2 Combustibilii Energetici S, L, G [PDF]

Zitiervorschau

NOTE DE CURS A.I.T.

2. COMBUSTIBILI ENERGETICI 1. Generalităţi Se numeşte combustibil orice substanţă care la o anumită temperatură este capabilă să intre cu aerul sau alt oxidant într-un proces de ardere rapidă cu dezvoltarea unei cantităţi de căldură economic utilizată. Combustibilii industriali sunt amestecuri mecanice sau chimice de diferite substanţe combustibile volatile, minerale şi apă. La alegerea combustibililor utilizaţi la agregatele termice metalurgice se va ţine seama de compoziţia chimică, puterea calorică şi mecanismele procesului de ardere, deoarece combustibilii participă atât la obţinerea căldurii cât şi la desfăşurarea proceselor termotehnologice. Combustibilii pot fi clasificaţi (vezi tabelul 1), după mai multe criterii cum ar fi, starea de agregare, provenienţă, vârstă chimică, mod de obţinere, destinaţie, etc. - după starea de agregare, combustibilii pot fi: solizi, lichizi sau gazoşi. Acest criteriu de clasificare interesează organizarea procesului de ardere, precum şi alegerea formei constructive a focarului. - după provenienţă, combustibilii pot fi: naturali (se utilizează în felul în care se găsesc în natură sau suferind cel mult operaţii fizice de spălare şi sortare) şi artificiali. - după destinaţie, combustibilii se pot clasifica în: energetici sau tehnologici. Tabelul 1 Clasificarea combustibililor: Combustibilul Solid Lichid Gazos

Naturali Cărbune, şist bituminos Ţiţei Gaz natural, Gaz de sondă

Artificiali Mangal, cocs, semicocs, praf de cărbune Păcură, uleiuri combustibile, gudroane Gaz de furnal, gaz de cocserie, gaz de gazogen, gaz de rafinărie

Dezvoltarea cantităţii de căldură pentru majoritatea combustibililor, este dată de reacţiile de oxidare ale componenţilor combustibili (carbon, hidrogen, sulf şi compuşi ai acestora) din structura lor. Producerea căldurii în agregatele termotehnologice se face prin arderea diferiţilor combustibili în diferite stări de agregare, corespunzător cu tipul constructiv al instalaţiei de ardere, destinaţia cuptorului şi resursele de combustibil existente. Pentru ardere în focarele agregatelor termice metalurgice se folosesc numai o parte din combustibilii prezentaţi şi care se numesc combustibili energetici. Ţiţeiul şi combustibilul gazos natural tind tot mai mult să fie consideraţi materie primă în sectorul chimico-tehnologic. 2. PUTEREA CALORICĂ A COMBUSTIBILILOR 2.1. Noţiuni generale Puterea calorică a combustibililor reprezintă cantitatea de căldură degajată prin arderea completă a unităţii de masă sau volum din combustibilul supus încercării în următoarele condiţii: temperatura reactanţilor şi a produşilor de reacţie rezultaţi prin ardere este de 25C; produsele de ardere ale carbonatului şi sulfului sunt prezente sub formă de bioxid de carbon şi sulf în stare gazoasă; oxidarea azotului nu are loc.

1

NOTE DE CURS A.I.T.

Puterea calorică constituie criteriul de bază al aprecierii valorii energetice a combustibililor şi joacă un rol important în construcţia şi funcţionarea focarelor cuptoarelor metalurgice. Se notează cu Q şi se măsoară în kJ/kg pentru combustibilii solizi şi lichizi sau kJ/m3N în cazul combustibililor gazoşi (se admite ca unitate tolerată kcal/kg sau kcal/m3N). La un combustibil se deosebesc: puterea calorică superioară şi puterea calorică inferioară: - dacă vaporii de apă din gazele de ardere sunt consideraţi la 25C în stare lichidă, atunci puterea calorică este superioară şi se notează cu Qs. - dacă vaporii de apă din gazele de ardere sunt consideraţi în stare necondensată, puterea calorică este inferioară şi se notează cu Q i. Puterea calorică inferioară prezintă mai mult interes practic deoarece evacuarea gazelor din cuptor se face la o temperatură suficient de mare pentru ca să nu aibă loc condensarea vaporilor de apă. Puterea calorică a unui combustibil poate fi determinată direct, pe cale experimentală, sau indirect, prin calcul, cunoscându-se analiza elementară a acestuia. Experimental puterea calorică se determină cu ajutorul bombei calorimetrice conform STAS 5269-77. Prin calcul se poate determina cu ajutorul unor formule empirice. Pentru combustibilii solizi şi lichizi se foloseşte relaţia : Qs = 33900 (c) + 142710 (h - o/8) + 9250 (s)

[kJ/kg.cb]

Qi = 33900 (c) + 120120 (h- o/8) + 9250 (s) – 2510 (wt)

(1)

[kJ/kg.cb]

(2)

în care : c, h, o, s, wt,

reprezintă participaţiile masice ale carbonului, hidrogenului, oxigenului, sulfului şi umidităţii combustibilului dintr-un kilogram de combustibil (c = Ci/100, h = Hi/100, etc). Puterea calorică inferioară a combustibililor gazoşi se poate calcula aproximativ cunoscând analiza chimică a gazului cu relaţia : Qi = 12644 (co) + 10760 (h) +  qi (cmhn) + 23697 (h2s) [kJ/m3N.cb]

(3)

sau: Qi 

1  rj  Q j , [ kJ/m3N.cb] 100

(3.1)

în care : (co), (h), (cmhn), (h2s), reprezintă participaţiile volumetrice ale fiecărui component dintr-un metru cub de gaz combustibil (co = CO/100 ; h = H/100; etc.); qi - efectul termic al arderii hidrocarburii i, în KJ/m3N; rj -componentul carburant oarecare j, în %. 2.2. Puterea calorică a unui amestec de combustibili Arderea simultană a mai multor tipuri de combustibili, diferenţiaţi atât calitativ, cât şi din punct de vedere al stări de agregare, este o tendinţă modernă în proiectarea şi exploatarea focarelor cuptoarelor metalurgice. Se menţionează că fenomenele de analizat sunt distincte atunci când este vorba de un amestec pregătit în afara focarului şi introdus în arzător, când amestecul se perfectează chiar de către arzător şi când combustibilii se introduc în focar prin arzătoare diferite, arderea având loc simultan. Această metodă de folosire a diverselor sorturi de combustibili măreşte elasticitatea şi siguranţa în funcţionare a agregatelor termice şi prezintă o serie de avantaje cum ar fi: - caracteristicile termice ale flăcării şi gazelor de ardere se îmbunătăţesc; - posibilitatea utilizării unor reziduuri sau deşeuri cu valori termice mici

2

NOTE DE CURS A.I.T.

- mărirea stabilităţii flăcării la arderea combustibililor inferiori, folosind flăcări suport auxiliari cu putere calorifică ridicată; Calculul puterii calorifice a unui amestec de combustibili este efectuat ţinând cont de starea de agregare a componenţilor care participă la amestec. Amestec format din combustibili solizi sau lichizi. Puterea calorică inferioară a amestecului cu referire la combustibilul iniţial se calculează ca o medie ponderată, cu expresia Qiam = giQii, [ kJ/kg amestec]

(4)

unde : gI este participaţia în procente masice a componentului i în amestec (gi = Bi / Bj); Qiiputerea calorică a componentului i, în kJ/kg ; B1, B2,…Bj - cantităţile de combustibil solid sau lichid din amestec, în kg/h. Amestec format din combustibili gazoşi. Puterea calorică inferioară a amestecului de combustibili gazoşi se calculează cu expresia : Qi am = riQii, [ kJ/kg amestec]

(5)

unde : ri este participaţia în procente volumetrice a componentului i (ri = Bi / Bk) ; Qiiputerea calorică a componentului i, în kJ/m3N ; B1, B2,…Bk - cantităţile de combustibil gazos din amestec, în m3N/h. Amestec format din doi combustibili unul solid sau lichid şi unul gazos. Se cunoaşte cantitatea de combustibil solid sau lichid B1 [kg/h] şi cantitatea de combustibil gazos B2 [m3N/h]. Puterea calorică a amestecului va fi : Qiam = g1Qi1 + (1 – g1)Qi2/c, [ kJ/kg amestec]

(6)

debitul de amestec se determină cu relaţia : Bam = B1 + cB2, [ kg am /h ]

(6.1)

cu:

g1 = B1/(B1 + c B2), [ % ] unde : c este densitatea combustibilului gazos în kg/m3N; g1 - participaţia în procente masice a combustibilului lichid sau solid în amestec; Qi1 - puterea calorica inferioara a combustibilului solid sau lichid, în kJ/kg ; Qi2 - puterea calorica inferioara a combustibilului gazos, în kJ/m3N.

(6.2)

2.3. Combustibil convenţional Puterea calorică a diferiţilor combustibili variază în limite largi. Pentru calculul amestecurilor de combustibili diferiţi, în care trebuie să se ţină seama, pe lângă cantităţile de combustibil şi de puterea lor calorică, s-a introdus noţiunea de combustibil convenţional ; acesta este un combustibil fictiv a cărei putere calorică inferioară este de 29300 kJ/kg (7000 Kcal/kg). Această putere calorică corespunde unui combustibil format în exclusivitate din carbon şi hidrogen, la care proprietăţile termofizice ale gazelor de ardere sunt identice cu ale aerului. Cantitatea de combustibil convenţional B0 corespunzătoare unei cantităţi date de combustibil oarecare se determină cu relaţia : B0 = Qi  B / 29300, [kg]

(7)

3

NOTE DE CURS A.I.T.

unde: Qi - este puterea calorică inferioară a combustibilului dat, în kJ/kg; Bcantitatea de combustibil dat, în kg. În acest mod pot fi însumate diverse cantităţi de combustibil cu puteri calorice diferite. 3. COMBUSTIBILI SOLIZI 3.1. Noţiuni generale Conform STAS 10967-77 prin cărbune se înţelege o rocă sedimentară rezultată din acumularea şi transformarea materialului vegetal în decursul timpului, în condiţiile mediului natural de formare, la alcătuirea căruia participă masa organică, masa anorganică şi apa. Clasificarea cărbunilor este stabilită pe baza unor parametri dependenţi de gradul de incarbonizare, după care se deosebesc cinci clase de cărbune, subîmpărţite în grupe, prezentate în tabelul 2 Tabelul 2. Clasificarea cărbunilor din România: Nr. crt 1

Clase Denumire Turbă

Grupe Simbol T

2

Cărbune brun

B

3

Cărbune brun huilos

B/H

4

Huilă

H

5

Antracit

A

Denumire Cărbune brun pământos Cărbune brun lemnos Cărbune brun mat Cărbune brun smolos Huilă cu flacără lungă Huilă de gaz Huilă grasă Huilă de cocs Huilă slabă degresată Huilă antracioasă -

Simbol BP BL BM BS HL HG HGr HC HS H/A -

Criteriile principale de clasificare a cărbunilor constituie obiectul cercetărilor pe plan mondial şi naţional. şi au la bază : locul de formare şi provenienţă a materiei prime, materia primă din care s-au format, aspectul petrografic şi vârsta geologică; destinaţia combustibililor. Complexul de substanţe denumit “ cărbune “ este format din: - masa organică, este alcătuită din substanţe în a căror constituţie elementară intră, carbonul, hidrogenul, oxigenul, azotul, sulful şi variază cu vârsta chimică sau geologică, cu specia de cărbune etc. Conţinutul de azot al cărbunilor se menţine la valori mici, care rareori depăşesc 3%. Sulful constituie un element nedorit în cărbunii folosiţi fie în diferite procedee tehnologice, fie în scopul combustiei. Sulful organic şi sulful din sulfuri arde şi de aceea se mai numeşte sulf combustibil iar sulful rămas după combustie în cenuşă, se numeşte sulf fix. Cărbunii româneşti au un conţinut în sulf mediu de 2 – 3 %, variind de la 0,3% pentru antracit până la 8% pentru huilă. - masa anorganică, este formată din substanţe minerale care prin calcinare se transformă în cenuşă (A). În afară de faptul că cenuşa constituie un component nedorit, substanţele minerale uşor fuzibile din structura ei provoacă zgurificarea pe grătar sau pe

4

NOTE DE CURS A.I.T.

suprafeţele de schimb de căldură montate în focar. Pirita este un component dăunător, deoarece prin ardere formează oxid de fier şi bioxid de sulf, care în anumite condiţii se transformă în trioxid de sulf. Compoziţia substanţelor minerale este importantă şi pentru huilele de cocs, la care cantitatea de cenuşă trebuie să fie cât mai mică, deoarece aceasta rămâne în cocs. Un conţinut mare de magneziu şi calciu atacă şi distruge zidăria refractară, iar un conţinut mare de oxid de fier în cocs are o reactivitate mai ridicată şi se aprinde mai uşor. - umiditatea (W) se găseşte în cărbuni într-o cantitate mai mică sau mai mare, depinzând de vârsta geologică, condiţii de extracţie şi depozitare. Din punct de vedere al utilizării cărbunilor pentru ardere umiditatea se clasifică în : - higroscopică (Wh), (internă, coloidă sau intrinsecă), este cantitatea de apă rămasă în combustibil după îndepărtarea umidităţii de îmbibaţie şi se determină prin uscare în etuvă la temperatura de 105C a probei de cărbune uscată la aer ; - de îmbibaţie (Wî), (externă sau superficială) este cantitatea de apă pierdută de combustibil prin uscarea lui în aer până la masă constantă ; - totală (Wt), se determină cu relaţia : Wt = Wh + Wî , [ % ]

(8)

Dintre cărbunii prezentaţi în tabelul 1.2 un interes mai mare îl prezintă huila care se exploatează în bazinul Văii Jiului şi în Banat. Reprezintă cel mai preţios cărbune pentru industria siderurgică şi constituie materia primă din care se obţine cocsul metalurgic. 3.2. Proprietăţile combustibililor solizi Compoziţia elementară a combustibililor solizi se exprimă procentual în funcţie de masa elementelor componente. În funcţie de modul de referinţa a componenţilor se definesc următoarele compoziţii: - Masa iniţială a combustibilului C i  H i  O i  N i  Si  A i  Wti  100 [%]

-

Masa analitică a combustibilului C a  H a  O a  N a  S a  A a  Wha  100 [%]

-

(9.1)

Masa anhidră (uscată) a combustibilului C anh  H anh  O anh  N anh  S anh  A anh  100 [%]

-

(9)

(9.2)

Masa elementelor combustibile C mc  H mc  O mc  N mc  S mc  100 [%]

-

(9.3)

Masa elementelor organice din combustibil C o  H o  N o  S oc  100 [%]

(9.4)

unde :

5

NOTE DE CURS A.I.T.

C, H, O, N, S, A, W, reprezintă procentele masice de carbon, hidrogen, oxigen, azot, sulf, cenuşă şi apă conţinute de combustibil. Sulful care se găseşte în combustibil sub formă de compuşi organici sau pirite (S c), ia parte la procesul de ardere, iar cel care se găseşte sub forma de sulfaţi (Ss) nu participă la ardere. Elementele chimice componenteale combustibililor solizi si lichizi:

Compoziţia unui combustibil solid se poate exprima şi în funcţie de participaţiile masice ale elementelor componente : c + h + o + n + s + a + wt = 1 , [kg]

(9.5)

unde : c, h, o, …wt

reprezintă participaţiile masice ale elementelor componente dintr-un kilogram de combustibil, în kg/kg cb.

Trecerea compozitiei chimice dintr-o masa in alta se face cu ajutorul relatiilor: trecerea din stare organica in stare combustibila : 100 x o  x mc [%] 100  S mc trecerea din stare organica in stare anhidra : 100 x o  x anh [%] 100  ( S anh  Aanh ) trecerea din stare organica in stare initiala : 100 xo  xi [%] 100  ( S i  Ai  W i ) trecerea din stare combustibila in stare anhidra : 100 x mc  x anh [%] 100  Aanh trecerea din stare combustibila in stare initiala : 100 x mc  xi [%] 100  ( Ai  W i ) trecerea din stare anhidra in stareinitiala : 100 x anh  xi [%] 100  W i Densitatea combustibililor solizi şi a prafului. Densitatea combustibililor solizi depinde de compoziţia lor petrografică, de gradul de incarbonizare, de cantitatea şi calitatea substanţelor minerale conţinute şi de umiditate. Densitatea combustibililor solizi se determină cu relaţia:

6

NOTE DE CURS A.I.T.

100   0



100  A anh (1 

 0 , [kg/m3 cb] ) 2,9

(10) unde: o este densitatea în stare normală a masei organice (exclusiv apa) [kg/m3N]. - pentru antracit şi huile sărace : 0 

100 1000 , [kg/m3 cb] 0,53C mc  5H mc

(10.1)

- pentru ceilalţi cărbuni : 0 

0,334C

mc

100 1000 , [kg/m3 cb]  4,25H mc  23

(10.2)

Se deosebesc:  r  M / Vcb - densitatea reală, - densitatea aparentă  ap  M / Vap  v  M / Vtot - densitatea în vrac unde : M este masa combustibilului sau a prafului, în kg ; Vtot - volumul total al probei de praf (este inclus şi volumul spaţiilor intermediare particulele de praf),în m3 ; Vcb - volumul combustibilului exclusiv porii, în m3 ; Vap - volumul combustibilului inclusiv porii, în m1.

(10.3) (10.4) (10.5) dintre

Densitatea în vrac depinde de natura combustibilului, umiditate, granulaţie şi grad de tasare, iar pentru cărbune (cu praf 20…30%) se calculează cu relaţia :  v  0,63.Va , [kg/m3 cb]

(10.5.1)

Densitatea prafului de cărbune în vrac se poate calcula cu formula empirică: vr = 0,35r + 4R90 , [ kg/m3 cb]

(10.5.2)

unde: R90 este restul pe sită cu dimensiunile ochiului de 90 microni, în %. Densitatea prafului în vrac serveşte la calculul volumului silozurilor de praf, precum şi a debitului alimentatoarelor, care dirijează praful spre arzător. Valoarea densităţii este de vr = 500- 700 kg/m3, iar în cazul tasării prafului, vr = 800- 900 kg/m1. În procesul de prelucrare termică a combustibililor solizi, densitatea reală creşte cu temperatura apropiindu-se de densitatea grafitului (gr = 2265 kg/m3).

7

NOTE DE CURS A.I.T.

Conţinutul de materii volatile Vv a unui combustibil este definită ca fiind cantitatea totală de produse ce se degajă sub formă gazoasă prin încălzire în absenţa aerului, la o temperatură de 850  200C din care se scade conţinutul de vapori de apă. Relaţia de calcul este: Vv 

m 100  Wt , [%] mi

(11)

unde: m este diferenţa între masa iniţială a combustibilului şi masa reziduului rămas după încălzire, în kg. mi - masa iniţială a combustibilului supus încălzirii, în kg; Wt - umiditatea din combustibil, în %. Temperatura de autoaprindere ta reprezintă temperatura la care un combustibil solid se aprinde spontan în aer fără prezenţa unui nucleu de flacără şi este influenţată de natura combustibilului, gradul de incarbonizare (conţinutul de materii volatile) şi de diametrul particulelor. Se determină cu relaţia: t a  a  lg d  b [0C]

în care: d - diametrul mediu al particulelor de combustibil, în mm. a şi b - constante ce depind de natura combustibilului (vezi tabelul 3)

(12)

Exploatarea Comăneşti Filipeştii de Pădure Rovinari

Tabelul 3 a b 0,89 546 0,89 535 0,89 511

- Criterii de apreciere Aprecierea comportării unui combustibil solid în procesul de aprindere şi ardere se face cu ajutorul criteriilor de ardere care depind de conţinutul de cenuşă, materii volatile şi carbonul fix din compoziţia sa: C f  100  Wt  A  V , [%]

(13)

La alegerea sistemului de preparare şi ardere a combustibililor solizi se mai folosesc: - criteriul de aprindere (Ka) reprezintă raportul dintre conţinutul de materii volatile raportat la starea iniţială şi conţinutul de carbon fix şi caracterizează capacitatea cărbunilor de a se aprinde. Se calculează cu relaţia: Ka 

Vv Vv  , C f 100  Wt  A  Vv

(14)

unde: Wt este procentul iniţial de umiditate în % ; A - procentul iniţial de cenuşă, în % ; Vv - procentul iniţial de materii volatile, în %. În funcţie de conţinutul de volatile, criteriul de aprindere se disting trei grupe de cărbuni şi anume: - cărbuni cu capacitate redusă de aprindere (Ka < 0,5), antraciţii şi majoritatea huilelor; - cărbuni cu capacitate medie de aprindere (0,5  Ka  1), cărbunii bruni, unele huile; - cărbuni cu capacitate ridicată de aprindere (Ka  1), ligniţii, turbele, şisturile.

8

NOTE DE CURS A.I.T.

- criteriul de intensitatea arderii (Ki) reprezintă raportul dintre conţinutul de cenuşă şi conţinutul de carbon fix şi caracterizează intensitatea procesului de ardere. Se calculează astfel: Ki 

A A  , C f 100  Wt  A  Vv

(15)

În funcţie de Ki se disting următoarele grupe de cărbuni: - cărbuni de intensitate redusă de ardere (Ki  1), lignit, şisturi bituminoase; - cărbuni de intensitate medie de ardere (0,5  Ki  1), cărbune brun mat, huilele, şi antraciţii ; - cărbuni de intensitate ridicată de ardere (Ki  0,5), turbele, cărbune brun smolos. - criteriul de cenuşă reprezintă raportul dintre conţinutul de cenuşă şi puterea calorifică inferioară: A rap 

A % , [ kJ / kg ] Qi

(16)

- criteriul de umiditate reprezintă raportul dintre conţinutul de umiditate al combustibililor şi puterea calorifică inferioară. Wrap 

Wt % , [ kJ / kg ] Qi

(17)

Căldura masică a combustibililor solizi se calculează cu relaţia: c ct  c anh p

100  Wt W  c pH 2O t , [kJ/kg grd] 100 100

(18)

sau: c ct  c anh  p





Wt c pH 2O  c anh [kg/kg grd] p 100

(18.1)

unde: cp este căldura masică a combustibilului uscat în kJ/kg grd, cu următoarele valori: anh - antracit şi huilă slabă, c p = 0,92 kJ/kg grd; anh - huilă, c p = 1,09 , kJ/kg grd; anh - cărbuni bruni şi turbă, c p = 1,13 , kJ/kg grd; anh - şisturi bituminoase, c p = 0,88 , kJ/kg grd; c pH 2 O căldura masică a apei, c pH 2 O = 4,1868 , kJ/kg grd. 3.3. Combustibili solizi naturali Lemnul a fost primul combustibil folosit de om. Datorită preţului de cost ridicat şi a puterii calorifice scăzute, lemnul este folosit în industria metalurgică cu scopul uscării diferitelor agregate termice în vederea punerii în funcţiune a acestora. În industria siderurgică, lemnul este întrebuinţat într-o cantitate mică şi la obţinerea mangalului (cărbunele de lemn). Avantajele pe care le prezintă lemnul sunt următoarele: uşurinţa cu care se aprinde; nu conţine sulf în masa combustibilă; conţinut mic de cenuşă (sub 2%); posibilitatea de a arde în focare simple (dar cu randament scăzut).

9

NOTE DE CURS A.I.T.

Puterea calorică a lemnului este în funcţie de vârsta acestuia şi de conţinutul de umiditate. Astfel la o umiditate de 30%, puterea calorică inferioară a lemnului este de aproximativ 12000 kJ/kg şi scade până la 8000 kJ/kg când umiditatea este de 50%. Cărbunii fosili sau cărbunii de pământ provin din carbonizarea lentă a resturilor de plante (materie vegetală) îngropate în pământ în urma unor fenomene (evenimente geologice) care au avut loc cu sute de milioane de ani în urmă. Carbonizarea s-a făcut natural în absenţa aerului atmosferic sub influenţa căldurii şi presiunii, procedeul numindu-se mineralizare. Cărbunii din ţara noastră fac parte, în majoritatea lor, din categoria cărbunilor humici formaţi prin incarbonizarea plantelor. Compoziţia masei organice pentru diferite sorturi de combustibili solizi naturali Tabelul 4 Compoziţia Celuloză chimică Carbon 44,6 Hidrogen 6,2 Oxigen 49,4 Azot -

Lemn

Turbă

50 6 43 1

60 6 32 2

Cărbune brun 70 5 24 1

Huilă

Antracit

82 5 12 1

94 3 3 -

Turba este cel mai tânăr cărbune din punct de vedere geologic. S-a format din muşchi şi plante care s-au găsit în apropierea mlaştinilor. În stare brută conţine 85-95% apă, cenuşă între 8 şi 16% şi carbon cca. 60%. Arde în stare uscată cu flacără lungă degajând un miros neplăcut. Densitatea variază între 0,2 şi 0,3 kg/ dm3 şi puterea calorifică între 12000 – 13000 kJ/kg. Turba nu este folosită în metalurgie drept combustibil, principala destinaţie fiind centralele termoelectrice. Cărbunele brun este un produs de descompunere a resturilor pădurilor şi în funcţie de gradul de mineralizare ocupă o poziţie intermediară între turbă şi huilă. Cărbunele brun are o culoare închisă, un conţinut de carbon între 67 şi 75% şi cenuşă de circa 20%. Conţinutul de sulf variază foarte mult în funcţie de locul de exploatare ajungând uneori până la 5%. Puterea calorică inferioară a cărbunilor bruni este de 16800 – 24000 kJ/kg. Nu prezintă importanţă pentru industria metalurgică. Lignitul este de formaţiune mai veche decât turba. Este de culoare brun - gălbuie sau brună, are o structură fibroasă şi arde cu flacără lungă. Conţinutul de carbon al lignitului este de 70 - 75% având densitatea de 0,5 - 1,25 kg/dm3, iar puterea calorică inferioară este de 16000 18000 kJ/kg. Este folosit în general pentru obţinerea de benzine sintetice sau prin distilare se obţine un cocs sfărâmicios şi gudronul de lignit. Nu prezintă interes pentru industria metalurgică. Huila se situează din punct de vedere al vechimii între lignit şi antracit. Pentru siderurgie reprezintă cel mai important combustibil natural, deoarece aceasta constituie principala materie primă din care se fabrică cocsul, gazul de gazogen sau este insuflat în furnale sub formă de praf. Huila are culoarea brun opacă sau neagră la un conţinut de carbon de 84 – 90% şi arde cu flacără lungă. Compoziţia chimică a masei organice variază în limite largi şi numai un anumit sortiment de huilă este folosită la fabricarea cocsului (vezi tab. 2). În timpul depozitării huila se oxidează şi ca urmare devine improprie pentru procesul de cocsificare (rezistenţă mecanică scăzută, cocs mărunt, praf). Acest fenomen impune consumarea huilelor pe măsură ce acestea sunt aprovizionate de uzinele de fabricare a cocsului. Antracitul este un cărbune de culoare neagră strălucitoare cu reflexe metalice având o densitate de 1,3 – 1,8 kg/dm1. Compoziţia chimică a masei organice a antracitului variază în următoarele limite: 85 – 97% carbon; 0,3-3% hidrogen şi 1-4% oxigen-azot. Conţinutul în cenuşă este de 3-5%. Puterea calorică inferioară a antracitului este de 28000 – 30000 kJ/kg. Datorită rezistenţei mecanice ridicate, antracitul se întrebuinţează în industria siderurgică, ca înlocuitor al cocsului pentru furnale mici.

10

NOTE DE CURS A.I.T.

3.4. Combustibili solizi artificiali Mangalul sau cărbunele de lemn este produsul prelucrării chimice a lemnului obţinânduse prin distilarea uscată a acestuia (încălzirea între anumite limite de temperatură, în absenţa aerului). Procentul de mangal obţinut din lemn depinde de temperatura de ardere, de viteza de carbonizare şi de esenţa lemnului. La carbonizarea în cuptoare, adică la temperatura de circa 4000C, procentul de mangal reprezintă 30 - 40% din greutatea lemnului. Compoziţia elementară a mangalului variază în funcţie de temperatura tehnologică a procesului de obţinere a acestuia. Puterea calorică inferioară a mangalului este de 26000 – 30000 kJ/kg. Compoziţia elementară a mangalului Tabelul 5 Compoziţia chimică a cărbunelui uscat fără cenuşă Temperatura de ardere 0 C Carbon Hidrogen Oxigen + Azot 79,81 4,33 15,86 400 84,59 3,13 12,28 450 88,87 3,23 7,90 500 95,36 1,79 2,85 700 Mangalul a constituit multă vreme combustibilul pentru producerea fontei în furnal. Datorită rezistenţei mecanice scăzute acesta este folosit pe scară redusă şi anume la elaborarea fontelor de mangal pentru turnătorie. Cocsul metalurgic este un combustibil solid, artificial, de culoare neagră argintie, la lovire are sunet metalic şi nu lasă urme pe hârtie. Se obţine prin distilarea uscată (pirogenare) a huilelor de cocs la temperaturi de 1000 – 0 1100 C în cuptoare tip cameră. Calitatea cocsului obţinut în procesul de cocsificare depinde de calitatea cărbunilor naturali folosiţi precum şi de prepararea acestora (măcinarea şi amestecarea în proporţiile cerute de reţeta de încărcare). Viteza medie de încălzire a pilotului (masa de cărbune din interiorul cuptorului) este de 1,5 – 2,5 grd/minut astfel încât durata de cocsificare este de 18 - 25 ore. Din procesul de cocsificare rezultă subproduse (ape amoniacale, gudron, benzen, gaze de cocserie) care sunt prelucrate în secţiile chimice ale cocseriilor. După cocsificare, cocsul incandescent (1000 0C) este răcit prin stropire cu apă direct pe rampă (stingere umedă) sau prin trecerea lui într-un vagon metalic, cu care se transportă la un turn special de răcire (stingere uscată). Proprietăţile cocsului metalurgic Cocsul metalurgic trebuie ca prin ardere să dezvolte o cantitate mare de căldură, să aibă rezistenţă mare la temperatură înaltă, să fie poros, să ardă fără flacără şi să nu conţină elemente dăunătoare materialelor metalice. - rezistenţa mecanică, reprezintă proprietatea cocsului de a rezista la sfărâmarea prin compresiune şi rostogolire. Se determină cu toba MICUM. Un cocs de calitate trebuie să aibă M40 > 70% şi M10 < 10% şi rezistenţa la compresiune de 80 – 120 daN/cm2. Mărimea bucăţilor de cocs pentru furnal se recomandă a fi între 40 – 60 mm. - compoziţia chimică este dată de componentele combustibile şi necombustibile (cenuşa şi umiditatea) şi are valorile cuprinse în anexa nr. 1. - porozitatea cocsului reprezintă volumul golurilor din bucata de cocs şi are valori de 40 – 45% pentru cocsul de calitate. - densitatea reală şi aparentă are valori cuprinse între r = 1600 – 1900 kg/m3 şi cea aparentă valori de a = 450- 550 kg/m1.

11

NOTE DE CURS A.I.T.

- căldura specifică medie este de cpk = 1,5066 KJ/kg grd la temperatura de 20 0C.

4. COMBUSTIBILI LICHIZI 4.1. Noţiuni generale Combustibilii lichizi, aproape în totalitatea lor provin din ţiţei. Ţiţeiul este o rocă combustibilă naturală, fiind un amestec de hidrocarburi solide, lichide şi gazoase. La extracţie starea lui de agregare este lichidă, dar cu o vâscozitate pronunţată. Ţiţeiul aşa cum este extras din sondă, nu poate constitui un combustibil deoarece conţine impurităţi (apă sărată, nisip, calcar etc.) precum şi o gamă bogată de hidrocarburi cu proprietăţi fizice şi chimice diferite. Acesta este supus unor operaţii de purificare după care se trece la distilare primară care se execută la presiune atmosferică şi în sfârşit, la distilarea secundară sub presiune. Distilarea se face cu consum de energie termică. Deoarece temperaturile de fierbere ale hidrocarburilor din ţiţei sunt diferite, volatilizarea lor din masa de ţiţei se face fracţionat de la cele cu temperaturile coborâte, la produsele cu temperaturi ridicate, astfel : benzina între 35 - 205 0 C, petrolul între 180 - 280 0C, motorina între 250 - 370 0C şi păcura între 300 - 550 0C. Necesitatea obţinerii din ţiţei a unor cantităţi mai mari de fracţiuni (benzine) a condus la stabilirea procesului de cracare, care constă în descompunerea termică a hidrocarburilor grele, cu mulţi atomi de carbon şi molecule mari în altele mai volatile cu temperaturi de fierbere mai joase şi cu densităţi mai mici. Produsele obţinute în urma distilării sau cracării ţiţeiului sunt supuse operaţiei de rafinare, procedeu prin care se înlătură componenţii dăunători cum ar fi compuşii cu sulf şi cu oxigen sau compuşii care în procesul de ardere produc cocs. Benzinele sunt fracţiuni petroliere lichide constituite din amestecuri de hidrocarburi uşoare, provenite din produsele de distilare primară a ţiţeiului, din procesele de prelucrare distructivă a fracţiunilor grele din ţiţei şi din procesele secundare catalitice. Sunt constituite din 85% C şi 15 % H având o putere calorică de circa 44000 kJ/kg. Petrolurile sunt produse constituite din amestecuri de hidrocarburi lichide provenite de la procesele de distilare primară a ţiţeiului, rafinate cu acid sulfuric, cu hidrogen şi cu alţi solvenţi. Motorinele STAS 240–78 sunt produse petroliere lichide constituite din amestecarea diferitelor fracţii provenite din procesele de distilare primară a ţiţeiului, hidrofinarea şi solventarea fracţiilor de motorine de cracare catalitică. Combustibilul lichid uşor, STAS 54–78 este obţinut din reziduuri provenite de la distilarea ţiţeiurilor, precum şi din amestecarea acestora cu fracţiuni de distilare. Păcura (combustibil lichid greu pentru focare industriale), STAS 51-70 este un combustibil lichid greu, obţinut ca reziduu din distilarea atmosferică a ţiţeiului, de la distilarea sub presiune redusă sau de la distilarea distructivă a reziduurilor (cracare),precum şi prin amestecarea acestora cu fracţiuni de distilare. Se va prezenta caracteristicile fizico-chimice ale combustibilului lichid greu (păcura), acesta prezentând interes practic pentru arzătoarele agregatelor termice. 4.2. Proprietăţile combustibililor lichizi (păcura) Combustibili lichizi obţinuţi din prelucrarea ţiţeiului, conţin amestecuri de combinaţii chimice carbon - hidrogen denumite hidrocarburi, compuşi

12

NOTE DE CURS A.I.T.

organici cu oxigen, cu sulf şi cu azot, substanţe minerale si apă. Proprietăţile fizice ale combustibililor lichizi influenţează, în mod deosebit, procesul de pulverizare şi de ardere. Dintre acestea se menţionează: densitatea vâscozitatea, tensiunea superficială, temperatura de autoaprindere, indicele (cifra) de cocs, şi puterea calorifică. Compoziţia elementară a păcurii Însumarea procentelor gravimetrice ale elementelor şi componentelor care împreună formează păcura, constituie analiza ei elementară : C + H + O + N + S + A + Wt =100 [ % ]

(19)

unde: C, H, O, N, S, A, Wt reprezintă carbonul, hidrogenul, oxigenul, sulful, cenuşa şi umiditatea, exprimate în %. Păcura se produce în şapte sortimente (vezi tabelul 1.7) notate printr-un raport care are la numărător vâscozitatea convenţională în E (Engler) pentru temperatura de 50 0C iar la numitor temperatura de congelare maximă admisă (STAS 51-70). Tabel 6 Caracteristicile fizico – chimice ale păcurii din România Tipul 25/20 25/42 30/5 30/25 35/30 0 0 Vâscozitatea la 80 C, Emax 7 7 8 8 9 0 Vâscozitatea la 500C, Emax 25 25 30 30 35 0 Punct de congelare C 20 42 5 25 30 0 Punct de inflamabilitate C 100 90 90 90 90 Apă % max. 1 1 1 1 1 Cenuşă. % max. 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Cifră de cocs % 10 8 10 14 14 Sulf. % max 1 1 1 1 1 Putere calorică inferioară kJ/kg 39345 39763 39345 39345 39345

70/5 10 70 5 90 1 0.3 12 1 38500

Păcura se caracterizează printr-un conţinut mare de carbon, C  87%, hidrogenul în compoziţia acesteia este de H  11% iar raportul carbon, hidrogen are valoarea C/H  8%. Sulful în păcură se găseşte în special sub forma unor combinaţii organice şi mai puţin sub formă de sulf elementar. Procentul lui depinde de sulful din ţiţei. Combinaţiile de sulf din păcură atacă, prin coroziune chimică, rezervoarele, conductele şi întregul utilaj din dotarea unei instalaţii de transport şi manevră a păcurii. Hidrogenul sulfurat are cea mai mare acţiune corozivă găsindu-se în general dizolvat în hidrocarburi. În procesul de ardere depunerile de cenuşă de pe suprafeţele de schimb de căldură conţin combinaţii ale sulfului fapt ce le conferă proprietăţi corozive. Sulful combustibil în proporţie de 1–5%, prin ardere se transformă în bioxid de sulf (SO 2) care datorită oxigenului suplimentar din gazele de ardere, temperaturilor ridicate şi unor componente din cenuşă cu rol catalitic se transformă în anhidridă sulfurică (SO3). În combinaţie cu vaporii de apă din gazele de ardere, anhidridă sulfurică formează acidul sulfuric care la temperaturi egale cu temperatura de condensare a acestuia se depune pe ţevile recuperatoarelor sau intră în reacţie cu zidăria refractară a canalelor de fum pe care le corodează. În gazele de ardere evacuate la coş se poate găsi şi SO2 şi SO3 care sunt substanţe poluante. Pentru prevenirea poluării se impun instalaţii de desulfurare precum şi coşuri de fum înalte, rolul lor fiind disiparea gazelor pe suprafeţe cât mai întinse. După ardere rezultă cenuşa care deşi în cantităţi foarte mici, are influenţe negative asupra funcţionării agregatului. Substanţele minerale din păcură sunt în general combinaţii ale metalelor alcalino – pământoase, dizolvate în apă. Componentele cenuşii, datorită în special pentaoxidului de vanadiu V2O5 care apare atunci când arderea are loc cu exces de aer (1,02), formează un amestec cu temperatura de topire coborâtă (620C) Acesta se poate depune pe ţevile

13

NOTE DE CURS A.I.T.

recuperatoarelor de căldură sau intră în reacţie cu zidăria refractară a canalelor de fum, distrugându-le. Apa în păcură provine din ţiţei dar mai ales din aburul folosit la încălzirea acesteia în procesele de golire a rezervoarelor şi cisternelor precum şi de la instalaţiile de ardere care folosesc drept agent de pulverizare aburul. Apa din păcuriile sulfuroase în combinaţie cu componentele sulfului provoacă corodarea conductelor de transport, a injectoarelor şi a aparatelor de măsură. Temperatura de ardere scade şi deci schimbul de căldură în focar se înrăutăţeşte. - Vâscozitatea păcurii reprezintă rezistenţa pe care o opune lichidul deplasării particulelor lui, în timpul curgerii. Prin vâscozitatea convenţională Engler se înţelege raportul între timpul de curgere a 200 cm 3 de păcură încălzită la o temperatură dată din vâscozimetrul Engler şi timpul de curgere a 200 cm3 apă distilată la 20oC din acelaşi vâscozimetru. Vâscozitatea relativă Engler se măsoară în grade Engler (E). La creşterea temperaturii, vâscozitatea păcurii scade (fluiditatea este inversul vâscozităţii care creşte). Cu creşterea presiunii vâscozitatea păcurii creşte. Aceasta se explică prin condensare şi polimerizarea hidrocarburilor din păcură la mărirea presiunii. Această dependenţă trebuie cunoscută la pulverizarea mecanică a păcurii : p = 0  (1 + t  p) , [ Ns/m2 ]

(20)

unde :

p şi 0 reprezintă vâscozitatea dinamică a păcurii la o presiune oarecare p şi la presiunea atmosferică, în Ns/m2 ; p - presiunea de pulverizare, în Mpa ; t - constantă în funcţie de temperatura dată, în m2/MN (pentru t = 100 – 150 C, t = 1.7 10-2 m2/MN). Cunoaşterea vâscozităţii păcurii este importantă pentru operaţiile de manevrare a acesteia, pentru o bună pulverizare în vederea arderii (, în funcţie de tip, păcura se preîncălzeşte între 100 – 120oC). - Temperatura de congelare este temperatura la care o eprubetă plină cu păcură şi înclinată la 45o îşi menţine meniscul neschimbat timp de un minut. Temperatura de congelare depinde de modul de obţinere al păcurii respective, de analiza elementară, de conţinutul de parafină etc. şi creşte când vâscozitatea păcurii creşte. Cunoaşterea temperaturii de congelare este importantă pentru depozitarea şi transportul păcurii. În practică cisternele de transport şi rezervoarele de depozitare sunt prevăzute cu serpentine de încălzire. - Temperatura de inflamabilitate este temperatura cea mai mică a păcurii care încălzită în condiţii bine determinate degajă suficienţi vapori care în amestec cu aerul se aprind de la o flacără exterioară ; aprinderea este însoţită de o uşoară pocnitură. Temperatura de inflamabilitate se mai numeşte şi temperatură de explozie. Temperatura la care amestecul aprins continuă cu arderea probei de păcură se numeşte temperatura de aprindere. - Cifra de cocs. arată comportarea păcurii sub efectul căldurii şi trebuie cunoscută pentru a aprecia depunerile solide pe tubulatura injectorului sub influenţa radiaţiilor din focar, depuneri care ar putea înfunda orificiile de pulverizare. Se determină cu aparatul Conradson - Densitatea păcurii În general se foloseşte densitatea relativă r şi reprezintă raportul dintre densitatea fizică a păcurii la temperatura de 200C şi a apei la 40C. Densitatea relativă a păcurei rezultată din distilarea primară nu depăşeşte 0.9 iar a păcurii de cracare are valori până la 1.06. Densitatea relativă scade cu creşterea temperaturii după o relaţie de forma : Pt = P20 + t (20 – t) , [kg/m3 ]

(21)

unde :

14

NOTE DE CURS A.I.T.

t este o constantă, 1/C ;

pentru P20 = (0.93…1), t = (0.594…0.515) 10-1.

- Căldura specifică a păcurii variază cu temperatura şi se calculează cu formula empirică : cpt =1.738 + 0.0025  t , [ kJ/kg grd ].

(22)

- Conductivitatea termică a păcurii în condiţii de presiune atmosferică normală şi la temperatura de 20oC, are valori cuprinse între 0.12 – 0.16 W/m grd. Aceasta scade când temperatura creşte după o relaţie de forma : Pt = P20 + t(20 – t) , [ W/m grd ]

(23)

unde : P20 = 0.158 W/m grd ; t = 0.21 10-3 W/m grd ; t – temperatura, C. - Puterea calorică a păcurii se determină experimental cu ajutorul bombei calorimetrice, sau cu ajutorul formulelor empirice.

5. COMBUSTIBILI GAZOŞI 5.1. Noţiuni generale Datorita avantajelor pe care le prezintă, combustibilii gazoşi formează principala categorie utilizată la agregatele termice. Combustibilii gazoşi folosiţi în scopuri energetice după provenienţă (vezi tabelul 1) se împart în două clase : naturali şi artificiali. Combustibilii gazoşi naturali sunt reprezentaţi de gazele combustibile care se obţin în mod natural, cu ajutorul sondelor din zăcăminte subterane. Acestea sunt constituite din amestecuri de hidrocarburi saturate şi nesaturate cu unele impurităţi gazoase, ca : bioxid de carbon, hidrogen sulfurat, azot etc. Originea zăcămintelor de gaze naturale combustibile se atribuie descompunerii materialelor de natură organică. Pentru zăcămintele de gaze naturale izolate de zăcămintele de ţiţei, provenienţa nu este precizată, ele putând fi atât de natură vegetală cât şi animală. Zăcămintele de gaze asociate cu ţiţeiul (gaze de sondă) au origine comună cu acestea, în cea mai mare parte fiind de natură organică. Zăcămintele de gaze asociate cu cărbunii naturali provin în cea mai mare parte din celuloza plantelor care au format cărbunii respectivi. După coexistenţa lor cu combustibilii lichizi din zăcăminte, gazele naturale se clasifică în următoarele grupe : gaze libere, gaze dizolvate şi gaze asociate. - prin gaze libere se înţeleg amestecurile de gaze (constituite în cea mai mare parte din metan) obţinute prin forare cu ajutorul sondelor din zăcăminte în care se află numai gaze. - prin gaze dizolvate se înţeleg amestecurile de gaze combustibile (hidrocarburi, impurităţi) dizolvate în ţiţei care se obţin cu ajutorul sondelor din zăcăminte de ţiţei, odată cu acesta. - prin gaze asociate se înţeleg amestecurile de gaze, constituite din metan, hidrocarburi saturate şi impurităţi, care se află în cupole în vecinătatea zăcământului de ţiţei sau concomitent cu acesta. Gazele dizolvate şi cele asociate se numesc : gaze umede sau gaze de sondă şi au o compoziţie diferită, care depinde de natura ţiţeiului, de formaţia geologică, de vechimea zăcământului etc.

15

NOTE DE CURS A.I.T.

Cunoaşterea compoziţiei gazelor şi a caracteristicilor fizico - chimice are o importanţa deosebită pentru distribuţia şi utilizarea acestora drept combustibil energetic în focarele agregatelor termice. 5.2. Proprietăţile combustibililor gazoşi - Compoziţia elementară. Combustibilul gazos este un amestec de componente gazoase cu formule şi caracteristici fizice şi chimice bine determinate. Suma procentelor de volum ale acestor componente, constituie compoziţia combustibilului gazos : CO + CO2 + SO2 + SO3 + H2S + O2 + H2 + N2 + CmHn + H2O = 100% (24) Pentru a calcula compoziţia combustibililor la alte presiuni şi temperaturi decât starea normală, se foloseşte legea gazelor perfecte. - Densitatea combustibililor gazoşi se determină prin calcul cu relaţia : c = rii /100 , [ kg/m3N] unde : ri este procentul de volum al componentului i, în % ; i - densitatea componentului i, în kg/m3N.

(25)

- Căldura specifică a combustibililor gazoşi se calculează (ca în cazul unui amestec gazos) cu relaţia : cpc = ri ci /100, [ kJ/m3N grd] (26) unde : ri este procentul de volum al componentului i, în % ; ci - căldura specifică a componentului i, în kJ/m3N grd; (vezi tabelul 7). Tabel 7 Căldura specifică medie la presiune constantă ale elementelor carburante (kJ/m3Ngrd) CCO CH2 CCH4 CH2S CC2H6 CC3H8 CC4H10 CC5H12 t C 0 1.297 1.276 1.547 1.507 2.210 1.048 4.128 5.129 100 1.302 1.289 1.641 1.532 2.495 1.509 4.706 5.836 200 1.306 1.297 1.758 1.561 2.776 1.965 5.254 6.515 300 1.314 1.297 1.884 1.595 1.044 4.371 5.773 7.134 400 1.327 1.302 2.013 1.633 1.307 4.760 6.267 7.741 500 1.343 1.306 2.139 1.670 1.555 5.095 6.690 8.256 600 1.356 1.306 2.260 1.708 1.776 5.430 7.113 8.784 700 1.373 1.310 2.378 1.746 1.986 5.723 7.486 9.232 800 1.385 1.314 2.495 1.784 4.183 5.987 7.808 9.625 900 1.398 1.322 2.604 1.817 4.363 6.230 8.114 9.989 1000 1.408 1.327 2.700 1.851 4.530 6.460 8.403 10.345 - Puterea calorifică a combustibililor gazoşi în cazul când se cunoaşte compoziţia elementară a lui se determină cu expresia : Qi = riQii/ 100 , [kJ/m3N ]; (27) unde : ri - componentul carburant oarecare i, în %; Qii - puterea calorică inferioară a componentului i, în kJ/m3N Pentru calculul puterii calorifice superioare a combustibilului se poate aplica o formulă similară. Folosirea relaţiei prezentate anterior este posibilă, deoarece combustibilul gazos este un amestec de substanţe omogen, efectul termic fiind o mărime aditivă.

16

NOTE DE CURS A.I.T.

Dacă nu se cunoaşte compoziţia combustibilului, atunci puterea calorică se determină experimental cu ajutorul calorimetrului Junkers. Principiul metodei este următorul : se arde complet un volum din gazul de analizat, căldura dezvoltată se transmite integral unei cantităţi cunoscute de apă a cărei variaţie de temperatură este citită la două termometre, unul la intrare şi altul la ieşire din aparat. Ecuaţia de bilanţ de căldură permite aflarea puterii calorice superioare a combustibilului gazos umed. 5.3. Combustibili gazoşi naturali Prin gaze combustibile naturale se înţeleg gazele extrase din zăcămintele gazifere care se folosesc aşa cum au fost extrase sau supuse numai unor operaţii simple de separare a impurităţilor solide şi lichide, eventual a conţinutului de compuşi cu sulf. - Gazul metan Este un gaz incolor şi inodor. Din motive de securitate, mai ales pentru consumul casnic, gazul metan se odorizează cu mercaptan. Temperatura lui de aprindere este de 650 – 750 C. La extracţia din zăcământ se prevăd instalaţii pentru reţinerea impurităţilor şi a vaporilor de apă Tabelul 8 Compoziţia gazelor naturale din bazinul Transilvan:

Denumirea gazului Gaz de Copşa Mică Gaz de Bazna Gaz de Şincai Gaz de Saroş Gaz Bogata de Mureş

Compoziţia în % de volum CH4 C2H6 99.60 0.40 99.16 0.84 99.50 0.50 99.25 0.75 99.45 0.55

Densitate r 3 kg/m N 0.718 0.556 0.721 0.558 0.719 0.556 0.721 0.557 0.719 0.556 

Putere calorică Sup. Inf. 3 KJ/m N 39690 35690 39820 35820 39710 35730 39790 35800 39730 35730

Gazul metan constituie o materie primă pentru industria chimică fiind utilizat la fabricarea fibrelor sintetice şi a maselor plastice, a amoniacului, a gazelor de sinteză, a acetilenei, a negrului de fum etc. Utilizarea gazului metan ca un combustibil energetic la agregatele termice se face în condiţii bine justificate. Puritatea gazelor naturale româneşti este deosebită şi evidenţiată în tabelul nr. 4 şi 5. Tabelul 9 Compoziţia unor gaze de sondă din România: Compoziţia în % de volum Denumirea Metan Etan Propan Butan Pentan gazului CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 Gaz Boldeşti 78.00 9.24 6.23 1.46 1.10 Gaz Moreni95.93 1.19 1.35 0.73 0.46 Gaz Măneşti 99.80 Gaz Ariceşti 95.00 2.00 -

Hexan C6H14 1.77 0.34 -

Bioxid de carbon CO2 0.20 0.20 1.00

Gaze petroliere Sunt gazele care la temperatura obişnuită sunt in stare gazoasă şi care se găsesc în general dizolvate în fracţiunile lichide de ţiţei (gaze de sondă), precum si acelea care apar în timpul descompunerii termice sau catalitice a hidrocarburilor grele.

5.4. Combustibili gazoşi artificiali

17

NOTE DE CURS A.I.T.

Sunt gazele combustibile obţinute prin prelucrarea termică a cărbunilor (gaze de gazogen, de furnal, de cocserie) şi a produselor petroliere (gaze de rafinărie). Acestea se obţin din combustibili solizi în gazogene, furnale şi cuptoare de cocsificare sub acţiunea temperaturilor înalte şi uneori sub acţiunea presiunii. În tabelul nr. 6 este prezentată compoziţia unor combustibili gazoşi artificiali utilizaţi la agregatele termice. Tabelul 10 Compoziţia medie a unor combustibili gazoşi artificiali: Compoziţia în % de volum Denumire Densitate CO H2 CH4 CmHn H2S CO2 O2 N2 H2O Kg/m3N a gazului Gaz de 5-7 cocsificare Gaz de 27,5 furnal Gaz de 23 generator

50 23- 30 55 3,0 15

2

1,52,5

-

3-4

0,30,6

3-10

-

-

-

10,0

-

59,5

-

0.3

3

7

0.2

Putere calorică KJ/m3N 1650019000 37004600

49.3

Gazul de furnal se formează în dreptul gurilor de vânt în urma procesului de ardere a cocsului din furnal. În funcţie de conţinutul de vapori de apă sau hidrocarburi şi oxigen în aerul preîncălzit insuflat în furnal, gazul conţinând 35 - 45 % CO, 10 - 18 % H 2 şi 45 – 64 % N2 în zona de ardere limitele superioare de CO şi H 2 depind de conţinutul de oxigen din aer (care poate fi îmbogăţit până la 30 %) şi de cantitatea de gaz metan insuflat. Gazele de ardere din furnal încălzite la cca. 1600 oC la mersul lor ascendent se răcesc, încălzind încărcătura, iar CO şi H2 participă la reacţiile de reducere, micşorându-şi conţinuturile prin transformarea lor în CO2 şi H2O. Creşterea conţinutului CO2 mai are loc şi în urma disocierii carbonaţilor şi a reacţiei : 2 CO  CO2 + C. La ieşirea din furnal gazul conţine: 23 – 30 % CO, 10 – 16 % CO2, 1 – 8 % H2 55 –60 % N2 iar temperatura acestuia este de 150 – 300 C. Aceasta conţine o cantitate mare de praf antrenat de care este separat în instalaţii speciale numite epurări prin efect gravimetric (sacul de praf) sau prin spălare cu apă (epurarea fină) Gazul de cocserie rezultă în procesul de cocsificare a cărbunilor. Gazul obţinut ca subprodus la cuptoarele de cocsificare se numeşte gaz brut. După extragerea produselor chimice de bază, gudronul, amoniacul şi benzenul din gazul brut, acesta este folosit drept combustibil în amestec cu gazul de furnal sau gazul metan (bigaz) la cuptoarele de încălzire, preîncălzitoarele de aer de la furnale sau bateriile de cocsificare. Gazul rezultat în urma separării se numeşte gaz epurat sau mai simplu gaz de cocserie. Gazul de cocserie constituie un combustibil cu o putere calorică mare (Q i = 16500 – 19000 kJ/m3N) care arde fără cenuşă. Compoziţia acestuia variază în funcţie de modul de obţinere şi procedeul de extragere a produselor chimice din gazul brut. Densitatea gazului este de 0.45 – 0.55 kg/m3N. Gazul de gazogen este un produs al arderii incomplete a unor combustibili solizi (cărbuni). Gazeificarea se poate face fie cu ajutorul oxigenului din aer, fie cu ajutorul vaporilor de apă. Instalaţiile în care combustibilul solid se transformă în combustibil gazos se numesc gazogene iar procesul se numeşte gazeificare.

18

NOTE DE CURS A.I.T.

Gazul de aer se obţine prin trecerea unui curent de aer prin stratul de cărbuni incandescenţi. Gazogenul pentru fabricarea gazului de aer se prezintă ca un cuptor vertical în care combustibilul încărcat pe la partea superioară este aşezat sub formă de strat pe un grătar sau direct pe vatră. Aerul destinat gazeificării combustibilului este insuflat prin stratul acestuia, iar pe la partea superioară a instalaţiei este colectat gazul de aer cu compoziţia chimică medie 33% CO, 65% N2, 1% H2, 1% CO2. Puterea calorică inferioară este Qi = 4500 – 4600 kJ/m3N. Gazul de apă se obţine prin trecerea unui curent de abur prin stratul de cărbuni incandescenţi. Reacţia primară de formare a gazului de apă cât şi procesul total se caracterizează printr-un efect termic negativ (endoterm). Pentru desfăşurarea procesului este necesară o sursă oarecare de căldură. Compoziţia chimică a gazului de apă este : 50% H 2, 45% CO, 3% CO2, 2% N2. Puterea calorică inferioară este de cca. 8000 kJ/m3N. Gazul mixt, se obţine prin insuflarea de aer şi abur într-o proporţie stabilită prin stratul de cărbuni astfel încât în paralel cu procesul exoterm de formare a gazului de aer se dezvoltă un proces endoterm de gazeificare cu abur. Această schemă de funcţionare are ca rezultat formarea gazului mixt care prin proprietăţi, compoziţie chimică şi putere calorică ocupă o situaţie intermediară între gazul de aer şi gazul de apă. Acest mod de gazeificare a cărbunilor este cel mai răspândit în industrie, deoarece prin simplitatea schemei şi a construcţiei instalaţiilor este apropiat de gazeificarea cu aer dar din punct de vedere al calităţii gazului obţinut este superior. Compozitia chimica a combustibililor gazosi: La combustibilii gazosi se considera compozitia chimica uscata si umeda: 1. Compozitia chimica uscata: CO us  CH 4us  H 2us  Cm H nus  O2us  CO2us  100% 2. Compozitia chimica umeda: CO um  CH 4um  H 2um  Cm H num  O2um  CO2um  H 2O um  100% In urma evaporarii umiditatii rezulta: 22.4 W 1.244 Nm3vapori  W[ ] 18 1000 1000 Nm3combustibil 1.244 Nm3vapori W 1000  0.1244[ ] 1000 100 Nm3combustibil Considerandu-se 100% combustibil umed, procentul de umiditate este: H 2O um  0.1244 W [%], in careW este exp rimat [ g / Nm 3combs ] Notandu-se: Xus- component al compozitiei chimice uscate; Xum- component al compozitiei chimice umede; 100  H 2O um x um  x us Rezulta: 100 Ca verificare, inlocuindu-se in compozitia chimica umeda, rezulta: 100  H 2Oum 100  H 2O um (COus  CH 4us  H 2us  Cm H nus  O2us  CO2us )  H 2O um  100  H 2O um  100 100 100

19