DIRECTII DE RECUPERARE A GAZELOR INDUSTRIALE

DIRECTII DE RECUPERARE A GAZELOR INDUSTRIALE

Gazele de ardere, gazele de furnal, gazele de cocs, gazele de rafinarie fac parte din grupa resurselor industriale recuperabile combustibile: resursa conținuta sub forma de energie chimica in purtatori de energie solizi, lichizi sau gazoși și care poate fi extrasa prin arderea acestora.

1. Importanța recuperarii

Importanța recuperarii caldurii acestor gaze consta in:

- economia de combustibil realizata direct la nivelul procesului sai agregatului tehnologic;

- economia de enrgie realizata indirect prin reducerea pierderilor eferente extracției și transportului combustibilului primar pana la procesul respectiv;

- economia de consum de mijloace materiale și de munca sociala pentru prospectarea, extracția și transportul combustibilului primar;

- modernizarea proceselor de producție;

- creșterea productivitații și scaderea prețului de cost al produsului finit.

2. Direcții de recuperare

In figura 1. sunt prezentate posibilitatile de recuperare a caldurii gazelor industriale.

Principalele direcții de recuperare sunt:

A. Direcție tehnologica: presupune utilizarea totala sau parțiala a acestor gaze in agregatul tehnologic din care au rezultat sau in altul apropiat.

Principalele posibilitați de recuperare in direcție tehnologica sunt: preincalzirea aerului de combustie, a combustibilului, a materialelor tehnologice, incalzirea diverșilor agenți termici sau a unor medii de lucru pentru desfașurarea unor precese tehnologice sau in diverse combinații intre aceste posibilitați. In felul acesta se pot recupera cca.4070% din energia conținuta.

Recuperarea caldur5ii gazelor și utilizarea in direcție tehnologica este limitata din considerente tehnico-economice care privesc atat instalația recuperatoare cat și agregatul tehnologic care produce resursa.

B. Direcție energetica: presupune utilizarea acestor gaze in afara procesului tehnologic din care au provenit, pentru alimentare cu caldura, producerea frigului industrial, producerea energiei electrice sau combinat.

In cazul recuperarii in direcție energetica pentru incalzirea sau climatizarea spațiilor sau pentru prepararea apei calde, studiile efectuate au aratat ca nu se poate recupera decat 3035% din energia conținuta.

C. Recuperare combinata: presupune utilizarea acestor gaze atat in scopuri energetice cat și in scopuri tehnologice. Efectul energetic și economic in acest caz este maxim.

Stabilirea direcției de utilizare a gazelor trebuie facuta ținand seama de alegerea corecta a debitelor nominale, mai ales in cazul unor variații mari a acestora, de eventualitatea necesitații unei surse de rezerva, de dezvoltarea sistemelor de alimentare cu energie electrica și termica a intreprinderii in care apar aceste gaze și a zonei in care este amplasata aceasta intreprindere.

In final, direcția de recuperare a gazelor și marimea recuperarii este stabilita in urma unui calcul tehnico-economic.

3. Limitele recuperarii gazelor industriale

Considerand conținutul de energie al gazelor recuperabile Q_g fața de un nivel energetic zero, energia efectiv utilizata Q_ef este mai mica din cauze de natura termodinamica, de regim și tehnico-economice (fig.2).

Limitarile de natura termodinamica sunt determinate de conținutul de energie al mediului ambiant Q_o caracterizat de temperatura T_o și presiunea p_o.

Energia ce poate fi recuperata din punct de vedere termodinamic din gazele industriale va fi:

Q_td = Q_g - Q_o (1)

Se poate defini astfel un grad de recuperare termodinamic:

(2)

unde: T_o [K] este temperatura mediului ambiant;

T_g [K] - temperatura gazelor industriale.

Gradul de recuperare termodinamic este intotdeauna subunitar; scade cu creșterea temperaturii mediului ambiant T_o sau cu micșorarea nivelululi termic al gazelor industriale T_g.

Limitarile de regim sunt determinate de nesimultaneitatea regimurilor de producere și utilizare a gazelor. Energia Utilizabila va fi:

Q_reg = Q_td - ∆Q_r = Q_td - Q_o - ∆Q_r (3)

Se poate defini un grad de recuperare posibil din punct de vedere al regimului de consum:

(4)

Gradul de recuperare posibil din punct de vedere al regimului de consum este intotdeauna subunitar; valoarea acestuia ar putea deveni egala cu unitatea in cazul ideal, al simultaneitații dintre producerea și consumul gazelor industriale.

Limitarile de natura tehnico-economica sunt determinate de cele mai multe ori de tipul și de dimansionarea optima din punct de vedere tehnico-economic a instalației recuperatoare.

Energia efectiv recuperabila va fi:

Q_ref = Q_reg - ∆Q_th (5)

unde, ∆Q_th rezulta in urma calculelor tehnico-economice de optimizare a instalației recuperatoare luand in considerare și condițiile impuse de consumator.

Se poate defini un grad de recuperare din punct de vedere tehnico-economic:

(6)

Luand in considerare toate cele trei limitari analizate se definește gradul efectiv de recuperare a gazelor industriale:

(6)

Eficiența recuperarii și utilizarii gazelor industriale

Principalii factori de care trebuie sa se țina seama la aprecierea eficienței recuperarii și utilizarii gazelor industriale sunt:

- temperatura, debitul și presiunea minima admisibila a gazelor;

- caracteristicile elementeloe componente care ar duce la inrautațirea transferului de caldura in instalațiile recuperatoare;

- limitari și condiții suplimentare privind tipul, construcția, locul de amplasare și transportul instalației recuperatoare;

- prevederea unei surse suplimentare de incalzire atunci cand gazele industriale nu au un regim corespunzator de disponibilitate sau nu corespund calitatic condițiilor impuse de consumator.

EficiențA recuperarii și utilizarii gazelor industriale se stabilește prin calcule tehnico-economice, unul din elementele principale care influențeaza rezultatele acestor calcule fiind economia de combustibil primar realizata.

Eficiența recuperarii este determinata de economia de caldura realizata , comparativ cu situația in care gazele nu ar fi recuperate și utilizate.

Se definesc doua categorii de economii de caldura (combustibil primar) realizate prin recuperarea și utilizarea gazelor industriale:

- economie posibila, care reprezinta cantitatea de caldura (combustibil) ce poate fi economisita in cazul unei recuperari complete a tuturor formelor de gaze industriale a caror refolosire este raționala din punct de vedere economic;

- economie efectiva, care reprezinta cantitatea de gaze industriale posibil a fi recuperate, cu luarea in considerare a punerii in funcțiune a instalației recuperatoare, a modernizarii celor existente și a scoaterii din funcțiune a celor invechite.

Criteriile de apreciere a eficienței recuperarii și utilizarii gazelor industriale sunt:

A. Criterii tehnice

Pentru stabilirea eficienței recuperarii și utilizarii gazelor industriale se considera:

- conținutul de energie al gazelor fața de mediul ambiant;

- limitele tehnice posibile de recuperare funcție de natura gazelor, de tipul instalației recuperatoare și de condițiile de desfașurare a procesului de recuperare;

- posibilitatea de utilizare a gazelor recuperabile tehnic din punct de vedere al consumatorilor acestor gaze;

- in cazul instalațiilor tehnologice existente trebuie sa se țina seama de realizarea și incadrarea instalațiilor recuperatoare și a anexelor lor (conducte, ventilatoare, pompe etc.) in fluxul tehnologic, mai ales in cazul recuperarii in direcție tehnologica.

B. Criterii economice

Pentru realizarea investiției in cursul unui an se calculeaza criteriul cheltuielilor totale actualizate:

Z = I . p_n + C [lei/an] (7)

unde:

I [lei] reprezinta investițiile totale in soluția analizata;

p_n [an]^-1 - coeficientul normat de eficiența economica a investiției;

C [lei/an] - cheltuielile anuale totale ale investiției analizate.

Considerand cele doua soluții, fara și cu recuperare a gazelor industriale, criteriul cheltuielilor anuale de calcul va fi:

∆Z = Z₁ - Z₂ [lei/an] (8)

sau:

∆Z = ∆I . p_n + ∆C [lei/an] (9)

unde:

Z₁, Z₂ - cheltuieli anuale de calcul in varianta fara recuperare, respectiv, cu recuperare;

∆I, ∆C - diferențele de investiții totale, respectiv, cheltuielile totale anuale dintre cele doua variante:

∆I = I₁ - I₂ [lei] (10)

∆C = C₁ - C₂ [lei/an] (11)

In cele mai multe cazuri, investiția totala se calculeaza cu relația:

∆I = ∆I_in - (I_r + I_anexe) [lei] (12)

cu: ∆I_in - investiția aferenta parții din agregatul tehnologic inlocuita sau care devine disponibila prin utilizarea gazelor;

I_r - investiția in instalația recuperartoare;

I_anexe - investițiile aferente instalațiilor anexe necesare soluției cu recuperare.

∆C = C_in - (C_r + C_anexe) [lei/an] (13)

cu:

C_in = ∆B . c_b + ∆C_in [lei/an] (14)

∆B [tcc/an] - economia anuala de combustibil realizata prin recuperarea gazelor;

c_b [lei/tcc] - prețul combustibilului economisit;

∆C_in [lei/an] - diferența de cheltuieli anuale de exploatare pentru agregatele inlocuite sau care devin disponibile prin recuperarea gazelor;

C_r - cheltuieli cu instalația recuperatoare;

C_anexe - cheltuieli cu instalațiile anexe.

Utilizarea gazelor industriale devine eficienta daca ∆Z > 0.

Metoda calcularii directe a cheltuielilor anuale ∆Z este recomandata deoarece necesita numai cunoașterea diferențelor de investiții și cheltuieli anuale pentru cele doua variante, cu sau fara recuperare, reducandu-se mult complexitatea calculelor.

Criteriul termenului de recuperare a investițiilor:

[an] (15)

Recuperarea și utilizarea gazelor industriale devine eficienta economic pentru T < T_n, termenul normat de recuperare.

Criteriul termenului de recuperare(de revenire) a energiei inglobate in instalația recuperatoare și a consumurilor suplimentare de energie aferente acesteia:

[ani] (16)

unde: B_r [tcc] - echivalentul in combustibil al energiei inglobate in instalația recuperatoare și anexele ei, inclusiv cel aferent consumului suplimentar de energie pentru soluția de recuperare;

∆B [tcc] - economia totala de combustibil realizata prin recuperarea gazelor industriale.

C. Criterii ecologice

Criteriile ecologice stabilesc influența recuperarii gazelor industriale asupra mediului ambiant, gradul de utilizare a resurselor primare de energie inlocuite și disponibilitatea acestora.

Prorecția mediului inconjurator și a resurselor naturale este un factor important in stabilirea și derularea programelor de restructurare din economie și devine determinanta in procesul de luare a deciziilor in proiectele cu impact major asupra mediului. In acest sens, sunt prezentate cateva din indeile de baza ale Conferinței Națiunilor Unite privind Mediul și Dezvoltarea ce a avut loc la Rio de Janeiro in iulie 1992:

- oamenii au dreptul sa traiasca și sa munceasca intr-un mediu sanatoe, in deplina armonie cu natura;

- dezvoltarea actuala nu trebuie sa submineze necesitațile de dezvoltare ale generațiilor prezente și viitoare;

- națiunile trebuie sa coopereze pentru conservarea, protejarea și restabilirea sanatații și integritații ecosistemelor. Tarile dezvoltate au responsabilitatea de a susține și promova transferul de tehnologii nepoluante catre țarile in curs de dezvoltare;

- națiunile trebuie sa reduca și sa elimine modelele nedurabile de producție și consum;

- națiunile trebuie sa coopereze la promovarea unui sistem economic internațional transparent care sa duca la o creștere economica și o dezvoltare durabila a tuturor țarilor;

- fiecare națiune trebuie sa elaboreze legi de mediu și sa-și dezvolte legislația naționala privind datoria fața de victimile poluarii.

Relația dubla dintre protecția mediului și dezvoltarea economica trebuie sa creeze acel echilibru care sa permita realizarea obiectivelor unei dezvoltari durabile.

Legea protecției mediului in Romania, elaborata in 1995, iși pripune prevenirea și reducerea poluarilor de orice natura, conservarea și pastrarea calitații factorilor de mediu, gospodarirea responsabila a resurselor naturale și evitarea supraexploatarii acestora, reconstrucția ecologica zonelor afectate de poluarea produsa de activitațile antropice și fenomenele naturale distructive și nu in ultimul rand, pastrarea unui echilibru intre mediul natural și calitatea vieții.

Prorecția mediului ambiant și a resurselor naturale este un factor important in stabilirea și derularea programelor de restructurare și retehnologizare din economia romaneasca.

Conținutul de caldura al gazelor evacuate dintr-un proces tehnologic este calculate cu relația:

(17)

unde: [Nm³/s] este debitul volumic de gaze de ardere, calculate din ecuația de ardere in aer a combustibilului;

c_p,ga [kJ/Nm³.K] - caldura specifica a gazelor de ardere;

t_ga [^oC] - temperature gazelor de ardere la ieșire din agregatul tehnologic.

Debitul volumic de gaze de ardere este:

= G . (b . + ) . (1 - z_ga) [Nm³/s] (18)

cu: G [kg/s] - sarcina tehnologica a agregatului;

b Nm³/kg produs - consumul specific de combustibil;

[Nm³/kg comb.] - cantitatea de gaze rezultata prin arderea unitații de volum de combustibil;

[Nm³/kg produs] - cantitatea de gaze rezultata de la incarcatura;

z_ga - coeficient de evacuare a gazelor de ardere din camera de lucru a agregatului. Pentru agregatele cu funcționare continua, valoarea coeficientului z_ga este (0,03 . 0,05).

Conform figurii 1. principalele direcții de recuperare a caldurii gazelor industriale sunt urmatoarele:

A. Preincalzirea materialelor tehnologice

Utilizarea caldurii gazelor de ardere pentru preincalzirea preliminara a materialelor inaintea camerei de lucru este prezentata in fig.3. Se considera camera de lucru fara preincalzirea aerului de ardere.

Exemplu : cuptor multizonal pentru incalzirea metalelor.

Exista o limita constructiva si de temperatura, bine determinata, intre camera de lucru si partea de preincalzire a agregatului.

Principala caracteristica a acestui mod de folosire regenerativa a caldurii gazelor de ardere o constitue faptul ca regimul termic in camera de lucru de baza si in intregul agregat nu numai ca nu se maresc, ci chiar se reduc putin. De aceea, considerand constanta cantitatea totala de caldura primita de agregat, nu se poate considera cresterea cantitatii relative de caldura utila. Ca urmare, productivitatea agregatului, in cel mai bun caz, ramane aceeasi sau se reduce putin.

De aceea, considerand constanta valoarea productiei G [t/h] si luand ca baza constanta cantitatii de caldura Q_t preluata de agregat, consumul specific de combustibil este :

[kg/kg produs] (19)

Dupa cum rezulta din relatia (19) consumul specific de combustibil se reduce in acest caz numai datorita racirii gazelor de ardere de le t_g,ev la t_g,u.

Aceste constatari sunt corecte nulai in cazul ipotezei cantitatii de caldura primita de agregat constanta. Daca consumul orar de combustibil B ramane constant, odata cu preincalzirea materialelor tehnologice va creste si productivitatea agregatului la valoarea G₂ = B/b₂.

Se poate spune ca, preincalzirea materialelor tehnologice este similara, ca eficienta tehnica si energetica, cu preincalzirea apei de alimentare in economizorul unui cazan.

Limitele tehnico-economice ale utilizarii gazelor de ardere pentru preincalzirea materialelor tehnologice sunt date de coeficientul de regenerare a caldurii :

(20)

unde :

c_m este caldura specifica a materialului tehnologic ;

t_m^'' - temperatura finala a materialului tehnologic ;

Q_cc/Q_i = b₂ - consumul specific de combustibil in cazul preincalzirii materialelor tehonologice

Din relatia (20) rezulta ca posibilitatile de utilizare regenerativa a gazelor de ardere pentru preincalzirea materialelor tehnologice cresc odata cu marirea caldurii specifice a materialului incalzit si cu reducerea consumului specific de combustibil (cresterea calitatii sale Q_i).

B. Preincalzirea apei

In figura este reprezentat un preincalzitor de apa (6) montat in canalul de evacuare a gazelor de ardere produse in cazan.

Ecuația de bilanț termic :

(21)

relație in care :

- fluxul termic cedat de gazele de ardere :

[W] (22)

- fluxul termic absorbit de apa :

[W] (23)

In general, este cunoscuta temperatura finala a apei t_w^'' [^oC], din condițiile impuse de temperaturile din tambur.

Rezulta debitul de apa necesar :

[kg/s] (24)

C. Preincalzirea aerului

In figura este reprezentat un preincalzitor de aer (7) montat in canalul de evacuare a gazelor de ardere produse in cazan.

Ecuația de bilanț termic :

(25)

relație in care :

- fluxul termic cedat de gazele de ardere :

[W] (26)

- fluxul termic absorbit de aer :

[W] (27)

In general, este cunoscut debitul volumic de aer V_L [Nm³/s], din ecuația de ardere in aer a combustibilului.

Rezulta temperatura finala a aerului :

[^oC] (28)

D. Producerea energiei termice

La scara industrialà, energia termica este produsa in generatoarele de abur, numite simplu cazane.

Cazanul este un ansamblu de mai multe aparate termice avand ca scop realizarea unor procese de incalzire sau vaporizare a apei (in unele cazuri si supraincalzirea aburului format), caldura necesara fiind furnizata fie de un combustibil care arde in focar, fie de gazele de ardere cu temperatura ridicata recuperate dintr-un proces tehnologic.

Cazanele pot fi clasificate din multe puncte de vedere, cele mai importante fiind clasificarile functionale, constructive si dupa solutia de circulatie din interiorul sistemului fierbator (tabelul 1.).

Tabelul 1

Suprafetele de transfer de caldura sunt din tevi de otel si asigura transferul de caldura de la gazele de ardere produse in focar la apa, abur sau aer: ecranele de radiatie, amplasate in focar (transfer de caldura prin radiatie), sistenele fierbatoare, supraincalzitorul, preincalzitoarele de apa si aer (transfer de caldura prin convectie). Economizorul si preincalzitorul de aer sunt amplasate in ultima parte a cazanului, cand gazele de ardere mai au un nivel energetic suficient pentru a mai putea ceda caldura utila. Aceste elemente ale cazanului au ca efect reducerea temperaturii de evacuare a gazelor de ardere la cos, fiind considerate suprafete de recuperare a caldurii.

Un cazan de abur supraincalzit (fig.) este alcatuit din arzatorul 1, care asigura amestecul aer - combustibil si arderea lui in focarul 2, unde se dezvolta un volum mare de gaze de ardere cu temperatura ridicata (1500 . 2000)^oC. Gazele de ardere schimba caldura prin radiatie cu ecranele 3, in interiorul carora are loc vaporizarea partiala a apei, formandu-se un amestec apa - abur (emulsie). In continuare, gazele de ardere parasesc focarul cu o temperatura de (900 . 1300)^oC si transmit caldura prin convectie si radiatie sistemului fierbator 4, supraincalzitorului 5, economizorului 6 si preincalzitorului de aer 7, iesind din cazan cu o temperatura de (180 . 250)^oC.

Pe circuitul apei si aburului, legatura intre elementele cazanului se face prin vasul comun numit tambur, din care se distribuie apa saturata si in care se separa aburul saturat.

Instalatia de cazan cuprinde si o serie de utilaje care nu au fost prezentate in schema; pompe pentru alimentarea cu apa, gospodaria de combustibil, ventilatoare sau suflante pentru alimentarea cu aer a arzatoarelor, suflatoare de funingine, separatoare, transportoare, desprafuitoare pentru evacuarea zgurii si a cenusii, instalatia de automatizare pentru optimizarea functionarii, instalatia automata de protectie pentru preintampinarea pericolului de avarii etc.

Ecuatia de bilant termic pentru un cazan de abur este :

_H + _B + _L + _wi = _ach + _af + _cr + _wp + _ga + _u [kW] (29)

relatie in care :

_H este fluxul de caldura rezultat prin arderea combustibilului :

_H = B . H_I , (30)

cu : B, [kg/h] sau [Nm³/h] - consumul de combustibil ;

H_i , [kJ/kg] sau [kJ/Nm³] - puterea calorica inferioara a combustibilului ;

_B - fluxul de caldura rezultat prin arderea fizica a combustibilului :

_B = B . i_B (31)

cu : i_B , [kJ/kg] sau [kJ/Nm³] - entalpia specifica combustibilului ;

_L - fluxul de caldura intrat cu aerul de combustie :

_L = L . i_L (32)

cu : L , [Nm³/h] - consumul de aer ;

i_L , [kJ/Nm³] - entalpia specifica a aerului ;

_wi - fluxul de caldura intrat cu apa de alimentare :

_wi = m_wi . c_pw . t_wi (33)

cu : m_wi, [kg/s] - debitul de apa de alimentare ;

c_pw, [kJ/kg.K] - caldura specifica a apei ;

t_wi, [⁰C] - temperatura apei de alimentare ;

_ach - fluxul de caldura pierdut prin arderea chimica incompleta a combustibilului ( prezenta C, CO, H₂ in gazele de ardere) :

(34)

_af - fluxul de caldura pierdut prin arderea fizica incompleta a combustibilului (intervine numai la combustibilii lichizi si solizi) ;

_cr - fluxul de caldura pierdut prin convectie - radiatie prin peretii cazanului :

_cr = a a_i . S_i . (t_pi - t_e) (35)

cu : a_i , [W/m².grd] - coeficientul de convectie ;

S_i, [m²] - suprafata de transfer de caldura ;

t_pi , [⁰C] - temperatura medie a peretelui ;

t_e , [⁰C] - temperatura mediului ambiant ;

_wp - fluxul de caldura pierdut prin apa purjata :

_wp = m_wp . i_wp (36)

cu : m_wp, [kg/s] - debitul de apa purjata ;

i_wp = f(p_tambur)

_ga - fluxul de caldura iesit cu gazele de ardere :

_ga = V_ga . c_pga . t_ga (37)

cu : V_ga , [Nm³/s] - debitul volumic al gazelor de ardere evacuate ;

c_pga , [kJ/Nm³.K] - caldura specifica a gazelor de ardere ;

t_ga, [⁰C] - temperatura gazelor de ardere

_u - fluxul de caldura al aburului produs de cazan :

_u = D_ab . i_ab (38)

cu : D_ab , [kg/s] - debitul de abur produs ;

i_ab = f(p_ab, t_ab)

Randamentul brut al unui cazan este dat de relatia:

h_b = 100 - (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆) (39)

unde:

q₂ - pierderea specifica de caldura prin entalpia gazelor de ardere evacuate la cos;

q₃ - pierderile de caldura prin arderea chimica incompleta a combustibilului;

q₄ - pierderile de caldura prin arderea mecanica incompleta a combustibilului (specifice combustibililor solizi);

q₅ - pierderile de caldura spre mediul ambiant prin suprafetele exterioare ale cazanului;

q₆ - pierderea de caldura prin evacuarea zgurii la temperatura inalta (specifice combustibililor solizi).

Randamentul net al cazanului tine seama si de consumurile energetice pentru serviciile interne (alimentare cu apa, combustibil, aer, evacuarea gazelor, suflarea suprafetelor etc.).

Randamentele difera mult dupa tipul cazanului si combustibilul utilizat (tabelul 2).

Tabelul 2

Indicii energetici specifici pentru un cazan de abur sunt :

- randamentul termic brut :

(40)

- consumul specific de combustibil convențional ;

(41)

Producerea aburului supraincalzit presupune urmatoarele procese :

- preincalzirea izobara a apei subracite 1 - 2 de la temperatura T₁ la T₂ :

q₁₂ = i₂ - i₁ (42)

- fierberea propriu-zisa (proces izobar-izoterm de transformare a apei saturate in abur saturat) 2 - 3 :

q₂₃ = i₃ - i₂ (43)

- supraincalzirea izobara a aburului saturat 3 - 4 de la temperatura T_s la T₄ :

q₃₄ = i₄ - i₃ (44)

Cantitatea de caldura totala :

q₁₄ = i₄ - i₁ (45)

E. Producerea energiei electrice

In instalațiile cu turbine cu gaze are loc transformarea energiei chimice a combustibilului in energie termica in camera de ardere CA, unde combustibilul este injectat in aerul provenit de la un compressor. Energia termica este transformata in energie cinetica in ajutajele turbinei cu gaze, iar in rotorul turbinei este transformata in energie mecanica servind la acționarea arborelui turbunei.

Instalația cu turbine cu gaze poate funcționa:

- in circuit inchis: caldura cedata mediului exterior se poate considera ca fiind cedata intr-un schimbator de caldura real;

- in circuit deschis: schimbator de caldura fictiv. In camera de ardere CA procesul de ardere a combustibilului are loc la presiune constanta.

In cazul circuitului deschis, compresorul C aspira gazele la parametrii p₁, T₁ pe

care-l comprima pana la p₂, T₂. Aerul comprimat intra in camera de ardere CA

pentru a asigura oxigenul necesar arderii combustibilului.

Gazele de ardere rezultate intra in turbina T unde se destind producand unlucru

mecanic l_T. O parte este folosita pentru angrenarea compresorului l_C și cealalta

parte, intr-un generator pentru producerea curentului electric l:

l_T = l_C + l [J/Nm³] (47)

Procesul teoretic (comprimare și destindere adiabatica):

- randamentul termic al ciclului:

(48)

Se noteaza raportul - raport de comprimare / destindere. Rezulta:

(49)

(50)

(51)

Rezulta:

(52)

- randamentul exergetic al ciclului:

(53)

unde:

T_a - temperatura termodinamica a mediului ambiant;

T_1m - temperatura termodinamica medie la sursa calda;

Θ_c = 1- - factorul Carnot

q₁ = - caldura dezvoltata in timpul arderii combustibilului;

- lucrul mecanic disponibil;

Puterea culeasa la arborele turbinei:

P_T = P_C + P (54)

Rezulta puterea disponibila:

P = P_T - P_C = m . (i₃ - i₄) - m . (i₂ - i₁) (55)

Pentru ciclul real, comprimarea și destinderea sunt transformari adiabate ireversibile (se iau in considerare frecarile dintre gaze și paletele compresorului/turbinei):

(56)

Daca se ține seama și de frecarile din lagare se obține:

(57)

D.1. Instalatia cu regenerare

Imbunatatirea randamentului instalației cu turbine și gaze se poate face prin recuperarea caldurii gazelor la ieșire din turbina pentru preincalzirea aerului comprimat la intrarea in camera de amestec. Se utilizeaza un schimbator de caldura regenerativ SCR. Se micșoreaza astfel diferența dintre temperatura aerului la intrare in camera de ardere și temperatura gazelor de ardere, reducandu-se corespunzator consumul de cpmbustibil.

Daca recuperarea caldurii ar fi totala (SCR cu suprafața infinita) s-ar obține punctele 5' si 6'.

Se definește gradul de recuperare ρ ca raportul dintre caldura preluata de aer pentru incalzirea de la T₂ la T₅ și caldura preluata de aer in cazul recuperarii totale, adica pentru incalzirea de la T₂ la T_5' :

(58)

Temperatura reala T₆ se determina din ecuația de bilanț termic pe recuperator :

(59)

Randamentul termic al ciclului :

(60)

E. Producerea combinata a energiei termice și energiei electrice

O metoda foarte eficienta de marire a economicitații instalațiilor cu turbine cu abur este cea a producerii simultane a energiei mecanice și a energiei termice. Acest lucru este posibil prin utilizarea unui debit de abur destins complet sau parțial in turbine pentru a acoperi nevoile industriale sau casnice de caldura prin așa numitele instalații de termoficare. In felul acesta se recupereaza o parte din caldura latenta de vaporizare care este cedata sursei reci in condensatorul instalației cu turbine cu abur.

La stabilirea schemei de termoficare și a parametrilor de lucru trebuie sa se țina seama de faptul ca energia termica trebuie livrata la consummator la o temperature corespunzatoare scopului urmarit: aburul utilizat pentru termoficare trebuie sa paraseasca turbine la presiuni relative ridicate:

- pentru termoficare urbana, presiuni de 0,6 . 2 bar (temperaturi de saturație 85 . 120^oC), funcție de temperature ambianta;

- pentru termoficare industriala, presiuni de 2 . 18 bar (temperaturi de saturație 120 . 207^oC).

Avand in vedere faptul ca la instalațiile fara termoficare aburul se poate destined pana la presiuni de 0,06 . 0,03 bar (turbine cu condensație) rezulta ca prin extragerea aburului din turbine la presiuni mai ridicate pentru a fi utilizat la termoficare conduce la scaderea lucrului mechanic produs in turbine. Acest dezavantaj este minor in comparație cu avantajul maririi eficienței globale a instalației pusa in evidența prin randamentul termic al instalației cu turbine cu abur cu termoficare:

(61)

unde: L_T este lucrul mechanic produs de turbine;

Q₁ - caldura extrasa de la sursa calda;

Q_T - caldura utilizata la termoficare.

In energetica, un rol deosebit il au centralele termoelectrice CTE și cele electrice de termoficare CET numite, in general, instalații termoenergetice cu abur.

Aparatele principale necesare pentru o instalație termica cu abur sunt : generatorul de vapori (cazan), pompa de alimentare cu apa a cazanului, turbina cu abur și condensatorul. Pompa de alimentare cu apa ridica presiunea apei atat cat este necesar pentru a compensa pierderile hidraulice din instalație.

Ciclul de referința este ciclul Rankine, realizat din doua izobare și din doua adiabate lucrand cu abur supraincalzit si apa subracita.

Principalele avantaje ale ciclului Rankine sunt :

- consum mic de lucru mecanic de comprimare (in pompa se comprima apa care are un volum specific de cateva sute de ori mai mic decat cel al vaporilor) ;

- temperatura t₁ a ciclului este ridicata prin supraincalzirea aburului la cca. (600 . 650)^oC, ceea ce duce la creșterea randamentului termic ;

- cea mai simpla posibilitate de realizare a procesului izobar de fierbere și a proceselor adiabate de destindere și comprimare.

Schema instalatiei cu turbine cu abur este prezentata in figura 14, iar precesele, in diagrama T-s, in figura 15.

Generatorul de vapori (cazan) este format din :

- EC economizor - are loc incalzirea izobara a apei din starea 4 (apa subracita) pana in starea 5 (apa saturata) ;

- F fierbator - fierberea izobar-izoterma a apei (procesul 5-6) ;

- SI supraincalzitor - supraincalzirea aburului (procesul 6-1) ;

Aburul cu starea 1 este destins reversibil in turbina T de la presiunea p₁ la presiunea p₂ ;

Condensarea izobar-izoterma are loc in condensatorul K la ieșire, obținandu-se apa saturata cu starea 3. Pompa P ridica presiunea apei la p₁, presiunea din cazan.

Ecuația de bilanț termic pe instalație :

(62)

unde :

- fluxul absorbit in cazan ;

- puterea consumata de pompa ;

- fluxul cedat in condensator ;

- puterea produsa de turbina

Deoarece izobarele sunt foarte apropiate de curba de lichid saturat (i₃ = i₄), puterea consumata de pompa se poate neglija P_P = 0.

Randamentul termic al ciclului Rankine :

(63)

BIBLIOGRAFIE

1. Stancescu, I.D., Termoenergetica industriala, Ed.Tehnica, București,1979

2. Petrescu, S., s.a., Termotehnica și mașini termice, EDP, București,1979

3. Zaharescu, I., Soluții energotehnologice de valorificare a gazelor calde cu potențial termic mediu și scazut, Ed.Tehnica, București,1986

CUPRINS

Capitolul 1. Introducere 2

Capitolul 2. Gaze industriale 7

2.1. Gaze de ardere 7

2.2. Gaze de furnal 7

2.2.1. Proveniența 7

2.2.2. Reacții care au loc in furnal 9

2.2.3. Compoziția gazelor de furnal 9

2.2. Instalații de captare a gazelor de furnal 11

2.3. Gaze de cocserie 16

Capitolul 3. Tratarea gazelor industriale 18

3.1. Particularitațile particulelor antrenate in gazele

Industriale 18

3.2 Acțiunea antrenarii topite asupra suprafețelor

instalațiilor recuperatoare 19

3.2.1. Curațarea gazelor de furnal 20

3.2.2. Praful de furnal 21

Capitolul Direcții de recuperare a gazelor industriale 23

1. Importanța recuperarii 23

2. Direcții de recuperare 23

3. Limitele recuperarii gazelor industriale 25

Eficiența recuperarii și utilizarii gazelor industriale 27

A. Preincalzirea materialelor tehnologice 31

B. Preincalzirea apei 32

C. Preincalzirea aerului 33

D. Producerea energiei termice 33

E. Producerea energiei electrice 44

F. Producerea combinata a energiei termice si energiei

electrice 49

Bibliografie 53

Cuprins 54