Aspecte fizico-chimice ale arderii

ASPECTE FIZICO-CHIMICE ALE ARDERII

1.Cinetica reactiilor de ardere

Timpul de ardere a unei cantitati elementare de combustibil se compune din doua parti: timpul necesar realizarii contactului fizic intre combustibil si aersi timpul necesar desfasurarii reactiei chimice de oxidare :

Dupa valoarea acestor componente ale timpului de ardere, arderea poate fi:

a) ardere cinetica, cand <<; in aceasta situatie timpul fizic necesar realizarii amestecului este mult mai mic decat timpul necesar desavarsirii reactiei de oxidare, iar viteza de ardere este determinata numai de factorii fizico-chimici: concentratie, temperatura, presiune, natura combustibilului de care depinde reactia de oxidare;

b) arderea difuziva, cand >>; in acest caz timpul fizic necesar difuziei moleculelor de oxigen la combustibil este mult mai mare decat timpul necesar reactiei de oxidare, iar viteza de ardere este determinata preponderent de factorii hidrodinamic ca: viteza relativa de curgere dintre combustibil si oxigen, turbulenta curgerii, marimea particulelor de combustibil etc.

In instalatiile industriale arderea are un caracter difuziv sau difuzivcinetic cand ambele categorii de factori au ponderi comparabile..

Majoritatea cuptoarelor metalurgice sunt echipate cu arzatoare care realizeaza flacari difuzive, deoarece acestea poseda o serie de avantaje in exploatare:

domeniul larg de stabilitate al arderii;

absenta pericolului de intoarcere al flacarii;

posibilitati largi de reglare a lungimii flacarii;

emisivitate marita a flacarii.

2. Aprinderea si propagarea flacarii

Procesul de aprindere poate avea loc in doua moduri diferite:

a) prin marirea temperaturii intregului amestec combustibil-aer pana la o temperatura, la care amestecul se autoaprinde fara alta interventie din exterior: - procesul de autoaprindere ;

b) prin aprinderea amestecului rece numai intr-un punct sau zona limitata cu ajutorul unei surse de temperatua ridicata (scanteie electrica, corp incandescent, flacara auxiliara): - procesul de aprindere locala (fortata) , proces specific initierii arderii in focarele termice.

Temperatura de aprindere definita ca temperatura minima la care are loc aprinderea amestecului depinde in primul rand de natura combustibilului, dar depinde si de caracteristicile sursei de aprindere si de conditiile de propagare a flacarii.

Viteza de propagare a flacarii. In urma aprinderii locale, arderea se propaga cu o anumita viteza in intreg volumul ocupat de amestecul combustibil.

Intr-un curent de amestec combustibil frontul de flacara se va stabiliza in locul unde viteza de inaintare a amestecului este egala cu viteza de propagare a flacarii.

O influenta importanta asupra vitezei de propagare a flacarii o are proportia de amestec combustibil-aer (concentratia combustibilului) si temperatura de preancalzire a amestecului. Dependenta vitezei de propagare de concentratia combustibilului are forma unei curbe clopot (fig.1).

Fig. 1 Dependenta vitezei de propagare a flacarii de concentratia amestecului.

Viteza maxima de propagare a flacarii corespunde unei concentratii de combustibil in amestec usor superioara concentratiei stoichiometrice. Pe masura ce concentratia combustibilului sacade, caldura degajata in frontul de flacara este mai mica si poate deveni insuficienta pentru a asigura preancalzirea amestecului proaspat si deci propagarea flacarii. In acelasi mod cresterea excesiva a concentratiei combustibilului duce la imposibilitaeta propagarii flacarii (din lipsa de aer nu se poate dezvolta caldura necesara asigurarii propagarii flarii).

3. Stabilitatea arderii

Desfasurarea stabila, fara perturbatii a procesului de ardere necesita realizarea echilibrului dintre viteza de curgere a amestecului si viteza de propagare a flacarii:

w = u

In raport cu aceasta conditie de echilibru domenilul de stabilitate al arderii este limitat de doua fenomene:

a) returul sau intoarcerea flacarii, cand are loc patrunderea flacarii in interiorul arzatorului sau tubulaturii de alimentare cu amestec combustibil (w < u), fenomen care limiteaza sarcina termica minima a arzatorului;

b) ruperea sau suflarea flacarii, cand flacara este rupta de la gura arzatorului si se poate stinge (w = u), ceea ce limiteaza sarcina termica maxima a arzatorului.

Aceste fenomene duc la inrautatirea functionarii arzatorului si pot avea ca urmare accidente grave in instalatia de ardere. Astfel, patrunderea flacarii in interiorul arzatorului sau tubulaturii degradeaza rapid instalatia de ardere si poate da nastere la explozii. Ruperea flacarii in conditiile stingerii arderii poate conduce la acumularii de amestec aer – combustibil in focar si deci la explozii care pot avaria intergul agregat termic.

4. Arderea difuziva a combustibililor lichizi si solizi

Procesul de ardere al combustibililor lichizi este un proces complex, constituit din urmatoarele faze principale:

pulverizarea;

evaporarea picaturilor;

descompunerea termica a hidrocarburilor evaporate;

difuzia oxigenului la particulele de combustibil;

aprinderea;

arderea propriu-zisa.

In instalatiile industriale este necesara pulverizarea combustibilului (dezintegrarea sa in picaturi fine) pentru intensificarea arderii. Temperatura de fierbere a combustibililor lichizi fiind mult mai mica decat temperatura de aprindere, rezulta ca acestia se evapora mai intai, iar arderea lor are loc in faza gazoasa (de vapori) la o oarecare distanta de la suprafata particulei de combustibil.

Arderea combustibilului solid poate fi divizata in urmatoarele faze:

incalzirea si uscarea combustibilului;

distilarea uscata (degajarea substantelor volatile) si cocsificarea;

arderea substantelor volatile;

arderea cocsului.

Reactia de ardere propriu-zisa are loc in trei etape:

I. Combustie eterogena. Oxigenul din aerul comburant patrunde pana la suprafata bucatii de combustibil, reactioneaza cu carbonul, producand in principal oxid de carbon, conform reactiei:

2C + O₂=2CO

II. Combustie omogena. CO format la suprafata combustibilului slab alimentata cu O₂ tocmai din cauza stratului de oxid de carbon, difuzeaza spre zona exterioara unde are loc oxidarea sa:

2CO + O₂ = 2CO₂

III.Reducerea eterogena. CO₂ rezultat in etapa anterioara poate veni in contact, prin difuzie, cu suprafata incandescenta a bucatii de combustibil, reducandu-se prin reactia:

CO₂ + C = 2CO

Viteza de ardere a combustibililor lichizi sau solizi este mult mai lenta decat a combustibililor gazosi.

5. Intensificarea arderii. Utilizarea ultrasunetelor

Intensificarea proceselor de ardere influenteaza direct cresterea productivitatii agregatelor temice, reducerea consumului specific de combustibil si energie, imbunatatirea arderii si a procesului termotehnologic.

Accelerarea arderii, practic se poate obtine pe urmatoarele cai principale:

1) marirea temperaturii in spatiile de ardere prin preancalzirea aerului comburant sau si a combustibilului, si de asemenea prin adiabatizarea incintei de ardere eventual cu separarea procesului de ardere de procesul de transmitere a caldurii;

2) cresterea concentratiei reactantilor (arderea sub presiune sau imbogatirea in oxigen);

3) marirea suprafetei de reactie (finete de pulverizare sau de macinare ridicata);

4) imbunatatirea conditiilor de schimb de caldura si masa prin organizarea unui amestec intim si rapid al combustibilului cu comburantul in conditii hidrodinamice optime.

Preancalzirea aerului comburant este o metoda larg raspandita in tehnica arderii industriale a combustibililor, temperatura de preancalzire variaza de la 300…..400°C la cuptoarele de forjsi de tratament termic pana la 100…..1150°C la cuptoarele Siemens-Martin pentru otelarii.

In prezent exist si alte metode de intensificare a arderii cum ar fi utilizarea vibratiilor ultrasonore sau aplicarea de campuri electrice intense.

Tabelul 1.Calculul arderii incomplete a unui combustibil lichid sau solid pe baza analizei

gazelor rezultate uscate

Nota:- c, h, s, W,-participatii masice din analiza elementara a combustibilului (c-carbon,

h-hidrogen, s-sulf, W-umiditate);

- d-umiditatea aerului atmosferic [g/kg aer uscat];

- W_p-aburul pentru pulverizarea combustibilului [kg/kg cb