Cresterea Prin Hidratare a Randamentului de Utilizare a Combustibililor Lichizi
INTRODUCERE
Către anul 2010 extracția de petrol va atinge nivelul maxim, după care, în următorii 40 de ani, rezervele de petrol se vor epuiza. La nivelul anului 2060 se vor epuiza și rezervele de gaze naturale.
Astfel, principalele resurse de energie în viitorul apropiat vor rămâne cărbunii și energia nucleară.
În aceste condiții, alături de căutarea unor surse noi de energie, pe prim plan ca abordare actuală și prioritară în energetica de tranziție, se ridică și problema valorificării energetice maxime a combustibililor fosili existenți cu impact ecologic minim [1-31].
O perspectivă aparte o prezintă în acest sens arderea cărbunilor și păcurii în amestec cu apa.
Apa a fost întotdeauna satelitul petrolului, problema deshidratării acestuia apărând simultan cu utilizarea petrolului în calitate de combustibil.
Păcura poate acumula apă prin diferite moduri. După prelucrarea petrolului, păcura conține până la 1,5% apă (STAS 51/1983). În timpul transportării fluviale sau maritime, conținutul de apă crește până la 3-5%. De menționat că hidratarea cea mai puternică a păcurii are loc în urma scurgerii sau încălzirii, deoarece procedeul cel mai frecvent utilizat de încălzire a păcurii este cel cu abur direct. În acest caz, conținutul de apă poate să crească până la 10-15% [13]. În perioada încălzirii, mai ales în depozitele subterane de păcură, cantitatea de apă în păcură poate să crească până la 30-40% și din contul apelor subterane. Acest fapt duce la o scadere și mai mare a eficienții arderii.
Înlăturarea apei din combustibil se intreprinde prin folosirea unor deemulgătoare statice, dinamice etc. În acest scop se utilizează de asemenea și diverse preparate chimice, care separă apa de păcură.
Asfaltenele și rășinele de petrol, prezente în păcură, asigură stabilitatea EAP. Acestea sunt substanțe tensioactive naturale (STA), pe lângă care prezența particulelor solide (alcanelor normale, argilei, sărurilor) asigură o stabilitate suplimentară a EAP, crescând însă și dificultatea deshidratării păcurii.
Cantitatea cea mai mare de apă este acumulată de păcură chiar în depozitele de combustibil ale centralelor termoelectrice și întreprinderilor industriale, în urma curățirii rezervoarelor, filtrelor încălzitoarelor formându-se ape reziduale conținând până la 60-70% de produse petroliere.
În cazul, când în păcură se introduce 15% apă, în care se conțin 4,5% substanțe organice (0,69% în emulsie), căldura necesară pentru evaporarea apei (în cazul căldurii de ardere a păcurii de 39800 kJ/kg), constituie 360 kJ sau 0,9%. Din aceste 4,5% fac parte: crezolul – 2%, formaldehidele – 2%, fenolul liber – 0,5%. Conținutul lor în emulsia cu umiditatea = 15% va constitui respectiv: 0,3%, 0,3% și 0,075%.
Raportată la 1 kg de emulsie (= 15%), căldura de ardere a substanțelor organice constituie – 150 kJ/kg. Deci, 42% din căldura necesară pentru evaporarea apei, este compensată prin arderea substanțelor organice nocive. Spre exemplu, căldura de ardere a fenolului este de 30679 kJ/kg, căldura necesară pentru evaporarea apei în acest caz constituind mai puțin de 0,5% din cei 39800 kJ/kg și fiind destul de bine compensată de organizarea mai rațională a procesului de ardere a emulsiei [14].
Așadar, se poate afirma că una dintre metodele radicale de ardere a combustibililor lichizi grei hidratați și de utilizare a apelor reziduale ce conțin componente de ardere și lubrifianți, este cea bazată pe prepararea în mod special a EAP. Aceasta reprezintă o specie nouă de combustibil lichid sintetic care se deosebește de păcură atât prin proprietățile sale fizico-chimice, cât și prin particularitățile de ardere și schimb de căldură. În EAP apa nu mai este un balast, dar un catalizator specific care optimizează și accelerează procesul de ardere a combustibilului.
Astfel, obiectivele acestei lucrării sunt următoarele:
studiul proprietăților emulsiilor apă-păcură;
optimizarea indicilor economici și ecologici ai procesului de ardere a emulsiei apă-păcură în raport cu conținutul de apă;
prelucrarea rezultatelor testării instalației pilot de preparare și ardere a emulsiilor apă-păcură;
conceperea și realizarea standului experimental de determinare a indicelui de negru a corpurilor prin metoda radiației termice;
elaborarea metodologiei de determinare experimentală a indicelui de negru a corpurilor.
Lucrarea este structurată în 5 capitole, concluzii și bibliografie.
În capitolul 1 este dată prezentarea combustibililor, în general, și a combustibililor lichizi, în particular. Se pune accentul pe noțiunea de combustibil, clasificarea, compoziția și căldura de ardere a combustibililor, pe noțiunea de combustibil convențional, pe cerințele generale către combustibili. În continuare se prezintă combustibilii lichizi, caracteristicile energetice ale acestora și metodologia de luare a probelor de combustibili lichizi.
Proprietățile emulsiilor apă-combustibil (stabilitatea, viscozitatea, densitatea, căldura masică, conductivitatea termică, căldura de ardere, temperaturile de congelare, de inflamabilitate și de aprindere) sunt subiecte tratate în capitolul 2.
Capitolul 3 este dedicat particularităților procesului de ardere a emulsiilor apă-combustibil. Se analizează mecanismul de ardere a hidrocarburilor, premizele elaborării tehnologiei de ardere a combustibililor lichizi în emulsie cu apa, particularitățile procesului de ardere a emulsiilor apă-combustibil, tehnologia de preparare a emulsiilor apă-păcură, indicii economici și ecologici ai procesului de ardere a emulsiilor apă-păcură
Rezultatele obținute la testarea preliminară a instalației pilot sunt prezentate și discutate în capitolul 4.
Conceperea și realizarea standului experimental de determinare a indicelui de negru a corpurilor prin metoda radiației termice și elaborarea metodologiei de determinare a acestuia constituie aplicația practică a lucrării, care este prezentată în capitolul 5.
În concluzii este dată sinteza principalelor rezultate prezentate în lucrare.
Bibliografia conține 31 referințe.
CAPITOLUL 1
COMBUSTIBILI. COMBUSTIBILI LICHIZI
1.1. Noțiunea de combustibil. Clasificarea combustibililor
Se numește combustibil orice substanță care reacționează cu oxigenul si prin ardere dezvoltă caldură utilizabilă avantajos din punct de vedere tehnico-economic.
Clasificarea combustibililor poate fi facuta in funcție de diverse criterii (tabelul 1.1):
1) in funcție de starea de agregare combustibilii se impart in:
combustibili solizi;
combustibili lichizi;
combustibili gazosi;
2) in funcție de felul de obținere, combustibilii se impart in:
combustibili naturali;
combustibili fabricați din cei naturali (artificali);
combustibili sintetici;
Tabelul 1.1
Clasificarea combustibililor organici
3) in funcție de calitate:
combustibili inferiori < 12560 kJ / kg;
combustibili medii = 12560 … 20934 kJ / kg;
combustibili superiori > 20934 kJ / kg,
în care este căldura de ardere inferioara raportata la starea initiala a combustibilului – cantitatea de căldura dezvoltata prin ardere completa a unitatii de combustibil si racirea gazelor de ardere pană la C făra condensarea vaporilor de apa proveniți din ardere.
Combustibilii artificiali sunt forme innobilate sau derivate dintr-un proces de innobilare a combustibililor naturali printr-un procedeu mecanic (carbune spălat), termomecanic (brichetare, deshidratare) sau termochimic (semicocs, distilare fracționata).
Combustibilii sintetici sunt fabricate pentru a inlocui combustibilii naturali.
In compozitia combustibililor intra o serie de elemente chimice combustibile: carbonul (C), hidrogenul (H), sulful (S) sau combinatii ale acestora: hidrocarburile (CmHn), hidrogenul sulfurat (H2S), precum si elementele necombustibile: azotul (N), oxigenul (O), cenusa (A) si apa (W).
Sub denumirea de cenusă sunt cuprinse toate materiile minerale solide care se mai aflà in compozitia combustibilului la temperaturi de C. Aceste substanțe minerale micșoreaza cantitatea de energie cedata de unitatea de combustibil, scumpesc si ingreuneaza transportul. Un loc aparte in compoziția combustibilului il ocupa azotul (N) care nu intervine in procesul de ardere, dar trece in stare gazoasa in gazele de ardere. Oxigenul (O) din combustibil participa la ardere ca substanța oxidantă alaturi de oxigenul atmosferic adus cu aerul de ardere.
1.2. Compozitia combustibililor
Combustibilii sunt formați din urmatoarele parți principale (fig. 1.1): masa combustibila, masa minerala (necombustibila) si umiditatea.
Starea organică
Starea combustibilă
Starea anhidră
Starea uscată la aer
Starea inițială
Fig. 1.1. Compoziția combustibililor solizi
Aceste componente de baza sunt caracterizate prin elemente chimice ce le compun. Definițiile si simbolurile diferitelor elemente care intra in compozitia combustibililor sunt stabilite in STAS 398 – 84 la diverse stari ale combustibilului:
– starea (proba) inițiala (indice superior ‘i’) este starea combustibilului pregatita conform STAS 1372 – 90 si ambalată in cutie conform STAS 2897 – 80 si contine umiditatea totală (de imbibație si higroscopica), masa minerala necombustibilă si masa organica;
– starea (proba) uscată la aer, pentru determinarea umiditatii higroscopice (indice superior “u”) este proba pregatita conform STAS 5264 – 86 care trece prin sita 0,75 (ochiuri 0,75 mm); aceasta contine umiditatea higroscopică, masa minerala necombustibilă si masa combustibilă;
– starea (proba) pentru analiza (analitica) (indice superior “a”) este proba pregatită conform STAS 5264 – 86 care terce integral prin sita 0,2 (ochiuri de 0,2 mm) si care serveste la efectuarea analizelor combustibilului;
– starea (proba) anhidră (indice superior “anh”) este proba care nu contine umiditate ci doar masa combustibilă si masa minerală necombustibilă;
– starea (proba) combustibilă (indice superior “mc”) reprezintă combustibilul fara umiditate si fara masa minerala necombustibila, dar conținand sulful din pirite sub forma de sulfuri ( SS);
– starea (proba) organică(indice superior “o”) reprezintă combustibilul fara umiditate, masa minerala necombustibila si sulf din sulfuri (SS);
Masa minerală necombustibilă(N) contine toti compusii minerali care dupa calcinarea combustibilului la temperatura de C dau cenusa (A).
Starile descrise mai sus se exprima prin elementele constituente ale masei organice in felul urmator:
starea organică:
; (1.1)
starea combustibilă:
; (1.2)
starea anhidră:
; (1.3)
starea analitică:
; (1.4)
starea inițială:
. (1.5)
Relațiile de calcul a compozitiei combustibilului de la o stare la alta sunt expuse in literatura de specialitate.
Masa combustibilă a oricarui combustibil este constituita in general de aceleași elemente combustibile. Combustibilii lichizi si solizi conțin carbonul (C), hidrogenul (H), oxigenul (O), azotul (N), si sulful (S) aceste elemente gasindu-se in diferite combinații chimice. Combustibilii gazosi conțin aceleași elemente sub forma de gaze distincte, cum ar fi oxidul de carbon (CO), bioxidul de carbon (CO2), metanul (CH4), etanul (C2H4) sau hidrocarburi de tipul (CmHn) etc.
Suma elementelor C, H, O, N formeaza asa-zisa “masa organică conventională”.
Cenusa (A) este constituită din substante minerale necombustibile rămase dupa arderea combustibilului. Continutul de cenusa in % de greutate se determina conform STAS 5265 – 86 pentru combustibilii solizi si conform STAS 38 – 81 pentru combustibilii lichizi.
Umiditatea (W) este de mai multe feluri:
umiditatea interna (Wh), intrinseca, coloida, sau higroscopica este acea umiditate pe care o areigroscopică, masa minerala necombustibilă si masa combustibilă;
– starea (proba) pentru analiza (analitica) (indice superior “a”) este proba pregatită conform STAS 5264 – 86 care terce integral prin sita 0,2 (ochiuri de 0,2 mm) si care serveste la efectuarea analizelor combustibilului;
– starea (proba) anhidră (indice superior “anh”) este proba care nu contine umiditate ci doar masa combustibilă si masa minerală necombustibilă;
– starea (proba) combustibilă (indice superior “mc”) reprezintă combustibilul fara umiditate si fara masa minerala necombustibila, dar conținand sulful din pirite sub forma de sulfuri ( SS);
– starea (proba) organică(indice superior “o”) reprezintă combustibilul fara umiditate, masa minerala necombustibila si sulf din sulfuri (SS);
Masa minerală necombustibilă(N) contine toti compusii minerali care dupa calcinarea combustibilului la temperatura de C dau cenusa (A).
Starile descrise mai sus se exprima prin elementele constituente ale masei organice in felul urmator:
starea organică:
; (1.1)
starea combustibilă:
; (1.2)
starea anhidră:
; (1.3)
starea analitică:
; (1.4)
starea inițială:
. (1.5)
Relațiile de calcul a compozitiei combustibilului de la o stare la alta sunt expuse in literatura de specialitate.
Masa combustibilă a oricarui combustibil este constituita in general de aceleași elemente combustibile. Combustibilii lichizi si solizi conțin carbonul (C), hidrogenul (H), oxigenul (O), azotul (N), si sulful (S) aceste elemente gasindu-se in diferite combinații chimice. Combustibilii gazosi conțin aceleași elemente sub forma de gaze distincte, cum ar fi oxidul de carbon (CO), bioxidul de carbon (CO2), metanul (CH4), etanul (C2H4) sau hidrocarburi de tipul (CmHn) etc.
Suma elementelor C, H, O, N formeaza asa-zisa “masa organică conventională”.
Cenusa (A) este constituită din substante minerale necombustibile rămase dupa arderea combustibilului. Continutul de cenusa in % de greutate se determina conform STAS 5265 – 86 pentru combustibilii solizi si conform STAS 38 – 81 pentru combustibilii lichizi.
Umiditatea (W) este de mai multe feluri:
umiditatea interna (Wh), intrinseca, coloida, sau higroscopica este acea umiditate pe care o are combustibilul prin uscare in aer;
umiditatea de imbibatie (Wî) sau externa, superficială, de zacamant este acea umiditate pe care o are combustibilul prin uscare in aer;
umiditatea totala (Wt) este suma celor doua componente si reprezinta umiditatea cu care combustibilul intra in instalațiile de ardere.
Materiile volatile (V) reprezinta produsele degajate prin incalzirea combustibilului dupa uscarea sa inainte de ardere. Pentru determinarea participatiei de materii volatile Vi proba de combustibil se usuca, determinandu-se umiditatea totala Wi, si apoi se incalzeste in absenta aerului (timp de 7min), conform STAS 5268 – 90 de la masa si temperatura de uscare pana la masa si temperatura de C.
Materiile volatile sunt alcatuite dintr-o categorie combustibilă (H, C, S) si una necombustibilă (CO2, si H2O).
Cu cat continutul de materii volatile Vmc este mai mare, carbunele se aprinde la o temperatura mai mica, viteza de ardere este mai mare, flacara este mai lungă si mai luminoasă. De regulă, temperaturile de inceput de degajare a substantelor volatile coincid cu temperaturile de aprindere a combustibililor.
1.3. Caldura de ardere a combustibililor
Denumită impropriu putere calorifică, căldura de ardere a combustibililor este cantitatea de caldură [MJ] degajata prin arderea completă a combustibilului de masa unitară [kg] sau de volum unitar [Nm3]. Unitatea de masură este [MJ/kg] pentru combustibilii masici si [MJ/Nm3] pentru cei volumici.
Caldura de ardere, daca ar fi posibil, ar fi calculată prin determinarea diferentei de energii potentiale inainte si dupa ardere la nivel molecular. Aceasta cale este insa foarte dificila. De aceea caldura de ardere este determinata in mod experimental rezultatele fiind aproximate cu reletii empirice de calcul. Fiind, deci, determinata caldura de ardere a unei componente si cunoscandu-se participatiile masice sau volumice ale componentelor in combustibil pz, poate calcula caldura de ardere a combustibilului in intregime Qc:
, (1.6)
Caldurile de ardere a componentelor sunt date in literatura de specialitate.
In functie de starea de agregare a apei in gazele de ardere deosebim:
– caldura inferioară de ardere (Qi), când apa din gazele de ardere evacuate se afla in stare de vapori;
– caldura superioară de ardere (Qs), cand vaporii de apa din gazele de ardere au fost condensati inainte de evacuare, degajand caldura lor de vaporizare r , [kJ/kg].
Cu alte cuvinte, in funcție de pozitia valorica a temperaturii de evacuare a gazelor de ardere tev fața de temperatura lor de roua t2, deosebim marimea Qi pentru cazul tev > tr si marimea Qs pentru cazul cand tev < tr .
Deci diferența dintre cele doua calduri este:
Qs – Qi = r . (WH + Wt), (1.7)
in care WH [kg apa / kg combustibil] este cantitatea de apa formata prin arderea hidrogenului de participație H (din calculul stoechiometric al arderii rezultă WH = 9H); Wt – continutul total de apa de umiditate al probei pentru analiza; r = 2,3 MJ/kg apa – conform recomandarilor STAS 5269 – 82.
Prin prelucrarea statistica a datelor experimantale initiată inca la inceputul sec.19 de Doulong (1819–1838) au fost propuse formule de calcul a caldurii de ardere a combustibililor, printre care cea mai cunoscuta este formula lui Mendeleev (1837):
, . (1.8)
Intre timp au fost propuse si alte formule:
din literatura germană:
, ; (1.9)
, ; (1.10)
din literatura sovietică:
, ; (1.11)
, ; (1.12)
pentru lemne:
, ; (1.13)
pentru turbă si pacură:
,; (1.14)
pentru carbune brun:
,; (1.15)
pentru antracit:
, ; (1.16)
– relatia Vondracek:
, , (1.17)
in care Vi si Vmc este conținutul de materii volatile in proba respectivă.
Conform STAS 5269 – 82 caldura de ardere a combustibililor solizi, precum si a celor lichizi grei, se determina arzand complet in bomba calorimetrică o cantitate cunoscuta de combustibil (max 0,7 … 1 g) in atmosferă de oxigen la presiune de 2,5 MPa si măsurand apoi cantitatea de caldură acumulată de apa calorimetrului.
Căldura de ardere a combustibililor gazosi si a celor lichizi usor volatili, conform STAS 3361 – 87 se determină in calorimetre dotate cu debitmetre volumice pentru cele două fluide care schimbă caldura intre ele – gaze de ardere si apa.
1.4. Combustibil convențional
In funcție de conținutul de elemente combustibile si de concentrația lor energetica, caldura de ardere a diferitelor categorii de combustibili solizi variază in limite largi, de la 5,938 MJ/kg pentru carbunele brun de Capeni, pană la 24,973 MJ/kg pentru antracitul de Schela. Pentru a putea exprima rezervele masice de combustibil in aceleasi unitati energetice, este utilizata notiunea combustibil conventional – un combustibil fictiv cu caldura de ardere de 29,309 MJ/kg, cifra provenită prin convertirea in sistemul SI a căldurii 7000 kcal/kg. Pentru viitorul apropiat se va trece probabil la caldura conventională de ardere de cifra rotunda 30 MJ/kg.
Din ecuatia de bilanț termic,
mcc. 29,309 = mc.Qi , (1.18)
rezultă:
mcc = , [kg cc] , (1.19)
in care mcc , [kg cc], este masa de combustibil conventional; mc, [kg] – masa de combustibil existent; Qi [MJ/kg] – caldura inferioară de ardere a combustibilului existent.
1.5. Cerințe generale către combustibili
Combustibilii organici trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii generale:
– sa se oxideze exotermic, cu degajare specifică de caldură cat mai mare, pentru ca temperatura de ardere sa fie ridicata;
– sa fie stabili in timp, mentinandu-si caracteristicile fizico-chimice;
– sa aiba continut cat mai redus de substante care prin ardere produc compusi agresivi pentru partea metalica a cazanelor de abur (sulf, vanadiu si sodiu);
– produsele de ardere sa fie cat mai putin poluante si usor de indepartat din focar.
– sa fie usor de obtinut si in rezerve suficiente, iar pretul de cost sa fie cat mai scazut;
– in alt domeniu al economiei sa nu aiba o utilizare superioara, cum sunt de exemplu hidrocarburile petroliere in industria chimica.
1.6. Combustibili lichizi
Combustibilii lichizi utilizați in diverse domenii sunt combustibili artificiali, formați din amestecuri complexe de hidrocarburi lichide si compusi ai acestora cu oxigenul, sulful si azotul care se obțin prin distilare fracționata sau prin dizolvare din țitei sau din sisturi sau nisipuri bituminoase.
Combustibilii lichizi sintetici (de sinteza) se obțin prin cracarea pacurii sau a motorinei prin reformarea catalitica a petrolului sau benzinelor grele, polimerizarea termica sau catalitică a unor hidrocarburi usoare, izomerizarea sau dehidrogenarea partială a unor hidrocarburi (butan, hexan, etc), hidrogenarea termica a carbunilor, sinteza catalitica a gazelor de gazogen etc.
Combustibilii lichizi se impart in urmatoarele grupe:
– benzine, amestecuri de hidrocarburi care fierb intre 35 si 200oC; se folosesc in motoarele cu aprindere prin scanteie, fiind arse in stare de vapori in amestec cu aerul;
– petroluri, amestecuri de hidrocarburi care fierb intre 180 si 300 oC, fiind arse ca si benzinele in stare de vapori. In functie de utilizare se intalnesc: petrol lampant, petrol pentru tractor, petrol pentru reactor;
– motorine, amestecuri complexe de hidrocarburi mai grele care fierb intre 250 si 370oC, fiind arse in stare pulverizata in amestec cu aerul incalzit in motoare cu aprindere prin comprimare (Diesel);
– păcuri, amestecuri complexe de hidrocarburi grele care fierb intre , avand la temperatura mediului ambiant o consistenta vascoasa, semisolidă sau solidă. Se utilizeaza in stare pulverizată dupa o prealabilă incalzire la temperaturi de peste in focarele instalatiilor energetice sau motoarele Diesel speciale;
– combustibilul de calorifer (special) este un amestec de produse petroliere (de obicei motorină si pacură) si se livrează in trei calități in funcție de conținutul de asfalt. Se foloseste la instalații energetice mici si se arde in stare pulverizata fara incalzire prealabilă.
1.7. Caracteristicile energetice ale combustibililor lichizi
Viscozitatea reprezintă rezistenta, pe care o opune lichidul deplasarii particlelor lui in timpul curgerii. In energetică se foloseste viscozitatea conventională Engler, care reprezintă raportul dintre timpul necesar scurgerii a 200 cm3 apa distilată la temperatura de in viscozimetrul Engler. Determinarea se face conform STAS 117-87. Viscozitatea se mai poate masura in centi-Stokes (cSt). Viscozitatea scade cu temperatura.
Pentru o pulverizare buna combustibilul lichid trebuie sa aiba o viscozitate cuprinsa intre .
Temperatura de congelare este temperatura la care combustibilul lichid devine atat de vâscos, incat intr-o eprubeta umpluta cu lichid si inclinata la timp de un minut, meniscul nu se deplaseaza. Se determina conform STAS 39-80.
Temperatura (punctul de inflamabilitate) etse temperatura minima la care, la presiunea atmosferica normală, vaporii degajati in amestec cu aerul se aprind de la o sursa incandescenta. Această temperatura se determina cu aparatul Abel Pensky (STAS 32 –80) pentru petroluri, Pensky – Mertens (STAS 5488 – 80) pentru motorina si Marcusson (STAS 5489 – 80) pentru pacură.
Volatilitatea sau proprietatea de evaporare imparte combustibilii lichizi in:
– combustibili usori cu volatilitate mare (benzina);
– combustibili usori cu volatilitate redusa (petroluri);
– combustibili semifluizi (motorina si combustibil de calorifer);
– combustibili grei (pacura).
Continutul de asfalt, care are valorile 0,2-0,4 % la combustibilii usori, 10% la combustibilii semifluizi si 12-15% la combustibilii grei.
Cantitatea de cocs Conradson se determaină conform STAS 5489-80 si are valorile de la 1,5% la combustibilii usori, 10% la combustibilii semifluizi si 12-15% la combustibilii grei.
Compoziția si stabilitatea chimică. Compoziția chimică a combustibililor lichizi este formata in cea mai mare parte din carbon si hidrogen. Conținutul de cenusă si umiditatea sunt scazute (in medie 0,5…2% de umiditate si 0,1…0,3% de cenusa).
Marcarea combustibililor lichizi se face printr-o fracție in care la numărător se arata vâscozitatea in la temperatura de 50, iar la numitor temperatura de congelare in (spre exemplu combustibil lichid tip 25/20).
Conținutul de vanadiu in pacurile romanesti este de 0…20 ppm (parți pro milion) iar in pacurile din import de 80-120 ppm. Prin ardere vanadiul produce pentaoxidul de vanadiu V2O5 care produce coroziunea supraancalzitoarelor finale (coroziune de inalta temperatura).
Continutul de sulf trebuie cunoscut din considerențele, ca sulful prin ardere produce anhidrida sulfurică si acidul sulfuric (prin combinarea acesteia cu apa in stare lichidă) acesta din urma producand coroziunea suprafetelor finale de schimb de caldură (coroziune de joasa temperatura).
Caldura specifica a combustibililor lichizi se calculeaza cu relatia:
, , (1.36)
in care tC este temperatura combustibilului, in [].
1.8. Luarea probelor de combustibili lichizi
Luarea probelor se face conform STAS 41-78 si sunt individuale si medii compuse. Probele individuale se iau de la un anumit nivel al rezervorului (probe de suprafata, de mijloc, de fund). Probele medii compuse se obtin prin amestecarea celor individuale. Inainte de luarea probelor se controlează nivelul pe fundul rezervoarelor conform STAS 1165-66.
Luarea probelor din conducte se face cu robinete speciale.
Intre 1 aprilie si 30 septembrie probele individuale ale produselor, a caror temperatura initială de fierbere este de maximum , trebuie racit la inainte de a fi turnate in vasul in care sunt amestecate pentru obtinerea probei medii compuse.
CAPITOLUL 2
PROPRIETĂȚILE EMULSIILOR APĂ-COMBUSTIBIL
Emulsiile apă-combustibil (EAC) reprezintă sisteme disperse, constituite din două lichide nemiscibile. Preparate pentru utilizare în calitate de carburant, acestea fac parte din emulsiile polidisperse sau „veritabile”. Finețea fazei disperse depinde de diverși factori, principalii fiind tehnologia preparării, viscozitatea, proprietățile fizico-chimice ale componentei carburante (spre exemplu, ale păcurii) și de tipul de stocare, dimensiunile particulelor variând de la 1 până la 70 μm.
Concentrația apei ca fază dispersă nu depășește, de regulă, 20-30% sau, în caz optim, 8-12%, de aceea EAC fac parte din emulsiile diluate.
2.1. Stabilitatea
Deoarece din punct de vedere termodinamic emulsiile sunt instabile, stabilitatea acestora se asigură prin adăugare de emulgatori – substanțe care înlesnesc formarea și previn destrucția emulsiilor.
Stabilitatea EAP este determinată de cristalele de parafină, prezente în păcură și de particulele de argilă asimilate de petrol.
Fiind o emulsie diluată, capacitatea de coalescență a EAP este redusă din cauza probabilității mici de ciocnire a picăturilor. Deci, cu cât concentrația apei este mai mică, cu atăt emulsia este mai stabilă.
EAP, preparată cu ajutorul pompei cu roți dințate, cu concentrația apei de 10%, manifestă semne primare de stratificare peste 25-30 h iar stratificarea emulsiei de 30% are loc peste 10 h.
2.2. Viscozitatea
Viscozitatea este unul dintre indicatorii cei mai importanți ai calității combustibilului lichid, în general, și ai EAC, în particular. Viscozitatea este un factor determinant de stabilitate a EAC la concentrația dată a apei. Viscozitatea EAC este întotdeauna mai mare decât viscozitatea fiecării din faze.
În raport cu viscozitatea combustibilului natural, viscozitatea EAP crește cu scăderea temperaturii.
Aceasta crește și cu creșterea fineții emulsiei, dar până la anumite limite (0,1-0,8 μm), adică până la starea de microemulsie. Prin urmare, viscozitatea depinde și de tehnologia de preparare a EAC.
La temperatura de 800C valorile viscozității convenționale la concentrații ale apei de 10% și 20% se apropie de 7-80E.
Din publicațiile existente [4] se cunoaște că:
1) creșterea viscozității EAP la concentrații ale apei de până la 20% va fi neconsiderabilă, la temperaturi mai mari de 60-800C viscozitatea EAP fiind practic egală cu cea a combustibilului natural din care este preparată;
2) nu este necesară prepararea emulsiilor de dispersie fină;
3) mai preferabile sunt tehnologiile de preparare a EAP care asigură arderea lor imediată, fără necesitatea utilizării unui recipient de stocare intermediar;
4) temperatura optimă de preparare a EAP constituie 80-900C, de păstrare – 50-600C.
2.3. Densitatea
Ca și viscozitatea, densitatea determină într-o mare măsură stabilitatea și durata de viață a EAC.
Este clar, că pentru păcură având densitatea, sedimentarea are loc destul de lent chiar și în cazul sistemului cu finețe grosieră. La densități mai mari, stratificarea devine practic imposibilă. În calitate de emulgător pentru EAC folosit ca combustibil pentru cuptoare se recomandă utilizarea păcurii.
Densitatea, fiind o măsură aditivă, poate fi determinată, în cazul emulsiei, cu relația:
, (2.1)
în care și este densitatea combustibilului, respectiv, a apei în condițiile date;și – participația gravimetrică a combustibilului și apei în emulsie.
2.4. Căldura masică
Căldura masică a EAC poate fi determinată cu ajutorul relației:
, (2.2)
în care și este densitatea combustibilului, respectiv, a apei în condițiile date;și – participația gravimetrică a combustibilului și apei în emulsie.
2.5. Conductivitatea termică
La conținuturi de apă de până la 40%, conductivitatea termică a EAP poate fi determinată conform rezultatelor studiilor efectuate în lucrarea [2].
2.6. Căldura de ardere
Căldura de ardere reală a EAC se detrmină experimental. În calculele tehnice, cu precizie de , căldura de ardere inferioară poate fi calculată cu ajutorul ecuației lui Mendeleev:
, (2.3)
în care sunt participațiile gravimetrice ale carbonului, hidrogenului, sulfului combustibil și apei în EAP, [% mas.], raportate la starea inițială a acesteia.
Cunoscând căldura de ardere inferioară a păcurii în starea inițială , se poate determina pentru EAP în starea reală:
(2.4)
în care sunt conținuturile de apa în păcură în starea inițială, respectiv în EAP în starea reală, [% mas.].
2.7. Temperatura de congelare, de inflamabilitate și de aprindere
Temperatura de congelare a păcurii poate varia de la –50C până la +360C [1].
Conform datelor din literatură [5,6], temperatura de congelare a EAP, în dependență de umiditate variază de la 110C până la 250C. Reieșind din experiența practică de exploatare, temperatura în timpul pompării EAP nu trebuie să fie mai joasă de 400C, în cazul dacă pentru EAP se utilizează păcură 40 și 500C pentru EAP din păcura 100.
În condițiile securității incendiare temperatura până la care poate fi încălzit combustibilul, trebuie să fie cel puțin cu 100C mai joasă decât temperatura de inflamabilitate. În funcție de tipul de păcură, aceasta variază între 1200C și 2430C, în cazul păcurilor 40 și 100 constituind 117-1480C .
În urma unor studii privind temperatura de inflamabilitate a EAP, s-a stabilit, că aceasta practic nu se modifică atât în cazul păcurii, cât și în cazul EAP. Temperatura de aprindere a EAP este cu 10-150C mai joasă decât temperatura de inflamabilitate a păcurii în starea anhidră.
CAPITOLUL 3
PARTICULARITĂȚILE PROCESULUI DE ARDERE A EMULSIILOR APĂ-COMBUSTIBIL
3.1. Mecanismul de ardere a hidrocarburilor
În corespundere cu concepția contemporană a teoriei de ardere [1], procesul de ardere a hidrocarburilor se desfășoară neapărat în mediu gazos cu eliminarea unei cantități mari de căldură și energie radiantă, constituind un proces fizico-chimic complex, în care unele elemente participante la ardere interacționează chimic cu oxidantul. Totodată arderea poate fi realizată în condițiile desfășurării următoarelor procese:
încălzirea și evaporarea combustibilului;
descompunerea termică și oxidarea;
formarea amestecului aer-gaz;
aprinderea și arderea amestecului aer-gaz.
Etapele de realizare a acestor procese sunt inseparabile una de alta și într-o măsură oarecare se pot suprapune în timp și în spațiu. În perioada inițială de desfășurare a proceselor chimice de ardere intervin așa numitele reacții preflacără (1)-(3), care pot fi exotermice sau endotermice, însă acestea nu asigură creșterea temperaturii și presiunii în întregul volum al amestecului carburant. Dacă căldura emisă în reacțiile preflacără nu este în mare măsură degajată în exteriorul spațiului de ardere, atunci va avea loc încălzirea amestecului carburant, urmată de ridicarea bruscă a vitezei reacției și implicit a temperaturii, având loc aprinderea acestuia.
Arderea hidrocarburilor se complică prin faptul, că paralel cu oxidarea are loc descompunerea lor termică [2]:
CnHm nC + m/2H2 ; (3.1)
CnHm xC + yH2 + Cn-xHn-2y (3.2)
În realitate această descompunere se limitează doar la formarea de hidrocarburi grele și ușoare. Hidrocarburile ușoare se aprind repede, însă cele grele, ca și carbonul din negrul de fum, se aprind mult mai dificil, fiind în consecință evacuate din camera de ardere nearse complet sau formând pe pereții acesteia depuneri coxificate. În prezența unei cantități suficiente de oxigen, hidrocarburile în stare de vapori se oxidează formând gaze combustibile: CO; H2; CH4.
Astfel, arderea hidrocarburilor decurge în cea mai mare măsură conform mecanismulului de oxidare a monoxidului de carbon, hidrogenului, metanului și de ardere eterogenă a carbonului.
La încălzire, metanul (CH4) cedează ușor un atom de hidrogen [3], transformându-se în radical metilic CH3. Atomul de hidrogen eliberat interacționează cu oxigenul, formând radicalul hidroxilic – OH care, la rândul său, interacționează cu radicalul metilic, formând metan – CH3OH.
Metanolul în condiții similare se descompune în aldehidă formică instabilă (HCOH) și apă. Aldehida formică se descompune, la rândul său, în oxigen și bioxid de carbon:
CH4 CH3 + H ; (3.3)
H+O2 OH- + O ; (3.4)
CH3+OH- CH3OH ; (3.5)
CH3OH+O HCHO + H2O ; (3.6)
HCHO H2 + CO ; (3.7)
CH + OH CO + H2 ; (3.8)
CH+OH HCHO . (3.9)
De remarcat, că toate reacțiile de ardere sunt reacții în lanț cu lanțuri ramificate. Prin urmare, reacțiile sumare de ardere nu se supun legii acțiunii maselor și legii lui Arrenius, cunoscute din cinetica clasică. Aceste legi pot însă fi aplicate numai în cazul reacțiilor intermediare procesului sumar de adrere. Mecanismul de descompunere profundă a hidrocarburilor este încă slab studiat, din cele cunoscute cea mai acceptabilă și verificată experimental fiind teoria capilară a formării negrului de fum [4]. Procesul se mai complică și prin faptul că la momentul formării particulele de funingine au dimensiunea moleculelor, manifestând activitate deosebită la oxidare, conform reacțiilor de gazeificare a carbonului, MJ/kmol:
C + O2 = CO2 + 407; (3.10)
C + 0,5 O2 = CO + 123; (3.11)
C + CO2 = 2CO – 161,5; (3.12)
C + H2O = CO + H2 – 118,7; (3.13)
C + 2 H2O = CO2 + 2 H2 – 75,5; (3.14)
CO + 0,5 O2 = CO2 + 284; (3.15)
C + CO2 = 2 CO – 161 (3.16)
CO + H2O = CO2 + H2 + 43,6. (3.17)
Ca oxidant activ poate servi atât oxigenul din aerul atmosferic, cât și cel legat din vaporii de apă sau din dioxidul de carbon. După cum se observă din ecuațiile reacțiilor (3.10) – (3.17), interacțiunea carbonului cu oxigenul este însoțită de degajare de căldură, în timp ce reacțiile de interacțiune a acestuia cu dioxidul de carbon și cu vaporii de apă se realizează doar cu absorbție de căldură. În exteriorul zonei de temperaturi înalte, componenții, care participă la aceste reacții, formează flacăra. Din această cauză, realizarea acestor reacții nu este posibilă în orice condiții, cu atât mai mult că particulele de funingine manifestă tendința de a se aglomera. Agregarea acestora are loc instantaneu, cu viteză care depășește cu mult viteza reacției lor de oxidare. Atunci, când din particulele de funingine, având inițial dimensiunea moleculelor, se formează agregate cu dimensiunea de ordinul al câțiva microni, activitatea lor în procesul de oxidare se reduce, acestea ieșind din procesul de ardere și ducând cu sine o parte din energia potențială a combustibilului.
Cinetica formării particulelor de funingine în flăcările etilenice a fost studiată detaliat în lucrarea [5]. Conform datelor obținute, viteza de formare a particulelor de funingine este de cca 1016 cm-3/s, semnalându-se că procesul de formare a funinginii are loc în primele 2,5 ms de ardere. Totodată a fost studiată și formarea hidrocarburilor aromatice policiclice (HAP) și a funinginii la arderea emulsiilor apă-păcură.
Este remarcabil faptul că hidrocarburile menționate mai sus pot servi ca embrioni de formare a particulelor de funingine în procesul de neutralizare a acestora. La arderea emulsiilor apă-păcură (10% H2O), conținutul de HAP în flacără scade de două ori, micșorându-se și emisia de funingine în atmosferă. Astfel, temperatura de ardere a amestecului combustibil-comburant depinde de prezența în compoziția acestuia a cantității suficiente de oxigen, necesar pentru oxidarea efectivă până la CO2 și H2O.
Conform datelor existente [2], asupra vitezei reacțiilor de oxidare influențează considerabil temperatura maximă de ardere ce se stabilește la arderea completă a combustibilului. Cu creșterea acesteia se intensifică schimbul de căldură dintre oxidant și combustibil, se reduce timpul de decurgere a reacției preflacără, crescând în ansamblu temperatura de ardere a combustibilului. Creșterea temperaturii inițiale de ardere T0 duce la mărirea vitezei și temperaturii de ardere Ta. Spre exemplu, la creșterea T0 de la 300 la 600 K , temperatura de ardere a amestecului de CO cu aer se mărește de 3,5 ori. Un interes deosebit îl prezintă introducerea de impurități active în amestecul de combustibil, care mărește viteza de ardere chiar la adăugarea în cantități mici. De exemplu, la adăugarea apei în amestec de CO și O2, viteza de ardere se mărește proporțional cu conținutul vaporilor de apă. Dacă acesta se modifică de la 0,2 la 2,0% mas., atunci viteza reacției se mărește de trei ori.
În prezent teoria de ardere, propusă de acad. N. N. Semionov și colab. [1], este unanim recunoscută; esența acesteia constă în faptul că, probabil, desfășurarea procesului de ardere a combustibilului este un salt spre starea finală a reacției, însoțit de un șir de reacții intermediare simple, ce pot fi îndeplinite ușor. În legătură cu aceasta s-a stabilit, că aprinderea și arderea hidrocarburilor are loc după o schemă similară cu cea a reacțiilor în lanț, oxidarea trecând prin așa numitele degenerări ramificate a lanțului.
Principiile de bază ale acestei teorii constau în următoarele: substanțele active intermediare de bază (centrii activi) din procesul de ardere sunt atomii de hidrogen, oxigen și radicalul hidroxil OH, care au o afinitate mai mare în reacțiile cu moleculele de hidrocarburi. Conform datelor experimentale, energia de activare a reacțiilor atomilor liberi și radicalilor cu moleculele de hidrocarburi constituie 42…50 kJ/mol; energia de activare a moleculelor de hidrocarburi cu legături de valență completate este de 419 kJ/mol.
La ciocnire, centrii activi pot forma un nou centru activ, însă îl pot și distruge, rupând lanțul reacției. Cauza distrugerii poate fi ciocnirea cu o moleculă inertă sau cu pereții vasului.
Dacă în urma reacției centrul activ este reconstituit sub forma unui nou centru activ, atunci are loc reacția în lanț neramificată; în cazul când centrul activ, intrând în reacție, este reconstituit sub forma a nu mai puțin de două noi centre active, reacția în lanț devine ramificată, de exemplu:
4 H + O2 2 H2O (3.18)
Procesul inițial este un proces de disociere:
H2 H + H; (3.19)
H + O2 OH- + O; (3.20)
O + H H + OH; (3.21)
2 OH- + H H + H2OO. (3.22)
Din ecuațiile de mai sus se observă, că apariția unui atom de hidrogen este urmată de formarea a trei atomi de hidrogen (H), reprezentând centrii activi ai reacției.
Monoxidul de carbon (CO) în lipsa vaporilor de apă și a hidrogenului nu intră în reacție cu oxigenul până la temperatura de 1000 K, mai sus de aceasta decurgând o reacție lentă eterogenă la suprafața materialelor. În prezența apei, reacția începe să decurgă ca o reacție omogenă a lanțului ramificat:
2CO + O2 2CO2; (3.23)
CO + OH- CO2 + H ; (3.24)
O + CO CO2; (3.25)
H + O2 OH + O; (3.26)
O + H2 OH- + H. (3.27)
Atomii de hidrogen și radicalul hidroxil OH- formează lanțuri ramificate. Mai mult ca atât, vaporii de apă și hidrogenul participă la transformări reciproce, ceea ce duce la formarea lanțului:
H2O + H OH- + H2 . (3.28)
Conform teoriei menționate, arderea este reprezentată ca o reacție chimică de un anumit tip, care decurge în condiții, ce asigură accelerarea progresivă a acesteia. De reținut este faptul, că autoaccelerarea progresivă depinde atât de particulartățile reacției, cât și de condițiile de realizare a acesteia. De exemplu, ridicarea presiunii și micșorarea concentrației gazelor combustibile prin diluare cu gaze inerte (He, Ar, N2) va duce la ruperea și distrugerea lanțurilor, la ciocniri dintre moleculele inerte, ce creează premizele stingerii procesului de ardere.
Partricularitatea caracteristică a reacției de ardere este capacitatea de a regenera așa numitul agent activ, intensificând puternic procesul. Dacă condițiile de acumulare a agentului activ nu sunt favorabile, atunci reacția de ardere poate avea loc fără accelerare progresivă. În acest caz procesul de ardere nu se realizează. Ca agenții activi pot servi temperatura sau produsele reacției În primul caz, arderea e de natură termică, temperatura degajată încălzind amestecul carburant și ducând la autoaccelerarea termică a reacției. În al doilea caz, arderea are loc în baza proceselor cu reacții în lanț – produselor însăși a reacției de ardere. În cel mai simplu caz, arderea este descrisă de ecuația bilanțului termic al spațiului de reacție în ansamblu, utilizându-se temperatura mediată pe volumul acestui spațiu.
Cea mai largă aplicare industrială o au metodele de conversie catalitică a gazelor naturale (în particular, a metanului) la temperaturi ridicate.
La baza acestor metode se află următoarele reacții, MJ/kmol:
CH4 + 0,5 O2 = CO + 2 H2 + 35,6; (3.29)
CH4 + H2O = CO +3 H2 – 206,4; (3.30)
CH4 + CO2 = 2 CO + 2 H2 – 248,3; (3.31)
CO + H2O = CO2 + H2 + 43,6. (3.32)
Deoarece în sistemul (3.29)-(3.32) au loc concomitent reacții exo- și endotermice, atunci la o insuflare corelată cu amestec de abur și oxigen se poate realiza procesul endotermic de conversie a metanului. La temperaturi mai mari de 8000C, echilibrul termodinamic al reacțiilor (3.29)-(3.32) este deplasat considerabil spre formarea de CO și H2, fenomen ce permite realizarea destul de profundă a acestora.
Însă, în gazele naturale sau în alte gaze combustibile împreună cu metanul se află și analogii săi superiori sau hidrocarburile nelimitate, care împreună cu metanul se oxidează parțial în conformitate cu următoarele reacții chimice sumare:
CnHm + 0,5n O2 = nCO + 0,5m H2; (3.33)
CnHm + n H2O = n CO + (n+0,5m) H2. (3.34)
Prezența în faza gazoasă a unei cantități excesive de hidrogen inițiază hidratarea concomitentă a hidrocarburilor superioare cu formarea metanului, conform reacțiilor:
CnH2n+2 + (n-1) H2 = n CH4; (3.35)
CnH2n + n H2 = n CH4. (3.36)
Și în cazul conversiei catalitice a metanului există condiții, în care se desfășoară reacțiile de formare a funinginii:
CH4 = C + 2 H2; (3.37)
2CO = C + CO2. (3.38)
Pentru conversia catalitică reacțiile (3.37)-(3.38) sunt nedorite, deoarece acestea duc la micșorarea activității catalizatorului și la micșorarea bruscă a productivității reactorului.
3.2. Premizele elaborării tehnologiei se ardere a combustibililor lichizi în emulsie cu apa
La ora actuală, în vederea obținerii fracțiilor ușoare ale petrolului, se utilizează metode optime de tratare termică a acestuia. Din cauza înrăutățirii proprietăților sale fizice și energetice, păcura ce se obține prin aceste tehnologii, se supune arderii mult mai dificil. Are loc o creștere bruscă a viscozității combustibilului și creșterea temperaturii de îngroșare.
În cazul păcurii foarte vâscoase are loc formarea unor acumulări locale de apă cu un conținut mare al acesteia, ceea ce este condiționat de procesele de prelucrare, pompare, stocare și încălzire a combustibilului. În timpul arderii combustibilului în focarele cazanelor și cuptoarelor aceste acumulări reprezintă un pericol serios, deoarece duce la întreruperea proceselor de ardere sau la arderea prin pulsații, la scăderea considerabilă a eficienței cazanelor și la alte efecte negative.
În prezența catalizatorilor (metalelor, aliajelor, oxizilor, silicaților, aluminaților, cromaților etc.) moleculele de apă se transformă la temperaturi înalte în atomi și radicali (H, OH-, O2- etc.) care catalizează procesul de ardere a carburanților. Arderea se realizează mai complet, cantitatea nocivităților în gazele de eșapament este redusă, avantajele economice ale procesului de ardere cu participarea apei sunt evidente.
O perspectivă în vederea creșterii eficienții utilizării păcurii o reprezintă arderea acesteia sub formă de emulsie apă-păcură (EAP).
Apa a fost întotdeauna satelitul petrolului, problema deshidratării acestuia apărând simultan cu utilizarea petrolului în calitate de combustibil.
Păcura poate acumula apă prin diferite moduri. După prelucrarea petrolului, păcura conține până la 1,5% apă (ГОСТ 10585-75). În timpul transportării fluviale sau maritime, conținutul de apă crește până la 3-5%. De menționat că hidratarea cea mai puternică a păcurii are loc în urma scurgerii sau încălzirii, deoarece procedeul cel mai frecvent utilizat de încălzire a păcurii este cel cu abur direct. În acest caz, conținutul de apă poate să crească până la 10-15% [1].
În perioada încălzirii, mai ales în depozitele subterane de păcură, cantitatea de apă în păcură poate să crească până la 30-40% și din contul apelor subterane. Acest fapt duce la o scadere și mai mare a eficienții arderii.
Înlăturarea apei din combustibil se intreprinde prin folosirea unor deemulgătoare statice, dinamice etc. În acest scop se utilizează de asemenea și diverse preparate chimice, care separă apa de păcură.
Asfaltenele și rășinele de petrol, prezente în păcură, asigură stabilitatea EAP. Acestea sunt substanțe tensioactive naturale (STA), pe lângă care prezența particulelor solide (alcanelor normale, argilei, sărurilor) asigură o stabilitate suplimentară a EAP, crescând însă și dificultatea deshidratării păcurii.
Cantitatea cea mai mare de apă este acumulată de păcură chiar în depozitele de combustibil ale centralelor termoelectrice și întreprinderilor industriale, în urma curățirii rezervoarelor, filtrelor încălzitoarelor formându-se ape reziduale conținând până la 60-70% de produse petroliere.
Prin urmare, este necesar de a arde eficient combustibilii lichizi grei și de a valorifica o mare cantitate de ape reziduale, ce conțin componente de ardere, lubrifianți și substanțe organice nocive. După epurarea acestora căldura de ardere a șlamului sedimentat este de 13860-15840 kJ/kg [3].
În cazul, când în păcură se introduce 15% apă, în care se conțin 4,5% substanțe organice (0,69% în emulsie), căldura necesară pentru evaporarea apei (în cazul căldurii de ardere a păcurii de 39800 kJ/kg), constituie 360 kJ sau 0,9%. Din aceste 4,5% fac parte: crezolul – 2%, formaldehidele – 2%, fenolul liber – 0,5%. Conținutul lor în emulsia cu umiditatea = 15% va constitui respectiv: 0,3%, 0,3% și 0,075%.
Raportată la 1 kg de emulsie (= 15%), căldura de ardere a substanțelor organice constituie – 150 kJ/kg. Deci, 42% din căldura necesară pentru evaporarea apei, este compensată prin arderea substanțelor organice nocive. Spre exemplu, căldura de ardere a fenolului este de 30679 kJ/kg, căldura necesară pentru evaporarea apei în acest caz constituind mai puțin de 0,5% din cei 39800 kJ/kg și fiind destul de bine compensată de organizarea mai rațională a procesului de ardere a emulsiei [2].
Așadar, se poate afirma că una dintre metodele radicale de ardere a combustibililor lichizi grei hidratați și de utilizare a apelor reziduale ce conțin componente de ardere și lubrifianți, este cea bazată pe prepararea în mod special a EAP. Aceasta reprezintă o specie nouă de combustibil lichid sintetic care se deosebește de păcură atât prin proprietățile sale fizico-chimice, cât și prin particularitățile de ardere și schimb de căldură. În EAP apa nu mai este un balast, dar un catalizator specific care optimizează și accelerează procesul de ardere a combustibilului.
3.3. Particularitățile procesului de ardere a emulsiilor apă-combustibil
Dat fiind că influența apei a interesat, în primul rând, în procesul de ardere a combustibilului, rolul apei în EAC n-a fost practic studiată. Probabil, că acesta este determinat de unele condiții termogazodinamice, de inducția chimică (cataliză), de procesele de schimb de căldură.
Studiul procesului de ardere a picăturii de păcură și a celei de EAP au permis stabilirea unor particularități [2,5]:
1) în condiții identice de temperatură, aprinderea picăturii de EAP este mai rapidă decăt în cazul picăturii de păcură deshidratată;
2) procesul de ardere a EAP este însoțit de dezintegrarea suprafeței libere a picăturii și de evacuarea vaporilor de apă din interiorul acesteia; în cazul dimensiunilor identice, picătura de EAP arde mai repede decât cea de păcură deshidratată, ca rezultat al fragmentării acesteia, determinată de „acțiunea de rupere” a vaporilor de apă;
3) expusă la temperatura de 3500C, picătura de EAP începe să fiarbă după 2 s, în timp ce picătura de păcură începe să fiarbă la 5000C și abia după 7 s.
Procesul de fierbere a EAP se realizează în două etape.
În etapa inițială, mai întâi, începe să fiarbă apa din globulele emulsiei. Presiunea în interiorul globulelor crește brusc. Acțiunea forțelor interne se fructifică cu ruperea peliculei superficiale și cu fragmentarea picăturii de EAP. Sateliții formați sunt împrăștiați și diverse direcții. Scăderea bruscă a presiunii în interiorul picăturii, microfragmentarea acesteia, înmagazinarea de către fragmentele picăturii a energiei cinetice suplimentare duc la evaporarea instantanee și la formarea norului de aburi. În prezent mecanismul de microfragmentare și influiența pozitivă a acestuia asupra intensificării procesului de ardere a combustibilului lichid nu trezește nici un dubiu, fiind confirmat de multe studii.
Deocamdată, nu este pe deplin studiată problema influenței compoziției și fineții fazei disperse a EAP asupra eficienții acțiunii microexploziei. Cu scăderea dimensiunilor globulelor, are loc creșterea tensiunii superficiale. În consecință, crește și temperatura de fierbere a fazei disperse din interiorul picături, atingând 240-270oC [6,7]. Plus la aceasta, cu scăderea dimensiunilor globulelor, crește probabilitatea trecerii apei din interiorul micropicăturii în stare metastabilă cauza reducerii numărului de centri activi de formare a vaporilor [8]. Numărul centrilor de vaporizare depinde de volumul și puritatea lichidului. În cazul utilizării apelor impurificate la prepararea EAP are loc reducerea timpului de viață a stării metastabile și, deci, scăderea temperaturii de fierbere.
La atingerea temperaturii de fierbere a apei în globulă, care este comparabilă cu temperatura de fierbere a mediului dispers (păcurii), probabilitatea „microexploziei” devine minimă.
În timpul procesului de ardere a EAP, pe lângă arderea păcurii și vaporilor acesteia, în intervalul de temperaturi de 850-8900C, procesul devine endotermic, cea ce duce la scăderea temperaturii păcurii, ce arde cu 18-20oC. Acest proces este determinat de descompunerea termică și de recombinarea în faza de vapori a moleculelor de hidrocarburi cu temperatură de fierbere ridicată.
Etapa finală a procesului de ardere a păcurii constă în finalizarea arderii particulelor solide de negru de fum, ceea ce asigură intensitatea maximă a flăcării. În timpul procesului de evaporare, de pe suprafața păcurii, se evaporă, în primul rând, hidrocarburile ușoare, după care și cele grele. Hidrocarburile ușoare și radicalii de tipul •CH sau •OH au o reactivitate mai mare, reacționând prompt cu oxigenul din aer. Fiind cele mai saturate cu carbon, hidrocarburile grele posedă o reactivitate mai mică și reacționează mai greu cu oxigenul. Are loc procesul de descompunere prealabilă a hidrocarburilor grele cu formarea de hidrocarburi mai ușoare, de radicali și de carbon în stare liberă. Hidrocarburile ușoare și radicalii interacționează cu oxigenul care, prin difuzie, vine din mediul de ardere.
Carbonul în stare liberă ce se formează în urma descompunerii hidrocarburilor grele, în condiții de temperatură scăzută și de viteze mici de transport de oxigen din mediul înconjurător, poate să interacționeze cu oxigenul în ultimul rând.
Moleculele compușilor macromoleculari ce intră în compoziția combustibilului, formează microaglomerați (“microghemuri”) care, din cauza limitării accesului de oxigen, se oxidează incomplet. Acești compuși, sub acțiunea temperaturilor înalte, sunt supuși unui proces de piroliză cu formare de particule de negru de fum. În cazul EAP, moleculele nepolare ale păcurii tind spre un aranjament regular la dispersarea cu lichide polare, spre exemplu, cu apă, moleculele căreia sunt dipoli. Are loc întinderea “microghemurilor” în fibre și ruperea acestora, ceea ce crează condiții favorabile pentru arderea completă a combustibilului [6].
Norul de abur format este constituit din particule minuscule de hidrocarburi grele și ușoare, precum și din vapori de apă și din produși de disociere a acesteia. Norul având o suprafață specifică mare, intră în contact cu un oxidant, considerabil, mai eficient. Ca urmare, are loc scăderea bruscă a timpului și posibilității de piroliză a carburantului, reducerea dimensiunilor particulelor de negru de fum și structurarea acestora, ceea ce duce la scăderea timpului de ardere completă a lor. Se cunoaște de mult timp, că vaporii de apă exercită o acțiune catalitică asupra arderii complete a combustibilului.
Rezultatele mai multor studii au demonstrat, că acțiunea vaporilor de apă este identică cu acțiunea hidrogenului asupra flăcării. Cu creșterea presiunii parțiale a H2O, crește și gradul de ardere completă a monoxidului de carbon, care reprezintă produsul final al procesului de oxidare a carbonului. Dacă în absența H2O nu are loc arderea completă a CO, în prezența doar a 0,5% H2O gradul de ardere completă a CO atinge maximul de 100%.
Vaporii de apă au o acțiune pozitivă similară și asupra arderii complete a hidrocarburilor. Prin urmare, la arderea EAC, în domeniul de ardere are loc o creștere a concentrației H2O și a produselor de descompunere a acesteia (OH•, H•, O) care exercită o acțiune catalitică asupra procesului de ardere. Apa, pe suprafața de separare a căreia se concentrează asfaltenele și rășinele, duce la dispersarea celor din urmă și la saturarea lor cu radicali în momentul microexploziei [9].
Arderea intensă și stabilă a EAP se realizează în flacără scurtă și se caracterizează prin arderea completă a combustibilului la exces minim de aer, apărând noi posibilități în vederea utilizării eficiente a acestora în instalațiile termoenergetice.
3.4. Tehnologia de preparare a emulsiilor apă-păcură
Calitatea emulsiei poate fi caracterizată prin intermediul a doi indici: finețea și uniformitatea repartiției globulelor în faza continuă a acesteia (păcurii). Cu creșterea fineții și uniformității EAP are loc creșterea stabilității acesteia și a siguranței de funcționare a instalațiilor de ardere (IA).
Scopul principal, urmărit la prepararea EAP, constă în sporirea eficienții de ardere a combustibilului lichid (păcurii). Eficiența la ardere și stabilitatea la stocare și transportare pentru EAP trebuie să fie maxime.
Existența microexploziei și forța acesteia determină eficiența la ardere a EAP. Din rezultatele unor studii [6], s-a stabilit că cu scăderea dimensiunilor globulelor efectul microexploziei se diminuează, adică scade capacitatea exploziei, care poate fi evaluată cu viteza relativă de împrăștiere a sateliților picăturii și cu cantitatea acestora. Efectul maxim este atins în cazul, când dimensiunile fazei disperse a EAP se află în limitele 8-16 μm.
La temperatura de depozitare de 600C, EAP-10 pe bază de păcură 100 [4] este stabilă mai mult de 24 h, ceea ce este suficient pentru funcționarea stabilă și sigură a unei întreprinderi ce utilizează păcură în sistem de reciclare.
În acest caz nu este necesară utilizarea tehnologiilor de preparare a EAP cu utilizare de dispergatori, de unde ultrasonore, de vibrații etc., care sunt complicate și costisitoare.
La utilizarea în calitate de adaos a apelor reziduale sau a altor ape impurificate, are loc reducerea temperaturii la care apare starea metastabilă în interiorul globuleli și a timpului de viață a acesteia, precum și creșterea eficienții microfragmentării păcurii inițiale.
Astfel, tehnologia de preparare a EAP, utilizate în instalații termoenergetice nu prea mari, trebuie să satisfacă următoarele cerințe:
1) să fie simplă și să prezinte siguranță în exploatare;
2) să nu fie energointensivă și ofere posibilitatea automatizării procesului;
3) să asigure uniformitatea emulsiei preparate și finețea acesteia în limitele de 8-18 μm.
Tehnologiile cunoscute de preparare a EAP sunt clasificate conform următoarelor criterii:
1) după caracterul și timpul de funcționare: cu acțiune periodică, cu acțiune continuă, sisteme automatizate;
2) în funcție de procedeul de dozare și de gradul de modificare a volumului în vasul de amestec: cu pompă-dozator pentru controlul gradului de hidratare și presiunii în sistem; cu ejector-dozator cu un vas intermediar de stabilizare sau fără acesta.
3) După tipul de dispergator: ejector de emulsie, colector perforat, emulgator cu rotor.
Schema cea mai simplă reprezintă un sistem cu acțiune periodică: pompă cu pinioane – colector perforat – vas cu EAP [10]. Volumul vasului cu EAP este etalonat iar vasul este dotat cu un plutitor de nivel (fig. 3.1, a). În volumul inițial de păcură din vasul 8 se adaugă apă încălzită până la 50-700C prin intermediul unui ajutaj sub formă de duș.
După introducerea cantității necesare de apă, se pune în funcțiune pompa 10. Numărul de circulare minim este 3-4, optim – 5-6, dimemsiunea minimă a globulelor este de 12-14 μm, maximă – 30-40 μm. Cu creșterea numărului de circulare, dimensiunea picăturilor mari scade și crește uniformitatea emulsiei. Dimensiunea minimă a globulelor, practic, nu se modifică.
Productivitatea preparării EAP conform acestei tehnologii constituie 1-10 m/h3 și depinde de tipul pompei și a vasului de consum. Timpul de preparare constituie 1 h, capacitatea specifică – 0,1-0,3 kW/h. Dezavantajele sistemului sunt: dificultatea efectuării controlului raportului dintre cantitățile de apă și păcură, periodicitatea de funcționare, obținerea unor emulsii grosiere, care posedă stabilitate și uniformitate scăzută.
În fig.3.1,b este prezentată schema sistemului, în care este încadrată o pompă pentru dozare iar controlul cantității de apă și păcură se efectuează cu ajutorul unui debimetru cu diafragmă. În cazul dat, emulsia grosieră se prepară într-un vas intermediar de amestec, constituit dintr-o carcasă, în care este sudată o țeavă perforată. După aceasta, amestecul trece în emulgatorul 13 de pulsație cu rotor, după care spre ejectoare [12]. Acest sistem este cu acțiune continuă și se folosește pentru obținerea unor EAP stabile și uniforme cu finețe ridicată (1-10 μm). Și în acest caz este dificilă efectuarea controlului raportului apă/păcură.
Schema tehnologică cu ejectoare-dozatoare,care simultan servesc și ca dispozitive de emulgare din prima treaptă, este cea mai acceptabilă pentru instalațiile termoenergetice nu prea mari. În aceste sisteme, la modificarea debitului de păcură, raportul apă/păcură se menține la valoarea cerută în mod automat. Dispersarea în treapta a doua se efectuează cu ajutorul pompelor cu pinioane iar prin montarea unor emulgatori de anumite tipuri (fig. 3.1, c) se obține un sistem de preparare a EAP în trepte (polietajat).
În calitate de ejectori-dozatori pot fi utilizate malaxoare speciale cu injecție (fig. 3.2) de tipul celor elaborate de ICCL sau elevatoare tipice, în care se montează manșoane speciale (fig. 3.3). Malaxorul are și regim de dozare reglobală, ce se realizează prin deplasarea elementului conic 4 în direcția axei ejectorului, ceea ce duce la modificarea secțiunii inelare în zona duzelor. În acest caz are loc modificarea regimului de dozare.
ICCL a elaborat și o variantă constructivă simplă de emulgator tip rotor (fig.3.4).
Emulsia grosieră este introdusă în cavitatea cilindrului static perforat 3, la intrarea în care este montat rotorul 7. Sub acțiunea presiunii EAP, rotorul inițiază rotirea cilindrului-rotor dinamic 6 cu orificii.
Presiunea la intrarea în emulgator este nu mai puțin de 0,6 MPa, viteza fluxului – nu mai mică de 1,1 m/s la temperatura de 60-700C. Unghiul optim de deschidere a lopeților rotorului constituie 30-350.
La trecerea emulsiei grosiere prin orificiile cilindrului static, crește uniformitatea repartiției apei în volumul păcurii. Procesul de dispersare se realizează intens în spațiul situat între cilindre. Pe suprafața cilindrilor se formează un film, în care particulele mari ale fazei disperse (apa) se deformează în planul de turație sub forma unor fibre, după care se fragmentează în globule mai mici.
Grosimea stratului dintre cilindri constituie 1,0-1,5 mm. Procesul de dispersare se finalizează la ieșirea din orificiile radiale ale rotorului. Dimensiunea medie a globulelor este de 8-20 μm; stabilitatea emulsiei obținute pe bază de păcură constituie 10-40 h. Productivitatea emulgatorului are valori între 0,3-1,2 m3/h, intensitatea energetică specifică pentru acest sistem de preparare este de 1-2 kW/m3 EAP.
Procesul este periodic-continuu.
Este de dorit, ca emulgatorul să se monteze vertical, astfel, încât mișcarea jetului de emulsie să fie orientată în jos.
Instalația de ardere a hidrocarburilor lichide (fig. 3.5) [17] este alcătuită din următoarele elemente: capacul 1 cu orificiul central 2, orificiul radial 3 și axial 4 pentru alimentare cu emulsie combustibil-apă. Șaiba 5 cu orificii susține catalizatorul 6 din tubul 7. Tubul 7 joacă simultan și rolul unei camere de vaporizare și de hidrogenizare.
Orificiul 8 din corpul 9 servește pentru evacuarea gazului fierbinte în spațiul de lucru al instalației de încălzire (cuptor).
Capacul 10 cu orificiul central 11, radial 12 și axial central 13 servesc pentru evacuarea gazelor combustibile formate spre becul 14, pentru ardere. Acestea trec prin orificiul axial 13 din capacul 10.
Discurile 15, îmbrăcate compact pe suprafața camerelor de vaporizare-hidrogenizare 7, servesc ca aripioare pentru intensificarea transferului de căldură de la gazele arse fierbinți, recirculate în sensul săgeților D și E prin spațiul intertubular interior al corpului 9, spre aceste camere.
Orificiul 16 servește pentru admisia gazelor arse fierbinți D din focarul instalației de ardere.
Emulsia combustibil-apă este refulată prin orificiul 2 din capacul 1 în direcția săgeții B, pătrunzând prin orificiile radial 3 și axial 4 și prin șaibele 5 în tuburile 7 cu catalizator 6 încălzit de gazele arse fierbinți D-E. În prezența catalizatorului 6, în camerele de vaporizare-hidrogenizare 7 se desfășoară un proces intens de gazeificare a EAP.
Gazele combustibile obținute în urma gazeificării, trecând din camerele de vaporizare-hidrogenizare prin canalele axiale 11, radiale 12 și canalul axial 13 iar mai departe în direcția săgeții C, ajung la becul 14, cu ajutorul căruia se realizează procesul de ardere.
Prin alegerea numărului respectiv de discuri 15, în funcție de combustibilul și catalizatorul utilizat, se poate menține temperatura impusă de procesul de gazeificare catalitică din camerele de vaporizare-hidrogenizare 7. La această temperatură, în camerele de vaporizare-hidrogenizare 7, în prezența catalizatorului 6, decurge procesul de gazeificare a păcurii în amestec cu vapori de apă și oxigen. În acest caz se formează monooxid de carbon și hidrogen, conform reacției:
3CnH1,5n + 0,5nH2O + 1,25nO2 → 3nCO + 2,75nH2. (3.39)
În procesul de gazeificare, concomitent cu reacțiile dintre fracția de combustibil lichid, vaporii de apă și oxigen, au loc și reacțiile, în care vaporii de apă și dioxidul de carbon reacționează cu carbonul, ce poate să se formeze conform reacțiilor de mai jos, MJ/kmol:
CnHm → nC + 2mH2 – Q, (3.40)
H2O + C → CO + H2 – 118,7, (3.41)
CO2 + C → 2CO – 161,5. (3.42)
În lipsa catalizatorului, aceste reacții decurg la temperatura de 1000-15000C iar în prezența acestuia – la temperaturi mult mai scăzute. Formarea de CO și H2 asigură creșterea eficienții procesului, deoarece la arderea amestecului acestora cu gazul de sinteză, se degajă o cantitate de căldură suplimentară.
În cazul utilizării ca hidrocarbură a gazului metan (CH4), la temperatura de 400-6000C și în prezența catalizatorului, în camera de vaporizare-hidrogenizare poate șă se desfășoare reacția catalitică a metanului cu apa:
CH4 + H2OCO + 3H2. (3.43)
În acest caz, are loc și formarea gazului de sinteză, arderea efectivă a căruia necesită o cantitate minimă de oxigen atmosferic, ceea ce reduce cantitatea de azot implicat în procesul de ardere.
Plus la aceasta, în camerele de vaporizare-hidrogenizare pot avea loc și reacții de disociere termică a excesului de vapori de apă. În prezența catalizatorului, acest proces decurge la temperaturi considerabil mai mici decât în absența acestuia:
H2O H2 + 0,5 O2; (3.44)
H2O 0,5 H2 + OH; (3.45)
H2 2 H; (3.46)
O2 2 O. (3.47)
3.5. Indicii economici și ecologici ai procesului de ardere a emulsiilor apă-păcură
Arderea EAP în cazanele staționare ale centralelor termice și termo-electrice a atestat rezultate pozitive. Astfel, în Germania, la utilizarea emulgatorului prin ultrasonic 82E, s-a reușit obținerea unui randament al cazanelor cu 2,5-4,3% mai mare decât în lipsa acestuia, conținutul apei în păcură fiind de 4-5%. Aceasta a fost posibil pe baza reducerii excesului de aer cu 1-2%, a imperfecțiunii chimice a arderii cu 0,1-0,5%, pierderii de căldură cu gazele evacuate și depunerilor pe suprafața de încălzire cu 1,0-2,5% [18].
În Italia se exploatează mai mult de 1000 de instalații pentru arderea EAP. Analiza funcționării acestora a demonstrat, că are loc reducerea cu 80-90% a formării de produse de ardere incompletă. Plus la aceasta, se obțin economii de păcură de până la 3-5% [19].
Experimentările efectuate la unele centrale termoelectrice din Federația Rusă au demonstrat, că utilizarea EAP cu conținut de apă de 15-20% permite obținerea unui efect economic de ordinul a 2 mln. ruble/an, ținîndu-se cont de reducerea cu 30-35% a emisiilor de oxizi de azot, cu 70-80% a negrului de fum și cu 80-90% a benzopirenei [19].
În rezultatul studiului procesului de ardere a EAP în cazanele de fontă la realizarea uneia dintre cele mai simple tehnologii de preparare a emulsiei – pompă-colector perforat (fig.3.1, a), s-au stabilit și unele reguli care intervin la modificarea indicilor economici și ecologici. Creșterea randamentului (fig.3.6) este determinată de intensificarea procesului de ardere și de arderea mai completă a combustibilului emulgat. Creșterea randamentului în mare măsură a fost condiționată și de scăderea considerabilă a temperaturii gazelor evacuate cu 90-1000C (sau până la 180-1900C). La scăderea temperaturii are loc creșterea cu 3-4% și mai mult a randamentului cazanelor de fontă, conținutul de apă în EAP fiind fixat la valoarea optimă (10-11%). Economia anuală de combustibil pe un cazan de fontă a constituit 16 tone combustibil convențional [4].
Concentrația oxizilor de azot în compoziția produselor de ardere scade cu creșterea conținutului de apă, această dependență fiind liniară (fig. 3.7). În cazul când emulsia este caracterizată de = 10%, concentrația NOx în produsele de ardere a scade cu 34%. Dependențele concentrațiilor monoxidului de carbon și a negrului de fum de umiditate au un caracter mai complicat. Cu creșterea umidității până la 10-13%, conținutul de CO și de negru de fum scade. Creșterea ulterioară a umidității duce la creșterea concentrațiilor de CO și de negru de fum în compoziția produselor de ardere. Reducerea emisiei produselor de ardere incompletă poate fi explicată prin faptul, că are loc intensificarea procesului de ardere completă asigurată de microfragmentare, de creșterea presiunii parțiale a vaporilor de apă și de alți factori. Reducerea evacuărilor de CO și de negru de fum în atmosferă atinge valoarea de 50% la umiditatea EAP de 10-12%. Faptul stabilizării și creșterii ulterioare a concentrației produselor de ardere încompletă, poate fi explicat prin aceea că, pentru =15%, scăderea temperaturii flacării începe să manifeste o influență mai pronunțată asupra vitezei de ardere decât efectul microfragmentării picăturilor de emulsie.
CAPITOLUL 4
REZULTATE OBȚINUTE LA TESTAREA PRELIMINARĂ A INSTALAȚIEI PILOT
4.1. Abordarea problemei
Combustibilii lichizi grei, în urma unor operații de preîncălzire și filtrare, pot fi aduși în situația de a fi pulverizați și de a întreține, în anumite condiții, procesul de ardere.
Procesul de pulverizare este influențat în mod deosebit de vâscozitate.
Viscozitatea variază sensibil cu temperatura și, principala metodă utilizată în prezent pentru pulverizarea și arderea combustibililor lichizi grei constituind-o preîncălzirea acestora la temperaturi de 130-1600C.
În ultimul timp, pe plan mondial, se utilizează tot mai frecvent procedeul de emulgare cu apă a combustibililor lichizi grei. Emulsia apă-păcură (EAP) este un amestec omogen, în care apa este în proporție de până la 30%.
După cum s-a menționat și mai sus, elementul principal al arderii picăturii de EAP îl constituie explozia acesteia la supraîncălzire care conduce la pulverizarea fină a picăturii materne cu efecte benefice asupra procesului de ardere:
1) se reduce excesul de aer necesar pentru arderea completă;
2) se reduce emisia de NOx prin atenuarea vârfurilor de temperatură, ca urmare a disocierii endotermice a vaporilor de apă;
3) se mărește emulsivitatea gazelor prin creșterea concentrației de vapori de apă și scăderea concentrației de oxizi de azot.
Trei colective de cercetare din cadrul Universității din Bacău, Institutului de Cercetări Metalurgice (ICEM, București) și al Universității de Stat din Moldova (USM, Chișinău) au conceput în colaborare construcția unei instalații pilot pentru arderea combustibililor lichizi în amestec omogen cu apa. Instalația pilot a fost realizată de ICEM prin adaptarea unui cuptor de încălzire cu vatră fixă și a unui arzător recuperativ.
Pentru experimentări s-a utilizat păcură cu compoziția gravimetrică în starea inițială prezentată în tabelul 4.1.
Tabelul 4.1
Compoziția păcurii utilizate
Păcura s-a amestecat cu apă în proporție de 10%, 20% și respectiv 30%, formând EAP 10, EAP 20 și respectiv EAP 30, ale căror compoziții gravimetrice sunt prezentate în tabelul 4.2.
Tabelul 4.2
Compoziția emulsiilor experimentale
4.2. Descrierea instalației pilot
Schema de principiu a instalației pilot realizate este prezentată în fig.4.1.
Instalația pilot se compune în principal din:
– arzătorul (19) alimentat cu aer ventilat, aer comprimat, gaze combustibile (naturale de la rețea (20) sau de sinteză obținut în reactorul (2), sau alimentat printr-o conductă cu EAP);
– rezervorul (8) de EAP, prevăzut cu o serpentină de apă încălzită în cazanul (3), care recuperează căldura gazelor evacuate din cuptorul (1), prin arzătorul (19) și reactorul (2);
– reactorul (2) în care se produce gaz de sinteză, montat pe traseul gazelor arse evacuate din arzător pentru preîncălzirea emulsiei apă-abur la temperatura de cca 5000C;
– emulgatorul (12) care are rolul de a realiza amestecuri omogene de apă-păcură;
– preîncălzitorul electric (10) care încălzește emulsia apă-păcură ce se preia cu pompa (11) din rezervorul (8);
– filtrul (7) care reține particulele mai mari de 200 µm din emulsia apă-păcură.
4.3. Rezultatele obținute
Principalele rezultate experimentale, obținute la funcționarea instalației cu EAP, sunt prezentate în tabelele 4.3 și 4.4. Pe bază acestora s-au trasat diagramele Sankey (fig. 4.9-4.11).
Tabelul 4.3
Rezultatele experimentale la funcționarea cu EAP
Din analiza rezultatelor experimentale s-a constatat, că instalația pilot poate funcționa cu puteri de peste 100 kW, iar emulgarea se poate realiza pentru diverse proporții de apă.
Deasemenea, s-a constatat că nocivitățile emise prin arderea EAP sunt sub valorile limită prevăzute de Ordinul 462 al MAPPM din 01.07.1993.
Tabelul 4.4
Rezultatele experimentale la funcționarea cu EAP în regim de încălzire-ardere și în regim de ardere
Tabelul 3.4
(continuare)
CAPITOLUL 5
APLICAȚIE PRACTICĂ
5.1. Introducere
Radiația termică este radiația electromagnetică aflată în echilibru termodinamic cu substanța care emite această radiație, emisia fiind datorată mișcării termice a sarcinilor electrice microscopice din compoziția acestei substanțe. Datorită distribuției aleatorii a direcțiilor de oscilație termică a dipolilor electricii microscopici, radiația termică astfel emisă este nepolarizată.
Propagarea radiației termice, ca și în cazul altor tipuri de unde electromagnetice, reprezintă transport de energie radiantă. Energia radiantă a radiației termice are o distribuție spectrală continuă.
Echilibrul termodinamic perfect între substanța emisivă și radiația termică emisă este un caz ideal în care substanța emite și absoarbe cantități egale de energie radiantă corespunzătoare unui anumit domeniu spectral, la o anumită temperatură a substanței. O astfel de substanță ideală în care generarea de radiație termică are loc în condiții de echilibru termodinamic perfect este denumită corp negru. Corpul negru are proprietatea de a absorbi integral radiația incidentă, pentru întregul spectru al acesteia. Experimental au fost obținute diferite substanțe a căror comportare se apropie de particularitățile ideale ale corpului negru.
5.2. Descrierea standului experimental de determinare a indicelui de negru al corpurilor
Standul experimental (fig.5.1) este constituit din radiatorul 1 și radiometrul 2, montați pe suportul 3. Cu ajutorul comutatorului 4, radiometrul 2 este conectat la multimetrul 5, setat în regim de măsurare a tensiunii în intervalul de 0 – 200 mV.
Radiatorul 1 este construit din placa 6 din duraluminiu înnegrită cu negru de fum, care joacă rolul de corp negru, și din placa 7 din duraluminiu lustruit, prezentând corpul căruia i se determină indicele de negru. Pe axele de simetrie ale plăcilor sunt montate termocuplurile a, b, c, d și a׳, b׳, c׳, d׳ conectate cu ajutorul comutatorului 4 la multimetrul 5, setat în regim de măsurare a tensiunii în intervalul de 0 – 200 mV. Plăcile 6 și 7 sunt montate pe o ramă, cu posibilitatea rotirii acesteia în plan orizontal, și se încălzesc cu rezistența electrică 8 conectată la autotransformatorul 9. Tensiunea de alimentare a rezistenții electrice 8 se măsoară în punctele e și f cu ajutorul multimetrului 5, setat în intervalul de tensiuni 0 – 200 V.
Senzorul radiometrului 2 prezintă o baterie din 50 de termocupluri conectate în serie. Fiecare punct al termocuplurilor peste unul este înnegrit; sub acțiunea radiației termice emise de radiatorul 1, acestea se încălzesc mai puternic decât punctele neînnegrite și în circuitul radiometrului apare o diferență de potențiale, care este înregistrată de multimetrul 5.
5.3. Metodologia de măsurare și de prelucrare a datelor experimentale
Scopul lucrării este determinarea indicelui de negru al corpului cenușiu și a dependenței acesteia de temperatură.
Metoda propusă de determinare a indicelui de negru se bazează pe comparația radiației termice a corpului studiat cu radiația termică a corpului absolut negru (sau cu a altui corp – etalon, al cărui indice de negru este cunoscut). Căldura cedată sub formă de radiație termică de către un corp cu suprafața încălzit la temperatura se determină cu legea lui Stefan-Boltzmann:
, (5.1)
unde este este indicele de negru al corpului care caracterizează emisivitatea termică a corpului studiat în raport cu emisivitatea corpului absolut negru; = 5,7 W/(m2K4) – coeficientul de emisie a corpului absolut negru; – temperatura absolută a corpurilor din ambianța corpului studiat, care absorb radiația emisă de către acesta (se adoptă egală cu temperatura absolută a mediului ambiant), [K].
Comparația fluxurilor radiante emise de către corpul negru și corpul cenușiu, care se măsoară cu ajutorul radiometrului, permite determinarea indicelui de negru al corpului cenușiu studiat. În această lucrare se compară radiația termică a plăcii 6 (fig.5.1), acoperite cu negru de fum, cu radiația termică a plăcii 7 din duraluminiu lustruit (corpul cenușiu) având aceleași dimensiuni și aceiași formă ca și placa 6. Crescând temperatura suprafeței plăcii 7, poate fi stabilită egalitatea dintre energiile de emisie a corpurilor negru și cenușiu.
La valori egale ale energiilor de emisie a ambelor corpuri se poate scrie:
, (9.2)
unde = 0,95 este indicele de negru al plăcii 6 acoperite cu negru de fum; – temperatura absolută a plăcii negre 6, [K]; – temperatura absolută a plăcii cenușii 7 la aceiași energie de emisie, ca și a plăcii negre 6, [K]; – temperatura absolută a aerului din laborator, [K].
Din relația (5.2) rezultă formula de determinare a indicelui de negru:
. (5.3)
Măsurătorii se realizează în următoarea succesiune:
1. Placa neagră 6 se întoarce cu suprafața de lucru orientată spre
radiometrul 2. Se pune în priză autotransformatorul 9, cu care, în circuitul rezistenței electrice 8, se reglează tensiunea de alimentare a acesteia.
2. La atingerea valorii de 50-600C a temperaturii plăcii negre 6 se măsoară forța termo-electromotoare egală cu media aritmetică a citirilor pe multimetrul 5 a forțelor termo-electromotoare generate de cele patru termocupluri a׳ , b׳, c׳ , d׳ montate pe placa 6. Apoi cu comutatorul 4 multimetrul 5 se conectează în circuitul de măsurare a forței termo-electromotoare generate de bateria din 50 de termocupluri a radiometrului 2 – forță termo-electromotoare care caracterizează puterea de emisie a plăcii negre.
3. Radiatorul 1 se răsucește în plan orizontal, orientând spre radiometrul 2 placa cenușie 7. Puterea de emisie a acestei plăci este mai mică decât puterea de emisie a plăcii negre 6, prin urmare radiometrul 2 va înregistra o forță termo-electromotoare mai redusă. Pentru a atinge egalitatea puterilor de emisie a ambelor plăci 6 și 7, cu ajutorul autotransformatorului 9 se mărește puterea de alimentare a rezistenței electrice 8. În momentul când puterea de emisie a plăcii cenușii 7 va fi egală cu puterea de emisie a plăcii negre 6 (citirea pe multimetrul 5 conectat la radiometrul 2 va deveni egală cu , se va măsura forța termo-electromotoare , egală cu media aritmetică a citirilor pe multimetrul 5 a forțelor termo-electromotoare generate de cele patru termocupluri a, b, c , d montate pe placa 7.
Experiența se repetă pentru cinci valori diferite a temperaturii plăcii negre. Diferențele de temperaturi și se determină din graficul de gradare a termocuplurilor în conformitate cu citirile în [mV]. Temperaturile și se calculează cu formulele:
; , (5.4)
unde este temperatura fotometrului care se adoptă egală cu temperatura aerului în laborator.
5.4. Rezultatele testării standului experimental
Indicele de negru al corpului cenușiu se calculează cu formula (5.3). Datele măsurătorilor și rezultatele calculate se prezintă în tabelul 5.1.
Tabelul 5.1
Rezultatele testării standului experimental
Cu aceste date în fig.9.2 se trasează graficul dependenței indicelui de negru a plăcii cenușii în funcție de temperatură .
Din fig. 5.2 se observă, că cu creșterea temperaturii indicele de negru al corpului cenușiu crește.
CONCLUZII
Emulsia apă-combustibil este un sistem dispers din două lichide nemiscibile, unul din care – apa reprezintă faza dispersă. Finețea fazei disperse, cu dimensiunile particulelor variând de la 1 până la 70 μm, depinde de diverși factori, principalii fiind tehnologia preparării, viscozitatea, proprietățile fizico-chimice ale componentei carburante, spre exemplu, ale păcurii și de modalitatea de stocare.
Concentrația apei ca fază dispersă nu depășește, de regulă, 20-30% sau, în caz optim, 8-12%.
Din punct de vedere termodinamic emulsiile apă-păcură sunt instabile. Stabilitatea acestora se asigură prin adăugare de emulgatori.
Viscozitatea EAP este întotdeauna mai mare decât viscozitatea fiecărei din fazele componente. În raport cu viscozitatea combustibilului natural, viscozitatea EAP crește cu scăderea temperaturii.
Densitatea determină într-o mare măsură stabilitatea și durata de viață a EAP.
Căldura masică a emulsiei apă-păcură este o mărime aditivă determinată de participațiile gravimetrice ale componentelor.
În literatura de specialitate există date cu care se poate determina conductivitatea termică a EAP la concentrații ale fazei disperse de până la 40%.
Căldura de ardere reală a EAP se detrmină experimental, însă, în calculele tehnice, cu precizie de, căldura de ardere inferioară poate fi calculată cu ajutorul ecuației lui Mendeleev.
Temperatura de congelare a EAP, în dependență de umiditate variază de la 110C până la 250C. În timpul pompării temperatura EAP nu trebuie să fie mai joasă de 40-500C. Din considerente de securitate incendiară temperatura până la care poate fi încălzit EAP, trebuie să fie cel puțin cu 100C mai joasă decât temperatura de inflamabilitate care, în funcție de tipul de păcură, variază între 1200C și 2430C.
Tehnologia de preparare a EAP, utilizate în instalații termoenergetice nu prea mari, trebuie să satisfacă următoarele cerințe: să fie simplă și să prezinte siguranță în exploatare; să nu fie energointensivă și ofere posibilitatea automatizării procesului; să asigure uniformitatea emulsiei preparate și finețea acesteia în limitele de 8-18 μm. Tehnologiile cunoscute de preparare a EAP sunt realizate în instalații cu acțiune periodică, cu acțiune continuă, sisteme automatizate; cu pompă-dozator pentru controlul gradului de hidratare și presiunii în sistem; cu ejector-dozator cu un vas intermediar de stabilizare sau fără acesta cu ejector de emulsie, colector perforat sau emulgator cu rotor.
În urma unor studii privind temperatura de inflamabilitate a EAP, s-a stabilit, că aceasta practic nu se modifică atât în cazul păcurii, cât și în cazul EAP. Temperatura de aprindere a EAP este cu 10-150C mai joasă decât temperatura de inflamabilitate a păcurii în starea anhidră.
A fost concepută construcția unei instalații pilot pentru arderea combustibililor lichizi în amestec omogen cu apa, care a fost realizată prin adaptarea unui cuptor de încălzire cu vatră fixă și a unui arzător recuperativ.
La testarea instalației pilot păcura s-a amestecat cu apă în proporție de 10%, 20% și respectiv 30%, preparându-se EAP 10, EAP 20 și, respectiv, EAP 30.
La temperaturi înalte, în prezența catalizatorilor moleculele de apă se transformă în atomi și radicali care catalizează procesul de ardere a carburanților. În prezența apei arderea păcurii este mai completă, cantitatea nocivităților în gazele de ardere este redusă iar avantajele economice ale procesului de ardere în aceste condiții sunt evidente.
Există valori critice ale conținutului de apă din EAP la care creșterea randamentului arderii este maximă iar pierderea de căldură cu entalpia gazelor evacuate la coș, temperatura gazelor la ieșirea din instalația termotehnologică, conținutul de CO și C în gazele de ardere sunt minime. Temperatura medie a gazelor de ardere în focar, iar în consecință și conținutul de NOX , scad liniar cu creșterea conținutului de apă din EAP; concomitent scade si valoarea indicatorului de toxicitate a gazelor de ardere. De asemenea există valori critice ale debitelor de EAP și de aer necesar arderii la care conținutul de CO2 , O2 , CO și NOX au valori extreme.
A fost concepută și testată o instalație pilot pentru arderea combustibililor lichizi în amestec omogen cu apa, care a fost realizată prin adaptarea unui cuptor de încălzire cu vatră fixă și a unui arzător recuperativ. Testele au condus la obținerea unor puteri termice de peste 100 kW pentru EAP cu conținut de apă de 5-30% și a unor date experimentale care au fost prelucrate și utilizate pentru întocmirea pe calculator a bilanțurilor energetice ale instalației în trei regimuri de funcționare: încălzire, încălzire-ardere și ardere.
BIBLIOGRAFIE
1.Panoiu N.A “Cazane de abur ” – Bucuresti: Editura didactica si pedagogica, 1982. –600 p.
2.Niederkorn I., Lemnaru G. “Combustibili nucleari” – Bucuresti : Editura stiintifica si enciclopedica, 1980. – 128 p.
3.Merincas D.,Negrus E. “Combustibili, lubrifianti si materiale speciale pentru automobile” – Bucuresti: Editura didactica si pedagogica, 1997. – 318 p.
4.Dobrescu C., Petrof M., Florea F. “Lubrifianti pentru angrenaje” – Bucuresti: Editura Tehnica, 1984. – 206 p.
5.Grigoras P. “Lubrifianti plastici. Fabricare si utilizare.” – Bucuresti: S.C. Tipocart Brasovia S.A, 1933. – 243 p.
6.Panturu D., Brânzescu Iu. “Lubrifianti si sisteme de ungere a utilajelor din industria moraritului si panificatiei (curs postuniversitar)”. – Galati: Universitatea “Dunarea de Jos”, 1994. – 97 p.
7. Семёнов Н.И. (1968). О некоторых проблемах кинeтики и реакционной способности, Изд-во АН СССР, Мoсква.
8. Лавров Н.В. (1962). Основы горения газообразного топлива, Изд-во АН Уз. ССР, Ташкент.
9. Альтшулер В.С., Клириков Г.В. (1964). Газификация и пирoлиз топлив, Наука, Мoсква.
10. Швейцер С.Я., Геллер Г.С. (1967). Образование сажи в пламени углеводорода, Химия и технология полимеров, № 5.
11. Harris Stephen J., Weiner Anita M., Ashcraft C. et all. (1986). Soot particle inception Kinetics in a premixed ethylen flame, Combust. and flame,
No 1.
12. Перелетов И. И., Бровкин Л. А., Розенгарт Ю. И. и др. (1989). Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки, Под редакцией А. Д. Ключникова, Энергоатомиздат, Мoсква, 336.
13. Булосельский Б.С. (1978).Топочные мазуты, Энергия, Мocква, 256.
14. Иванов В.М. (1962). Топливные эмульсии, Изд-во АН СССР, Мocква, 216.
15.Дуплева С.Г. (1977). Уничтожение и утилизация промышленных сточных вод сжиганием в топках печей и котлов, Промышленная энергетика, № 8, 49-52.
16. Воликов А.Н. (1989). Сжигание газового жидкого топлива в котельных малой мощности, Недра, Ленинград, 160.
17. Иванов В.М., Нефедов П.И. (1962). Экспериментальные исследования процесса горения частиц натуральных и эмульгированных жидких топлив, В кн.: Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения, Наука, Мocква, 35-45.
18. Иванов В.М., Радовицкий И.В., Ценева В.А. (1985). О механизме горения дисперсных топливных систем, Химия и технология топлив и масел, № 6, 18-20.
19. Herbert S. Benner, Richard Ir. Kayser (1978). Transient heat flow to a liquid fuel droplet in combustion gases, Ind. and Eng. Chem. Fundam., 17, No 1, 8-10.
20. Хайбелин Л. (1983). Экология энергии при использовании природного газа, Симпозиум СССР и ФРГ, Рациональное использование и экономное расходование топлива и энергии, ВИНИТИ, Мocква, 343-359.
21. Воликов А.Н., Абрамов А.К. (1983). Водомазутные эмульсии – эффективное топливо для отопительных котельных, Водоснабжение и санитарная техника, № 10, 20-21.
22. Павлов Б.П., Батуев С.И., Шевелев К.В. (1984). Подготовка водомазутных эмульсий для сжигания в топочных устройствах, В кн.: Повышение эффективности использования газообразного жидкого топлива в печах и отопительных котлах, ЛИСИ, Ленинград, 20-25.
23. Todd and all. (1995). Proc. Amer. Power Conf. “Technol. for Competit. World”, 1601-1606.
24. Srivastava R.K. and all. (1994), Fuel, V 73, No 12, 1911-1917.
25. Ballester I.M. and all. (1996), Fuel, V 75, No 6, 695-705.
26. Ogino I. and all. (1996), J. Chem. Soc. Faraday Frans., V 92, No 18, 3431-3434.
27. Yasi M. and all. (1996), J. Chem. Soc. Faraday Frans., V 92, No 13, 2457-2461.
28. Feine Tropfen (1984). Ultra schall-Ol-Wasser Emulgator Verbessert die Schwerol-Verbrennung Kaess mann, G. Warna, V 90, No 3, 12-13.
29. Craciun A., Gaba A., Sajin T., Covaliov V., Duca Gh. (1998). Dispozitiv de ardere a hidrocarburelor, Brevet de Invenție nr.1180 (MD), 1998, B.O.P.I., nr. 3, 31
30. Piero Barbieri (1983). Emulsione: nuovo combustibile, Perito Ind., V 45, No 1, 5-7.
31. Кривоногов В.А. (1986). Повышение эффективности сжигания газа и охрана окружающей среды, Недра, Ленинград, 280.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Cresterea Prin Hidratare a Randamentului de Utilizare a Combustibililor Lichizi (ID: 161463)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.