CAP.1 FUNCIA GENERATORULUI DE ABUR

Generatorul de abur reprezint o instalaie termic care utilizeaz energia termica rezultat prin arderea combustibililor clasici sau prin reaciile de fisiune nuclear pentru a transforma apa in vapori saturai sau supranclzii. Generatoarele de abur cu combustibili clasici pentru instalaiile energetice furnizeaz aburul supranclzit turbinei de abur, maina termica care antreneaz la rndul ei generatorul electric. In acest fel, se ajunge de la energia termica produs prin arderea combustibililor, la lucru mecanic produs la arborele turbinei si in final la energie electrica produsa de generatorul electric nsoita de o oarecare cantitate de energie termica, avnd drept suport fizic abur de parametri mai sczui, utilizata in reeaua de termoficare sau pentru alte utiliti. Ciclul de funcionare al unei instalaii energetice cu abur este ciclul Clausius-Rankine. Scheme instalaiei este prezentata in figura 1, in timp ce in figura 2 sunt reprezentate fazele de realizare a acestui ciclu in coordonate T-s, deoarece in aceasta diagrama fazele de lucru apar nedeformate iar cldurile transferate apar ca simple suprafee. GA 3

in4

.,, ^nFigura 1.

?5TR este cea de t. 5 T

Pompa de apa PA preia apa cu starea 1 de lichid saturat provenita de la condensatorul instalaiei avnd presiunea ( p1) si produce modificarea de stare 1-2, adic ridic presiunea apei pn la presiunea de funcionare a cazanului, (p2). Pe parcursul acestei comprimri adiabatice, din cauza frecrilor din CI pomp apa se nclzete cu circa 3-5 OC pstrndu-si aceeai entropie, s1=s2. Pentru realizarea acestei transformri, pompa de ap consum lucrul mecanic de comprimare, l1-2. Starea 2 a apei la ieirea din pomp

6 \\x =1 lichid subrci

K Figura 2.

s

Apa refulata de pompa de alimentare a cazanului, avnd presiunea p2 este introdusa in prenclzitorul de apa al cazanului, Ec, unde se prenclzete izobar (p2=p3) pn la temperatura T3, de saturaie, cu care ptrunde in tamburul T al cazanului. Procesul de prenclzire al apei se desfoar la presiunea de funcionare a cazanului pe baza cldurii preluate de ap de la gazele de ardere generate in focarul cazanului, ajunse la o temperatur relativ sczut, circa 180 oC, dup ce au cedat cldur celorlalte aparate schimbtoare de cldur ale cazanului montate in amonte de prenclzitorul de ap. Din cauza coninutului de cldur redus al gazelor din zona prenclzitorului de ap, cldur care mai poate fi folosita cel mult la prenclzirea aerului de combustie, se poate considera c acest aparat recupereaz ultimele resurse calorice ale gazelor de ardere. Dac prenclzirea apei s-ar produce pe baza unui consum suplimentar de energie termic, intr-un aparat separat de instalaia de cazan, s-ar reduce mult randamentul termodinamic brut al cazanului, tocmai din cauza unui consum suplimentar de energie termic introdus in circuitul generatorului de abur de la o surs exterioar, care la rndul ei ar consuma energie pentru a o ceda apei.. Tocmai din acest motiv, preinclzitorul de ap al cazanului poart numele de economizor, Ec. Prenclzirea apei este necesar din motive economice, pentru a folosi vaporizatorul cazanului strict pentru transformarea lichidului saturat in vapori saturai, dar si din motive de siguran in funcionare, evitndu-se in acest fel vaporizarea brusc a apei introdus in tambur, care ar supune pereii tamburului la eforturi mecanice mari, putnd produce fisurarea acestora. Lichidul saturat din economizor ptrunde in tamburul T al cazanului. Pe la partea inferioar a tamburului, lichidul intra in evile cobortoare ale sistemului vaporizator V, ajunge in colectorul inferior CI si apoi i urmeaz calea ascendent prin ecranele de evi urctoare ale vaporizatorului napoi ctre tambur. Pe acest parcurs, tambur -evi cobortoareevi urctoare - tambur, circuit care caracterizeaz cazanele cu circulaie naturala si cunoscut sub numele de bucla de circulaie natural, lichidul saturat se transforma in amestec lichid -vapori saturai. Separarea lichidului de abur se face gravitaional, in tamburul cazanului, aburul saturat lund drumul ctre supranclzitorul cazanului pe la partea superioar a tamburului, in timp ce lichidul nevaporizat din tambur mpreuna cu lichidul venit din economizor in locul aburului produs, reintr in bucla de circulaie prin evile cobortoare ale sistemului vaporizator legate la partea inferioar a tamburului. Procesul de vaporizare al apei in vaporizatorul cazanului, este reprezentat in diagrama T -s de izoterma 3 - 4, suprapus cu izobara mrginit de aceleai puncte. Pe parcursul acestui proces, apa parcurge succesiv strile lichid saturat (x=0, punctul3), vapori umezi (palierul orizontal 3 -4), vapori saturai uscai (x = 1, punctul 4). Vaporizarea este un proces obligatoriu pentru toate generatoarele de abur, care se desfoar, aa cum se tie, in condiii izoterme (T 3 = T4) i izobare, la presiunea de funcionare a cazanului (p3 =p4). Aria de sub curba transformrii 3-4, in diagrama T-s, reprezint cldura de vaporizare introdus in apa de cazan in scopul vaporizrii acesteia. Din vaporizatorul V al cazanului, aburul saturat avnd starea 4, vapori saturai uscai, intr in supranclzitorul de abur, SI. Aici, primind in continuare cldur de la gazele de ardere, aburul saturat se inclzete, transformarea 4 -5, mrindu-i temperatura de la T4 la T5, in condiii izobare. Procesul de supraincalzire al aburului este necesar pentru cazanele energetice in scopul creterii entalpiei aburului, entalpie ce va fi folosit pe parcursul procesului de destindere care urmeaz s aib loc in turbina de abur TA a instalaiei. Pentru ciclul ideal, care se realizeaz fr frecri, punctele de stare 2, 3, 4 si 5 se afl pe aceeai izobar, izobara de funcionare a cazanului. Punctul 5 reprezint starea aburului la ieirea din cazan (vapori supranclzii) i intrarea in turbina de abur TA. Turbina este maina termic in care aburul supranclzit se destinde producnd energie mecanica la arbore, transmis generatorului electric GE in scopul

transformrii acesteia in energie electric. Aceast destindere, considerat adiabatic (la entropie constant) in ciclul ideal, este reprezentat in diagram de verticala 5 - 6. Procesul 5-6 se desfoar intre presiunile p5 si p6 (presiunea din condensator), respectndu-se condiia ca la sfritul destinderii, titlul aburului x6 sa fie mai mare de 0,9, din condiii de fiabilitate a turbinei. Pe parcursul acestei transformri, la arborele turbinei se culege lucrul mecanic specific lt = i5- i6. Aburul cu starea 6 de la ieirea din turbina de abur intr in condensatorul C al instalaiei. Condensatorul reprezint principala surs rece a instalaiei, care asigur extragerea din abur a cldurii de vaporizare pentru a fi posibil transformarea acestuia in lichid saturat ce urmeaz a fi preluat de pompa de circulaie i reintrodus in cazan. Procesul de condensare este reprezentat in diagram de orizontala 6-1, o izoterm suprapus cu o izobar, iar aria de sub aceasta reprezint cldura de condensare extras in condensator din aburul provenit de la turbin in scopul transformrii acestuia in lichid saturat. Agentul termic care preia cldura de condensare din aburul intrat in condensator este apa de rcire a condensatorului, care la rndul ei cedeaz cldura de condensare preluat aerului inconjurtor, intr-un alt utilaj termic al instalaiei de cazan, turnul de rcire, TR. Circulaia apei de rcire a condensatorului prin turnul de rcire este asigurat de pompa de circulaie PC. Pompa de circulaie trimite apa de rcire in turn, unde aceasta este dispersat in picturi fine sau sub form de pelicul. Apa, sub efect gravitaional, cade la interiorul turnului circulnd in contracurent cu aerul introdus in turn pe la partea inferioar a acestuia si cedeaz aerului prin schimb combinat de cldur i mas cldura de condensare preluat din condensator.

CAP.2. COMBUSTIBILI ORGANICI Generatoarele de abur folosesc dou surse de energie termic: combustibilii organici i fisiunea sau fuziunea nucleelor unor substane, in cazul centralelor nucleare. Obiectul cursului const in studiul generatoarelor de abur care funcioneaz cu combustibili organici. Din categoria acestor combustibili, in faza actual de dezvoltare tehnologic a instalaiilor de ardere fac parte crbunii, produsele petroliere si combustibilii gazoi naturali. 2.1. Condiii generale ce trebuiesc indeplinite de combustibilii organici Combustibilii organici se prezint in general sub forma unor amestecuri de substane combustibile i necombustibile, care prin arderea in focare produc energie termic, avnd drept suport fizic gazele de ardere. Prin ardere, nelegem procesul de oxidare rapid, exoterm a substanelor combustibile. Pentru ca reacia de ardere s fie posibil, trebuie indeplinite dou condiii de baz: prezena alturi de substana combustibil a comburantului, substana care furnizeaz oxigenul necesar arderii i atingerea nivelului termic necesar pentru a fi iniiat reacia de ardere, adic temperatura de aprindere a substanei combustibile. In continuare sunt enumerate condiiile pe care trebuie s le indeplineasc o substan combustibil pentru a fi utilizat drept carburant: - s se oxideze exotermic, cu degajare de caldur specific i tempartur de ardere ct mai mari; - s fie stabile in timp, meninndu-i caracteristicile fizico-chimice nealterate; - s aib un coninut ct mai redus de substane care prin ardere produc compui agresivi pentru suprafeele metalice ale cazanelor (sulf, vanadiu, sodiu); - produsele arderii s fie ct mai puin poluante i uor de indeprtata din focar; - s fie uor de obinut, in rezerve ct mai mari i suficiente, la un cost de achiziionare ct mai redus; - s nu aib utilizri mai rentabile in alte domenii ale economiei (cazul hidrocarburilor utilizate in industria chimic); - s se aprind uor fr s prezinte pericol de explozie sau autoaprindere la manipulare sau stocare. 2.2 Cldura de ardere a combustibililor Denumit i putere calorific, cldura de ardere a combustibililor reprezint cantitatea de cldur exprimat in megajouli, degajat prin arderea complet a unei cantiti unitare masice [kg] sau volumice [m3N] de combustibil. Unitatea de msur pentru cldura de ardere a unui combustibil este [MJ/kg] pentru combustibilii masici, respectiv [MJ/m3N] pentru cei volumici (gazoi). Cldura de ardere se determin experimental prin realizarea procesului de ardere i msurarea direct a cldurii degajate. Pentru combustibilii masici se utilizeaz in general bomba calorimetric iar pentru cei volumici calorimetre de tip Junkers. In general un combustibil organic este un amestec de mai multe substane, unele chiar necombustibile, care constituie aa numitul balast al combustibilului. Dac in urma determinrilor experimentale se cunosc cldurile de ardere Qz ale componentelor z, cldura de

ardere a unui combustibil in care cele n componente au participaiiile masice sau volumice pz{kg/kg] sau [m3N/ m3N] se poate determina cu relaian

Qs=pzQs [MJ / kg sau MJ / m3N]z=1

(2.1)

Cele mai reprezentative substane combustibile prezente in carburanii organici i cldurile lor de ardere sunt: H=121,266 [MJ/kg], C=33,8 [MJ/kg], S=10,450 [MJ/kg], H2=10,742 [MJ/kg], H2S=23,381[MJ/kg], CH4=35,707 [MJ/kg]. Gazele rezultate in urma arderii unui combustibil conin ntotdeauna vapori de ap datorai hidrogenului atomic sau molecular din compoziia combustibilului precum i umiditii Wt prezent in combustibilul respectiv. Dup starea de agregare in care se gsete apa la sfritul arderii, cldura de ardere poate fi: - cldur inferioar de ardere, notat cu Qi, cnd apa din gazele de ardere se gsete sub form de vapori; - cldur superioar de ardere, notat cu Qs, cnd vaporii de ap din gazele de ardere au fost condensai inainte de evacuare si au degajat cldura lor de vaporizare, r[kJ/kg]. Altfel spus, in funcie de valoarea temperaturii de evacuare, tev, in raport cu temperatura de rou a gazelor de ardere, tr , vorbim despre cldur inferioar de ardere Qi cnd tev > tr si de cldur superioar de ardere cnd tev< tr. Intre cele dou clduri de ardere ale unei probe pentru analiz exist releia: Qia=Qsa-r(WH+Wt) [MJ/kg] (2.2)

in care: - WH [kg ap/kg comb.] este cantitatea de ap format prin arderea hidrogenului de participaie H in combustibil. Din calculul stoechiometric al arderii, rezult WH = 9H; - Wt [kg ap/kg comb.] este coninututl de ap de umiditate al probei pentru analiz; - r [MJ/kg] reprezint cldura de vaporizare a apei, corespunztoare presiunii pariale a vaporilor ei in gazele de ardere. Valoarea medie recomandat pentru r este r = 2,30 [MJ/kg]. Pentru calculul cldurilor de ardere au fost elaborate in timp mai multe relaii, diferite intre ele funcie de tipul de combustibil studiat: - relaia lui Mendeleev: Qsi =338C +125,5Hi +108,3(Sic-Oi) [kJ / kg] (2.3) - din literatura german: Qii = 340C +1017Hi +63Ni + 191Sic-98 Oi-25Wti [kJ/kg] (2.4) Qsm c =33494 + Vmc (293-6,91 Vmc) [kJ / kg] (2.5) - din literatura rus: Qsi =33913 +12,35Vi(40-Vi) [kJ / kg] (2.6) Qsi =387 C+1160 Hi-145 Oi [kJ/kg] (2.7) - pentru lemne: Qsi =372C+ 1115Hi-139Oi [kJ/kg] (2.8) - pentru turb i pcur: Qsi = 364C + 1093Hi -136Oi [kJ/kg] (2.9) - pentru crbune brun: Qsi=35Ci+1072Hi-134Oi [kJ / kg] (2.10)

- pentru antracit: Qimc=34068 + 154V mc-4,48(V mc)2 [kJ/kg] - relaia Vondracek: Qsi =(329+ 11,724100-Cmc)Ci -1130(Hi -0,10)+ 105Sic [kJ/kg]

(2.11) (2.12)

Fiecare dintre relaiile prezentate mai sus au domeniile lor de valabilitate i introduc erori mai mari sau mai mici. Inconvenientul tuturor acestor relaii este acela c pentru a putea fi aplicate, combustibilul analizat trebuie s fie nsoit de buletin de analiz elementar. Utilitatea relaiilor de calcul pentru determinarea cldurii de ardere se face simit mai ales in proiectare sau in simularea pe calculator a funcionrii unei instalaii de ardere. Valoarea garantat a cldurii de ardere este cea inscris in buletinele de analiz elborate de laboratoare specializate in urma determinrilor experimentale. In exploatarea generatoarelor de abur sunt folosite de multe ori amestecuri de combustibili diferii, in arztoare comune sau separate. In aceste situaii, pentru simplificarea calculelor, se poate considera c amestecul de combustibili se face inainte de arztoare rezultnd un combustibil echivalent, de cldur de ardere Qiam. Cnd folosim amestecuri de combustibili numai masici sau numai volumici se aplic relaia Qsa m=pzQsz [MJ/kgsauMJ/m3N] (2.13)z=1

In unele cazuri participarea fiecrui combustibil la amestec poate fi indicat prin cota parte de energie termic dezvoltat prin arderea in focar. Pentru a aplica foprmula (1.13) este necesar s se cunoasc participaia masica a fiecrui combustibil in amestec. De exemplu, in cazul arderii simultane a unui crbune inferior in stare pulverizat i a unei cantiti de pcur, crbunele asigur qc[%] din fluxul de cldur total dezvoltat in focar iar pcura qp[%] din acelai flux. Dac se cunosc compoziiile elementare ale celor doi combustibili se pot determina cldurile de ardere inferioare Qic i Qip. Presupunnd cunoscute debitele Bc i Bp de combustibil care ard simultan se pot scrie relaiile: BcQic+BpQip=(Bc+Bp)Qam (2.14) Rezult participaiile energetice termice ale celor doi combustibili, qc i qp::

= q , respectiv BpQip---------= q (Bc+Bp)Q am (Bc+Bp)Q am pcic

(2.15)

Facem raportul celor dou participaii termice:q = B ic Qqp BpQip

(2.16)

B Dac se noteaz cu m =

Bc+Bp crbunelui i pcurii in amestec, atunci, mc+mp=1 iar relaia (2.16) devine:

B i cu m =-------p Bc+Bp

participaiile masice ale

(2.17)

BcQic

Bc+Bp q m Qi

= qc = mcQic (218)

BpB B tip

Ultimele dou relaii permit determinarea necunoscutelor, adic: m=------------1 q p Q ic

(2.19)

qc Qip i: m =--------1 q Qip qp Qic

(2.20)

Cnd se utilizeaz att combustibili masici ct i combustibili gazoi, in mod convenional calculul este condus pentru un kilogram de combustibil masic, folosind ins i volumul de combustibil gazos n [m3N/kg] care revine acestuia. Prin urmare: Qam=Qm+nQg (2.21) B n = -g (2.22) Bm unde: - Bg [m3N/s] este debitul de combustibil gazos; - Bm [kg/s] este debitul de combustibil masic; - Qm [MJ/kg] cldura de ardere a combustibilului masic; - Qg [ML/m3N] cldura de ardere a combustibilului gazos. 2.3 Combustibil convenional Cldurile de ardere ale diferiilor combustibili variaz intr-o plaj destul de larg in funcie de coninutul de elemente combustibile i de participaia energetic a acestora. Pentru a putea exprima valoarea energetic a diferiilor combustibili in aceeai unitate energetic de msur este utilizat noiunea de combustibil convenional, un combustibil fictiv, avnd cldura de ardere 29,309 MJ/kg, cifr provenit din convertirea in uniti SI a cantitii de cldur 7000 kcal/kg. In acest fel, putem compara intre ei combustibili diferii, in cantiti diferite, prin raportarea lor la o masa de combustibil convenional. Din ecuaia de bilan termic: mcc29,309 = mcQi (2.23) rezult: mcc = mcQi /29,309 [kg cc] (2.24) In relaiile precedente, au fost utilizate urmtoarele notaii: - mcc [kg cc] = masa de combustibil conveional; - mc [kg] = masa de combustibil existent; - Qi [MJ/kg] = cldura inferioar de ardere a combustibilului existent. 2.4 Clasificarea combustibililor organici

Combustibilii organici se pot clasifica in funcie de diferite criterii, cum sunt: proveniena , starea de agregare, vrsta geologic, mod de utilizare, diferite caracteristici predominante, etc. Dup provenien combustibilii se clasific in combustibili naturali i combustibili artificiali. Combustibilii artificiali sunt ori forme nnobilate sau derivate dintr-un proces de nnobilare a combustibililor naturali prin diferite tipuri de proces: mecanice (crbune splat), termomecanice (brichetare, deshidratare) sau termochimice (semicocsificare,distilare fracionat) ori substane organice folosite pentru a nlocui combustibilii naturali. Cea mai uzual clasificare este cea dup starea de agregare: solizi, lichizi i gazoi. a). Combustibili solizi: - naturali: paie, lemn, turb, crbune brun, huil antracit, isturi bituminoase. - artificiali:mangal, semicocs, cocs de crbune, cocs de petrol, brichete de crbune, deeuri combustibile. - sintetici: litiu, bor magneziu sau aluminiu in amestec cu praf de crbune. b). Combustibili lichizi: - naturali: ieiul sau petrolul; - artificiali: benzin, petrol lampant, petrol pentru tractoare, petrol pentru reactoare, motorin, combustibili pentru calorifer, pcur, gaze lichefiate; - sintetici: benzin sintetic, izopropilbenzen, neohexan, alchilai, metanol; c). Combustibili gazoi: - naturali: gaz metan, gaz de sond; - artificiali: gaz de furnal, gaz de cocs, gaz de rafinrie, gaz de generator; - sintetici: hidrogen gazos. 2.5 Combustibili solizi Din categoria combustibililor solizi, cei mai importani sunt crbunii. Crbunele este o roc sedimentar organic, rezultat din fosilizarea prin incarbonizare a substanelor vegetale. Conine carbon (12,6...96,5%) oxigen (2,540%) hidrogen (1...6%) , azot sub 2%, sulf pn la 12% n masa combustibil. Crbunii provin fie din turb (crbuni humici), fie din depunerile de litoral, unde marea a invadat periodic uscatul (crbuni paralici), cum este huila din bazinul Petroani. Coninutul n carbon al crbunilor depinde de vrsta i de gradul lor de incarbonizare. Dup compoziie se deosebesc : - - crbuni humici, formai prin incarbonizarea plantelor uriae care populau pdurile n epocile geologice de formare a lor - - crbuni bituminoi sau sapropelici, formai din alge i ml sapropelic. Sapropelul este un ml bogat n substana organice aflate n diferite stadii de descompunere, format n apele srace n oxigen ale unor mri, bazine sau lacuri. - - crbuni rinoi (liptobiologici), formai prin incarbonizarea substanelor rlnoase i ceroase. Dup structura i nsuirile lor chimice crbunii romneti sunt crbuni humici. Principalele tipuri de crbuni humici se clasific dup gradul de incarbonizare astfel: turb, crbune brun, huil i antracit. Alturi de petrol i de gazele naturale crbunii constituie o importanta rezerv, n cadrul creia deosebim: - - crbuni energetici, utilizai n industrie, instalaii de nclzire i mai puin n transporturi.

- - crbuni metalurgici, cocsificabili, folosii n metalurgie , - - crbuni tehnologici, folosii ca materie prim n industria chimic, 0 categorie aparte de combustibili solizi o formeaz isturile bituminoase, constituite n general din roci sedimentare, care conin materii organice sub form de hidrocarburi, mai ales lichide. Datorit condiiilor diferite de formare, crbunii sunt foarte variai ca nsuiri fizice i chimice, de unde pot rezulta i multe criterii de clasificare. In decursul dezvoltrii industriei carbonifere fiecare ara productoare a format o clasificare naional, dup criterii pe care le-a considerat potrivite pentru crbunii si. Ca i n multe alte ri productoare de crbuni, acetia sunt clasificai dup gradul de in-carbonizare, n 5 clase, fiecare dintre acestea fiind la nevoie submprite n grupe. Cele 5 clase romneti de crbune sunt: 1 - Turb (simbol T); 2 - Crbune brun (simbol B); 3 - Crbune brun huilos (simbol B/H); 4 - Huil (simbol H); 5 - Antracit (simbol A). Clasele 1,3 i 5 nu sunt submprite n grupe. Clasa 2, care cuprinde crbunele brun, are 4 grupe: - crbune brun pmntos (BP); - crbune brun lemnos (BL); - crbune brun mat (BM); - crbune brun cu luciu smolos (BS). 2.6 Analiza tehnic a crbunilor Considerm o particul de combustibil solid introdus in focarul unui cazan care dispune de oxigenul necesar arderii i se afla la o temperatur superioar celei de aprindere.

. 1 2 3 4 Figura 3

.

5

6

7

8

9 10

In figura 3. sunt reprezentate schematic fazele de ardere a particule, n 10 situaii diferite. Datorit nclzirii treptate, particula se usuc (poz.l) i apoi crescnd presiunea generat n interior, ncepe degajarea materiilor volatile, urmat de aprinderea amestecului de gaze i aer format. Degajarea substanelor volatile continu cu intensitate pn la un maximum (poz.3), dup care aceast intensitate scade (poziiile 4 i 5). In fazele (2 - 5) particula de combustibil este acoperit de flacra format de gazele arznde, care consum ntreaga cantitate de oxigen difuzat nspre particul, scheletul de cocs al acesteia nemaiajungnd s primeasc oxigenul necesar arderii. Numai dup arderea aproape complet a volatilelor (poz-6), oxigenul reuete s ajung pn la suprafaa incandescent a particulei i n poziiile (7 - 10) arde cocsul,

dimensiunile particulei reducndu-se mereu pn cnd rmne doar cenua (poz.l0). Schema de ardere prezentat mai sus st la baza analizei tehnice a crbunilor. Prin analiza tehnic sau imediat a crbunilor se determin umiditatea higroscopic, coninuturile de materii volatile i de cenu, conform STAS 5268-69. In figura 4 sunt prezentate schematic rezultatele analizei tehnice a crbunilor. A Cenu H N O S Masa organic Crbune fix Materii volatile Cocs Va Proba pentru analiz Figura 4 La nceput proba pentru analiz se usuc, pentru a i se determina umiditatea higroscopic Wha. Apoi se determin coninutul de materii volatile Va, ceea ce rmne din prob fiind cocsul, format din crbunele fix Ca i din cenua Aa . Determinnd coninutul de cenu Aa, prin diferen rezult crbunele fix Cf. Materiile volatile Va i crbunele fix Cf reprezint masa organic iar cenua Aa i apa de umiditate Wha formeaz balastul. a). Umiditatea crbunilor Reprezint coninutul n ap al crbunilor, fiind format din umiditatea de mbibaie Wi i umiditatea higroscopic Wh. Umiditatea de mbibaie Wi, sau extern reprezint raportul dintre cantitatea de ap pierdut de combustibilul de masa m prin uscare n etuv la (50 - 70C) timp de max. 8 ore sau la temperatura de 20C a camerei de depozitare, n mod orientativ 24 ore, pn cnd se ajunge la masa constant m1 i masa iniial de combustibil, m. Wi =(m-m 1 )100/m [%] (2 24) Cf Wh Umiditate higroscopic Wha

Umiditatea extern a crbunilor depinde mai mult de umiditatea zcmntului de crbune dar i de condiiile de exploatare, meteorologice i de depozitare. Umiditatea higroscopic sau intern Wh se datorete apei care se afl in vasele capilare i celulele plantelor din care a rezultat crbunele. La turbe l lignit Wha = (9 - 15)%, iar pentru antracit Wha = (1 - 3)%. Ea depinde de vrsta geologic a crbunelui i practic nu influeneaz stabilitatea arderii. Reprezeotnd cantitatea procentual de ap rmas n combustibil dup extragerea umiditii de mbibaie Wi, umiditatea higroscopic se determin prin uscarea in etuv la temperatura de 105oC a probei rmase. Dac m2 este cantitatea de umiditate higroscopic eliminat in etuv, putem scrie:. Pentru masele iniial m1 i final m2 umiditatea higroscopic Wha se poate determina astfel : Wha = (m1 -m2)100/ m1 [%] (2.25)

Ca excepia turbei, umiditatea total a crbunilor se afl n domeniul Wti = (0,5 - 42)% funcie de vrsta geologic, condiiile de extracie i depozitare, ,a. Coninutul de ap al crbunilor provoac mrirea consumurilor de energie att pentru transport, ct i pentru vaporizarea apei din crbune n procesul de uscare. b). Materiile volatile Reprezint produsele degajate prin nclzirea combustibilului dup uscarea sa i nainte de ardere. Pentru determinarea participaiei de materii volatile Vi, proba de combustibil se usuc determinndu-se umiditatea total Wti i apoi se nclzete n absena aerului conform STAS 5268-69, de la masa m2 l temperatura de uscare pn la masa m3 i- temperatura de 850C. Coninutul de materii volatile din proba iniial de mas m se calculeaz cu relaia: Vi =(m2-m3)100/m (2.26)

Materiile volatile sunt alctuite dintr-o categorie combustibil i una necombustibil. Materiile volatile combustibile sunt formate din compui ai carbonului, hidrogenului i sulfului, provenii din disocierea mai mult sau mai puin naintat a masei combustibile n procesul de piroliz. Materiile volatile necombustibile sunt formate din bioxid de carbon i vapori de ap, care provin din disocierea mai mult sau mai puin naintat a masei minerale (carbonai,argile,.a) n procesul de piroliz. In timpul procesului da nclzire, primii oomponeni volatili care prsesc proba sunt cei care conin oxigen, iar ultimii sunt compuii bituminoi. Coninutul de materii volatile influeneaz temperatura de aprindere a crbunelui respectiv. Cu ct coninutul de volatile este mai mare, crbunele se aprinde la temperaturi mai mici, viteza de ardere este mai mare, flacra este mai lung i mai luminoas. In general, temperaturile de la inceputul degajrii de volatile corespund temperaturilor de aprindere ale combustibilului. c). Cenua Cenua (A) este rezultatul transformrilor calitative i cantitative prin care trece masa mineral n timpul arderii. Cantitativ, cenua se determin conform STAS 5265-76 prin arderea unei cantiti de combustibili meninerea la temperatur constant de 815 25 oC a reziduului format, pn la mas constant. Mrimea A se calculeaz prin raportul dintre masa reziduului obinut i masa de combustibil cntrit i se exprim n procente. 2.7 Analiza elementar a crbunilor Dac facem analiza componentelor unui crbune, in constituia acestuia deosebim: carbonul C, hidrogenul H2, oxigenul O2, sulful S, masa mineral necombustibil M, i apa de umiditate Wt. Aceste componente pot fi grupate conform diagramei din figura 5, n felul urmtor:

C, H, N, O Masa mineral convenional

So Sulf organic

Ss

M Masa mineral necombustibil

din sulfuri

Wt Umiditatea Higroscopic De imbibaie Wh Wi Masa necombustibil

Masa organic (o) Masa combustibil (mc) Combustibil anhidru (anh) Proba uscat n aer (de analiz), (a) Proba inial (i) Figura 5.

- masa mineral convenional este format din carbon, C, hidrogen, H, azot, N i oxigen, O; - masa organic, notat cu indicele (o), este format din masa convenional la care se adaug sulful organic So din compoziia crbunelui; - masa combustibil, indice (mc) se formeaz considernd pe lng masa organic i sulful din sulfuri, Ss; - combustibilul anhidru, indice (anh) este format din masa combustibil impreun cu masa mineral necombustibil M; - proba de analiz sau proba uscat in aer, indice (a), este format din combustibilul anhidru i umiditatea higroscopic a combustibilului, Wh; - proba iniial, indice (i), este format din proba de analiz i umiditatea de mbibaie Wi; - umiditatea total Wt=Wi+Wh, mpreun cu masa mineral necombustibil M formeaz masa necombustibil sau balastul combustibilului. In procesele energetice compoziia chimic a unui combustibil masic se exprim prin participaiile masice ale componenilor si. In funcie de starea probei n care se prezint combustibilul, descrierea celor cinci tipuri de compoziii este: - compoziia probei iniiale: Ci + Hi + Ni +Oi +Soi + Ssi + Mi +Wti =100% - compoziia probei de analiz: Ca + Ha + Na +Oa + Soa + Ssa + Ma +Wha =100% - compoziia combustibilului anhidru: C anh + H anh + N anh +Oanh + S anh + S anh + M anh =100% - compoziia masei combustibile: Cmc + Hmc + Nmc +Omc +Som c +Ssm c =100% - compoziia masei organice: Co + Ho + No +Oo + So =100%o s

(2.27) (2.28) (2.29) (2.30) (2.31)

Compoziia elementar a combustibililor poate fi gsit n diferite lucrri de specialitate raportat la diferite stri convenionale. Pentru a compara ntre ei diferii combustibili a cror compoziie este raportat n stri diferite, rezultatele de analiz trebuie convertite de la o stare la alta utiliznd relaiile matematice care leag diferitele stri ntre ele sau cu ajutorul aa numiilor factori de convertire.

Pentru determinarea factorilor de convertire, relaiilor (2.27) - (2.31) li se impun trei condiii de identitate: a). s aib acelai numr de termeni n membrul stng; b). s aib aceeai valoare pentru membrul drept; c). necunoscutele corespunztoare din membrul stng s fie egale. Dac considerm, de exemplu, strile de mas combustibil i de combustibil anhidru, pentru indeplinirea condiiei a) de identitate, cu ajutorul releiilor care descriu cele dou stari, alctuim sistemul de ecuaii urmtor:Cmc + Hmc + Nmc + Omc + Smc + Sm

100100 Manh

(2.32)

Canh + Hanh + Nanh + Oanh + Sanh + Sanh

Pentru a fi ndeplinit condiia de identitate b), fiecare dintre cele dou ecuaii se mpart la membrul drept i se obine sistemul echivalent cu primul:r

(Cmc/100)+(Hmc/100)+(Nmc/100)+(Omc/100)+ +(Som c / 100)+(Ssm c /100) = 1

(2.33)

{

Canh /(100-Manh) + Hanh /(100-Manh) + +Nanh / (100-Manh) + Oanh /(100-Manh) + +Sanh / (100 M anh ) + Sanh / (100 - Manh) = 1

In conformitate cu condiia c) de identitate, scriem egalitatea dintre membrii corespunztori din cele dou ecuaii, prin identificare: Cmc/100 = Canh /(100-Manh) Hmc /100 = Hanh/(100-Manh) (2.34)

Ssmc/100 = Ssanh/(100-Manh) Dac se noteaz factorii de convertire cu K1 i K2 unde: se ajunge la ecuaii de forma:Cmc v r^anh r^anh v r-im

K1 =100/(100- M K = (100- M2 anh

anh

) >1

) /100