S1. Schema principala a unui agregat termic metalurgic cu combustie, definiție,

funcționare

Fig. 2. Schema principala a unui agregat termic metalurgic cu combustie

1-cuptor metalurgic de combustie

2-instalatia de recuperare a caldurii gazelor arse

3-instalatia de vehiculare a aerului de combustie

4-instalatia ardere

5-instalatie tiraj gaze arse

Definitie: Un agregat termic metalurgic este complex constituit din cuptor metalurgic, element principal si instalatii anexe:

-de producerea energiei calorice, de alimentare cu combustibil (e.e) si cu evacuare gaze arse in cazul utilizarii combustibililor.

-ca sursa de energie calorica sunt combustibilii (energia chimica) si energia electrica (arc electric in care se dezvolta o ) si energia electromagnetica in cazul cuptoarelor cu inductie electromagnetica.

S2. Clasificarea cuptoarelor metalurgice

Varietatea proceselor metalurgice şi diversitatea tehnologiilor specifice unui proces a generat de-a lungul timpului apariţia unor numeroase tipuri de cuptoare a căror clasificare este foarte greu de realizat. Totuşi luând în considerare anumiţi factori putem face următoarea clasificare:

a) În funcţie de natura procesului termotehnologic care are loc:

cuptoare metalurgice de elaborare (topire); cuptoare metalurgice de încălzire:

o cuptoare de încălzire pentru deformări plastice;o cuptoare de încălzire pentru tratamente termice şi termochimice;o cuptoare de încălzire pentru sinterizarea produselor din pulberi;o cuptoare metalurgice de uscare.

b) După modul de funcţionare tehnologică:

cuptoare cu funcţionare discontinuă - se caracterizează prin faptul că operaţiunile de încărcare-descărcare sunt distincte în raport cu procesul metalurgic propriu-zis, astfel durata totală a unui ciclu de funcţionare este dată de relaţia:

c=înc+p.m+desc (2)

S3. Puterea calorică a combustibililor

Puterea calorică a combustibililor reprezintă cantitatea de căldură degajată prin arderea completă a unităţii de masă sau volum din combustibilul supus încercării în următoarele condiţii: temperatura reactanţilor şi a produşilor de reacţie rezultaţi prin ardere este de 25C; produsele de ardere ale carbonatului şi sulfului sunt prezente sub formă de bioxid de carbon şi sulf în stare gazoasă; oxidarea azotului nu are loc.

Puterea calorică constituie criteriul de bază al aprecierii valorii energetice a combustibililor şi joacă un rol important în construcţia şi funcţionarea focarelor cuptoarelor metalurgice. Se notează cu Q şi se măsoară în kJ/kg pentru combustibilii solizi şi lichizi sau kJ/m3N în cazul combustibililor gazoşi (se admite ca unitate tolerată kcal/kg sau kcal/m3N).

La un combustibil se deosebesc: puterea calorică superioară şi puterea calorică inferioară:

- dacă vaporii de apă din gazele de ardere sunt consideraţi la 25 C în stare lichidă, atunci puterea calorică este superioară şi se notează cu Qs.

- dacă vaporii de apă din gazele de ardere sunt consideraţi în stare necondensată, puterea calorică este inferioară şi se notează cu Qi. Puterea calorică inferioară prezintă mai mult interes practic deoarece evacuarea gazelor din cuptor se face la o temperatură suficient de mare pentru ca să nu aibă loc condensarea vaporilor de apă.

Puterea calorică a unui combustibil poate fi determinată direct, pe cale experimentală, sau indirect, prin calcul, cunoscându-se analiza elementară a acestuia. Experimental puterea calorică se determină cu ajutorul bombei calorimetrice conform STAS 5269-77. Prin calcul se poate determina cu ajutorul unor formule empirice.

Pentru combustibilii solizi şi lichizi se foloseşte relaţia :

Qs = 33900 (c) + 142710 (h - o/8) + 9250 (s) [kJ/kg.cb] (1)

Qi = 33900 (c) + 120120 (h- o/8) + 9250 (s) – 2510 (wt) [kJ/kg.cb] (2)

în care :c, h, o, s, wt, reprezintă participaţiile masice ale carbonului, hidrogenului,

oxigenului, sulfului şi umidităţii combustibilului dintr-un kilogram de combustibil (c = Ci/100, h = Hi/100, etc).

Puterea calorică inferioară a combustibililor gazoşi se poate calcula aproximativ cunoscând analiza chimică a gazului cu relaţia :

Qi = 12644 (co) + 10760 (h) + qi (cmhn) + 23697 (h2s) [kJ/m3N.cb] (3)sau:

, [ kJ/m3N.cb] (3.1)

în care :(co), (h), (cmhn), (h2s), reprezintă participaţiile volumetrice ale fiecărui component dintr-un metru cub de gaz combustibil (co = CO/100 ; h = H/100; etc.);qi - efectul termic al arderii hidrocarburii i, în KJ/m3N;rj -componentul carburant oarecare j, în %.

S4. Calculul arderii combustibililor reacţii chimice în procesul de ardere

Calculul arderii combustibililor, bazat pe ecuaţiile chimice de combinare cu oxigenul ale elementelor combustibile din analiza elementară, urmăreşte determinarea cantităţii de aer necesar arderii, a volumului de gaze rezultat din procesul de ardere şi a temperaturii teoretice şi reale de ardere.

După cantitatea de oxigen pusă la dispoziţia elementelor combustibile procesul de ardere se poate prezenta ca :

-arderea completă, după a cărei desfăşurare produsele rezultate nu mai posedă energie chimică; Arderea completă este teoretică dacă dispune de o cantitate minimă de aer necesară desfăşurării reacţiilor chimice şi este reală, dacă are loc în prezenţa unei cantităţi de aer mai mare decât cantitatea stoechiometric (minim) necesară.

- arderea incompletă, caz în care substanţele combustibile, nedispunând de o cantitate suficientă de oxigen, se transformă parţial în produse ale arderii care mai conţin energie chimică.Reacţiile de ardere sunt ecuaţii chimice şi se exprimă calitativ prin reacţii de forma:

în care: ni reprezintă reactanţii sau substanţele care intră în reacţie;

mj – produsele de ardere sau substanţele care rezultă din reacţie;

xi, yi – coeficienţii stoechiometrici care indică numărul de moli pentru reactanţi,

respectiv pentru produsele de ardere;

q – efectul termic al reacţiei de ardere în kJ/kg grd.

S5. Reacţiile de oxidare ale elementelor carburante

Arderea carbonului (efectul termic qC = 408714 kJ/kmol) Reacţia de ardere exprimă direct arderea completă, izobară a carbonului şi decurge fără modificarea volumului (volumul fazei gazoase este egal cu volumul fazei gazoase a produselor de reacţie).

C + O2 CO2 (3)

1 kmol C + 1 kmol O2 1 kmol CO2

12 kg C + 32 kg O2 44 kg CO2

12 kg C + 22,41 m3N O2 22,41 m3N CO2

Arderea hidrogenului (efectul termic qH = 241963 kJ/kmol) Reacţia de ardere a hidrogenului decurge cu dilatarea volumului, volumul produselor se dublează faţă de volumul fazei gazoase a reactanţilor.

H2 + 1/2 O2 H2O (4)

1 kmol H2 + 1/2 kmol O2 1 kmol H2O

2 kg H2 + 16 kg O2 18 kg H2O

1 m3N H2 + 1/2 m3N O2 1m3N H2O

Arderea sulfului (efectul termic qS = 292147 kJ/kmol) Reacţia de ardere a sulfului decurge fără modificarea volumului.

S + O2 SO2 (5)

1 kmol S + 1 kmol O2 1 kmol SO2

32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2

32 kg S + 22,41 m3N O2 22,41 m3N SO2

Arderea monoxidului de carbon (efectul termic qCO = 285451 kJ/kmol)

CO +1/2 O2 CO2 (6)

1 kmol CO + 1/2 kmol O2 1 kmol CO2

22,41l CO + 1/222,41l O2 22,41l CO2

1 m3N CO + 1/2 m3N O2 1m3N CO2

Arderea hidrogenului sulfurat (efectul termic qH2S = 518834 kJ/kmol)

H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O (7)

1 kmol H2S + 3/2 kmol O2 1 kmol SO2 + 1 kmol H2O

22,41l H2S + 3/222,41l O2 22,41l SO2 + 22,41l H2O

1 m3N H2S + 3/2 m3N O2 1 m3N SO2 + 1 m3N H2O

Arderea hidrocarburilor (efectul termic qCH4 = 805290 kJ/kmol)

CmHn + (m + n/4) O2 m CO2 + n/2 H2O (8)

1 kmol CmHn + (m + n/4) kmol O2 m kmol CO2 + n/2 kmol H2O

1 m3N CmHn + (m + n/4) m3N O2 m m3N CO2 + n/2 m3N H2O

S6. Calculul cantităţii de aer teoretice necesară arderii combustibililor

Cantitatea de oxigen necesară procesului de ardere notată L0min se calculează stoechiometric pe baza reacţiilor de oxidare a elementelor combustibile şi se poare determina atât în unităţi de volum cât şi în unităţi de masă.Combustibilii se deosebesc prin puterea calorica =caldura degajata prin arderea unei unitati de masa [KJ/Kg] sau . Puterea calorica a combustibilului reprezinta caldura degajata in urma arderii complete a unitatii de masa: [J/Kg] sau [ ]. Puterea calorica este de doua feluri superioara si inferioara (se tine cont de caldura absorbita pentru evaporarea apei), in practica se lucreaza cu cea inferioara pentru ca in gazele arse sunt vapori de apa.

Pentru combustibilii solizi sau lichizi din reacţia de ardere a carbonului se constată că 12 kg C necesită pentru ardere 32 kg O2, un kilogram C va necesita 32/12 kg oxigen ; dar într- un kilogram de combustibil solid se găsesc C/100 carbon. Deci masa de oxigen necesară arderii carbonului dintr- un kilogram de combustibil solid sau lichid va fi egală cu :

= 32/12 C/100 [ kg oxigen / kg carbon ]

Calculul cantitatii de aer de combustie:

=100%

1.Reactii chimice

2. Volumul de oxigen necesar arderii complete a unităţii de combustibil solid sau lichid se determină plecând de la reacţiile de ardere. Din reacţia de ardere a carbonului se constată că la 12 kg C necesită 22,41 m3N O2 ; un kilogram C va necesita 22,41/12 m3N oxigen. Volumul de oxigen necesar arderii carbonului dintr- un kg de combustibil solid sau lichid va fi egal cu:

= 22,41/12 C/100, [ m3N oxigen / kg carbon ]

La fel se procedează şi pentru celelalte elemente şi însumând volumele de oxigen necesare arderii fiecărui element carburant se obţine volumul de oxigen necesar arderii. Dacă combustibilul solid conţine şi oxigen în structura lui, care participă la oxidarea elementelor carburante, atunci din cantitatea de oxigen necesar arderii părţii carburante dintr- un kilogram de combustibil solid se scade valoarea oxigenului propriu.Relaţia de calcul este :

LO min = 22,41/100 [ C/12 + H/4 + (SC – O)/32 ],[ m3N oxigen / kg cb. ] (9)

Între masa şi volumul de oxigen există legătura :

M0 min = 02 L0 min, [ kg oxigen ] (10)în care :

- 02 este densitatea oxigenului în kg/m3N (02 = 1,42892 kg/m3N).Cu toate că aerul este un oxidant slab, este cel mai folosit în procesele de ardere.

Aerul tehnic este un amestec de 21% oxigen şi 79% azot în procente de volum şi 23,2% oxigen şi 76,8% azot în procente de masă.

Cantitatea de aer teoretic necesară arderii complete rezultă din expresia :

Mt = 100/23,2 M0 min, [ kg aer / kg cb. ]. (11)

Volumul de aer teoretic necesar arderii complete a unităţii de combustibil se calculează cu expresia :

Lt = 100/21 V0 min, [ m3N aer / kg cb. ]. (12)

Între masa de aer teoretică şi volumul de aer teoretic strict necesar procesului de ardere a unităţii de combustibil există relaţia :

Mt = a Lt, [ kg aer / kg cb. ]. (13)

în care :- a este densitatea aerului, la temperatura de 200C în [ kg/m3 ] (a = 1,293 kg/m3N)

Pentru combustibilii gazoşi sau amestecuri de combustibili gazoşi din relaţia de ardere a monoxidului de carbon rezultă că pentru 1m3N sunt necesari 0,5 m3N de oxigen ; într- un m3 de combustibil gazos există CO/100 m3N monoxid de carbon, deci volumul de oxigen necesar va fi :

= 0,5 CO/100, [ m3N oxigen/m3N monoxid de carbon ].

La fel şi pentru celelalte componente carburante ale gazului, şi prin însumare se obţine volumul minim de oxigen necesar arderii unităţii de combustibil gazos din care se scade oxigenul iniţial din compoziţia combustibilului.

LO min = 1/100 [ 1/2 CO + 1/2 H2 + 3/2 H2S + (m + n/4)CmHn – O2 ], [ m3N oxigen/m3N cb. ]. (14)

Volumul teoretic de aer necesar arderii notat cu L t ( sau Lo reprezentand cantitatea minima de aer, teoretica) va fi :

Lt = 100/21 L0 min, [ m3N aer/m3N cb. ]. (15)

S7. Cantitatea reală de aer necesară arderii combustibililor

Calculul cantitatii de aer

Compozitia 100% aer are:

→100 -

-

→100 kg aer -

-

aer →

X → din aer

,

Pentru arderea care are loc în mod practic în focarele agregatelor termice este dificilă dozarea aerului astfel încât să se obţină o ardere cu raporturi riguros stoechiometrice, iar consumul de aer este mai mare decât cantitatea teoretică, acesta fiind necesarul real de aer :

Lr = Lt, [ m3N aer/m3N cb. ]; (16)

în care :Lr este cantitatea de aer reală necesară pentru ca arderea să aibă loc complet în focarul cuptorului ; Lt (L0) - cantitatea teoretică de aer necesar arderii, calculată stoechiometric ; - coeficient de exces de aer şi reprezintă raportul dintre cantitatea reală şi cea teoretică de aer asigurată arderii.

- cantitatea minima de aer (teoretica);

- cantitatea reala de aer;

Se foloseste o cantitate de aer numita reala, mai mare decat cea minima pentru a avea certitudinea ca oxigenul necesar arderii patrunde peste tot in combustibil si arderea

este completa. Se numeste aer in exces

Indiferent de valoarea cantitatii de aer in exces, la ardere participa doar oxigenul din aerul minim, iar surplusul de oxigen iese cu gaze arse pe cos se numeste oxigen exces. Un exces de aer prea mare duce la urmatoarele inconveniente:

1. supraincarcarea inutila a ventilatorului de aer de combustie (consumul creste energia pentru antrenare)

2. chiar daca aerul este preincalzit ( ), o cantitate de aer prea mare, duce la scaderea temperaturii in spatiul de lucru al cuptorului, intervine reglajul automat al temperaturii in cuptor care actioneaza asupra admisiei combustibilului in sensul cresterii consumului de combustibil pentru a mentine temperatura constanta.

3. atmosfera prea oxidanta in spatial de lucru al cuptorului, care conduce la oxidarea

metalului supus incalzirii (apare ţunder OFe), care se desprind de pe suprafata metalului , zgura solida.

Valoarea coeficientului de exces de aer depinde de natura combustibilului, turbulenţa lui, geometria focarului. Se recomandă pentru următoarele valori prezentate în tabelul 4.

Coeficientul de exces de aer,Tabel 4

Felul combustibilului Coeficient de exces, Combustibili solizi 1,25 – 2,0

Combustibili lichizi 1,1 – 1,3Combustibili gazoşi 1,05 – 1,15

Se adopta calcularea cantitatii de aer.

Aplicatie:

Calculaţi cantitatea de aer necesar arderii a unui 1 .