Arderea. Combustibilii sunt fosili si neconventionali.

Transcript

1 Arderea Arderea este un proces chimic exotermic obtinut prin oxidarea combustibililor. Combustibilii sunt surse de energie termica, izvoare termodinamice. Se numesc combustibili (SOLIZI, GAZOSI, LICHIZI) substantele care indeplinesc o serie de conditii dintre care cel mai important este faptul ca se combina cu oxigenul. Conditiile pt. ca un material sa fie considerat combustibil: se pot combina cu oxigenul din aer cu viteza suficient de mare, degajând energie termica (reactie exotermica); sa nu aibe alte intrebuintari superioare; sa aiba un pret acceptabil; produsele arderii sa nu contina elemente toxice; Combustibilii sunt fosili si neconventionali.

2 Analiza chimica elementara pt combustibilii solizi si lichizi Analiza chimica elementara exprima participarea masica a elementelor care formeaza masa combustibila, dar si continutul de cenusa, azot si umiditate care formeaza balastul. Elementele chimice din care este format un combustibil solid sau lichid sunt: carbonul (C), hidrogenul (H), sulful (S), azotul (N), oxigenul (O), umiditatea (W) si cenusa (A). c+h+s+n+o+w+a=1 [kg]

3 Analiza chimica elementara pentru combustibilii gazosi Hidrogen (H 2 ) c, monoxid de carbon (CO) c, metan (CH 4 ) c, hidrocarburi de tipul (C m H n ) c in general, oxigen (O 2 ) c, etc. Analiza elementara a unui combustibil gazos indica participatiile volumice ale gazelor ce sunt simple componente, sunt stabile din punct de vedere chimic, si al caror amestec formeaza combustibilul. Între participatiile volumice exista relatia: (H 2 ) c +(CO) c +(CH 4 ) c +(C m H n ) c +(O 2 ) c +(CO 2 ) c +(N 2 ) c =1m 3 N

4 Compozitia chimica a combustibililor C, H, N, O S o S s M W t Masa organica conventionala Sulf organic sulfura Masa minerala necom bustibila Umiditatea higroscopica De imbibatie Masa organica (o) Masa combustibila (mc) Combustibil anhidru (anh) Proba uscata la aer, proba de analiza (a) Proba initiala (i)

5 Analiza tehnica (imediata) a carbunilor A C H N O S W Cenusa Masa organica Umiditate (higroscopica) Carbon fix Materii volatile Cocs Proba pentru analiza

6 Arderea si puterea calorifica Arderea poate fi: completa (masa combustibila se oxideaza complet); perfecta (nu exista CO sau alti produsi oxidati doar partial); Puterea calorica (adica cantitatea de caldura dezvoltata la arderea perfecta si completa a unitatii de masa de combustibil) poate fi: superioara H s pentru cazul când apa este evacuata în stare lichida; inferioara H i pentru cazul când apa este evacuata în stare de vapori (si prin urmare s-a pus in libertate, prin condensarea vaporilor, caldura de vaporizare); H i =H s (9*h+w t ) [kj/kg] unde 2510 kj/kg reprezinta caldura de vaporizare medie a apei, iar (9*h+w t ) reprezinta cantitatea de apa rezultata prin oxidarea hidrogenului, plus umiditatea din combustibil.

7 Formule empirice C 2 H 6 -etan, C 3 H 8 -propan, C 4 H 10 -butan, C 2 H 2 - acetilena, C 2 H 4 -etilena, C 5 H 12 -pentan; C 6 H 14 -hexan, C 7 H 16 -heptan, C 8 H 18 -octan, C 6 H 6 -benzen, H 2 S- hidrogen sulfurat; H i =33900c *(h+o/8)+9250 s-2510 w [kj/kg] pentru combustibili solizi sau lichizi; H i =12720*(CO) c (H 2 ) c (CH 4 ) c (C 2 H 4 ) c (C 2 H 6 )+56920(C 2 H 8 ) c (H 2 S) c [kj/m 3 N ] pentru comb gazosi combustibil conventional B cc : H icc = 7000 kcal/kg=29300 kj/kg B*H i =B cc *H icc? formula de calcul pt cantitatea de cc

8 Compozitia probei initiale/de analiza/etc. c i +h i +s si + s oi +n i +o i +w ti +a i =1 [kg] c a +h a +s sa + s oa +n a +o a +w ha +a a =1 [kg] H ia, H ii, H sa, H s i H iam = p H i1 + (1-p)H i2 [kj/kg] p - este participarea masica a fiecarui combustibil in amestec, atunci cand ard doi combustibili

9 Exemple (valori informative) Combustibil Puterea calorifica inferioara Hi (i) MJ/kg Huila 22 31,5 Cocs, brichete Carbune brun 8,5 20 Lignit 6,0 8,0 Lemn 8 15 Combustibil lichid usor (CLU) 42,7 Pacura S 41,0 Gaz natural 46,9 Biogaz Gaz lichid (C3H8, C4H6) 46,0 Deseu (menajer, industrial) 2,0 6,0

10 Arderea carbonului C+O 2 =CO 2 +Q c 1 kmol C+1 kmol O 2 =1 kmol CO ,8 MJ/kmol 12 kg C+1 kmol O 2 =1 kmol CO 2 :12 *c c kg C +c/12 kmol O 2 = c/12 kmol CO 2

11 Arderea sulfului S+ O 2 =SO 2 +Q s 1 kmol S +1 kmol O 2 =1 kmol SO ,2 MJ/kmol :32, *s s kg S+s/32 kmol O 2 = s/32 kmol SO 2

12 Arderea hidrogenului H 2 +0,5 O 2 =H 2 O+Q H 1 kmol H 2 +0,5 kmol O 2 =1 kmol H 2 O+240 MJ/kmol :2, *h h kg H 2 + h/4 kmol O 2 = h/2 kmol H 2 O

13 Arderea monoxidului de carbon CO+0,5 O 2 =CO 2 +Q co 1 kmol CO+0,5 kmol O 2 = 1 kmol CO ,7 MJ/kmol, 1m 3 N CO+0,5 m3 N O 2 =1m3 N CO 2

14 Arderea unei hidrocarburi C m H n + (m+n/4) O 2 = m CO 2 +n/2 H 2 O+Q 1 kmol C m H n + (m+n/4) kmol O 2 = m kmol CO 2 + +n/2 kmol H 2 O 1 m 3 N C m H n + (m+n/4) m3 N O 2 = 1m m3 N CO 2 +n/2 m 3 N H 2 O

15 Volum minim necesar de oxigen Volumul de oxigen necesar arderii complete a unitatii de combustibil = oxigen minim necesar. Pentru combustibili solizi si lichizi: O min =c/12 + h/4 + s/32 - o/32 [kmol O 2 /kg comb] dupa ce se scade oxigenul continut în combustibil Exprimat in m 3 N pe kg de combustibil (c) va fi: O min =22,4*(c/12 + h/4 + s/32 - o/32 ) [m 3 N O 2 /kg c] O min =1,876 c + 5,6 h + 0,7 s - 0,7 o [m 3 N O 2 /kg c] 22,41 o -s O [ )] [m 3 N O 2min = c + 3(h - 2 /kg c] 12 8

16 Oxigenul minim necesar arderii combustibilului gazos O = 2min kmol O 1 2 (CO) c /kmol 2 + (H ) + 2CH + (m+ 2 c 4 combustibil n 4 )(C m H n ) c (O ) 2 c

17 Aerul necesar arderii (L) L min = O 2min 0,21 kg m 3 N comb L min = O 2min 0,232 kg kg aer comb Coeficient de exces de aer cantitatea reala de aer λ = camtitatea minima de aer = L L real min

18 Produsele arderii. Cazul combustibilului solid sau lichid λ V gt = V + VH2O + V + V + V + VH2O 14 CO SO O N V 2 din reactiile c 22,41 12 de oxidare CO = [ m 3 N/kg ] h 22,4 λl a min V H 2 O = 22,41 + w ? H 2O [ m 3 N/kg ] (d = continutul de umiditate, g/kg aer uscat) s SO = 22,41 [ m 3 /kg ] N V 2 32 VO = ( λ 1)L min 0,21 [ m 3 /kg ] 2 N n VN =? L min 0, ,41 [ 2 m 3 /kg ] N 28 0 V V +? 1 L unde V = V + gu gu? d direct din aer sau din combustibil w? pulveriz H 2O ( ) min gt gu V O = [ /kg ] H 2 m 3 N

19 Produsele arderii. Combustibilul gazos Exemplu: O min =0,5 (CO) c + 0,5(H 2 ) c + 2(CH 4 ) c + 3(C 2 H 4 ) c -(O 2 ) c [Nm 3 /Nm 3 ] O min =0,5(CO) c +0,5(H 2 ) c + (m+ [Nm 3 /Nm 3 ] )(C m H n ) c -(O 2 ) c Vco 2 =(CO 2 ) c +(CH 4 ) c +2(C 2 H 4 ) c +(CO) c +Σm(C m H n ) c [Nm 3 /Nm 3 ] V H2O = (H 2 ) c + 2 (CH 4 ) c + Σ (C m H n ) c [Nm 3 /Nm 3 ] V o N= (N 2 ) c + 0,79 L min [Nm 3 /Nm 3 ] pentru arderea reala: V N = (N 2 ) c +? 0,79 L min [Nm 3 /Nm 3 ] mai apare în gaze oxigenul nefolosit la ardere: Vo 2 = (?-1) O min [Nm 3 /Nm 3 ] n 2 n 4

20 Controlul arderii Pentru fiecare combustibil care se arde în anumite conditii exista o valoare optima a coeficientului de exces de aer (? opt ), ca fiind valoarea minima a coeficientului, la care se asigura o ardere completa. daca arderea are loc cu? <? opt arderea este incompleta; daca? >? opt, creste volumul de gaze de ardere evacuate din instalatie si cresc prin urmare pierderile de energie cu gazele evacuate; Coeficientul de exces de aer se determina pe cale indirecta, folosindu-se analiza compozitiei gazelor de ardere efectuata cu analizatoare de gaze.

21 Fumul Produsele arderii sunt: CO, NO x, SO 2, CO 2, H 2 O, O 2 si N 2 plus diferite alte specii, in general poluante Diferitele componente din gazele uscate vor fi notate cu indicele f (reprezinta de fapt participari volumice ale componentei in amestecul de gaze de ardere = fum): VCO 2 continutul de CO 2 in gazele uscate: (CO 2 ) f = V =?co 2 gu VCO continutul de CO in gazele uscate: (CO) f = V gu continutul de O 2 in gazele uscate: (O 2 ) f = continutul de N 2 in gazele uscate: (N 2 ) f = VO 2 V gu VN 2 V gu

22 Punct de roua (acida) Temperatura la care condenseaza specia H 2 O in gazele de ardere. Este functie de presiunea partiala a respectivei specii (H 2 O in gazele de ardere), reprezentand de fapt temperatura de saturatie corespunzatoare presiunii patiale. In condens se retin diferiti poluanti (NO x, SO 2 ), formand acizi. Pentru protejarea instalatiilor de ardere (partea finala) evacuarea gazelor se face la temperaturi superioare celei de roua acida.

23 Arderea trebuie Analizata din punct de vedere: Economic (randament) Ecologic (concentratii de poluanti antropici) Optimizata Intensificata Sustinuta (combustibil de suport)

24 Explicatii de terminologie Impuritati în aer (naturale), Emisii (Poluanti la sursa) Poluanti (antropici, naturali) Imisii (Calitatea aerului determinata de prezenta poluantilor)

25 Prin transmisie emisia devine imisie Quelle: G. Baumbach, Luftreinhaltung, 1997 EMISIE Ausbreitung Chemische Umwandlungen IMISIE

26 Surse de poluare

27 Unitati de masura pentru emisii Concentratii masice mg/m 3 raportate la 0 C si 1013 mbar Concentratii volumice EMISII cm 3 /m 3 sau ppm; 1 cm 3 /m 3 =1 ppm Debit de poluanti g/s; kg/h; t/a Factor de emisie (specific sursei) mg/kg; kg/t; kg/tj; g/km

28 Unitati de masura pentru imisii Concentratii masice mg/m 3 sau µg/m 3 raportate la 20 C si 1013 mbar Concentratii volumice IMISII Prag µg/kg cm 3 /m 3 sau ppm; ppb; 1 ppb=1 µl/m 3 Coeficient de depunere mg/(m 2 zi); µg/(m 2 zi) Doza mg/m 3 h

29 Timp de stationare a poluantilor în stratosfera Substanta Durata de viata Substanta Durata de viata C n H m zile NH zile SO zile CO ani H 2 S 0,5-2 zile CO 0,1-0,8 ani NO 3-6 zile CH 4 1,5-7 ani NO zile N 2 O ani Sursa: E. Lahmann, Luftreinhaltung. 1990

30 Încarcarea cu poluanti Depinde de fondul natural al poluarii peste care se suprapune cel indus suplimentar (antropic, natural accidental). [ W ] = [ W] + [ W] totala fond suplimentara

31 Controlul calitatii aerului Lege pentru limitarea emisiilor < Valorile maxim admise de legislatie: constructiv (prevenire), controlul sursei, alegerea combustibilului, epurarea gazelor Lege pentru limitarea imisiilor < Valorile maxim admise de legislatie Masuratori: efort material, uman, rezultate clare, corecte Calcule cu formule empirice: informativ, foarte subiectiv Modelare lare: necesara pentru strategii de dezvoltare, de control a calitatii aerului, cadastru de mediu, comparatie, prognoze, alarmare

32 Coeficientul excesului de aer [-] determinat din masuratori? = (N aprox 2 : ) f 0,79 0,21 [(O 2 ) f (N 2 ) f 0,5(CO) f - 0,5 (H 2 ) f - 2(CH 4 ) f ]? = CO ( ) 2 (CO 2 fmax ) f Valori uzuale: pt combustibil solid circa 1,4-1,6 pt combustibil gazos circa 1,1-1,2 pt combustibil lichid circa 1,2-1,3

33 Controlul arderii l x M Diagrama Ostwald (triunghiul arderii) specifica fiecarui combustibil in parte. Ex. pt combustibil solid (CO 2max ). Dreapta arderii perfecte (ipotenuza): l optim Analiza concreta functie de pozitia punctului real de masura M in interiorul triunghiului. O CO = 1 21 CO 2 max

34 Aprinderea combustibililor Pentru ca aprinderea combustibilului sa se poata face, trebuiesc îndeplinite urmatoarele conditii: sa se realizeze o anumita proportie de combustibil si oxigen în contact intim; sa existe o sursa de caldura care sa initieze aprinderea; Usurinta aprinderii unui combustibil depinde de urmatorii factori: suprafata de contact dintre combustibil si oxigenul din aer; presiunea partiala a oxigenului în aer; temperatura de (auto)-aprindere a combustibilului fata de cea locala;

35 Arderea reversibila. Pila de combustie In general prin ardere se transforma energia chimica a combustibilului in energie termica, care se valorifica (cu randament de circa 40 % in medie) spre producerea de energie mecanica, in diferite instalatii (motor termic cu ardere interna, cazan de abur cu turbina de abur, turbina cu gaze, etc.). Din energia mecanica se obtine apoi energia electrica, in generatoarele de curent. In pila de combustie se valorifica energia reversibila dezvoltata in urma unor reactii chimice, la care participa diferiti ioni. Se genereaza direct curent electric, in baza energiei sensibile a reactantilor.

36 Schematizarea pilei de combustie

37 Reactii chimice Anod 2H 2 4H + + 4e Catod Ansamblu + O2 + 4H + 4e 2H2O 2H2 + O2 2H2O