Universitatea POLITEHNICA Bucureti

Facultatea de Chimie Aplicat i tiina Materialelor

Departamentul tiina i Ingineria Materialelor Oxidice i NanomaterialeArzatoare (Tipuri). Flacara. Modelarea flacarii (fizica sau matematica). Analiza comparativa (flacari din diferite cuptoare).Student: Ion Costel Cristian

Coordinator:

Arzatoare (Tipuri). Flacara. Modelarea flacarii (fizica sau matematica). Analiza comparativa (flacari din diferite cuptoare).1.Introducere1.1.Aprinderea combustibililor in instalatiile de clincherizare

In cuptoarele rotative, la pornirea lor din starea rece, aprinderea jetului de combustibil (initierea arderii) se face, de regula, cu ajutorul unei flacari auxiliare generate de instalatii adecvate (automate); pentru ca stabilitatea flacarii sa fie asigurata, aprinderea se face cu tiraj minim in cuptor, cresterea acestuia comandandu-se pe masura incalzirii cuptorului, respectiv pe masura cresterii vitezei de propagare a flacarii.

In cuptoarele rotative in care se ard combustibili lichizi si solizi, in anumite situatii motivate, initierea aprinderii se poate face si prin metode simple (atunci cand nu se dispune de mijloace tehnice adecvate), dupa cum urmeaza:

-se face in interiorul cuptorului un foc auxiliar cu lemne sau cu deseuri combustibile

-dupa aprinderea focului auxiliar, se amorseaza jetul de combustibil, al carui debit se regleaza astfel incat sa fie asigurata arderea integrala a sa;

-pe masura ce temperatura din zona de ardere se ridica, se cresc treptat debitele de combustibil si de aer de combustie pana la valorile normale.

Acest ultim moment coincide, de regula, cu cel adevarat pentru inceperea alimentarii cu faina de materii prime a instalatiei de clincherizare.

Operatiile de initiere a aprinderii combustibilului se repeta de fiecare data cand, din cauza intreruperii functionarii cuptorului, temperatura din zona de ardere a scazut si nu poate sa asigure transmiterea energiei de aprindere necesara catre jetul de combustibil, fapt care se constata prin absenta materialului incandescent la rotirea cuptorului cu 1/3..1/2 tura.

Pentru a se asigura conditiile necesare aprinderii combustibilului utilizat curent, sursa de initiere a aprinderii trebuie sa asigure realizarea in spatiul de ardere respectiv a unei temperaturi de minim 750 C. Pentru instalatiile de producere a clincherului in doua trepte de ardere, initierea aprinderii combustibilului la treapta a doua de realizeaza :

-cu o singura sursa de caldura cea din cuptorul rotativ in cazul calcinatoarelor strabatute de gazele de evacuare ale cuptorului rotativ;

-cu un combustibil de amorsare usor inflamabil (gaze sau motorina) in cazul calcinatorului cu ardere in aer.[1]1.2.Arderea combustibililorArderea combustibililor este precedata de procese care ii aduc in situatia de a se amesteca cu oxidantul la nivel molecular, respectiv de aducere a lor in stare de gaze si de carbon de regula sub forma de cocs; ca atare, arderea combustibililor lichizi este precedata de vaporizarea si de gazeificarea pirogenetica a lor, iar cea a combustibililor solizi de degajarea substantelor volatile.In cuptoarele rotative de clincher combustibili sunt introdusi sub forma de jet, iar arderea se face prin intermediul flacarii turbulente de difuziune care se propaga de la sine, din aproape in aproape, prin transfer de caldura si prin difuzie de centrii activi.Geometria flacarii jetului de combustibil in cuptorul rotativ variabila in anumite limite se caracterizeaza prin forma axial simetrica, al carui diametru maxim este cel la care flacara este tangenta stratului de material supus clincherizarii si are lungimea egala cu aproximativ de 4,5-5 ori diametrul interior al cuptorului.Timpul necesar arderii combustibilului de la introducerea sa in spatiul de ardere tt se compune din timpul necesar formarii amestecului combustibil tf si timpul de reactie tr.tt = tf + tr

Durata de formarea a amestecului combustibil tf este, in toate cazurile intalnite in instalatiile din industria cimentului, cu mult mai mare decat durata reactiei propriu-zise (tf tr), adica arderea se desfasoara in domeniul difuziv.[2]In scopul utilizarii combustibililor in fabricile de ciment acestea sunt dotate (in functie de natura lor) cu o serie de instalatii de depozitare, preparare si ardere. De exemplu, in cazul combustibililor lichizi si solizi este necesara constituirea unei rezerve de combustibil pentru o perioada de functionare de 15...30 zile, in functie de consumul maxim al fabricii, de ritmul posibil de aprovizionare si timpul necesar efectuarii operatiilor de pregatire a combustibililor in vederea arderii. De asemenea, combustibili gazosi, lichizi sau solizi, necesita, in vederea arderii, o prealabila preparare. Aceasta se efectueaza fie pentru purificarea gazelor combustibile de elemente nefavorabile arderii efective si daunatoare produsului finit, fie pentru filtrarea si incalzirea pacurii pana la atingerea temperaturii de fluidificare, ca si pentru pulverizarea fina a combustibililor in focare, fie pentru macinarea-uscarea carbunilor pana la obtinerea finetii impuse de o ardere completa.[3]2.ArzatoareConstructia dispozitivelor de ardere a combustibililor trebuie sa asigure conditiile necesare pentru arderea completa a acestora si pentru degajarea cantitatii maxime de caldura pe unitatea de cantitate de combustibil.[4]2.1.Arzatoare pentru combustibili gazosi

Aceste dispozitive de ardere au rolul de a realiza amestecarea gazului combustibil cu o cantitate determinata de aer (pentru a asigura arderea completa a combustibilului) si de a regla flacara, formata prin arderea combustibilului, in functie de cerintele procesului termotehnologic.

Pentru arderea gazelor naturale in cuptoarele rotative din industria cimentului se utilizeaza atat arzatoare de joasa presiune (cu viteze relativ reduse de iesire a gazelor din arzator), cat si arzatoare de inalta presiune (cu viteza ridicata a gazelor la iesirea din arzator). La arzatoarele de joasa presiune valoarea acesteia este de 5 kPa (0.05 bari), iar la cele de inalta presiune de pana la 300 kPa (3 bari). In functie de valoarea vitezei gazelor combustibile la iesirea din arzator, acestea sunt: de viteza redusa (sub 100 m/s), medie (100...200 m/s)(Fig.1), ridicata (200...400 m/s)[5]

Fig.1 Arzator de presiune medie pentru gaze naturale

1-maneta pentru reglarea dispozitivului 6 de tubionare a gazului combustibil; 2-maneta pentru reglarea pozitiei piesei conice 5; 3-carcasa sistemului de reglare a functionarii arzatorului; 4,9-tija de comanda; 5-piesa conica pentru reglarea ariei sectiunii de iesire a ajutajului arzatorului; 6-dispozitiv care imprima gazului combustibil miscarea turbionara; 7-ajutaj; 8-corpul arzatorului2.2.Arzatoare pentru combustibili lichiziPrin arderea pacurii in cuptoarele rotative se obtine o flacara foarte luminoasa, puternic radianta si de temperatura foarte mare.

Pentru arderea pacurii in cuptoarele industriale se utilizeaza diferite tipuri constructive de arzatoare de joasa si inalta presiune. Pentru cuptoarele rotative se utilizeaza, din necesitatea obtinerii unei flacari lungi (fara amestecarea intensa a pacurii cu aerul de ardere).[6]Arzatoarele (Fig.2) sunt prevazute, de regula, cu pulverizare mecanica si numai foarte rar cu ejectie de aburi; in ambele cazuri combustibilul trebuie sa aiba la racordul arzatoarelor o vascozitate de cel mult 2 E si presiunea necesara pulverizarii. Pulverizatoarele mecanice folosite in prezent reclama necesita presiuni de 20-40 bari (2-4 Mpa). La prima treapta de ardere, pacura poate fi introdusa si in stare nepulverulenta.

Arderea pacurii se face cu un coeficent al excesului de aer de circa 1.07-1.10.[7]

Fig.2 Arzatoare pentru arderea pacurii in cuptoare rotative1-element pentru pulverizarea pacurii; 2-canale elicoidale; 3-orificiu din capul arzatorului; 4-piston de reglare a intensitatii rotirii jetului de pacura2.3.Arzatoare pentru combustibili solizi

Arderea prafului de carbune se realizeaza in arzatoare de constructie simpla (Fig.3). Pentru dozarea si alimentarea uniforma a prafului de carbune in arzator se utilizeaza alimentarea cu melc, debitul acestora putand fi reglat prin modificarea turatiei melcului folosind pentru actionarea lor motoare electrice de curent continuu.

Aerul primar destinat arderii se foloseste pentru prepararea amestecului de praf de carbune si aer introdus in arzator. Restul de aer (aerul secundar de ardere) este introdus direct in spatiul de ardere (focar). Cantitatea de aer primar, exprimata in procente din cantitatea totala de aer necesar arderii, se adopta, in principal, functie de continutul de substante volatile al carbunilor si are valori 15...30 % pentru antracit si de 25...40 % pentru carbuni slabi.

Fig. 3 Arzator pentru combustibili solizi

Cantitatea de aer primar este determinata de conditia asigurarii pulverizarii prafului de carbune si are valori de 10...15 %. Viteza de iesire a amestecului de praf de carbune si aer din gura arzatorului trebuie sa fie mai mare decat viteza de propagare a flacarii, care depinde de continutul de substante volatile, cat si de cel de cenusa al carbunilor.

Durata arderii carbunelui pulverizat depinde, de asemenea, de valoarea coeficientului de exces de aer. Arderea in cele mai bune conditii ale carbunilor pulverizati se realizeaza pentru valori ale coeficientului de aer 1.20...1.25.

2.4.Arzatoare mixte

Arzatoarele mixte sunt in special caracteristice noi generatii care imbina mai multe tipuri de combustibili din considerente economice si de mediu. Cerintele marilor constructori in ceea ce priveste aceasta noua generatie de arzatoare mixte constau in :2.5.Amplasarea arzatorului in cuptorul rotativ

Tubul arzatorului poate fi plasat in cuptorul rotativ paralel cu platforma de coacere (orizontala). In acest din urma caz, tubul arzatorului este inclinat fata de axa tamburului cuptorului, respectiv fata de stratul de material din tambur, flacara intrand in contact cu suprafata acestuia, ceea ce favorizeaza procesul de sinterizare (clincherizare).

In general tubul arzatorului se plaseaza in centrul sectiunii transversale a tamburului cuptorului, dar exista si alte modalitati de plasare. Astfel, in cazul cuptorului de diametru mare tubul arzatorului nu se plaseaza pe axa tamburului cuptorului ci paralel cu acesta, spre suprafata materialului. In acest caz, arzatorul este plasat in punctul A situat pe bisectoarea unghilui la centru al segmentului de material, la jumatatea distantei dintre centrul sectiunii tamburului si suprafata materialului (Fig.4). Pentru a stabili locul arzatorului in raport cu centrul sectiunii transversale a tamburului, este necesar sa se determine coordonatele xA si yA ale punctului A.

Acest lucru se realizeaza dupa cum urmeaza.

In timpul rotirii cuptorului, segmentul de material din tambur are suprafata inclinata, fata de planul orizontal, cu unghiul taluzului natural al materialului (Fig.4).

Grosimea stratului de material din tambur este determinata de relatia

h=k . Di

Fig.4 Plasarea tubului arzatorului in raport cu centrul sectiunii transversale a tamburului, pentru cuptoarele de diametre mariunde k este un coeficient ale carui valori depind de gradul de umplere al tamburului cu material (Tabelul 1).

Di diametrul interior (util) al tamburului, m.

,%5678910

k0.09750.1100.1230.1340.1450.156

,%1112131415-

k0.1670.1770.1880.1980.208-

Tabelul 1. Valorile marimii k

Distanta dintre centrul sectiunii transversale a tamburului si suprafta materialului este data de relatia:

Pozitia punctului A pe bisectoarea unghiului la centru al segmentului de material este determinata de cota:

Rezulta coordonatele punctului A in care trebuie plasat arzatorul:xA = lA . sin;

yA = lA . cos.Schema instalatiei de reglare-masura-ardere pentru cuptorul de clincherBibliografie[1] Manualul Inginerului din Industria Cimentului Vol. 2, 1999, pag. 79-80[2] Manualul Inginerului din Industria Cimentului Vol. 2, 1999, pag. 62[3] Manualul Inginerului din Industria Cimentului Vol. 2, 1999, pag. 80

[4] Gheorghe Ene, Echipamente Termotehnologice Pentru Industria Cimentului, 2010, pag. 259[5] Gheorghe Ene, Echipamente Termotehnologice Pentru Industria Cimentului, 2010, pag. 259-260

[6] Gheorghe Ene, Echipamente Termotehnologice Pentru Industria Cimentului, 2010, pag. 262[7] Manualul Inginerului din Industria Cimentului Vol. 2, 1999, pag. 72[8] Gheorghe Ene, Echipamente Termotehnologice Pentru Industria Cimentului, 2010, pag. 263-271

9