C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina1din 11 pagini4GENERATOARE DE ABUR ŞI CAZANE PENTRU C.T.E., C.E.T., C.T. ŞI C.N.E. 4.1.Probleme generale ale G.A. (cazanelor). 4.1.1.Criterii generale de clasificare şi tipuri de G.A. – caz ane. Clasificarea G.A. (cazanelor) se poate face după o sumă de criterii distincte. După tipul de energie primară intrată în conturul de bilanţ deosebim G.A.: •care utilizează căldura dezvoltată prin arderea unor combustibili: A)solizi, B)lichizi, C)gazoşi sau D)care ard, simultan sau pe rând, mai multe tipuri de combustibili dintre cei de mai sus. •care nu ard combustibili, ci recuperează căldura (G.A. recuperatoare) de la agenţi energetici ca E) gaze de ardere de la alte instalaţii energetice (I.T.G. / M.P.), sau F) recuperează căldură de la instalaţii tehnologice; •care transferă căldură de la agentul de răcire al unui Reactor Nuclear energetic (G.A. pentru C.N.E.). După agentul de lucrudeosebim: ♣ ♣ ♣ ♣cazane de abur, sau G.A., care produc abur saturat sau supraîncălzit, fără sau cu s.î.i.; ♣ ♣ ♣ ♣Cazane de Apă Fierbinte (CAF), pentru reţele de alimentare centralizată cu căldură prin intermediul A.F.; ♣ ♣ ♣ ♣cazane combinate, de abur şi apă fierbinte (acestea sunt utilizate mai rar, în aplicaţii specifice); În C.T.E. şi C.E.T. G.A. se pot clasifica după presiunea aburului produsîn: ♥ ♥Cazane de Abur Industrial (CAI), de joasă presiune pentru alimentare cu căldură prin intermediul aburului; ♥ ♥Cazane Energetice, care produc abur pentru destindere în turbine: la medie şi înaltă presiune, cu parametri subcritici, fără sau cu s.î.i.; la foarte înaltă presiune, cu parametri supracritici şi s.î.i.. Transferul căldurii către agentul de lucrupoate avea loc prin: a)radiaţie; b)convecţie, sau c)radiaţie şi convecţie. În acelaşi cazan pot avea loc toat e tipurile de procese de mai sus. În G.A. suprafeţele de transfer de căldură se pot clasifica după starea de agregare a a gentului încălzitîn: ♠Economizoare, care preîncălzesc apa până aproape de t saturaţie ; ♠Vaporizatoare, în care se schimbă starea de agregare din faza lichidă în cea de vapori; ♠Supraîncălzitoare de abur, care ridică temperatura acestuia peste t saturaţie . După circulaţia relativă a agentului de lucru în raport cu gazele de ardere, deosebim: cazane ignitubulare, la care gazele de ardere circulă prin ţevi; cazane acvatubulare, la care prin ţevi circulă apa-aburul; cazane combinate, formate din secţiuni acvatubulare (de obicei vaporizatorul) şi ignitubulare (de obicei economizorul şi supraîncălzitorul. Un alt criteriu de clasificare a G.A. din C.T.E. C.E.T. şi C.T. este numărul de drumuri de gaze de ardere: 1)cu un drum, 2)cu două drumuri, respectiv 3)cu trei sau mai multe drumuri. Din punct de vedere al direcţiei de circulaţie, drumurile de gaze de ardere pot fi:A)verticale (ascendente sau descendente) şi B)orizontale. Pentru G.A. acvatubulare din C.T/E., C.E.T. şi C.T., cu drumuri verticale, soluţiile constructive uzualesunt: cazane de tip turn, cu un drum de gaze de ardere ascendent; cazane Π(cu două drumuri, primul ascendent şi al doilea descendent. Variantele cu mai multe drumuri de gaze de ardere sau combinaţiile cu u n drum vertical şi unul orizontal (schema „L”, cu un drum vertical descendent şi unul orizontal) sunt rar utilizate. De menţionat că la G.A.,pentru acelaşi flux de masă de agent la intrare şi la ieşire, datorită diferenţelor mari de densitate între apă şi abur, debitul volumetric de abur e mult mai mare ca cel de apă. Cea mai mare variaţie de debit volumetric are loc la schimbarea stării de agregare a fluidului, în zona de vaporizare a apei şi transformarea ei în abur. Ca urmare, un important criteriu de clasificare este tipul circulaţiei emulsiei bifazice apă-abur în sistemul fierbător, unde se realizează schimbarea stării de agregare. Acest aspect va fi dezvoltat într-un capitol ulterior. 4.1.2.Funcţiile G.A. şi cazanelor din C.T.E., C.E.T. şi C.T.. Circuitele specifice şi a nexelor lor. În C.T.E. şi C.E.T. care ard combustibil fosil, G.A. realizează, împreună cu anexele lor următoarele funcţiuni: ♦prepararea combustibilului pentru ardere; ♦ ♦ ♦arderea propriu zisă; ♦ ♦evacuarea produselor de ardere; ♦ ♦transferul căldurii către agentul de lucru şi (la G.A.) schimbarea stării de agregare a acestuia; ♦ ♦ ♦vehicularea aerului şi a gazelor de ardere; ♦ ♦ ♦preîncălzirea aerului de ardere. ♦ ♦ ♦reţinerea unor noxe de ardere Pentru fiecare din funcţiuni există: ⇒anexe separate ale GA (cazanelor), cum ar fi instalaţii de preparare pentru ardere a combustibililor (tocătoare sau mori de combustibil solid,
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 1 din 11 pagini
4 GENERATOARE DE ABUR ŞI CAZANE PENTRU C.T.E., C.E.T., C.T. ŞI C.N.E.
4.1. Probleme generale ale G.A. (cazanelor).
4.1.1. Criterii generale de clasificare şi tipuri de G.A. – cazane.
Clasificarea G.A. (cazanelor) se poate face după o sumă de criterii distincte.
După tipul de energie primară intrată în conturul de bilanţ deosebim G.A.:•••• care utilizează căldura dezvoltată prin arderea unor combustibili: A) solizi, B) lichizi, C) gazoşi sau D) care
ard, simultan sau pe rând, mai multe tipuri de combustibili dintre cei de mai sus.•••• care nu ard combustibili, ci recuperează căldura (G.A. recuperatoare) de la agenţi energetici ca E) gaze deardere de la alte instalaţii energetice (I.T.G. / M.P.), sau F) recuperează căldură de la instalaţii tehnologice;
•••• care transferă căldură de la agentul de răcire al unui Reactor Nuclear energetic (G.A. pentru C.N.E.).
După agentul de lucru deosebim:♣♣♣♣ cazane de abur, sau G.A., care produc abur saturat sau supraîncălzit, fără sau cu s.î.i.;♣♣♣♣ Cazane de Apă Fierbinte (CAF), pentru reţele de alimentare centralizată cu căldură prin intermediul A.F.;♣♣♣♣ cazane combinate, de abur şi apă fierbinte (acestea sunt utilizate mai rar, în aplicaţii specifice);
În C.T.E. şi C.E.T. G.A. se pot clasifica după presiunea aburului produs în:♥♥♥♥ Cazane de Abur Industrial (CAI), de joasă presiune pentru alimentare cu căldură prin intermediul aburului;♥♥♥♥ Cazane Energetice, care produc abur pentru destindere în turbine:
- la medie şi înaltă presiune, cu parametri subcritici, fără sau cu s.î.i.;- la foarte înaltă presiune, cu parametri supracritici şi s.î.i..
Transferul căldurii către agentul de lucru poate avea loc prin: a) radiaţie; b) convecţie, sau c) radiaţie şiconvecţie. În acelaşi cazan pot avea loc toate tipurile de procese de mai sus.
În G.A. suprafeţele de transfer de căldură se pot clasifica după starea de agregare a agentului încălzit în:♠♠♠♠ Economizoare, care preîncălzesc apa până aproape de t saturaţie;♠♠♠♠
Vaporizatoare, în care se schimbă starea de agregare din faza lichidă în cea de vapori;♠♠♠♠ Supraîncălzitoare de abur, care ridică temperatura acestuia peste t saturaţie.
După circulaţia relativă a agentului de lucru în raport cu gazele de ardere , deosebim: cazane ignitubulare, la care gazele de ardere circulă prin ţevi; cazane acvatubulare, la care prin ţevi circulă apa-aburul;
cazane combinate, formate din secţiuni acvatubulare (de obicei vaporizatorul) şi ignitubulare (de obiceieconomizorul şi supraîncălzitorul.
Un alt criteriu de clasificare a G.A. din C.T.E. C.E.T. şi C.T. este numărul de drumuri de gaze de ardere : 1) cu un drum, 2) cu două drumuri, respectiv 3) cu trei sau mai multe drumuri. Din punct de vedere al direcţiei decirculaţie , drumurile de gaze de ardere pot fi: A) verticale (ascendente sau descendente) şi B) orizontale.
Pentru G.A. acvatubulare din C.T/E., C.E.T. şi C.T., cu drumuri verticale, soluţiile constructive uzuale sunt: cazane de tip turn, cu un drum de gaze de ardere ascendent; cazane Π (cu două drumuri, primul ascendent şi al doilea descendent.
Variantele cu mai multe drumuri de gaze de ardere sau combinaţiile cu un drum vertical şi unul orizontal (schema „L”, cu un drum vertical descendent şi unul orizontal) sunt rar utilizate.
De menţionat că la G.A., pentru acelaşi flux de masă de agent la intrare şi la ieşire, datorită diferenţelor mari de
densitate între apă şi abur, debitul volumetric de abur e mult mai mare ca cel de apă. Cea mai mare variaţie de debitvolumetric are loc la schimbarea stării de agregare a fluidului, în zona de vaporizare a apei şi transformarea ei înabur. Ca urmare, un important criteriu de clasificare este tipul circulaţiei emulsiei bifazice apă-abur însistemul fierbător , unde se realizează schimbarea stării de agregare. Acest aspect va fi dezvoltat într-un capitolulterior.
4.1.2. Funcţiile G.A. şi cazanelor din C.T.E., C.E.T. şi C.T.. Circuitele specifice şi anexelor lor.
În C.T.E. şi C.E.T. care ard combustibil fosil, G.A. realizează, împreună cu anexele lor următoarele funcţiuni:♦♦♦♦ prepararea combustibilului pentru ardere;♦♦♦♦ arderea propriu zisă;♦♦♦♦ evacuarea produselor de ardere;♦♦♦♦ transferul căldurii către agentul de lucru şi (la G.A.) schimbarea stării de agregare a acestuia;♦♦♦♦ vehicularea aerului şi a gazelor de ardere;
♦♦♦♦ preîncălzirea aerului de ardere.
♦♦♦♦ reţinerea unor noxe de ardere
Pentru fiecare din funcţiuni există:⇒⇒⇒⇒ anexe separate ale GA (cazanelor), cum ar fi
- instalaţii de preparare pentru ardere a combustibililor (tocătoare sau mori de combustibil solid,
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 2 din 11 pagini
preîncălzitoare de combustibil lichid greu, etc.);- arzătoare şi / sau focare specializate;- Ventilatoare de Aer (VA) şi Ventilatoare de Gaze de ardere (VG)- Preîncălzitoare de Aer (PA);- sisteme de reducere / reţinere a noxelor de ardere.
⇒⇒⇒⇒ circuite specifice ale acestora cum ar fi:- circuitul de aer – gaze de ardere, care include şi partea de evacuare a gazelor spre atmosferă, precum şi
sistemele de reţinere a noxelor din gazele de ardere;-
circuitul de evacuare a zgurii şi cenuşii;- circuitul agentului încălzit, pentru G.A., circuitul de apă – abur.De menţionat că nu toate G.A. realizează integral funcţiile de mai sus, ca urmare nu toate sunt dotate cu toate
tipurile de anexe şi circuite. În capitolul de faţă se vor trata doar o parte din anexele şi circuitele specifice.
4.2. Combustibili energetici şi tehnologii de ardere.
Principalii combustibili energetici convenţionali sunt cei „fosili” (cărbune, şisturi bituminoase, petrol şi derivateleacestuia, gaze naturale, etc.). La aceştia se adaugă combustibilii biologici (biomasă folosită prin combustie directă,biogaz, bio etanol, bio metanol, bio diesel, etc.) şi deşeurile combustibile provenite din activităţi umane. Indiferent deprovenienţă, caracteristicile tehnice şi ecologice ale combustibililor sunt influenţate, în principal, de următorii factori: Starea de agregare (combustibili solizi, lichizi şi gazoşi). Compoziţia chimică (participaţii masice sau volumetrice ale diferitelor componente). Aceasta influenţează atât
caracteristicile ecologice cât şi pe cele de ardere. Puterea calorifică ≡ cantitatea de căldură degajată prin arderea completă a 1 kg de combustibil solid sau lichid,
respectiv a 1m3N de combustibil gazos; Produsele de ardere conţin apă provenită din umiditatea iniţială şi din
arderea hidrogenului. După starea de agregare în care se găseşte această apă, se definesc puterile calorifice:Superioară , Hs, când apa este în stare lichidă şi a cedat, prin condensare, căldura latentă λ vaporizare, respectivInferioară , Hi, când apa se află în stare de vapori.
Necesarul de aer pentru arderea stoechiometrică şi producţia de gaze de ardere „umede” (conţinând vapori deapă), respectiv „uscate” (fără vapori de apă), exprimate în m3
N de aer sau de gaze de ardere pentru 1 kg decombustibil solid sau lichid, respectiv pentru 1m3
N de combustibil gazos. Aceste caracteristici pot fi calculatedin ecuaţiile de ardere pornind de la compoziţia elementară a combustibilului. Cunoaşterea lor şi a excesului deardere permite determinarea compoziţiei reale a gazelor de ardere „umede” şi „uscate”.
Conţinutul de substanţe volatile, pentru combustibil solid, dintre acestea cele organice influenţează
inflamabilitatea combustibilului.
Conţinutul de substanţe care nu participă la ardere: umiditate, substanţe anorganice de tipul celor care seregăsesc în zgură şi cenuşă, gaze inerte, etc.
Pentru combustibilii solizi şi lichizi compoziţia elementară se exprimă în participaţii masice. În figura 4.1. seprezintă modul de defalcare pe componente a structurii unui kg de combustibil solid sau lichid.
(o) Masa organică
(mc) Masa combustibilă (anh) Combustibil anhidru
(a) Proba uscată la aer
(i) Proba iniţială
C; H; O; N S0 Ss M Wt Sulf UmiditateaMasa organică
convenţională Organic SulfuriMasa minerală necombustibilă higroscopică de îmbibaţie
Figura 4.1. Modul de definire a compoziţiei elementare pentru combustibilii solizi şi lichizi
Principalul combustibil energetic solid este cărbunele. Tabelul 4.1. prezintă o clasificare a cărbunilor după gradulde încarbonizare. În afară de cărbune se mai utilizează alţi combustibili solizi: a) fosili (şisturi bituminoase, Orin Oil);b) biomasă (lemn, deşeuri de lemn, paie); c) deşeuri combustibile industriale şi urbane, ş.a..
Menţionăm că pentru aplicaţiile energetice, în România prezintă interes:
Cărbunele brun lemnos, de tipul lignitului autohton. Datorită puterii calorifice mici transportul lui la distanţă nueste economic; ca urmare el trebuie folosit în vecinătatea minei sau carierei.
Huila autohtonă, de asemenea numai în relativa vecinătate a minei. Huila de import, în amplasamente îndepărtate de sursele autohtone.
4.1. Huilă flambantă (cu flacără lungă)4.2. Huilă de gaz4.3. Huilă grasă4.4. Huilă de cocs4.5. Huilă slabă degresantă4.6. Huilă antracitoasă
5. Antracit
Principalul combustibil energetic lichid este păcura, reziduu din distilarea petrolului. Compoziţia elementară a sadepinde de cea a petrolului brut şi de „adâncimea” de extracţie de la procesul de distilare Cu cât petrochimia extragemai multe „produse albe” (ex. prin hidrogenare sau cracare termică şi catalitică) procentul de păcură scade şiparticipaţia de hidrocarburi grele în păcură creşte. Păcura folosită uzual în C.T.E. şi C.E.T. poate fi cu conţinut de Sulfridicat (peste 1%), mediu (0,3÷1%) sau redus (sub 0,3%).
Tabelul 4.2. prezintă două exemple numerice de compoziţii elementare, pentru lignit şi păcură.
Tabelul 4.2. Exemple de compoziţii elementare pentru lignit de Oltenia şi pentru păcură „grea” Valori numerice
Nr.Componenteprincipale
Compoziţia elementară NotaţiaPăcură Lignit
1a Procentul de Carbon organic 1 CO 83 201b Procentul de Hidrogen organic HO 8,5 21c Procentul de Oxigen organic 2 OO 1 7,41d Procentul de Nitrogen organic 3 NO 1 21e
Procentede masăorganică,Morganică din care: Procentul de Sulf organic 4 SO 3,5 0,6
1
Total masă organică Morganică 97 32
2a Procentul de Sulf din sulfuri
5
Ssulfuri - 0,22b Procente demasă anorganică Masă minerală necombustibilă, fără Sulf din sulfuri Mmin necomb 1 27,82Total masă anorganică A 1 28
3 Procentul de umiditate W 2 404 Verificare compoziţie Morganică + W + A = 100
1 Acesta produce prin ardere CO2, care participă la efectul de seră.2 Pre existenţa oxigenului în masa organică reduce necesarul de oxigen din aer pentru ardere.3 Azotul organic poate oxida producând NOX, responsabil, alături de SOX, de ploaia acidă.4 Sulful organic şi cel anorganic dar combustibil, din Sulfuri, influenţează producţia de SO2 şi SO3 (prescurtat SOX),care participă la fenomenele de ploaie acidă.
5 La temperaturile din focar pirita se descompune iar Sulful provenit din ea oxidează.
Din cele de mai sus se observă componentele combustibililor solizi şi lichizi care prezintă „pericol” ecologic suntCarbonul „organic”, Sulful „combustibil” şi Nitrogenul „organic”.
Puterea calorifică superioară a combustibililor solizi sau lichizi se poate determina pe cale experimentală, sau princalcul pornind de la analiza elementară:Formula Doulong: Hs = 33 800*C/100 + 143 846*(H/100-O/800) + 10 450*S/100 [kJ/kg] (4.1.)Formula Mendeleev: Hs = 33 800*C/100 + 125 448*H/ + 10 827*(S/100 – O/100) [kJ/kg] (4.2.)
Puterea calorifică inferioară a combustibililor solizi şi lichizi se determină pornind de la cea superioară şi ţinândseama de căldura latentă de condensare a vaporilor de apă (2 509) kJ/kg:Hi = Hs – 2 509* (9*H/100+W/100) [kJ/kg] (4.3.)
La combustibilii gazoşi compoziţia elementară se exprimă în participaţii molare. Ea variază mult în funcţie de tipulcombustibilului, iar pentru gazele naturale în funcţie de sursă. În afară de gazele combustibile ei pot să conţină şigaze care nu participă la ardere (N
2; CO
2, ş.a.). În plus:
combustibilii gazoşi „industriali” (gaze de cocs, de furnal sau de gazogen) conţin suspensii solide, din careunele pot fi combustibile;
compoziţia la utilizare poate să difere în raport cu cea de la sursă.
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 4 din 11 pagini
După provenienţă deosebim următoarele tipuri de combustibili gazoşi: Combustibili gazoşi fosili, ca: a) gaze “de sondă”, asociate zăcămintelor petroliere, sau, b) gaze naturale din
pungi fără hidrocarburi lichide Combustibili gazoşi din industrie, ca: a) gaz de cocserie, sau b) gaz de furnal Combustibil gazos sintetic, obţinut din cei solizi sau lichizi: gaz de gazogen. Biogaz – combustibil gazos de fermentaţie.
În principiu toţi aceşti combustibili pot fi trataţi ca amestecuri de gaze cu diferite participaţii. Dacă se cunoscputerile calorifice, inferioare şi superioare, pentru fiecare din componente (vezi tabelul 4.3.), se pot calcula puterilecalorifice, superioară şi inferioară, ale amestecului de gaze, ca medii aritmetice ponderate ale puterilor calorificeinferioare şi superioare ale componentelor (vezi formulele 4.4’ şi 4.4’’). Pentru aceasta:
•••• fiecare componentă este luată cu ponderea molară în amestec;•••• pentru fiecare din ele Hi şi Hs se raportează la 1m3
N, iar rezultatul se obţine în aceeaşi UM;•••• valorile Hi şi Hs pe componente pot fi preluate din tabele (vezi tabelul 3.3.);•••• componentele necombustibile se iau cu puteri calorifice nule, ca urmare prezenţa acestora reduce puterea
calorifică inferioară a amestecului.
Tabelul 4.3. Componente uzuale ale gazelor combustibile şi puterile calorifice ale acestora
Necesarul de aer de ardere şi producţia specifică de gaze de ardere „umede” şi „uscate”, exprimate în m3N de aer
(sau de gaze de ardere) pe 1 m3N de combustibil gazos se determină, de asemenea, pornind de la ecuaţiile de ardere
pe componente, apoi se face media aritmetică ponderată molar, pentru amestec.
Componentele combustibililor gazoşi care dau „pericol” ecologic sunt Carbonul (din CO2, CO şi hidrocarburi) şiSulful (din H2S).
4.2.2. Tehnologii de ardere pentru diferite tipuri de combustibili şi puteri termice
Alegerea tehnologiei de ardere se face în funcţie de tipul combustibilului, de compoziţia şi de proprietăţile sale.Cerinţele tehnice şi ecologice pentru asigurarea unei bune arderi sunt:
• atingerea temperaturii de inflamabilitate a combustibilului de bază (aceasta permite reducerea, până laanulare, a necesarului de combustibil suport pentru ardere);
• realizarea unei suprafeţe de contact cât mai mari între combustibil şi comburant (pe această cale se intensificăschimbul de masă şi căldură);• asigurarea unui timp suficient de remanenţă a combustibilului în zona de ardere;• realizarea arderii complete din punct de vedere „chimic”, în sensul că în gazele de ardere nu trebuie să existe
gaze combustibile, cum ar fi CO;• realizarea arderii complete din punct de vedere „fizic”; în sensul că produsele de ardere nu trebuie să conţină
vapori, picături de lichid sau particule solide (zgură şi cenuşă în focar, praf în gazele de ardere) ale unorsubstanţe combustibile care nu au participat la ardere, sau au rezultat din ardere incompletă (cocs - la ardereaimperfectă a păcurii);
• obţinerea unor produse de ardere care să nu fie nocive;• folosirea unei cantităţi de aer apropiate de necesarul stoechiometric, dar mai mare ca acesta; reducerea
debitului de aer micşorează pierderile prin căldura sensibilă a gazelor de ardere, dar o scădere excesivă poate
să ducă la ardere incompletă.Elementele care definesc tehnologiile de ardere sunt:
A) gradul de „fragmentare” a combustibilului, care trebuie să permită suprafeţe mari de contact, prin: amestec turbulent - pentru gaze; pulverizare - pentru combustibili lichizi;
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 5 din 11 pagini
tăiere, sfărâmare, concasare sau măcinare - pentru combustibili solizi;B) coeficientul de exces de aer, care trebuie să fie cel „optim”, în raport cu necesarul pentru ardere
stoechiometrică şi cu pierderile prin căldura sensibilă a gazelor de ardere;C)
forma flăcării şi circulaţia combustibilului şi aerului în aceasta, astfel încât să se asigure timpul de remanenţă acombustibilului în flacără pentru ardere completă;
D) geometria focarului, care trebuie să permită o ardere completă, minimizarea noxelor şi o bună evacuare aproduselor de ardere (în special a celor solide).
Figurile 4.2. ÷ 4.5. prezintă forma focarului şi a flăcării pentru cele mai importante tehnologii de ardere.
Aer primar
Combustibil
Aersecundar
Zgură
Aersecundar
Aersecundar
Combustibil
Cenuşă
Aer
Figura 4.2. Arderea pe grătar Figura 4.3. Arderea în pat fluidizat
Arderea pe grătar a combustibililor solizi cu granulaţie mare sau medie necesită un coeficient mare de exces deaer, realizat prin introducerea aerului în trepte (aer „primar” - pe sub grătar, respectiv aer „secundar” – pe lângăgrătar şi / sau pe deasupra acestuia). Zgura se evacuează de la partea inferioară a grătarului, sau de sub acesta.Timpul de remanenţă pe grătar este bun, totuşi apar nearse în zgură. Se foloseşte la cazane mici şi cel mult medii şila incineratoare de deşeuri. Temperaturile reduse de ardere coboară producţia de NOx. Pentru stabilizarea flăcării, laarderea combustibililor inferiori se poate folosi şi un combustibil suport.
Arderea în pat fluidizat a combustibililor solizi de granulaţie mică necesită menţinerea particulelor însustentaţie şi se realizează prin introducerea aerului pe la partea inferioară. Pentru sustentaţie aerul trebuie să aibă oviteză de curgere suficient de mare, totuşi, o viteză prea mare a aerului poate să conducă la antrenarea în gazele deardere a unor particule solide care să conţină substanţe nearse fizic. Granulele trebuie să aibă dimensiuni adecvate:dacă particulele sunt prea mari scade suprafaţa de contact şi particulele nu pot fi menţinute în sustentaţie; dacă elesunt prea mici granulele pot fi antrenate în gazele de ardere. Timpul de remanenţă în strat este mare, coeficientul deexces de aer e mai mic decât la arderea pe grătar şi nearsele scad. Evacuarea cenuşii se face din stratul de lasuprafaţă. Se poate folosi la cazane medii şi mari, şi mai dificil la cele foarte mari. Temperatura de ardere rămânecoborâtă, ceea ce reduce producţia de NOx termic. Este o tehnologie „curată” din punct de vedere ecologic şi pentrucă permite folosirea unor adaosuri pentru desulfurare în strat.
Arderea turbionară a combustibililor solizi sub formă de praf se foloseşte la cazane mari şi foarte mari. Eapermite valori coborâte ale excesului de aer, aproape fără creşterea procentului de nearse. Forma turbionară aflăcării asigură timpul mare de remanenţă, iar măcinarea fină măreşte suprafaţa de contact între particule şicomburant. Este cea mai răspândită metodă de ardere a combustibililor inferiori.
Arderea pulverizată a combustibililor gazoşi şi lichizi se poate folosi la diverse mărimi de cazane. Permitevalori coborâte ale coeficientului de exces aer, şi nearse foarte mici. Timpul de remanenţă nu pune problemespeciale, datorită posibilităţii fragmentării combustibilului în particule cât mai mici şi a amestecului fin între aer şicombustibil. Pentru combustibili lichizi este necesară pulverizarea fină a lor pe cale mecanică (presiune, cupărotativă) sau gazodinamică (cu abur).
Combustibilii de tip biomasă sau gunoaie menajere au caracteristici apropiate de cele ale cărbunilor inferiori. Pe
de altă parte puterile termice ale instalaţiilor ce utilizează aceste forme de energie primară sunt mici. Ca urmaretehnologiile uzuale de ardere sunt: pe grătar, pentru deşeuri menajere şi biomasă cu grad mic de mărunţire; în pat fluidizat, pentru biomasă cu grad de mărunţire mediu spre mic.
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 6 din 11 pagini
Zgură,cenuşă
CombustibilCombustibil
Figura 4.4. Arderea pulverizată turbionară acombustibililor solizi sub formă de praf – secţiune
orizontală prin focar
Figura 4.5. Arderea pulverizată a combustibililor solizi
sub formă de praf – secţiune verticală prin focar
4.3. Circuitul aer – gaze de ardere al G.A. şi cazanelor din C.T.E., C.E.T. şi C.T.
După presiunea gazelor de ardere în focar, cazanele pot fi:a) cu focar cu depresiune în raport cu atmosfera;b) cu focar cu suprapresiune.Cea de a doua variantă necesită o etanşare mai bună a spaţiului de gaze de ardere fierbinţi, pentru a evita
scăparea acestora în atmosferă.Circulaţia aerului şi gazelor de ardere prin cazanele din C.T.E., C.E.T. şi C.T. poate fi asigurată: fără maşini mecano energetice de tip V.A. şi V.G., prin tiraj natural, pe baza diferenţei de densitate dintre
gazele de ardere calde şi aerul rece; cum diferenţa de presiune realizabilă pe această cale este mică, soluţia seutilizează doar la cazanele mici şi presupune focar cu depresiune;
cu V.A. şi / sau V.G., soluţie uzuală la cazanele de puteri mari, în una din variantele:- tiraj suflat, numai cu V.A. şi focar cu suprapresiune;- tiraj aspirat, numai cu V.G. şi focar cu depresiune;- tiraj mixt, cu V.A. şi V.G.; în funcţie de creşterile de presiune asigurate de V.A. şi V.G. acestea pot avea
focar cu supra presiune sau focar cu de presiune.
Pentru coborârea temperaturii gazelor de ardere înainte de evacuarea lor la coş, reducerea pierderilor prin căldurasensibilă a gazelor de ardere şi creşterea randamentului cazanelor, acestea sunt dotate uzual cu schimbătoarespeciale de căldură prin transfer de la gaze spre aer, denumite preîncălzitoare de aer. Folosirea acestora nu esteobligatorie; unele cazane pot fi realizate fără preîncălzirea aerului, în special cele de mică putere şi cu temperaturimai scăzute ale agentului la intrare. Din punct de vedere constructiv preîncălzitoarele de aer pot fi: cu transfer prin suprafaţă, de obicei de tip tubular, cu aerul prin ţevi şi gazele de ardere prin exterior; schimbătoare de căldură de tip regenerativ, cu masă de tip fagure ce trece, pe rând prin curentul de gaze de
ardere şi de aer, în una din variantele: „Ljungstrom”, cu tambur rotativ; „Rothemuller”, cu tambur fix şi racorduri rotative.
PAR
ElectrofiltruVG
VACazan
Figura 4.6. Schema de principiu a circuitului aer - gaze de ardere al unui cazan cu tiraj mixt
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 7 din 11 pagini
Figura 4.6. prezintă schema generală a unui circuit aer – gaze de ardere pentru un cazan care arder combustibilsolid, are tiraj mixt şi preîncălzitor de aer.
În această schemă nu s-au reprezentat celelalte instalaţii de reţinere a noxelor în afara electrofiltrului pentrureţinerea din gazele de ardere a cenuşii zburătoare.
4.4. Sistemul nuclear de producere a aburului
În CNE rolul cazanului şi anexelor sale este luat de Sistemul Nuclear de Producere a Aburului (SNPA).
La CNE cu un singur circuit şi Reactoare Nucleare (RN) de tip „Boiler Water Reactor” (BWR), RN este şi GA. LaCNE cu două circuite şi RN de tip „Pressurized Water Reactor” (PWR) şi „Pressurized Heavy Water Reactor” (PHWR)funcţiunile SNPA sunt realizate după cum urmează: RN “arde” combustibilul nuclear şi transferă căldura către agentul „primar”, de răcire a RN; Pompele de Circulaţie (PC) vehiculează agentul de răcire a RN în circuit închis; Generatorul de Abur transferă căldura de la agentul “primar” la cel “secundar”.
PC
GA
RN
Abursaturat
Apaalimentare
Circuitsecundar
Circuitprimar 190
210
230
250
270
290
310
0 500 1000 1500 2000
caldura schimbata pe un kg apa-abur [kJ/kg]
t e m p e r a t u
r a [ g r d C ]
apa grea apa-abur
Figura 4.7. Schema încadrării GA în circuitele unei CNEcu RN de tip PWR sau PHWR
Figura 4.8. Diagrama de transfer de căldură ageneratorului de abur al unei CNE de tip PHWR
Figura 4.7. prezintă schema de legături a GA (schimbător de căldură prin suprafaţă) în circuitele unei CNE cu RNde tip PWR sau PHWR, iar figura 4.8. diagrama de transfer de căldură a GA al unei astfel de CNE.
4.5. Circuitul apă - abur al G.A.: sistemul fierbător.
4.5.1.
Variaţia proprietăţilor apei în cursul vaporizării
După cum am mai menţionat, la G.A. debitul volumetric de abur e mult mai mare ca cel de apă. Saltul are loc înzona de vaporizare, la schimbarea stării de agregare a fluidului. Figura 4.9. evidenţiază variaţia raportului volumelorspecifice ale aburului şi apei în funcţie de presiunea de vaporizare.
Figura 4.9. Variaţia raportului volumelor specifice ale aburului şi apei în funcţie de presiunea de vaporizare
La presiuni mici de vaporizare circulaţia emulsiei apă – abur are loc în mod natural, prin efect de „termo sifon,datorită diferenţei de densitate şi câmpului gravitaţional. Raportul densităţilor scade la creşterea presiunii de
vaporizare, deoarece densitatea apei saturate creşte densitatea aburului saturat scade
Simultan se reduce şi diferenţa de densitate, precum şi căldura latentă de vaporizare (vezi figura 4.10). Caurmare asigurarea circulaţiei în zona de vaporizare devine din ce în ce mai dificilă la presiuni mari ale aburului.
Figura 4.10. Variaţia diferenţei de densitate şi a căldurii latente de vaporizare în funcţie de presiunea de vaporizare
În continuare vom analiza diferitele scheme ale circuitelor de apă – abur, urmărind soluţiile de asigurare acirculaţiei emulsiei bifazice apă-abur în sistemul fierbător.
4.5.2. G.A. cu tambur, cu punct fix de vaporizare şi circulaţie multiplă în sistemul fierbător
La acestea sistemul fierbător este realizat in circuit închis, intre doua zone care aparţin aceluiaşi volum: tamburul.Existenţa punctului fix de vaporizare permite:
• separarea suprafeţelor de transfer de căldură pe zone de temperaturi şi de debite volumetrice;• purjarea sistemului fierbător, reducerea cerinţelor de calitate a apei;• evitarea antrenării sărurilor în abur.
După modul de asigurare a circulaţiei multiple în vaporizator, deosebim G.A. cu:• Circulaţie Naturală Multiplă (GA CNM) La acestea circulaţia se realizează ca urmare a diferenţei de
densitate apă-abur şi a câmpului gravitaţional. Combinaţia lor creează între ramura „rece” şi cea „caldă” asistemului fierbător (vezi figura 4.11), o diferenţă de presiunea geodezică, iar aceasta trebuie sa învingăpierderile de presiune prin frecare la curgere. Principala limitare este dată de scăderea diferenţei de densitate
între apă şi abur la creşterea presiunii de vaporizare, ceea ce reduce diferenţa de presiune geodezica.
Ventilinjectie
apa
Sistemvaporizator
S Î 1S Î 2
Eco
purje
T
Apa alimentare
Abur supraincalzit
Figura 4.11. Schema circuitului apa-abur pentru GA cu Circulaţie Naturală Multiplă GA CNM
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 9 din 11 pagini
• Circulaţie Forţată Multiplă , sau tip “La Mont” (GA CFM). Acestea sunt prevăzute cu pompă(e) derecirculare, care preiau apa din partea inferioară a tamburului şi o trimit în sistemul fierbător (vezi figura4.12.). Amestecul bifazic apă-abur ieşit din vaporizator revine în tambur în zona mediană. Limitarea e datoratătot reducerii diferenţei de densitate între apă şi abur la creşterea p vaporizare. Ea nu provine din înrăutăţireacirculaţiei în vaporizator, ci se datorează dificultăţii separării stărilor de agregare în tambur.
S 2
SV
S 1
VRT
Eco
P C
T
purje
Figura 4.12. Schema circuitului apa-abur pentru GA cu Circulaţie Forţată Multiplă GA CFM
In ambele scheme reglajul temperaturii finale a aburului se poate face prin injecţie de apă între treptele desupraîncălzitor.
Din analiza comparativa a celor doua tipuri de GA cu tambur se observa următoarele
GA CNM sunt simple şi sigure în funcţionare, dar:• cer ţevi vaporizatoare drepte, verticale sau cu înclinare mare, cu viteze mici şi secţiuni mari de trecere;• au consum mare de metal, volum mare de apă şi inerţie termică mare;• au debitul minim tehnic de 40÷50 % din cel nominal;• nu permit depăşirea presiunii aburului viu de 140÷165 bar.
GA CCFM , datorită folosirii pompelor de circulaţie:• pot folosi ţevi vaporizatoare în serpentină, cu înclinare mare, viteze sporite şi secţiuni mici de trecere;• au consum redus de metal, volum mai mic de apă şi inerţie termică redusă;• au debitul minim tehnic de 25÷35 % din cel nominal;• permit atingerea presiunii aburului viu de 165÷185 bar;• au fiabilitate mai mică şi consum mai mare de energie, datorită pompelor
4.5.3. Cazane cu circulaţie forţată unică şi punct alunecător de vaporizare
La acestea sistemul fierbător funcţionează la sarcina nominala in circuit deschis, intre Eco si Vap. Circulaţia are locpe baza supra presiunii create de pompa de alimentare. Folosirea trecerii forţate conduce la:
• creşterea presiunii aburului viu şi depăşirea presiunii supracritice;• necesitatea unui sistem de control integrat, mai complex decât la GA cu tambur;• creşterea vitezelor de circulaţie, reducerea diametrelor ţevilor, posibilitatea folosirii ţevilor în serpentină;• scăderea consumului de metal, a masei de apă şi a inerţiei termice;• creşterea consumului de energie de pompare;• imposibilitatea stabilizării punctului de vaporizare şi a purjării sistemului fierbător;• creşterea pericolului de antrenare a sărurilor în abur şi cerinţe mai severe de calitate a apei;• realizarea unui debit minim tehnic de peste 35 % din cel nominal;•
necesitatea unor instalaţii speciale de pornire şi soluţii adaptate de funcţionare la sarcini parţiale.
După modul de asigurare a circulaţiei în vaporizator la presiuni subcritice şi/sau sarcini parţiale, deosebimurmătoarele variante de G.A. cu trecere unica:
• Cu recirculare la sarcini parţiale , sau tip „Sulzer” (vezi figura 4.13). Schema permite relativa stabilizare apunctului de vaporizare, când se funcţionează la presiuni subcritice, prin intermediul buteliei separatoare şi a
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 10 din 11 pagini
ventilelor asociate. Apa separată în butelie se poate trimite la degazor sau se poate recircula cu pompespeciale. La G.A. supracritice recircularea se face doar la pornire şi la sarcini parţiale, iar funcţionarea trebuiesa se realizeze cu presiune alunecătoare în funcţie de sarcina. În afara buteliei separatoare, GA tip Sulzer esteprevăzut şi cu un număr mare de injecţii de apă în diferitele puncte ale circuitului din zona de vaporizare aapei şi supraîncălzire a aburului.
S Î 2
Vap 2+S 1
Eco
Vap 1
Sistem ventilecirc. separare
Butelieseparatoare
Abur supraincalzit
Apa alimentare
Ventileinjectie
S Î#2
S Î#1
Vap#2
Vap#1
Eco#2
Eco#1
Figura 4.13. Schema circuitului apa-abur pentru GAtrecere forţată unică şi recirculare (Sulzer)
Figura 4.14. Schema circuitului apa-abur pentru GA cutrecere forţată unică fără recirculare (Benson-Ramzin)
• Fără recirculare , tip „Benson” sau „Ramzin” (vezi figura 4.14). Acestea sunt prevăzute cu numeroase injecţiiintermediare de apă, pentru a împiedica atingerea prea devreme a unor temperaturi mari ale aburului şimetalului. La pornire şi la sarcini parţiale, când punctul de vaporizare tinde să se deplaseze pe partea de apă-abur în „amonte”, spre intrarea apei de alimentare în cazan, se activează injecţiile de apă din zona devaporizator şi chiar economizor, dinspre aval spre amonte. La sarcini apropiate de cea nominală sefuncţionează doar cu injecţiile din partea finală a vaporizatorului şi din cea de supraîncălzire a aburului.
4.6. Amplasarea suprafeţelor de transfer de căldură în G.A.
De menţionat că la G.A. procesele termice în economizor, vaporizator şi supraîncălzitor diferă sensibil. La G.A.subcritice o cotă mare din căldura cedata de flacără / gaze de ardere, este primită la vaporizator, pentru schimbareade fază. Pe măsura creşterii presiunii aburului aceasta cota se reduce şi se majorează cotele pentru Eco şi Vap.
Din punct de vedere al eficientei transferului de căldură, schema optimă de curgere relativă a fluidelor este cea încontracurent. Aplicarea ei este posibila la GA recuperatoare, la care transferul de căldură este exclusiv convectiv şitemperatura gazelor de ardere la intrare mult mai redusă decât cea a flăcării de la G.A. care ard combustibil. Figura4.15. prezintă diagrama t-q pentru un GA recuperator convectiv, cu circulaţia relativa a agenţilor în contracurent şi osingură presiune de producere a aburului. Figura 4.16. ilustrează schema de circulaţie a agenţilor şi de aşezare asuprafeţelor de transfer căldură in GA de acest tip, când circulaţia gazelor este verticală – ascendentă.
Figura 4.17. prezintă schema de circulaţie a agenţilor şi de aşezare a suprafeţelor specializate de transfer decăldură pentru un GA recuperator convectiv, cu circulaţia relativa în contracurent, circulaţia gazelor verticală –ascendentă şi două presiuni de producere a aburului. Se observă că acesta este, practic, format din două GA
înseriate pe partea de gaze de ardere: GA de ÎP în zona de temperaturi ridicate, iar GA de JP în cea de temperaturicoborâte.
C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A. – Generatoare de Abur Pagina 11 din 11 pagini
0
100200
300
400
500
600
0 400 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200caldura schimbata pe un kg apa-abur [kJ/kg]
t e m p e
r a t u r a [ g r d C ]
gaze de ardere apa-abur
intrare gazede ardere
evacuare gazeardere la cos
SI
Vap
Eco
Apaalimentare
Abur
Figura 4.15. Diagrama de transfer de căldură pentru un GArecuperator convectiv, cu o presiune de producere a aburului si
circulaţia agenţilor în contracurent
Figura 4.16. Schema de circulaţie a agenţilorsi aşezare a S transfer căldură într-un GA
recuperator convectiv cu o presiune de producere a aburului
Vap JP
Eco JP
S Î JP
Eco IP
Vap IP
S Î IP focar
SV
T
ECO
spreturbină
PA
SÎ
Figura 4.17. Schema de circulaţie a agenţilor şide aşezare a suprafeţelor de transfer de căldură
într-un GA recuperator convectiv cu două presiuni de producere a aburului
Figura 4.18. Schema de circulaţie a agenţilor şi de aşezare asuprafeţelor de transfer de căldură într-un GA care arde combustibilfosil, cu transfer de căldură radiativ + convectiv, fără s.î.i., cu două
drumuri de gaze de ardere
La G.A. care utilizează căldura dezvoltată prin arderea unor combustibili circulaţia în contracurent ar presupuneamplasarea supraîncălzitorului în focar, ceea ce ar duce la o temperatura mare a materialului şi scăderea duratei deviaţă. Ca urmare se renunţă la această schemă în favoarea uneia „mixte, caracterizate prin amplasareavaporizatorului în focar (vezi figura 4.18.).
CUPRINS
Denumirea capitolului / subcapitolului Pagina
4 GENERATOARE DE ABUR ŞI CAZANE PENTRU C.T.E., C.E.T., C.T. ŞI C.N.E................................... 14.1. Probleme generale ale G.A. (cazanelor)................................................................................ 1
4.1.1. Criterii generale de clasificare şi tipuri de G.A. – cazane. ........................................................... .................. 14.1.2. Funcţiile G.A. şi cazanelor din C.T.E., C.E.T. şi C.T.. Circuitele specifice şi anexelor lor. ......................... 1
4.2. Combustibili energetici şi tehnologii de ardere. ................................................................... 24.2.1. Combustibili energetici: tipuri, caracteristici. ................................................... ............................................... 24.2.2. Tehnologii de ardere pentru diferite tipuri de combustibili şi puteri termice ............................................. 4
4.3. Circuitul aer – gaze de ardere al G.A. şi cazanelor din C.T.E., C.E.T. şi C.T. .......................... 64.4. Sistemul nuclear de producere a aburului ............................................................................ 7
4.5. Circuitul apă - abur al G.A.: sistemul fierbător. .................................................................... 74.5.1. Variaţia proprietăţilor apei în cursul vaporizării ........................................................ ...................................... 74.5.2. G.A. cu tambur, cu punct fix de vaporizare şi circulaţie multiplă în sistemul fierbător ............................. 84.5.3. Cazane cu circulaţie forţată unică şi punct alunecător de vaporizare ......................................................... 9
4.6. Amplasarea suprafeţelor de transfer de căldură în G.A. ..................................................... 10
