TEHNOLOGII DE ARDERE A COMBUSTIBILILOR SOLIZI

Generarea de energie utilizează în general o varietate de tehnologii de ardere. Cele mai

bune tehnologii disponibile pentru arderea combustibililor solizi sunt considerate a fi arderea

pe grătar, arderea pulverizată şi arderea în strat fluidizat.

Figura 1. Principalele tehnologii de ardere a combustibililor solizi

O succintă prezentare a acestor tehnologii de ardere se va face în următoarele

paragrafe.

2.1. Arderea pe grătar

Combustibilul solid utilizat în cazul acestor sisteme de ardere este aşezat pe un grătar

sau un grilaj în timp ce aerul de ardere este introdus pe la partea inferioară a grătarului. O

gamă largă de combustibili pot fi utilizaţi, de la cei cu un conţinut scăzut de carbon până la cei

cu un conţinut ridicat de carbon. În practică, huila poate fi alimentată într-o granulaţie

amestecată, de obicei de până la 300 mm, inclusiv particulele foarte fine, având o umiditate

sub 20% şi un conţinut mare de materii volatile. Sistemele de ardere pe grătar sunt prevăzute

cu un rezervor de combustibil constant în camera de ardere, dar cărbunele poate fi lăsat pe

grătar fără ca ventilatoarele să fie în funcţiune, şi poate fi reaprins repede în cazul unei cereri

instantanee de abur. Arderea pe grătar este o tehnologie folosită pentru cazanele mai mici pe

1

Combustibili solizi

Ardere pe grătar Ardere în strat fluidizatArdere pulverizată

Ardere în strat fluidizat circulant

Ardere în strat fluidizat turbulent

Focar cu cenuşă uscat la bază

Focar cu evacuarea zgurei la

umed

cărbune (capacitate 15 MW), mai ales în cadrul unor centrale industriale sau centrale termice

locale. În figura 2 este prezentată schema unui focar cu ardere pe grătar [1].

Figura 2. Arderea cărbunelui pe un grătar mobil

Avantajele acestei tehnologii sunt costurile mici de operare, deoarece nu necesită o

măcinare fină şi foarte exactă a cărbunelui şi are o construcţie simplă, şi cantitatea mică de

pulberi din gazele de ardere.

Dezavantajele sunt date de dificultaţile întâmpinate în cazul reducerii de oxizi de azot

şi de o combustie neomogenă, deoarece aerul nu se distribuie uniform în tot stratul de

combustibil. De asemenea poate apărea o înfundare a grătarului, în acest caz aerul primar nu

mai poate pătrunde în camera de ardere iar combustia va avea loc doar cu cantitatea de aer

secundar introdusă.

2.2. Arderea combustibilului solid în stare pulverizată

Arderea în stare pulverizată a cărbunelui a fost dezvoltată începând cu anii 1920 şi

reprezintă la ora actuală una din principalele soluţii de utilizare a cărbunelui în centralele

electrice.

2

a- pâlnie cărbune; b- grătar mobil; c- supapă;d-aer primar; e- aer secundar; f- stivă; g- cenuşă.

Principiul constă în măcinarea fină a cărbunelui (în mod uzual cu granulaţii ajungând

la dimensiuni mai mici de 75 µm) şi în pulverizarea acestuia împreună cu o parte a aerului de

ardere (numit aer primar) în partea inferioară a unui focar. Aerul secundar este introdus în

focar pentru a asigura arderea completă a combustibilului [2].

În mai mult de 90 % din sistemele de ardere cu combustibil solid, combustibilul este

pulverizat înainte de ardere. În practică întâlnim două tehnologii:

• Focar cu cenuşă uscată la bază: Acest tip operează la temperaturi sub temperatura

de topire a cenuşii aproape de pereţii camerei de ardere (sistemul convectiv-radiativ). 10-20%

din cenuşă este transferată către baza uscată şi este extrasă ca cenuşă la bază, restul de 80-

90% este transportată cu gazele de ardere şi îndepărtată apoi în electrofiltre [1].

• Focar cu evacuarea zgurei la umed: Acest tip funcţionează la temperaturi deasupra

punctului de topire a cenuşii (1 400 °C) pentru a asigura cenuşa lichidă cu suficientă fluiditate

pentru a se scurge pe pereţii protejaţi. Cenuşa lichidă este deversată într-un colector plin cu

apă. Această soluţie se întâlneşte şi în cazul combustibililor săraci. Având în vederea

parametrii din focar este necesară o izolare adecvată pentru a rezista atât la temperaturile

ridicate ale cenuşii topite dar şi a reacţiilor chimice ce au loc în focar. Cenuşa zburătoare

rezultată în urma arderii poate fi recirculată către camerele de ardere pentru a produce zgură

de cazan ca produs secundar în loc de cenuşă zburătoare. Focarul cu bază umedă este folosit

în principal pentru combustia cărbunelui dur (antracit), unde cantităţile de cenuşă zburătoare

sunt mici [1].

Focarele cu arzătoare pentru cărbune pulverizat prezintă următoarele avantaje faţă de

focarele cu grătar:

− posibilitatea de ardere a unui cărbune cu putere calorifică scăzută;

− randament superior al arderii prin creşterea temperaturii de preîncălzire a aerului de

ardere;

Dezavantaje:

− putere relativ mare consumată de instalaţiile de preparare a prafului de cărbune şi de

pulverizare în focar;

− uzură importantă a instalaţiilor amintite mai sus, necesitând un volum mare de

reparaţii;

− necesitatea echipării cazanelor cu instalaţii costisitoare de desprăfuire.

3

2.3. Arderea în strat fluidizat (ASF)

Arderea în strat fluidizat are loc prin injectarea combustibilului într-un strat turbulent

fierbinte şi admisia aerului pe la baza focarului, acesta fluidizind stratul.

Nisipul este folosit în mod normal ca material ce poate fi fluidizat la pornire. Stratul de

particule este fluidizat prin aerul care intră în focar, iar temperatura stratului fluidizat permite

combustibilului să se aprindă. Datorită temperaturilor de combustie de aproximativ 750-950

°C şi a timpului îndelungat de staţionare, gradul de ardere al combustibilului este foarte mare

şi de aceea emisiile legate de produsele de ardere sunt relativ scăzute. Se pot utiliza toate

tipurile de combustibili solizi (huilă, lignit, turbă, biomasă, deşeuri solide). Dimensiunea

particulelor de combustibil folosite se recomandă să fie între 3-20 mm [1]. În prezent există

două tipuri diferite de focare cu strat fluidizat, strat fluidizat turbulent (ASFT) şi strat fluidizat

circulant (ASFC). În figura 3 este prezentat un focar cu ardere în strat fluidizat circulant, iar în

figura 4 este prezentat un focar cu ardere în strat fluidizat turbulent.

Ciclon recirculare

Aer de ardere principal

Aer de ardere secundar

Combustibil

Figura 3. Focar cu ardere în strat fluidizat circulant

Arderea în strat fluidizat circulant presupune utilizarea unui ciclon pentru a separa

cenuşa şi particulele de combustibil nearse din gazele de ardere şi reintroducerea acestora în

focar.

4

În prezent tehnologia de ardere în strat fluidizat circulant este matură din punct de

vedere comercial pentru puteri unitare de 200-300 MW, în viitorul apropiat urmând a se

atinge pragul de 600 MW [2].

Eficienţa netă pentru o unitate echipată cu ASFC este cuprinsă în general în intervalul

38-40%, similar centralelor cu parametrii subcritici, cu arderea cărbunelui în stare pulverizată.

Din acest motiv, pentru moment unităţile cu ASFC nu pot concura cu unităţile cu ardere

pulverizată cu parametrii supracritici, a căror eficienţă poate depaşi 45% [2].

În cadrul studiului experimental efectuat în această teză s-a utilizat o instalaţie de

ardere în strat fluidizat circulant, din Laboratorul de Surse Regenerabile şi Analize de Mediu.

O prezentare detaliată a acestei instalaţii s-a făcut în capitolul 7.1.

Aer de ardere principal

Aer de ardere secundar

Combustibil

Evacuare cenuşă

Strat fluidizat

Arzătoare

Focar

Figura 4. Focar cu ardere în strat fluidizat turbulent

Arderea în strat fluidizat turbulent se aseamănă arderii pe grătar în multe privinţe.

Avantajul principal al acestui tip de ardere constă într-un control superior al temperaturii.

La ora actuală există pe plan mondial un numar important de unităţi de mică capacitate

dotate cu pat fluidizat turbulent, utilizate îndeosebi în aplicaţii industriale.

5

globale de 1ºC, speciile vegetale vor trebui să-şi modifice arealul, spre zone mai reci,

cu 90 km. Astfel, imposibilitatea de a se adapta unor schimbări atât de rapide va duce la

distrugerea ecosistemelor şi dispariţia unui număr mare de specii.

Compararea potenţialelor de încălzire globală aferente emisiilor de gaze pentru diferite

procese industriale, se face pe baza indicatorului Global Warming Potential (GWP),

recomandat de SETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry).

GWP-ul unui gaz este definit de Intergovernmental Pannel on Climat Change (IPCC)

ca integrala pe un interval de timp dat a variaţiei schimbului de energie prin radiaţie, generat

prin injecţia unui kg de gaz în atmosferă.

( ) ( )

( ) ( )∫

∫=

T

02CO2CO

T

0ii

dttCtA

dttCtA

GWP (1)

GWP-ul pentru diferite gaze este exprimat relativ la GWP-ul aferent dioxidului de

carbon. În relaţia 1 semnificaţia mărimilor este: Aj reprezintă fluxul radioactiv instantaneu dat

de creşterea cu o unitate a concentraţiei gazului “j”; Cj – concentraţia gazului “j” , menţinută

o perioadă de timp “t” după emisie. ACO2, CCO2 – au semnificaţiile menţionate anterior şi sunt

aferente CO2.

Acest indicator compară emisia instantanee a unui kg de gaz cu emisia unui kg de

dioxid de carbon considerat drept referinţă (potenţialul de încălzire global al acestuia este

considerat unitar).

Potenţialul de încălzire globală al unui efluent gazos este determinat însumând

potenţialele de încălzire globală pentru fiecare gaz component:

(2)

Unde: GWP reprezintă potenţialul de încălzire globală al efluentului gazos; GWPi -

potenţialul de încălzire globală al gazului “i” emis; mi – cantitatea de gaz emisă, în kg/unitatea

funcţională .

Conform Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) potenţialul de încălzire

globală al metanului (CH4) şi protoxidului de azot (N2O) este de 21 ori, respectiv de 310 ori

mai ridicat decât cel al dioxidului de carbon, pe o perioadă de 100 de ani.

6

În tabelul 1 sunt prezentate potenţialele de încălzire globală pentru principalele gaze

cu efect de seră [8].

Tabelul 1. Principalele gaze cu efect de seră şi potenţialul de încălzire globală

Compus chimic Formula chimicăDurata de viaţă

[ani]GWP

100 aniDioxid de carbon CO2 Variabilă 1Metan CH4 12±3 21Protoxid de azot N2O 120 310Hexafluorură de sulf

SF6 3200 23900

CFC CCl2F2 102 6200-7100HCFC CHClF2 12,1 1300-1400PFC CF4 50000 6500

Clorofluorocarbonaţii (CFC), hidroclorofluorocarbonaţii (HCFC), perfluorocarbonaţii

(PFC) şi hexafluorura de sulf nu se regăsesc natural în atmosferă, aceste gaze au introduse în

atmosferă de activităţile umane. Au un potenţial de încălzire globală şi o durată de viaţă în

atmosferă mare. De asemenea clorofluorocarbonaţii (CFC) şi hidroclorofluorocarbonaţii

(HCFC) distrug stratul de ozon.

Gazele prezentate în tabelul 1 sunt gaze cu efect de seră direct. Pe lângă acestea există

şi gaze cu efect de seră indirect, cum ar fi monoxidul de carbon, oxizii de azot şi compuşii

organici volatili non-metanici. Aceste gaze nu sunt gaze cu efect de seră, însă prin reacţii

chimice în atmosferă pot contribui la apariţia de ozon troposferic care este un gaz cu efect de

seră.

7