzătoare, respectiv mori nu are ca urmare modificarea prea importantă a aerodinamicii din interiorul focarului și prin urmare nici câmpul de temperaturi nu suferă modificări prea mari.

Fig. 7.56. Focar poligonal.

În ultimul timp, paralel cu focarele cameră, cazanele de debite mari și foarte mari sunt înzestrate cu focare divizate (fig. 7.57), separarea între ele printr-un perete (ecran) biradiat.

La cazanele de debite mari se folosește și soluția împărțirii focarului în două părți ce pot funcționa independent (fig. 7.58). Această schemă se utilizează în deosebi pentru a crea posibilități sporite de reglare a temperaturii aburului supraîncălzit. Astfel, în cazul sarcinii nominale funcționează ambele focare, iar la sarcină parțială focarul anterior se oprește încetul cu încetul pentru a ridica temperatura gazelor de ardere înainte de supraîncălzire.

Fig. 7.57. Schema unui focar dublu Fig. 7.58. Schema funcționării cu două focare în scopuri de reglaj: a – sarcină nominală;

b – sarcină parțială.

5. Arderea intensificată a combustibililor solizi

5.1. Bazele teoretice ale procedeelor de ardere intensificată

Teoria actuală a arderii unei particule solide deosebește două domenii – cinetic și difuziv – după cum asupra vitezei de ardere au o influență determinată factorii fizico-chimici (concentrația fluidelor reactante, temperatura, presiunea, etc.) sau factorii hidrodinamici de curgere (intensitatea turbulenței, coeficientul schimbului de substanță, forma și dimensiunile corpului etc.).

În figura 7.72 este reprezentată variația vitezei de ardere în funcție de temperatură și de coeficientul schimbului de masă d. Se observă că viteza de difuziune a oxigenului la suprafața reactantă a combustibilului solid se menține la nivelul vitezei reacției chimice numai în domeniul temperaturilor scăzute și începe să rămână rapid în urma acesteia cu creșterea temperaturii. La o temperatură de ardere dată Ta diferența a, între viteza de ardere corespunzătoare arderii cinetice și cea corespunzătoare arderii difuzive, este cu atât mai mare cu cât d este mai mic, deci cu cât intensitatea schimbului de substanță în vecinătatea suprafeței reactante este mai redusă.

Fig. 7.72. Dependența vitezei de ardere în funcție de temperatura

și schimbul de masă:

1 – ardere cinetică; 2 – ardere difuzivă.

De aici rezultă că în tehnica arderii există o importantă rezervă a intensificării proceselor din focar, care se poate valorifica prin intensificarea factorilor hidrodinamici de curgere. La nivele de temperatură destul de ridicate din orice focar industrial, frâna procesului, de ardere nu o constituie deci reacția chimică de oxidare, ci viteza de formare a amestecului carburant și de aceea eforturile principale sunt îndreptate în special spre găsirea mijloacelor raționale de accelerare a procesului de amestecare a celor doi componenți – combustibilul și oxidantul.

5.2. Focare cu arderea combustibililor solizi în strat fluidizat

Caracteristicile principale ale stratului fluidizat constau în ridicarea concentrației combustibilului în spațiul camerei și mărimea vitezei relative dintre oxidant și particulele de combustibil. Procedeul aplicat în acest scop constă în intensificarea insuflării aerului până la atingerea așa-numitei viteze critice de fluidizare, când particulele solide de combustibil își pierd stabilitatea. Stratul fix de combustibil se transformă astfel într-un strat expandat, cu particulele solide în suspensie stabilă, denumit strat fluidizat, mărginit în partea superioară de o suprafață bine precizată.

În figura 7.73 s-a prezentat dependența dintre rezistența stratului în funcție de viteza de insuflare. Pentru viteze mici de insuflare stratul rămâne nemișcat și rezistența sa variază în funcție de viteza de insuflare după o lege exponențială. La mărimea vitezei critice de insuflare, după o creștere a presiunii în stratul fix, se atinge o zonă de tranziție, corespunzătoare reorganizării rețelei granulare și îndepărtării particulelor între ele. La atingerea vitezei critice de insuflare apare efectul de fluidizare propriu-zisă, când particulele sunt menținute în suspensie stabilă. Volumul stratului se mărește de 1,2 – 1,8 ori în funcție de intensificarea insuflării, de forma și dimensiunile particulelor. Practic, zona de fluidizare corespunde formării unor canale de gaze în strat și ca urmare, rezistența sa rămâne constantă la creșterea vitezei de insuflare.

Fig. 7.73. Dependența rezistenței stratului de combustibil

în funcție de viteza de insuflare.

Arderea în strat fluidizat a cărbunilor decurge în două trepte. În prima treaptă, constituită de însăși stratul fluidizat, are loc o pregătare loc o pregătrticulelor de cărbune, care se încălzesc, se usucă, degajă volatile și chiar se gazeifică și ard parțial. În cea de-a doua treaptă se produce definitivarea procesului de ardere a gazelor combustibile, care părăsesc prima treaptă cu puterea calorifică de circ 1 600 – 2 500 kj/m3 și cu un conținut oarecare de particule încă nearse.

În figura 7.74a, se reprezintă varianta unui focar cu strat fluidizat cu o singură cameră în care, pentru intensificarea arderii, aerul secundar este introdus tangențial. În varianta din figura 7.74b, focarul este realizat din două camere. La trecerea din prima în a doua cameră este dispus un arzător turbionar, care asigură o bună amestecare a gazelor combustibile din prima cameră cu aerul secundar.

Fig. 7.74. Scheme de organizare a arderii în focare

cu strat fluidizat:

a – cu insuflare tangențială a aerului secundar;

b – cu arzător turbionar.

În ambele variante prezentate mai sus, cea mai mare parte din cenușa combustibilului este antrenată de gazele de ardere din focar spre coșul de fum. Înlăturarea parțială a acestui neajuns s-a realizat folosind schemele din figura 7.75. Varianta din figura 7.75, a folosește, în calitate de a doua treaptă de ardere, o cameră ciclon, în care ard gazele combustibile și cocsul zburător, iar cenușa se topește și este eliminată în stare lichidă. În cealaltă variantă (fig. 7.75, b) definitivarea arderii și topirea se obține prin trecerea gazelor și a particulelor de cocs printr-o piesă ceramică dispusă la sfârșitul primei camere de ardere.

Fig. 7.75. Scheme de organizare a arderii în focare cu strat

fluidizat cu grad ridicat de reținere a cenușii:

a – cu focar ciclon; b – cu piesă ceramică.

5.3. Focare ciclon

Caracteristica principală a focarelor ciclon o constituie structura determinată a aerodinamicii focarului și forma circulară a sa. În stadiul actual în tehnica arderii se folosesc diferite tipuri de focare ciclon, care, din punct de vedere al construcției și modului de funcționare, se pot împărții în două grupe principale: focare ciclon orizontale și focare ciclon verticale.

Dintre tipurile menționate, cea mai largă răspândire o au focarele ciclon orizontale, care au o formă cilindrică cu axa orizontală sau înclinată cu 5-200 față de orizontală în scopul evacuării mai ușoare a zgurii. Combustibilul este introdus în camera focarului cu ajutorul aerului primar, care constituie 10-15% din cantitatea de aer necesară arderii și intră în focar cu o viteză de circa 20-50 m/s. După modul de introducere a amestecului, combustibil-aer primar, se deosebesc două variante (fig. 7.76):

– cu introducerea axială torsionată printr-un orificiu central, folosită pentru cărbune concasat (R5=5-6%) (fig. 7.76, a);

– cu introducere tangențială (secantă) a prafului (R90=65-70%) printr-o serie de ajutaje dreptunghiulare (fig. 7.76, b și c).

Aerul secundar se introduce preîncălzit la o temperatură de 250-5000C prin mai multe ajutaje dispuse tangențial, având la ieșirea din acestea o viteză de 100-250 m/s. Datorită acestui fapt se produce o amestecare intimă a combustibilului cu aerul, arderea are loc cu un coeficient de excedent redus (=1,05-1,1), iar în camera focarului se stabilește un regim de temperatură foarte ridicat (1 700 – 1 8000C). Cenușa combustibilului se topește și evacuarea zgurii se face printr-un orificiu amplasat la partea inferioară a capacului posterior.

Asigurarea timpului necesar pentru arderea în ciclon a particulelor mari de combustibil se realizează prin dispunerea în partea de ieșire a focarului ciclon a unui difuzor cinic cu diametrul la intrarea gazelor egal cu aproape jumătate din diametrul camerei focarului.

În scopul obținerii unei arderii perfecte (q3 – q4=0), dar mai ales pentru mărirea gradului de reținere a cenușii volante în focar (1 – xa= 90 – 95 %), se dispune o cameră de terminare a arderii (vezi figura 7.77) înzestrată cu dispozitive de reținere a zgurii în stare lichidă, în care gazele de ardere după ce lovesc peretele din față sunt deviate asupra stratului de zgură.

Fig. 7.76. Tipuri constructive de focare ciclon orizontale cu evacuarea

zgurii în stare lichidă:

a – cu introducere axială a combustibilului;

b – cu introducere tangențială a combustibilului;

c – cu introducere secantă a combustibilului.

1 – aer primar și praf de cărbune; 2 – aer secundar;

3 – aer terțiar; 4 – gaze de ardere; 5 – zgură lichidă.

Fig. 7.77. Schema focarului ciclon orizontal cu încărcare termică

ridicată și evacuarea zgurii în stare lichidă:

1 – aer primar și praf de cărbune; 2 – aer secundar;

3 – gaze arse; 4 – zgură; 5 – camera de topire;

6 – camera de răcire.

În figura 7.78 este reprezentat schematic un focar ciclon orizontal cu axa înclinată la 300 față de orizontală în vederea asigurării unei evacuării ușoare a zgurii lichide. Aerul secundar preîncălzit la 400 – 450 0C se introduce tangențial prin șase ajutaje reglabile cu viteza de 120 m/s. Combustibilul și aerul primar se introduc tangențial cu viteza de 20 – 25 m/s prin cinci ajutaje amplasate sub cele de aer secundar. Prin ajutajul III se introduce cenușa volantă de la cazanele vecine și fondantul pentru reducerea temperaturii de topire a zgurii.

Fig. 7.78. Focar ciclon orizontal de construcție germană:

1 – focarul ciclon; 2 – sistemul de evacuarea zgurii; 3 – grătar de

separare a zgurii; 4 – camera de topire; 5 – camera de răcire.

Indicii principali realizați de cazanele de abur echipate cu focare ciclon orizontale cu evacuarea zgurii în stare lichidă sunt prezentate în tabelul 4.7.

În tehnica arderii intensificate a combustibililor solizi în U.R.S.S. și R.F.G. se folosesc pe scară destul de largă focare ciclon verticale, cu evacuarea zgurii în stare lichidă sau solidă.

Focarul ciclon vertical (figura 7.79,a) este tot de formă cilindrică dar cu axa verticală. Insuflarea combustibilului și aerului se face prin partea superioară; gazele de ardere parcurg mai întâi un drum descendent, trec printr – un orificiu spre camera de răcire, se curăță de zgura lichidă conținută, care se evacuează prin partea inferioară și apoi se îndreaptă înspre partea superioară a camerei focarului.

Focarele ciclon verticale germane, elaborate de firma KSG, au forma constructivă asemănătoare cicloanelor pentru separarea prafului de cărbune (vezi fig. 7.19,b). Înălțimea focarului este redusă, iar camera de răcire a gazelor este dispusă deasupra camerei focarului.

5.4 Focare turbionare

Arderea simultană a doi sau mai mulți combustibili a devenit o problemă la ordinea zilei. Dezvoltarea acestui procedeu în cadrul focarelor cameră obișnuite întâmpină dificultăți din cauza variației în limite prea largi a temperaturii gazelor de ardere în fața supraîncălzitorului, ceea ce atrage după sine nu numai dificultăți privind menținerea constantă a temperaturii de supraîncălzire, dar periclitează chiar existența supraîncălzitorului.

Odată cu schimbarea calității combustibilului variază și capacitatea de radiație a flăcării, iar schimbul de căldură în focar se intensifică sau se diminuează, determinând o micșorare sau o mărire a temperaturii cu care gazele părăsesc focarul. Variația temperaturii gazelor de ardere la ieșirea din focar, în funcție de fluxul termic net la suprafața focarului, la arderea prafului de cărbune, a păcurii și a gazelor, într-un focar cameră pentru cărbune pulverizat cu evacuarea zgurii în stare solidă, comparativ cu arderea într-un focar turbionar, este redată în figura 7.80.

Fig. 7.80. Variația temperaturii gazelor la ieșirea din focar.

Din grafic rezultă că focarul turbionar se comportă mai bine, suprafețele de schimb de căldură funcționează corespunzător la arderea mixtă cărbune – păcură – gaz, în orice proporție, ca urmare a faptului că arderea tuturor combustibililor se face practic cu aceeași luminozitate.

În figura 7.81 este reprezentată schema unui focar turbionar cu evacuarea zgurii în stare lichidă de construcție germană. Se remarcă forma aproape sferică a focarului, dispunerea arzătoarelor în colțuri și reducerea la minim a ajutajului de ieșire a gazelor de ardere din camera focarului spre camera de răcire.

Fig. 7.81. Schema unui focar turbionar cu evacuarea zgurii

în stare lichidă:

1 – cameră de răcire;

2 – cameră de topire;

3 – arzătoare; 4 – sistemul de evacuare al zgurii.

5.5 Aspecte tehnico – economice ale focarelor cu ardere intensificată

Procesul arderii intensificate a combustibililor și în special al celor solizi, deschide largi perspective dezvoltării instalațiilor de cazane de debite mari și foarte mari, cu indici tehnico – economici avantajoși.

Se remarcă în primul rând că prin procedeul arderii intensificate este posibilă arderea unei game foarte variate de combustibil, începând cu cărbunii de calitate inferioară, cu temperatură scăzută de topire a cenușii și conținut ridicat de materii volatile, până la păcură, gaze sau unele deșeuri ca de exemplu coji de semințe, cocs de petrol, deșeuri de lemn, rumeguș, etc.

Din cercetările de până acum, privind influența calității combustibilului asupra procesului de ardere în focarele ciclon cu evacuarea zgurii în stare lichidă, a rezultat că este recomandabilă folosirea cărbunilor cu următoarele caracteristici: , , temperatura de topire a cenușii 1316 0C și vâscozitatea zgurii la 1370 0C250 P. Analizând din acest punct de vedere comportarea unor cărbuni din R.S.R. se constată că huilele energetice de Petrila, Lonea și Lupeni, precum și lignitul din bazinul Filipeștii de Pădure au o comportare foarte bună, cărbunele brun mat de Comănești și Șorecani și lignitul de Schitu – Golești și Rovinari au o comportare satisfăcătoare.

Posibilitatea funcționării focarelor cu ardere intensificată cu diferiți combustibili, trecerea rapidă de la un combustibil la altul fără preliclitarea siguranței în funcționare, constituie elementele esențiale ale unei exploatări simple și elastice. Trebuie menționat că focarele ciclon funcționează cu o variație de sarcină cuprinsă între 30 și 133%, fără pericol de stingere a flăcării sau întreruperea evacuării zgurii lichide.

Condițiile aerodinamice bune din focar asigură arderea perfectă și completă a cărbunilor cu o granulație mai mare decât cea impusă arderii prafului, cu un coeficient de excelent redus și o încărcare termică a focarului de circa (4 – 6 ) ori mai mare decât în cazurile obișnuite. Acestea se reflectă prin scăderea consumului anual de combustibil, prin micșorarea gabaritelor cazanului și reducerea cheltuielilor de investiții și reparații.