utilizarea căldurii gazelor evacuate

42

Upload: alinflorian

Post on 05-Jul-2015

244 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Utilizarea căldurii gazelor evacuate
Page 2: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Utilizarea căldurii gazelor evacuatedin instalațiile pirotehnologice industriale

Gazele evacuate din procesele pirotehnologice industriale reprezintă ponderea cea mai mare (până la 60 – 70%) din pierderile de căldură ale acestor procese. Ca r.e.s. au marele avantaj al unui conținut mare de căldură și faptul că se pot transporta relativ ușor. Ele pot fi utilizate sub formă de: A. Gaze combustibilesauB.Gaze fierbinți.

A. Din categoria gazelor combustibile fac parte, în general, următoarele:

a) gazul de cocserie, care conține în medie 14,5% din întreaga cantitate de căldură degajată de combustibilul ars. El are o putere calorică inferioară de 14 665 – 18 840 kJ/m3;

b) gazul de furnal, care conține cca 49% din întreaga cantitate de căldură ce se degajă în cuptor. Puterea calorică a acestuia este 3352 – 4022 kJ/m3;

c) gazul de rafinărie, obținut în instalațiile de rafinare a țițeiului (instalațiile de cracare etc.), care conțin în medie aproximativ 8% din căldura combustibilului folosit și are o putere calorică inferioară de 41900 – 62850 kJ/m3;

d) gaze tehnologice rezultate în industria chimică din diverse procese, care trebuie arse, deoarece sunt toxice și nu pot fi evacuate ca atare în atmosferă. Gazele tehnologice combustibile sunt folosite în primul rând drept combustibil tehnologic în agregatele industriale și numai unele din ele (gazul de concserie și de sondă) sunt folosite ca materie primă în industria chimică.

B. Gazele fierbinți, evacuate din cuptoarele industriale, au temperaturi cuprinse între 400 – 1000 oC. Ele pot fi utilizate în scopuri tehnologice – la încălziri sau în scopuri energetice și combinat.

Eficacitatea utilizării căldurii fizice a gazelor de ardere, din cuptoarele industriale, în preîncălzitoarele tehnologice sau în instalațiile energetice depinde de procesul tehnologic din cuptor, cantitatea, temperatura și regimul de producere a gazelor.

Se poate considera că pentru a se ajunge la o utilizare eficientă a căldurii gazelor de ardere, temperatura acestora la presiunea atmosferică trebuie să fie minim de 300 – 400 oC.

Utilizarea căldurii fizice a gazelor de ardere din cuptoarele industriale se face în instalații pentru încălzirea aerului, a apei, cazane de abur recuperatoare și turbine cu gaze incluse în circuitul gazelor de ardere, după ieșirea lor din cuptor.

Apa fierbinte cu o temperatură sub 130 – 150 oC, obținută în instalațiile recuperatoare cu gaze de ardere, poate fi folosită pentru încălzire și ventilație, în scopuri menajere, sau în alte procese de încălzire.

Page 3: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Încălzirea aerului cu gaze de ardere, în afara procesului din cuptorul respectiv, își poate găsi aplicația în prelucrarea plastică a metalelot cu ciocane pneumatice sau cu prese. În cazul acesta aerul comprimat se încălzește până la temperatura de 250 oC.

Utilizarea căldurii gazelor de ardere numai pentru încălzirea aerului nu poate însă rezolva problema folosirii complete în tot timpul anului a căldurii fizice a acestor gaze, în special în cazul cuptoarelor industriale mari. În acest scop se poate utiliza căldura gazelor de ardere ale cuptoarelor numai unei secții, iar restul în cazane de abur recuperatoare. Aburul obținut în aceste cazante poate fi folosit la rândul său în procese tehnologice, la încălzire și ventilație, în scopuri energetice, la producerea energiei electrice, la acționări mecanice și pentru termoficare.

Cantitatea de gaze de ardere rezultate din cuptoarele industriale în regim normal de funcționare este mai mult sau mai puțin constantă. Dacă au un regim variabil de funcționare, cuptoarele industriale se pot pune în paralel, pentru a asigura un debit cât mai constant de gaze de ardere pentru cazanele recuperatoare. De asemenea, se pot folosi blocuri centralizate de cazane recuperatoare, pentru uniformizarea producției de abur și pentru îmbunătățirea randamentului blocurilor de cazane.

Oportunitatea folosirii gazelor de ardere fierbinți în cazane de abur recuperatoare depinde de temperatura inițială a gazelor și de puterea termică a cuptoarelor. Cu aproximație, se poate considera că utilizarea gazelor de ardere este rațională când conținutul lor de căldură este mai mare de 2,3 – 3,5 MW.

Particularitățile gazelor evacuatedin procesele pirotehnologice industriale

Conținutul de căldură al gazelor evacuate se stabilește cu relația generală:

Q g=∑V g ∙ cg t g [kW ]

unde: ∑Vg este debitul total de gaze, în m3/s; cg – căldura specifică medie a gazelor, în kJ/m3 ∙ grd; tg – temperatura inițială a gazelor, în oC.

Debitul total de gaze de ardere este:

∑V g=G (b ∙V gc+V g

t ) (1−z g )[m3/s ]

unde: G este sarcina tehnologică a agregatului, în kg/s;b – consumul specific de combustibil natural, în

kg/kg de produs sau m3/kg de produs; V gc– cantitatea de gaze rezultată prin arderea unității de masă sau

de volum de combustibil, în m3/kg de combustibil; V gt – cantitatea de gaze rezultată de la încărcătură, pe

kg de încărcătură inițială, în m3/kg de produs; zg – coeficient de evacuare a gazelor de ardere din camera de lucru a agregatului.

Determinarea valorilor lui G și b trebuie făcută ținând seama de perspectiva dezvoltării producției, când în general consumul b scade, în timp ce sarcina G crește, adică se mărește consumul de combustibil al agregatului (B=G ∙b, în kg/s). Dacă nu se ține seama de acest fapt poate avea loc

Page 4: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

reducerea puterii instalațiilor care utilizează căldura în afara camerei de lucru, limitându-le productivitatea.

Debitul de gaze de ardere rezultate din arderea combustibilului este determinat din relația:

V gc=V RO2

+V H 2O+V N2

+( λ−1 )V ao

unde V RO2=V CO2

+V SO2.

La determinarea debitului de gaze uscate triatomice V RO2, a vaporilor de apă V H 2O și a

volumului teoretic de azot V N2

o , (la λ=1,0) trebuie să se țină seama de folosirea, pentru unele procese

pirotehnologice, a arderii cu exces de oxigen. Pentru aceste calcule, în locul relațiilor stohiometrice obișnuite, se utilizează ecuațiile termochimice generalizate, valabile pentru orice conținut de oxigen

insuflat. Absorbția suplimentară de aer atmosferic, corespunzătoare mărimii ( λ−1 )V ao este în funcție

de debitul teoretic de aer V ao pentru unitatea de combustibil și de coeficientul de exces de aer λ, pentru

traseul de gaze al agregatului.

Multe procese pirotehnologice au loc cu formarea unor cantități considerabile de gaze ale încărcăturii tehnologice. Acestea provin din modificările termochimice (oxidare, descompunere) sau

termofizice (evaporare) ale unor compuși din încărcătură. Ca urmare, în multe cazuri, volumele V gc și V g

t

sunt comparabile (topirea materialelor sulfuroase), iar uneori întreg debitul de gaze este determinat

numai de V gt (procesele de transformare ale metalului brut, în convertizoare).

Pentru determinarea cantității și compoziției gazelor rezultate din încărcătură, este necesară întocmirea bilanțului material al procesului pirotehnologic.

La procesele tehnologice ciclice, cantitatea de gaze(V gc și V g

t ) se poate modifica brusc în timp,

ceea ce trebuie luat în considerație la calculul debitului total de gaze ∑V g, corespunzător valorilor maxime posibile.

Căldura specifică medie a gazelor, pentru o compoziție medie de 80% N2, 10–12% CO2 și 8–10% H2O se poate calcula aproximativ cu următoarea expresie simplificată:

c g=1,33+0,00016 ∙ t g[kJ /m3 grd ]

După cum s-a mai arătat, parametrul principal al gazelor de ardere este temperatura, care determină conținutul de căldură. Independent de modul de folosire a căldurii acestor gaze, în practica exploatării se constată des abateri considerabile de la normă ale temperaturii lor inițiale. În multe cazuri această temperatură crește, datorită arderii necorespunzătoare a componentelor în canalele de gaze, din cauza imperfecțiunii formării amestecului și a arderii combustibilului în camera de lucru propriu-zisă. Cel mai adesea se întâlnesc cazurile în care temperatura reală a gazelor este mai mică decât aceea normală. Aceasta are loc din cauza absorbției suplimentare de aer, ceea ce are mari dezavantaje. Astfel, are loc înrăutățirea funcționării instalației de tira, supraîncărcate de debitul suplimentare de aer care

Page 5: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

trebuie evacuat. De asemenea, datorită reducerii temperaturii gazelor de ardere rezultate în camera de lucru, se micșorează cantitatea de căldură posibil a fi utilizată, mărind pierderile de căldură cu gazele evacuate. Efectele negative ale aerului fals pătruns suplimentar cresc brusc în cazul reducerii temperaturii lui. De aceea, reducerea la minim a cantității de aer fals pătruns în canalele de gaze, care fac legătura în tre camera de lucru și instalația ce urmează a utiliza căldura gazelor arse, constituie una din principalele măsuri organizatorice care trebuie luate în exploatare.

Proprietățile particulelor antrenate în gazele de ardere. Caracteristica gazelor de ardere tehnologice, tilizate ca agent termic, este conținutul mare de particule antrenate, ușor fuzibile și polidisperse. În ele predomină fracțiile mici și foarte mici, care se pot găsi în toate cele trei stări de agregare. Aceste caracteristici speciale ale particulelor antrenate (ale antrenării) au o influență deosebită asupra condițiilor de exploatare și asupra direcției alese pentru folosirea căldurii.

Formarea „antrenării”tehnologice poate avea următoarele cauze:

a) evacuarea odată cu fluxul de gaze de ardere a particulelor solide ale încărcăturii, ale arderii și ale căptușelii interioare a camerei de lucru;

b) loviturile provocate de picăturile lichide ale topiturii și zgurii antrenate odată cu evacuarea gazelor de ardere;

c) evaporarea parțială (sublimarea) a materialului tehnologic.

În cazul utilizării drept combustibil a prafului de cărbune, pe lângă „antrenarea” tehnologică arătată, se mai adaugă o cantitate corespunzătoare de cenușă, care în majoritatea cazurilor este formată din fracții mai mari.

Fracțiunea gravimetrică admisă a antrenării dă numai o imagine convențională și incompletă asupra proprietăților de murdărire. Aceasta se explică prin faptul că acțiunea de murdărire a suprafețelor de schimb de căldură și a canalelor de gaze nu este determinată de greutatea antrenării, ci de numărul particulelor de pe aceste suprafețe. Numărul particulelor existente într-o unitate de greutate a antrenătii se modifică invers proporțional cu cubul dimensiunilor lineare. Aceasta mărește în mod deosebit valoarea fracțiilor mici și foarte mici ale antrenării.

Examinarea proprietăților de murdărire ale antrenării trebuie să țină seama și de fuzibilitatea sa, deoarece proprietățile de murdărire se găsesc în strânsă legătură cu starea produselor din agregat, care acționează asupra diferitelor suprafețe interioare.

Fuzibilitatea antrenării tehnologice este determinată de componența ei mineralo-chimică, foarte variată atât din punct de vedere calitativ, cât și cantitativ. De asemenea, o mare influență o are interacțiunea diverselor componente ale antrenării ca și acțiunea acestora asupra căptușelii refractare a canalelor de gaze arse. Acestea condiționează și intensitatea eroziunii cu zgură.

Fuzibilitatea antrenării, a zgurii și a altor topitori de silicat, este caracterizată de următoarele trei temperaturi: t1 – apariția fazei lichide, t2 – începutul zgurificării și t3 – starea ușor fuzibilă. Cu ajutorul metodei standardizate a conurilor pirometrice, se stabilește greu apariția fazei lichide și a începutului

Page 6: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

zgurificării și ca urmare, are loc creșterea primelor două temperaturi caracteristice topirii. Ținând seama de datele experimentale privind determinarea fuzibilității unor antrenări, valorile orientative caracteristice ale temperaturii lor sunt: la cuptoarele Martin pentru topirea oțelului, t1 = 900 – 1000 oC, t2 = 1050 – 1150 oC și t3 = 1550 – 1650 oC; la cuptoarele cu reverberație, pentru topirea cuprului, t1

= 800 – 850 oC, t2 = 900 – 950 oC și t3 = 1100 – 1150 oC. Pentru „antrenarea” din cuptoarele de topire a sticlei sunt caracteristice temperaturi t3< 800 – 850 oC.

Pentru asigurarea granulării antrenărilor topite, din gazele de ardere, este necesară răcirea acestora până la temperatura tg< t2.Valoarea necesară a diferenței de temperatură (t2 – tg) este funcție de existența în antrenarea polidispersă a particulelor mari lichide, a căror răcire are loc mult mai încet decât pentru particulele foarte mici, care practic se răcesc simultan cu gazele care le antrenează.

Acțiunea antrenării topite asupra suprafețelor instalației recuperatoare de căldură. În gazele de ardere tehnologice cu temperaturi înalte, aduse la instalația care utilizează căldura (amplasată după camera de lucru) antrenarea tehnologică se găsește în general în stare fuzibilă. Antrenarea topită, zgura, acționează asupra suprafeței căptușelii refractare a canalelor de gaze de legătură și asupra suprafețelor metalice sau ceramice de încălzire ale instalației propriu-zise care utilizează căldura, prin: crăparea și așchierea căptușelii; corodarea cu zgură a suprafeței în urma reacției chimice a ei cu antrenarea; zgurificarea, adică formarea depunerilor antrenării topite, sau calcinate, cu rezistență diferită. În cazul suprafețelor metalice de încălzire, apare numai zgurificarea. Aceasta constituie deosebirea principală față de suprafețele de încălzire executate din materiale refractare, care sunt supuse simultan la toate cele trei acțiuni provocate de antrenarea topită.

Crăparea și așchierea căptușelii refractare este rezultatul tensiunilor termice, care apar datorită diferenței de temperatură și a acoeficienților diferiți de dilatare a straturilor refractare care intră în componența căptușelii și a suprafeței de ardere alăturată.

Acest mod de deteriorare a suprafeței refractare este strâns legată de procesul de zgurificare și de corodarea cu zgură.

Corodarea cu zgură este una din cele mai importante forme de deteriorare a suprafețelor de încălzire. Conform datelor statistice, până la 70% din deteriorările suprafețelor refractare se datoresc corodării cu zgură.

Zgurificarea reprezintă procesul de formare în faza lichidă a depunerilor rezistente. Ea este determinată de temperatura suprafeței și de intensitatea lovirii acesteia cu particulele topite ale antrenării.

Indiferent de fluxul termic care străbate suprafața, condițiile de zgurificare ale suprafețelor ceramice (refractare) sunt deosebite de ale celor metalice. Zgurificarea suprafețelor ceramice este totdeauna urmată de coroziunea cu zgură și de o crăpare parțială, ceea ce este exclus la suprafețele metalice. Datorită coeficientului de schimb de căldură redus, suprafețele de încălzire și canalele de gaze ceramice răcite cu aer, au întotdeauna o temperatură ridicată, apropiată de aceea a gazelor și a antrenării topite. În aceste condiții, este inevitabilă o zgurificare rapidă și coroziunea cu zgură a acestor suprafețe. În cazul suprafețelor metalice, răcite cu apă sau amestec apă-abur, coeficientul de schimb de căldură este mai mare decât în cazul aerului, ceea ce le asigură o temperatură mult mai mică față de fuzibilitatea antrenării, în general mai mică 250–300 oC. Ca urmare, pe suprafețele metalice antrenarea

Page 7: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

topită se granulează, formând la început depuneri afânate și relativ ușor de îndepărtat, dacă periodicitatea curățirii suprafeței ține seama de intensitatea cu care este lovită de particulele topite ale antrenării. Probabilitatea granulării antrenării topite pe suprafețele metalice de încălzire se reduce odată cu creșterea temperaturii lor. Aceasta are loc la utilizarea aerului ca agent termic și în special în cazul încălzirii lui la temperaturi ridicate.

Pentru prevenirea tuturor acestor efecte dăunătoare asupra căptușelii refractare și a suprafețelor de schimb de căldură, amplasate în drumul gazelor de ardere, sunt necesare următoarele măsuri:

a) asigurarea răcirii inițiale, prin radiație (fără contact), a gazelor și a antrenării topite, până la temperaturi mai mici decât aceea a începutului zgurificării, t2. Se recomandă utilizarea răcirii prin evaporarea apei sau pentru încălzirea ei;

b) excluderea posibilității contactului gazelor de ardere și a antrenării topite cu suprafețele calde racordate indirect la canalele de gaze.

Ținând seama de aceste măsuri se recomandă racordarea cayanelor de abur, puternic ecranate, direct la camera de lucru a agregatului pirotehnologic, asigurând răcirea prin radiație a gazelor de ardere și a antrenării conținută de ele. De asemenea, se poate face o ecranare totală a canalului de gaze de legătură cu suprafețe de încălzire reci corespunzătoare. În unele cazuri, se exclude astfel complet transportul gazelor cu temperaturi ridicate, care conțin particule antrenate topite, dealungul canalelor calde de gaze, din cărămidă. Astfel, au apărut cazanele de abur recuperatoare cu radiație, care le-au înlocuit pe cele cu convecție, fiind utilizate în prezent pentru toate felurile de combustibil.

Ca urmare rezultă imposibilitatea transportului gazelor de ardere cu temperaturi ridicate, care conțin particule topite antrenate, pe canale de gaze din cărămidă, în special în condițiile intensificării proceselor pirotehnologice.

Influența antrenării din gazele de ardere asupra funcționării instalațiilor recuperatoare. Antrenarea tehnologică și aceea rezultată din arderea cărbunilor, care se găsește în gazele de ardere, formează pe suprafețele de schimb de căldură depuneri solide. Apariția și acumulare lor are o acțiune negativă nu numai asupra acestor instalații, dar și asupra întregului agregat pirotehnologic.

Mecanismul formării și rezistenței depunerilor sub formă de granule mărunte depinde, în general, de aglutinarea particulelor solide mici și foarte mici, care sub acțiunea forțelor superficiale aderă reciproc.

Influența murdăririi, cu antrenarea granulată a suprafețelor metalice de schimb de căldură, asupra transmisiei căldurii constă în următoarele:

Coeficientul de transmisie a căldurii pentru suprafața murdară pe partea de gaze de ardere, considerată pentru simplificare plană și neglijând rezistența termică a peretelui metalic, se poate exprima cu relația generală:

K= 1

1λg

+δ d

λd+ 1λ p

[W /m2∙ K ]

Page 8: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

unde: λg, λ p sunt coeficienții de schimb de căldură prin convecție de la gaze și respectiv de la peretele

metalic la celălalt agent termic; δ d

λd – rezistența termică a stratului exterior de depuneri.

Grosimea δ d a acestui strat pe suprafața de schimb de căldură (țevi) în condiții grele de

exploatare, poate ajunge până la 0,008–0,010 m; coeficientul de conductivitate termică (λd) al depunerilor exterioare se modifică în limitele 0,05–0,10 pentru depunerile afânate și între 1,0–2,0 W/m∙K pentru zgura solidă poroasă.

Debitul total de căldură Q=K ∙S ∙Δ t este influențat de depuneri și prin mărimea diferenței de temperatură Δt, în ipoteza că temperatura inițială a gazelor de ardere rămâne neschimbată, ceea ce compensează într-o măsură considerabilă reducerea coeficientului de transmisie a căldurii K. Gradul de modificare a debitului total de căldură depinde de ritmul reducerii coeficientului de schimb de căldură K, în raport cu cel de creștere a diferenței de temperatură Δt, conform relației:

QQt

= KKT

− ΔtΔtT

unde Qt și ΔtT corespund condițiilor de calcul, cu suprafețele curate. Astfel. La preîncălzirea aerului, variația temperaturii de preîncălzire se modifică aproximativ proporțional cu fluxul termic primit. În acest caz debitul total de căldură primit Q se reduce mult mai încet decât coeficientul de schimb de căldură K. Pentru elementele de vaporizare ale cazanului de abur recuperator, care funcționează cu temperatura de saturație constantă, datorită depunerilor pe suprafețele de încălzire, diferența de temperatură crește mai încet decât reducerea bruscă a coeficientului de schimb de căldură. Ca urmare, debitul total de căldură Q este aproape proporțional cu variația lui K. Astfel, în fig. este prezentată variația comparativă a condițiilor de transmisie a căldurii, pentru preîncălzitoarele de aer.

Se constată că pentru o grosime considerabilă a stratului de depuneri (δ d = 6–9 mm), reducerea coeficientului global de schimb de căldură K este mult mai mare la cazanul de abur, cu 45–55%, față de preîncălzitorul de aer 30–35%, în timp ce creșterea diferenței de temperatură Δt nu diferă sensibil. Ca urmare, cantitatea de căldură Q primită de cazanul de abur se reduce cu cca 30–40%, în timp ce la preîncălzitorul de aer numai cu cca 12–17%.

Toate acestea corespund funcționării agregatului pirotehnologic cu consum constant de combustibil. În condițiile reale de exploatare însă depunerile pe suprafețele de încălzire determină creșterea rezistenței la curgere gazelor de ardere. Aceasta necesită reducerea consumului de combustibil deoarece rezerva existentă în dispozitivele de acționare ale agregatelor care asigură circulația gazelor de ardere este totdeauna limitată, din punctul de vedere al presiunii maxime create. Cel mai adesea cantitatea de căldură utilă Q primită de instalațiile recuperatoare se micșorează nu atât din cauza înrăutățirii transmisiei căldurii, cât mai ales în urma reducerii consumului de combustibil, determinată de creșterea rezistenței hidraulice pe partea de gaze de ardere.

Page 9: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Existența stratului de depuneri pe suprafața de încălzire conduce întotdeauna la creșterea sensibilă a rezistenței acestora în fluxul de gaze de ardere. Această creștere este cu atât mai bruscă cu cât scade secțiunea de trecere a gazelor t/d, adică pe măsură ce țevile sunt mai dese în canalul de gaze.

Reducerea încărcării termice a agregatului (valoare Bh), datorită depunerilor pe suprafețele de încălzire, va fi urmată întotdeauna de reducerea economicității instalațiilor de recuperare a căldurii, deoarece aceasta este însoțită și de reducerea economicității instalațiilor de recuperare a căldurii, deoarece aceasta este însoțită și de reducerea coeficientului de schimb de căldură. Reducerea forțată a încărcării termice la agregatele pirotehnologice este mult mai importantă decât reducerea eficienței termice a instalațiilor recuperatoare, deoarece ea conduce direct la reducerea productivității tehnologice a agregatelor respective.

Protecția instalațiilor pentru recuperarea căldurii contra depunerilor. Antrenarea din gazele de ardere ale proceselor pirotehnologice are în majoritatea cazurilor caracteristici mult mai nefavorabile, în comparație cu cenușa antrenată de gazele de ardere ale cazanelor de abur energetice pe cărbune praf. După cum s-a arătat, depunerile antrenării tehnologice pe suprafețele de schimb de căldură recuperatoare reduc nu numai eficiența lor termică, dar și productivitatea tehnologică, ceea ce de multe ori are o importanță mult mai mare. De aceea protecția instalațiilor recuperatoare contra depunerilor este de mare importanță atât în faza de proiectare, dar mai ales în exploatare. Problema principală este prevenirea formării depunerilor, în care scop trebuie redusă evacuarea particulelor antrenate din camera de lucru printr-o aerodinamică corespunzătoare a agregatului pirotehnologic. Un exemplu din acest punct de vedere îl constituie pirotehnologia energetică, când la arderea prafului de cărbune în suspensie (cu evacuarea solidă a zgurii) gazele de ardere conțin 85–90% cenușă, pe când în cazul focarelor ciclon (cu evacuarea lichidă a zgurii) ele conțin numai 15–20%, adică o reducere de 4–6 ori a antrenării din gazele de ardere evacuate.

Trebuie subliniat că schema cu ciclon asigură o separare maximă, prin inerție, a particulelor lichide și solide din fluxul de gaze, ceea ce constituie unul din avantajele principale ale acestei soluții aerodinamice.

Reducerea murdăririi gazelor de ardere ale tuturor cuptoarelor de topire cu flacără de tip echicurent (cu reverberație, de afânare, de sublimare a zgurei), precum și a celor cu ciclon, poate fi asigurată prin instalarea separatoarelor topiturii lichide, peliculare, direct la ieșirea gazelor de ardere din camera de lucru. În acest fel se poate asigura reducerea de cca 2 ori, a murdăririi gazelor de ardere, cu captarea aproape completă a particulelor mai din antrenarea lichidă. Ca urmare, se îmbunătățește funcționarea suprafețelor de schimb de căldură prin radiație, care se acoperă în general cu zgură (din cauza existenței particulelor mai mari și care se răcesc mai încet decât altele) dar se poate înrăutăți autocurățirea suprafețelor de convecție, murdărite în general cu antrenarea granulată având dispersie mică.

La utilizarea separării lichide, peliculare, a topiturii tehnologice care se întoarce în camera de lucru, se mărește producția utilă tehnologică, ceea ce are o mare importanță pentru metalurgia neferoaselor. Prin aplicarea acestei metode de separare și prin organizarea corespunzătoare a

Page 10: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

aerodinamicii camerei de lucru este totuși imposibilă reducerea totală a antrenării din gazele de ardere care sunt utilizate în instalațiile de recuperare a căldurii. De aceea, pentru toate cuptoarele de topire cu temperaturi înalte, este necesară granularea antrenării lichide, rămasă în gazele de ardere, în primele elemente de fierbere ecranate aflate pe direcția de curgere. Folosirea acestor elemente de schimb de căldură prin radiație este necesară pentru protecția contra zgurificării fascicolelor convective de țepi, care ar putea duce până la oprirea funcționării nu numai a instalațiilor recuperatoare, dar și a întregului agregat tehnologic. Protecția suprafețelor de schimb de căldură prin convecție, contra murdăririi prin granularea antrenării poate fi realizată în mai multe feluri:

a) spălarea cu apă;b) curățirea prin vibrații;c) curățarea cu alice;d) suflarea cu aer comprimat și abur saturat sau supraîncălzit(pentru curățarea instalațiilor de

cazane recuperatoare cu radiație și cu convecție);

Folosirea pe scară largă a suflării cu aer comprimat, la presiunea de 4–5 bar, cu ajutorul aparatelor de mână cu furtun flexibil, este cea mai simplă și fără pericol, dar cea mai puțin eficientă.

Utilizarea pentru suflare a aburului saturat și în special a celui supraîncălzit, cu presiuni moderate de cca 15 bar, este considerată ca metoda de suflare cea mai eficientă, datorită energiei cinetice a aburului la ieșirea din ajutaju de suflare, care la aceeași presiune este de 7–8 ori mai mare decât a aerului comprimat. Această metodă necesită însă aparate de suflare staționare, în special la presiuni mai ridicate ale aburului. Eficiența suflării cu abur depinde de periodicitatea efectuării ei (1–3 ori într-un schimb, timp de câteva minute), de folosirea ajutajelor profilate pentru suflare, de corecta orientare a jetului de abur față de țevile suflate și de existența drenajului conductelor pentru distribuția aburului.

e) autosuflarea suprafețelor de schimb de căldură.

A. Utilizarea tehnologică a călduriigazelor de ardere

Preîncălzirea aerului de ardere cu gazele de ardere are loc în principiu după schema din fig.

Eficiența preîncălzirii aerului de ardere cu gazele de ardere rezultate din procesele pirotehnologice este de două forme: tehnologică și energetică.

A. Eficiența tehnologică se manifestă prin creșterea productivității agregatului. Ea este determinată de creșterea temperaturii inițiale a arderii și prin urmare a temperaturii medii a gazelor de ardere evacuate din camera de lucru (tgev). Aceasta mărește la rândul său încărcarea specifică a volumului și suprafeței vetrei.

Considerând constante temperatura tp a produsului tehnologic final și temperatura tgeva gazelor de ardere, la ieșirea din camera de lucru, temperatura de ardere adiabatică se determină cu relația:

Page 11: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

t a=H i+Q fi

∑V g ∙Cg

[℃]

Temperatura medie efectivă a gazelor în camera de lucru, în condițiile schimbului de căldură prin radiație, este egală cu:

T g4=T gm

4 ∙ T gev4−n

unde pentru exponentul n se acceptă valoarea minimă 2, iar Tgm este temperatura maximă a gazelor în centrul arderii și se determină cu relația:

T gm=τ ∙ t ta+273 [K ]

unde τ este coeficientul pirometric. El depinde de viteza arderii combusibilului, care este determinată în general de intensitatea formării amestecului gaze-aer. În cazul arderii acestui amestec pregătit în prealabil, τ se apropie de 1,0, iar valoarea T gm se apropie de valoarea temperaturii teoretice sau adiabatice de ardere, în funcție de existența sau lipsa disocierii parțiale a CO2 și H2O.

Pentru majoritatea agregatelor pirotehnologice, valoarea coeficientului pirometric este de 0,75–0,9. Cantitatea specifică de căldură primită de suprafața vetrei camerei de lucru, se determină cu relația:

q=C p[( Tg100 )4

−( Tp100 )4][kW /m2]

unde Cp este coeficientul de negreală al schimbului de căldură prin radiație, în sistemul format de gazele de ardere – zidărie-produs tehnologic.

Prin reîncălzirea aerului productivitatea specifică a cuptorului crește cu 25%, pentru o temperatură de preîncălzire tai = 400 oC și cu 65–70%, la tai = 800 oC.

Aceasta explică în mare măsură eficiența preîncălzirii la temperaturi înalte a aerului de ardere (până la 800–1000 oC și mai mult), în pirotehnologia industrială, pe când în tehnica focarelor cazanelor de abur aceasta nu depășește 350–400 oC.

B. Eficiența energetică a preîncălzirii aerului și a combustibilului rezultă din faptul că se economisește o cantitate de energie legată chimic, sub formă de combustibil, mai mare decât căldura sensibilă introdusă în agregatul tehnologic cu aerul preîncălzit.

Această proprietate a preîncălzirii aerului și combustibilului, este determinată de următoarele economii de energie care rezultă prin preîncălzire:

- economisirea catității de căldură care ar fi fost necesară pentru încălzirea aerului de ardere sau a combustibilului, până la temperatura de preîncălzire;

Page 12: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

- economisirea cantității de căldură care ar fi fost necesară pentru încălzirea aerului necesar arderii cantității de combustibil economisită, de la temperatura mediului ambiant până la temperatura de evacuare a gazelor.

Eficiența energetică a preîncălzirii aerului de ardere cu gazele de ardere este exprimată de reducerea consumului specific de combustibil. Pentru evidențierea valorii și a legăturii acestei reduceri cu diverșii factori care o determină, se va considera cel mai simplu proces pirotehnologic, la care Qex = 0, Qen = 0 și Qft = 0, ceea ce corespunde majorității cuptoarelor de preîncălzire.

Modificarea randamentelor energetice ale proceselor care au loc în cuptoarele industriale, prin introducerea preîncălzirii aerului, este prezentată în fig.

Comparația celor 2 diagrame trebuie făcută ținând seama de următoarele:

- atât înaintea preîncălzirii aerului, cât și după aceea, se poate spune că:

Qu1 = Qu2 = Qu (are loc același proces tehnologic cu aceeași tehnologie)

și

Qr1 = Qr2 = Qr (tipul și mărimea cuptorului este aceeași);

- temperatura gazelor de ardere rămâne aceeași, în cele două cazuri procesul tehnologic fiind același, deci: tg1 = tg2 = tgev.

Ținând seama de acestea, bilanțul termic al cuptorului este:

- înaintea introducerii preîncălzirii aerului:B1 ∙ H i=Qu+Qr+Qg1 [kW ]

- după introducerea preîncălzirii aerului:B2 ∙ H i+Qa=Qu+Q r+Q¿2 [kW ]

Pierderile de căldură cu gazele evacuate din cuptor sunt:

Qg1=B1 [ νg0+( λ−1 ) νa0 ] c pg (t geν−tae )[kW ]

și

Q¿2=B2 [ νg0+( λ−1 ) νa0 ] c pg (t geν−tae )[kW ]

unde: νg0, νa0 sunt volumele specifice ale gazelor arse evacuate și respectiv al aerului, pentru λ = 1, în m3 gaze de evacuare/m3 gaze combustibile; λ – excesul de aer; cpg – căldura masică (specifică) medie a gazelor de evacuare, în kJ/kg grd; ∙ t geν ,t ae – temperatura gazelor evacuate și aerul exterior, în oC.

Căldura primită de aer, prin preîncălzire, este:

Page 13: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Qa=B2 ∙ λ ∙ νa0∙ c pa ( tat−t ae )[kW ]

unde: tat este temperatura de preîncălzire a aerului, în oC; cpa – căldura masică (specifică) medie a aerului preîncălzit, în kJ/kg K.∙

Pentru comparația celor două cazuri, se folosește factorul de multiplicare al economiei de combustibil – µ, introdus de Szargut, care are expresia generală:

μ=(B1−B2 ) ∙H i

Qa

Făcând înlocuirile, rezultă:

μ=H i

H i− [νg0+( λ−1 ) ν a0 ]c pg (t gev−t ae )

Deoarece tgev > tae, rezultă că µ > 1, deci că energia chimică potențială economisită sub formă de combustibil inițial este mai mare decât cantitatea de căldură sensibilă a aerului de ardere preâncălzit.

Factorul de multiplicare a economiei de combustibil, realizată prin preâncălzirea aerului, este funcție de puterea calorică interioară Hi a combustibilului tehnologic înlocuit, de excesul de aer de ardere și de temperatura de evacuare a gazelor de ardere tgev, ceilalți factori, vg0 și va0 fiind funcție tot de Hi și λ.

Dacă se exprimă efectul preîncălzirii aerului de ardere asupra consumului specific de combustibil, noul consum specific va fi:

b2=b1H i−V g cg t gevH i−V g cg t gu

[m3/kg de produs ]

sau înlocuind în relația anterioară Hi = Vgcgta, rezultă:

b2=b1G1

G2

∙ta−t gevta−t gu

[m3/kgde produs]

Se constată că, la preîncălzirea aerului, noul consum specific de combustibil b2 se reduce față de cel inițial b1 (fără preîncălzire), atât din cauza utilizării mai intense a gazelor de ardere în cadrul agregatului tehnologic (tgu < tgev), cât și din cauză că se mărește cantitatea orară de produse tehnologive (G2 > G1).

Temperatura ta a arderii adiabate, fără preîncălzirea aerului, este funcție de ponderea componentelor necombustibile din gazele combustibile: umiditatea, conținutul de CO2 și N2. De aceea se poate constata că eficiența relativă a preîncălzirii aerului de ardere crește odată cu mărirea ponderei componentelor necombustibile care formează gazele combustibile, scăderea calității combustibilului, odată cu mărirea temperaturii procesului.

Page 14: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Productivitatea agregatului crește într-o măsură și mai mare, prin reîncălzirea aerului, atunci când consumul de combustibil B rămâne același.

Concluziile de mai sus, rezultate din relațiile matematice, precum și faptul că multiplicatorul economiei de combustibil µ nu depinde de temperatura de preîncălzire tai a aerului, se explică fizic cu ajutorul fig.

În cazul fig. a prin arderea volumului de gaze (Va1 + VG1), care sunt încălzite prin ardere la temperatura ta1, datorită căldurii utile Qu cedată produsului tehnologic și a pierderilor prin pereți Qr, temperatura lor scade până la valoarea corespunzătoare evacuării gazelor de ardere tgev.

Prin preîncălzirea aerului până la temperatura tat, se economiselte cantitatea de căldură Qa și astfel scade consumul de combustibil gazos. Ca urmare, vor scădea și pierderile corespunzătoare cantității de combustibil economisit Eg, deoarece se micșorează cantitatea de gaze de ardere evacuate. Prin scăderea consumului de combustibil va scădea și necesarul de aer de ardere (pentru același λ) cu cantitatea de căldură corespunzătoare debitului de combustibil economisit. Vor scădea și pierderile prin gazele de ardere, cu valoare EaI.

Deci, aferent căldurii sensibile introdusă în cuptor cu aerul de ardere Qa va apare o economie de combustibil mai mare, egală cu Qa + Ea + EG.

Dacă scade cantitatea de gaze introduse (Va2 < Va1 și VG2 < VG1), va scădea și cantitatea de gaze de ardere rezultate și, după preîncălzirea aerului, rămâne disponibilă o cantitate mai mică de gaze de ardere pentru a furniza căldura utilă Qu și aceea necesară pentru acoperirea pierderilor prin pereți Qr. Deci, presupunând că tai ar rămâne constantă, nu s-ar mai putea respecta condițiile puse inițial, să se cedeze procesului tehnologic aceeași cantitate de căldură utilă, rezultând Qu2 = Qu1. De aceea, în realitate ta2 > ta1, astfel încât, cu o cantitate mai mică de gaze de ardere se poate asigura același necesar de căldură utilă, crescând diferența ta2 – tgev.

Ca urmare, debitul real de gaze de ardere rezultate în urma preîncălzirii aerului de ardere, este mai mic decât cel existent înaintea prîncălzirii. De acest lucru trebuie ținut cont la dimensionarea suprafeței de schimb de căldură a preîncălzitoarelor de aer, care se va face pentru condițiile existente după preîncălzirea aerului de ardere. Dacă nu se ține cont de acest aspect există riscul ca preîncălzitorul de aer să nu realizeze parametrii proiectați.

Preîncălzirea aerului de ardere conduce la ridicarea temperaturii ta a arderii, ceea ce determină creșterea pierderilor de căldură prin radiație Qr și cele cu gaze de ardere Qg a căror temperatură a crescut. Dar, odată cu creșterea temperaturii de ardere, se intensifică transmisia căldurii la produsele tehnologice și astfel necesarul de căldură utilă este acoperit într-un timp mai scurt, ceea ce echivalează cu creșterea capacității de producție a cuptorului. Ca urmare, scad pierderile specifice către mediul ambiant și cele cu gazele de ardere evacuate, ceea ce compensează creștere în valoare absolută a pierderilor de căldură.

Page 15: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Preîncălzirea aerului de ardere este primul și cel mai eficace procedeu de folosire a căldurii gazelor de ardere atât din punct de vedere tehnologic cât și energetic. Pe această cale însă nu se poate utiliza prin regenerare întreaga cantitate de căldură a gazelor de ardere, datorită limitelor tehnico-economice ale preîncălzirii aerului de ardere. De asemenea, în marea majoritate a cazurilor, debitul de căldură al gazelor de ardere disponibil pentru utilizare este mult mai mare decât necesarul de căldură pentru preîncălzirea aerului de ardere al agregatului însuși.

Se introduce noțiunea de coeficient de utilizare regenerativă a căldurii gazelor de ardere:

ηr=Qa

Qg

Conținutul de căldură al aerului preîncălzit Qa și al gazelor arse Qg se poate referi atât la unitatea de produs tehnologic finit sau la unitatea de încărcătură tehnologică, cât și la unitatea de cantitate de combustibil consumat.

Preîncălzirea autonomă a aerului de ardere cu gazele arse. Marea eficiență energotehnologică a preîncălzirii aerului de ardere determină raționalitatea utilizării, în unele cazuri, a preîncălzirii autonome a aerului cu gazele de ardere evacuate de un focar separat. Această soluție se justifică în cazul unei cantități considerabile de căldură legată chimic a gazelor de ardere, permițând folosirea lor drept combustibil artificial. Ele pot fi utilizate la agregatele tehnologice apropiate sau în același proces pirotehnologic, atunci când au un grad avansat de murdărire și o temperatură coborâtă.

În fig. este prezentată schema de principiu a preîncălzirii autonome a aerului de ardere, întâlnită de exemplu la cauperele furnalelor.

În puțul furnalelor gazelor de ardere ale creuzetului, care conține o cantitate considerabilă de CO inflamabil, se răcesc prin preîncălzirea în contracurent a materialelor tehnologice (aglomeratul format din minereu și cocs) până la temperatura tgu relativ mică, care nu mai poate fi folosită eficient pentru preîncălzirea aerului de ardere.

Pentru reducerea sensibilă a consumului specific de combustibil și mărirea productivității furnalului, este necesară preîncălzirea aerului de ardere într-un preîncălzitor separat, autonom, care în cazul de gață este cauperul.

Examinarea eficienței energetice a preîncălzirii autonome a aerului de ardere pornește de la ipoteza constanței cantității de căldură preluată de camera de lucru a agregatului tehnologic (zona creuzetului) și a temperaturii tgev a gazelor de ardere, la granița zonei creuzetului în care are loc topirea metalului. În aceste condiții, bilanțul termic pentru cazul preîncălzirii și fără ea, este:

G1b1 (H i−V g c gt gev )=G2b2 [ (H i−V g cg t gev )+Qa ][kW ]

unde: G1, G2 sunt cantitatea de produse tehnologice în cazul procesului fără preîncălzire, respectiv în cazul preîncălzirii aerului de ardere în kg de produse/s; b1, b2 – consumurile specifice de combustibil în

Page 16: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

cele două variante în kg/kg de produs; Hi – puterea calorică a combustibilului, în kJ/kg de combustibil; Vg – volumul gazelor de ardere, în m3/kg de combustibil.

Se acceptă că preîncălzirea aerului de ardere Qa este echivalentă cu răcirea produselor de ardere în agregatul tehnologic principal, de la tgev la tgu, adică:

Qa=V g cg (t gev−t gu )[kJ /kg combustibil ars]

Ținând cont de relația anterior redată:

b2=b1 ∙G1

G2

∙H i−V g cg t gevH i−V g cg t gu

[kg /kg]

Cu valoarea b2 se determină consumul specific de combustibil numai pentru agregatul tehnologic de bază, fără a ține seama de consumul suplimentar de combustibil Δb pentru preîncălzirea autonomă a aerului.

Presupunând că preîncălzitorul folosește același fel de combustibil (Hi aceeași), consumul specific total de combustibil pentru preîncălzirea autonomă a aerului de ardere este:

b3=b2+∆b=b2[1+V g cg ( t gev−t gu )H i−V g cgt gu

∙100

100−q ' r ] [kg/kg de produs]unde tgu este temperatura gazelor la coș, după preîncălzitorul de aer; q’r – pierderea de căldură în mediul ambiant a preîncălzitorului de aer, în % din bilanțul termic.

O combinație între preîncălzirea autonomă și aceea regenerativă a aerului de ardere (pentru aceeași Hi) arată că, dacă din punctul de vedere al productivității tehnologice ele sunt echivalente, din punct de vedere energetic apare o diferență esențială, deoarece întotdeauna b3 > b2. Această diferență crește pe măsură ce diferența de temperatură folosită în preîncălzitorul de aer (tgev – tgu) este cu atât mai mică, cu cât pierderile sale de căldură q’r sunt mai mari.

În condițiile reale de utilizare a preîncălzitoarelor autonome (t’a – t’gu) > (tgev – tgu), iar pentru preîncălzire este utilizat un combustibil mai prost decât la agregatele tehnologice de bază. Astfel de exemplu, în timp ce furnalele consumă cocs metalurgic scump, cauperele furnalelor funcționează pe gaze de furnal de calitate inferioară, transportabil la distanțe limitate. Atunci, preîncălzirea autonomă își mărește eficiența energetică.

În cazurile în care preîncălzitoarele autonome de aer de ardere folosesc drep combustibil gazele naturale sau păcura, cum ar fi cubilourile de turnare a fontei și cuptoarele verticale utilizate în metalurgia neferoasă, preîncălzirea autonomă devine mult mai puțin justificată. Aceasta se explică prin faptul că în cazuril respective gazele de ardere conțin în special căldură fizică, care poate fi folosită cu mai multă eficiență pentru preîncălzirea regenerativă a aerului de ardere.

Page 17: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Preîncălzirea materialelor tehnologice cu gazele de ardere. Utilizarea căldurii gazelor de ardere pentru preîncălzirea preliminară, înaintea camerei de lucru, a materialelor tehnologice – a încărcăturii – (pentru procesele de topire) sau a produsului propriu-zis (pentru procesele de încălzire) este prezentată schematic în fig.

Pentru a se putea pune în evidență efectul preîncălzirii materialelor tehnologice, în cele ce urmează se va considera camera de lucru a agregatului că funcționează fără preîncălzirea aerului de ardere.

Din punct de vedere constructiv, preîncălzitorul materialelor tehnologice are în general schema în contracurent și este alăturat camerei de lucru, ca parte separată a agregatului tehnologic propriu-zis. Astfel este cazul, de exemplu, al cuptoarelor multizonale pentru încălzirea metalelor, puțul cubiloului pentru turnarea fontei și cuptoarele pentru produs geamuri. În aceste cazuri există o limită constructivă și de temperatură, bine determinată, între camera de lucru propriu-zisă și partea de preîncălzire a agregatului. La cuptoarele verticale obișnuite, unde partea superioară o constituie preîncălzitorul în contracurent al produselor tehnologice, această delimitare este mai puțin clară.

Principala caracteristică a acestui mod de folosire regenerativă a călduriii gazelor de ardere o constituie faptul că regimul termic în camera de lucru de bază și în întregul agregat nu numai că nu se măresc, ci chiar se reduc puțin. Considerând constantă cantitatea totală de căldură primită de agregat, nu se poate considera creșterea cantității relative de căldură utilă. Ca urmare, productivitatea agregatului, în cel mai bun caz, rămâne aceeași sau chiar se reduce puțin. Aceasta depinde de modul de organizare a agregatului în ansamblu și de intensitatea schimbului de căldură în zona preîncălzirii materialelor tehnologice. Se consideră constantă valoarea producției G, în t/h și se ia la bază constanța cantității de căldură Qt preluată de agregat; în cazul preîncălzirii materialelor tehnologice consumul specific de combustibil va fi:

b2=b1 ∙H i−V g cgt gevH i−V g cg t gu

[kg /kgde produs]

După cum rezultă din relația anterioară, consumul specific de combustibil se reduce în cazul de față numai datorită răcirii gazelor evacuate de la tgev la tgu spre deosebire de cazul preîncălzirii aerului de ardere când creștea în același timp și productivitatea agregatului, în urma intensificării schimbului de căldură prin radiație în camera de lucru.

Aceste constatări sunt corecte numai în ipoteza făcută, a constanței cantității de căldură primită de agregat. Dacă consumul orar de combustibil B rămâne constant, odată cu preîncălzirea materialelor tehnologice va crește și productivitatea agregatului la valoarea G2 = B/b2.

Se poate spune deci, că preîncălzirea materialelor tehnologice este similară, ca eficiență tehnică și energetică, cu preîncălzirea apei de alimentare în economizorul unui cazan de abur.

Page 18: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Din punct de vedere economic, preîncălzirea materialelor tehnologice în agregatele pirotehnologice conduce la o serie de avantaje suplimentare, datorită faptului că suprafața de schimb de căldură o constituie însăși materialul încălzit, fără a mai fi nevoie de un schimbător de căldură special. De aceea, scad investițiile numai la valoarea aferentă costului suprafețelor de înzidire și elementelor de răcire (țevile de glisare ale cuptoarelor de încălzire). Din punctul de vedere al cheltuielilor anuale, cresc cele aferente energiei consumată suplimentar pentru deplasarea gazelor și alimentarea cu apă de răcire.

Limitele tehnico-economice ale utilizării gazelor de ardere pentru preîncălzirea materialelor tehnologice se pot analiza pe baza valorii coeficientului de regenerare a căldurii lor:

ηr=c p tft

Qcc

H i

V g cg t gev

unde: cp este căldura specifică raportată la unitatea de masă a materialului încălzit, care trebuie recalculată pentru produsul tehnologic final, dacă și consumul specific de combustibil este astfel

determinat; t ft” – temperatura finală de preîncălzire a materialului tehnologic; Qcc/Hi = b2 – consumul

specific de combustibil, adică odată cu creșterea calității sale (Hi).

Regenerarea chimică a căldurii gazelor de ardere constă în utilizarea culturii lor fizice pentru tratarea endotermă, preliminară, a combustibilului tehnologic inițial. Crește astfel conținutul de căldură legată chimic a combustibilului și totodată are loc preîncălzirea sa la temperaturi ridicate. Acest proces, împreună cu preîncălzirea aerului de ardere, are loc în camera de lucru a agregatului tehnologic, mărindu-i nivelul termic și reducând consumul specific de combustibil.

În principiu, tratarea termochimică endotermă poate fi aplicată oricărui combustibil. Avantajele ei sunt semnificative în special în cazul hidrocarburilor gazoase, a gazelor naturale cu 90–95% metan. În acest caz există două metode de prelucrare termochimică: descompunerea termică și conversia cu abur.

Descompunerea termică, utilizată pentru producția hidrogenului și a negrului de fum, se face stochiometric, conform ecuației:

CH 4+H 2O⇌CO+3H 2−9,196MJ , pentru1m3CH 4

Comparând cele două metode de tratare termochimică, se constată că descompunerea termică a) necesită un consum de căldură mult mai mic decât la conversia cu abur, adică realizează o regenerare chimică a căldurii gazelor de ardere mult mai mică (de cca 2,25 ori).

De asemenea, descompunerea termică are și alte dezavantaje, determinate de b) degajarea negrului de fum care, depunându-se pe suprafețele de încălzire, le înrăutățește funcționarea, complicând transportul gazelor și utilizarea lor mai departe în agregatul tehnologic propriu-zis. Aceasta se datorează condițiilor diferite de ardere a gazelor naturale, comparativ cu particulele de cărbune din negrul de fum, conținute în aceste gaze.

Page 19: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

De aceea, în cele ce urmează, pentru regenerarea chimică a căldurii gazelor arse, se va lua în discuție numai conversia gazelor naturale cu abur, care are loc după schema de principiu din fig.

În cazul de față este prezentată legarea în paralel, pe parte de gaze de ardere, a preîncălzitorului de aer și a reactorului de conversie, ceea ce constituie soluția mai rațională atunci când temperatura aerului preîncălzit și a gazelor de conversie este apropiată. Această soluție asigură o utilizare regenerativă aproape totală a căldurii gazelor de ardere cu temperaturi ridicate, pentru temperaturi finale moderate ale componentelor de ardere.

Până în prezent, conversia cu abur a gazelor naturale este aplicată în unele procese chimice, care se bazează pe producerea și prelucrare H2 și în siderurgie, pentru obținerea gazelor calde de refacere care înlocuiesc parțial cocsul în furnale și mediul de protecție în cuptoarele pentru încălzirea metalelor. În aceste scopuri, se utilizează reactoarele omogene sau eterogene.

Reactoarele omogene funcționează, fără catalizatori, la temperaturi de 1300–1400 oC ale gazelor de conversie. Cele eterogene pot fi cu umplutură, asemănătoare constructiv cu cauperele furnalelor, sau tubulare, cu încălzirea exterioară continuă a țevilor, în care temperatura gazelor de conversie este indusă până la 750–800 oC, având în vedere că țevile de metal nu trebuie să depășească 1000 oC.

Reactoarele tubulare sunt mai bune atât din punct de vedere tehnologic, al productivității specifice, cât și din punctul de vedere al conversiei gazelor naturale. Ele sunt mai eficiente și din punctul de vedere al recuperării căldurii gazelor de ardere, deoarece conduc la formarea unei cantități sensibil mai mici de negru de fum.

Formarea negrului de fum, care nu este total exclusă în reactoarele tubulare, conduce la reducerea bruscă a activității catalizatorilor de suprafață, micșorând recuperarea căldurii gazelor de ardere și mărind pierderile din focarul agregatului tehnologic (cresc pierderile mecanice cu particulele solide de carbon).

Pe lângă productivitatea relativ mică, reactoarele tubulare existente prezintă și dezavantajul unei rezistențe hidraulice mari (care ajunge până la 3 bar) și a unui consum specific mare de abur necesar conversiei, ceea ce determină creșterea cheltuielilor energetice. Aceasta are o importanță mai mare când gazele de ardere sunt utilizate drept combustibil tehnologic, față de utilizarea lor pentru obținerea unor produse chimice, unde cheltuielile energetice datorate conversiei au o pondere mică în costul relativ mare al produselor astfel obținute.

Utilizarea căldurii gazelor de ardere pentru regenerarea chimică este limitată în procesele pirotehnologice unde gazele de ardere nu conțin particul topite antrenate.

Utilizarea tehnologică – regenerativă – combinată a căldurii gazelor de ardere presupune folosirea lor pentru preîncălzirea aerului de ardere, combinată cu aceea a materialelor tehnologice. Aceasta este posibilă în cazul proceselor tehnologice continui și pentru tratarea termică a materialelor omogene ca formă, cum ar fi: cuptoarele continui pentru încălzirea metalelor, cuptoarele verticale

Page 20: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

pentru topirea și arderea minereului în bucăți etc. În aceste cazuri, recuperarea căldurii gazelor de ardere pentru preîncălzire reprezintă soluția cea mai rațională tehnologic și energo-economic. Abaterile observate uneori se explică prin prezența în gazele de ardere a unei cantități considerabile de căldură legată chimic (gazele de furnal) sau la folosirea răcirii prin vaporizare a cuptoarelor (țevilor glisante) și necesitatea supraîncălzirii aburului obișnuit, precum și din motive constructive, privind realizarea de serie a recuperatoarelor de oțel pentru temperaturi înalte.

Soluția utilizării regenerative combinate a căldurii gazelor de ardere nu se poate aplica în condiții tehnico-economice avantajoase la toate agregatele pirotehnologice cu acțiune ciclică, cum ar fi: cuptoarele Martin, puțurile de încălzire, cuptoarele de afânare și sublimare a zgurii, convertizoarele etc.

În general, la examinarea problemei utilizării regenerative închise a căldurii gazelor de ardere, trebuie avute în vedere următoarele condiții generale: a) transportul gazelor tehnologice, cu temperaturi înalte, prin canalele de legătură este pe cât posibil de evitat, datorită pierderilor mari de căldură și greutăților ce apar suplimentar în cazul existenței antrenării topite. De eaceea zona preîncălzirii materialelor tehnologice trebuie întotdeauna amplasată lângă camera de lucru propriu-zisă a agregatului, dacă aceasta nu este exclusă din motive tehnologice.

b) avantajele economice ale utilizării regenerative a căldurii gazelor de ardere trebuie bine analizate, deoarece apar următoarele aspecte:

- economia de combustibil rezultată odată cu creșterea coeficientului de recuperare a căldurii se reduce sensibil;

- la creșterea coeficientului de recuperare a căldurii, temperatura maselor încălzite și de încălzire se apropie inevitabil, mărind brusc suprafețele de schimb de căldură necesare, micșorând în final eficacitatea economică a recuperării;

Utilizarea tehnologică a căldurii gazelor de ardere prin recirculare. Un procedeu special de utilizare tehnologică (regenerativă) a căldurii gazelor de ardere este recirculația lor din porțiunea finală a agregatului tehnologic, direct în camera de lucru sau în porțiunea imediat următoare acesteia, în vederea reducerii temperaturii mediului gazos de aici.

Necesitatea reducerii temperaturii în camera de lucru a agregatului poate apare în cazul în care procesul pirotehnologic impune un nivel termic moderat, care ar fi greu de realizat chiar în cazul lipsei preîncălziriiaerului de ardere. În unele cazuri (folosirea combustibililor superiori) realizarea acestei condiții este contradictorie cu necesitatea creșterii economicității termice a procesului.

Răcirea avansată a gazelor de ardere este cel mai ușor de realizat, în special pentru agregatele tehnologice mici, prin folosirea preîncălzitoarelor de aer, care răcesc gazele de ardere până la tgu < tgev. În acest caz circulația gazelor în camera de lucru, care compensează influența preîncălzirii aerului de ardere, permite satisfacerea condițiilor tehnologice, cu menținerea totodată a unei eficiențe termice ridicate a agregatului.

Page 21: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Necesitatea reducerii temperaturii gazelor de ardere după camera de lucru, în fața următorului subansamblu care folosește căldura, este determinată în general de condiții privin protecția lui contra zgurificării cu particule topite antrenate.

Răcirea locală sau periodică a gazelor de coș se poate realiza prin amestecul lor cu aer rece, prin injectarea apei pulverizate sau prin recircularea gazelor răcite.

Avantajul principal al răcirii prin recircularea gazelor de ardere constă în faptul că în acest caz pierderea de căldură cu gazele evacuate în atmosferă rămâne constantă. Totodată toate consumurile energetice suplimentare sunt limitate la cele aferente deplasării gazelor de ardere între punctul lor de prelevare și punctul de introducere în agregat.

Pentru reducerea acestor consumuri, este rațională alegerea punctului de prelevare a gazelor pentru recirculație în zona cu temperatura cea mai coborâtă.

Recircularea gazelor de ardere prelevate înaintea preîncălzitorului de aer determină reducerea potențialului termic al gazelor folosite la preîncălzire, înrăutățind schimbul de căldură aferent. Din această cauză metoda recirculării gazelor de ardere se admite numai provizoriu sau periodic, pentru scurt timp, pentru răcirea gazelor de ardere evacuate, în fel de altfel ca și amestecul cu aer rece sau injecția apei.

Utilizarea energetică a căldurii gazelor de ardere

Domenii de utilizare energetică a căldurii gazelor arse. Utilizarea tehnologică prin regenerare a căldurii gazelor de ardere în cadrul agregatului pirotehnologic, poate fi considerată soluția optimă mai ales atunci când simultan se intensifică și procesul tehnologic.

Există însă procese pirotehnologice la care nu este posibilă utilizarea nici unui procedeu de folosire tehnologică a căldurii gazelor de ardere. 1) Astfel, este procesul de obținere a fontei de convertizor prin insuflare de oxigen, când formarea gazelor și degajarea căldurii au loc în urma reacțiilor de oxidare ale unor elemente (carbon, silisciu etc.) din metalul topit.

2) Un alt exemplu este obținerea oțelului prin afânarea fontei cu oxigen, procedeu aplicat din ce în ce mai mult. În acest caz rezultă o cantitate mare de gaze cu temperatură înaltă, a căror utilizare tehnologică este exclusă. Același lucru apare și la stingerea uscată a cocsului.

De asemenea, în prezent sunt utilizate tot mai mult instalațiile pirotehnologice de încălzire la temperaturi înalte, în care nu există posibilitatea preîncălzirii materialelor tehnologice, iar preîncălzirea aerului de ardere, până la temperatura limită de 1000–1200 oC, asigură utilizarea a maxim 50–60% din conținutul de căldură al gazelor de ardere.

Page 22: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Astfel este 3) cazul cuptoarelor Martin mari, care funcționează cu o încărcătură formată din 70–80% fontă lichidă, pierzând cu gazele de ardere, după preîncălzirea aerului de ardere până la 1100–1200 oC, circa 40% din căldura introdusă cu combustibilul ars.

Același lucru se întâmplă la 4) cuptoarele adânci de încălzire, ale secțiilor de laminare, în care sunt aduse lingourile la 600–800 oC; după preîncălzirea aerului de ardere la 800–1000 oC, se pierde cu gazele de ardere minimum 35% din căldura combustibilului.

O altă limitare la utilizarea tehnologică a gazelor de ardere este deteminată de prezența în acestea a particulelor topite antrenate, cum este 5) cazul cuptoarelor cu reverberație pentru topire și afânare, precum și al unor cuptoare folosite în metalurgia neferoaselor. Transportul acestor gaze și utilizarea lor în schimbătoare de căldură prin suprafață este posibilă numai după granularea prin radiație a antrenării, ceea ce este asigurat în cea mai mare măsură de elementele de vaporizare ale cazanelor recuperatoare ecranate.

Rezultă că există un număr mare de procese pirotehnologice de bază, ale industriei grele sau chimice, unde este rațională utilizarea energetică a căldurii gazelor de ardere, în majoritatea cazurilor combinată cu aceea tehnologică.

În cazul proceselor și cuptoarelor arătate mai sus, raționalitatea utilizării energetice a căldurii gazelor de ardere este determinată numai de considerente energetice, adică de economisirea combustibilului.

Trebuie specificate că utilizarea energetică a căldurii gazelor de ardere rezultate din procesele pirotehnologice se referă, în marea majoritate a cazurilor, la cazanele de abur recuperatoare speciale. În general, ea poate fi luată în considerare ori de câte ori un agent termic energetic, rezultat prin utilizarea căldurii gazelor tehnologice, este folosit dincolo de limitele agregatului tehnologic respectiv.

Utilizare energetică a căldurii gazelor de ardere se poate face 1) în direcție termică, folosind cazane recuperatoare de abur sau 2) în direcție electroenergetică, folosind direct gazele de ardere în ciclul turbinelor cu gaze sau folosind aburul cazanelor recuperatoare în turbinele cu abur.

De asemenea, datorită nivelului termic ridicat al gazelor de ardere rezultate din procesele pirotehnologice, apare foarte adesea ca posibilă tehnică folosirea căldurii într-un ciclu mixt abur-gaze.

De fiecare dată, în funcție de condițiile concrete, calculele tehnico-economice decid asupra direcției raționale de utilizare.

Utilizarea gazelor arse din procesele pirotehnologice în cazanele de abur recuperatoare. Utilizarea căldurii gazelor de ardere, rezultate din procesele pirotehnologice, în cazanele recuperatoare pentru producerea aburului, reprezintă una din soluțiile cel mai des aplicată pentru îmbunătățirea balanței energetice a întreprinderilor industriale. Aceasta se justifică în primu rând prin nivelul termic ridicat al gazelor de ardere și prin faptul că în general costul aburului produs în cazanele recuperatoare este mult mai mic decât al celui produs în cazanele clasice, arzând combustibil.

Page 23: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Introducerea cazanelor recuperatoare conduce în multe cazuri la îmbunătățirea condițiilor de funcționare ale cuptoarelor, datorită tirajului forțat creat de ele și a purificării gazelor de ardere de impuritățile mecanice. Investițiile necesare instalării unui astfel de cazan se recuperează în general între 2–3 ani.

Direcții de utilizare a aburului. Eficiența cazanelor de abur recuperatoare este determinată în primul rând de condițiile folosirii aburului produs, care este posibilă principial în două direcții:

a) pentru alimentarea cu căldură, sub formă de apă caldă și abur;b) pentru producerea energiei electrice sau a celei combinate de căldură și energie electrică.

Utilizarea cazanelor recuperatoare pentru alimentarea cu căldură a întreprinderilor industriale are o eficiență tehnico-economică mai mică, datorită în principal următoarelor cauze: în consumul total de căldură sub formă de abur și apă caldă, componenta tehnologică reprezintă în general numai 40–60%. Din această cauză sarcina termică de vară se reduce, comparativ cu iarna, de cca 2 ori. Pe de altă parte disponibilitatea anuală a gazelor de ardere, folosite în cazanele recuperatoare, este relativ constantă, ceea ce conduce vara la posibilitatea producerii în cazanele recuperatoare a unei cantități de căldură de 1,3–1,8 ori mai mare decât necesarul. În aceste condiții, folosirea cazanelor recuperatoare pentru alimentarea cu căldură va conduce la utilizarea incompletă a unei părți considerabile a r.e.s. disponibile, cel puțin 25–30%.

În legătură cu aceasta, există în prezent cazuri când în perioada de vară se opresc unele din cazanele recuperatoare de joasă presiune și gazele arse, cu temperatură ridicată, sunt evacuate în atmosferă.

Pe de altă parte, independent de cele expuse, eficiența energetică a utilizării cazanelor de abur recuperatoare pentru alimentarea cu căldură se reduce considerabil, cu 25–35%, când întreprinderea respectivă este alimentată dintr-o CET.

Din aceste motive, soluția optimă este utilizarea în direcție electroenergetică a aburului produs de cazanele recuperatoare. În acest caz nu mai există limitări cantitative sau sezoniere de utilizare a aburului și nici eficiența unei CET existente eventual în zonă nu se mai reduce.

Eficiența economică a cazanelor de abur recuperatoare depinde de eficiența lor energetică, economia de combustibil astfel realizată, ca și de costul instalațiilor suplimentare.

Economia de combustibil realizată prin folosirea cazanelor recuperatoare, în condițiile concrete date, depinde de direcția de utilizare a aburului livrat și de nivelul termic al gazelor de ardere la intrarea în cazan.

Astfel economia anuală de combustibil realizată în cazul folosirii cazanelor recuperatoare în direcție termică este dată de relația:

∆ Bc=τ ∙Qgu (1−xc ) (1−α )

ηcin ∙29,3 ∙103 [ t /an]

Page 24: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

în care: Qgu este cantitatea de căldură utilizată a gazelor de ardere, în MJ/h; τ – durata anuală de funcționare a cazanului recuperator, în h/an; α – un coeficient care ține seamă de înrăutățirea funcționării CET înlocuite; ηcin – randamentul mediu anual al cazanelor înlocuite.

Coeficientul α variază în limitele 0,2–0,4 mărindu-se cu reducerea presiunii prizei înlocuite.

Analizând expresia anterioară se constată că economia de combustibil depinde în primul rând de valoarea cantității de căldură Qgu utilizată, care se deosebește de cantitatea totală de căldură disponibilă a gazelor de ardere Qg. Raportul Qgu/Qg caracterizează gradul de utilizare a căldurii gazelor de ardere:

ηu=Q gu

Qg

Investițiile aferente instalațiilor de cazane recuperatoare sunt determinate în primul rând de suprafața specifică de schimb de căldură s pentru unitatea de cantitate de căldură folosită. Aceasta la rândul său este funcție de temperatura t’g inițială a gazelor de ardere intrate în cazanul recuperator.

Rezultă încă odată eficiența economică deosebită a cazanelor de abur recuperatoare cu temperaturi înalte, care produc abur cu parametrii electroenergetici și asigură o economie mai mare de combustibil.

În practică, eficiența tehnico-economică a folosirii cazanelor recuperatoare presupune examinarea prealabilă a următoarelor probleme de bază:

1. Alegerea direcției raționale de utilizare a aburului livrat de cazanele recuperatoare și influența parametrilor inițiali ai acestuia, în funcție de soluția alimentării cu energie a întreprinderii respective, după schema separată sau combinată.

2. Alegerea raportului optim de distribuție a căldurii gazelor de ardere între instalațiile de preîncălzirea aerului sau a combustibilului (sau a materialelor tehnologice) și în cazanele recuperatoare.

3. Determinarea debitelor de abur ale cazanelor recuperatoare pentru care instalarea lore este rațională.

Utilizarea gazelor de ardere în turbinele cu gaze, pentru producerea de energie electrică poate avea loc, în principiu, în felul următor: prin destinderea lor direct într-o turbină cu gaze sau prin încălzirea aerului necesar turbinei cu aer.

Prima soluție se poate realiza în două variante de bază:

a) folosirea gazelor de ardere drept combustibil în camera de ardere a ciclului turbinei cu gaze, când ele conțin o cantitate suficientă de căldură legată chimic. Această variantă poate necesita în prealabil o compresie a gazelor de ardere, sau nu, în funcție de presiunea lor de evacuare din agregatul energotehnologic;

b) folosirea gazelor de ardere direct în turbina cu gaze, atunci când conținutul lor chimic și presiunea de prelevare din agregatul tehnologic permite acest lucru.

Page 25: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

În cea de-a doua soluție, gazele de ardere sunt utilizate într-un cazan de aer fierbinte, necesar ciclului clasic al turbinei cu aer.

Eficiența folosirii gazelor de ardere pentru producerea energiei electrice în turbinele cu gaze. Producerea energiei electrice pe baza folosirii totale sau parțiale (în combinație cu preîncălzirea aerului de ardere) a căldurii gazelor de ardere este posibilă atât într-un ciclu cu abur (prin intermediul cazanelor recuperatoare), așa cum s-a arătat, ceea ce reprezintă soluția cel mai des aplicată, cât și cu folosirea în acest scop a turbinei cu gaze cu cazanul de aer fierbinte introdus în canalul de gaze al agregaului tehnologic.

Randamentul energetic al ciclului turbinei cu aer este dat de relația:

ηc=

T a,

T ac

∙ ηta ∙ ηc−1

T a,

T ae

−T ac

T ae

∙ ηc−1∙100[% ]

în care: T a, , T ac, T ae sunt temperatura absolută a aerului la intrare și ieșirea din compresor, respectiv la

intrarea în turbina cu aer, în K; ηta , ηc – randamentele relativ intern al turbinei cu aer și al compresorului.

Temperatura aerului după compresor este funcție de gradul de compresie al acestuia, π = Pac / Pae, conform relației:

T ac=Tae ∙ πk−1k [K ]

unde k este exponentul politropic al compresiei, considerat egal cu 1,35.

Ciclul cu turbină cu aer se deosebește esențial de cel cu abur, unde temperatura aburului supraîncălzit nu este dependentă rigid de presiunea sa, iar pentru vehicularea apei de alimentare (pompa de apă de alimentare) se consumă o cotă relativ mică din puterea produsă de turbină.

Eficiența energetică este mai mică la ciclul cu turbină cu aer, comparativ cu cel al turbinei cu abur chiar și atunci când se ia în considerație recuperarea căldurii aerului evacuat din turbină pentru preâncălzirea erului de ardere, după preîncălzirea aerului de ardere, după preîncălzirea suplimentară a acestuia până la temperatura ta impusă de procesul tehnologic.

În cazul turbinei cu aer, spre deosebire de turbina cu abur cu condensație, pierderea de căldură cu aerul evacuat are o pondere mult mai mică comparativ cu consumul de energie în compresor.

Din punctul de vedere al temperaturii finale tgu de evacuare a gazelor de ardere în atmosferă, ciclul turbinei cu aer este de asemenea inferior energetic celui cu abur. Astfel, în instalația turbinei cu aer, deoarece ηe este maxim pentru valorile optime ale gradului de compresie, cărora le corespund

Page 26: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

temperaturi tac = 220–440 oC, răcirea gazelor de ardere evacuate la coș nu poate să scadă sub 300–350 oC. Comparativ, în ciclul turbinei cu abur (unde răcirea gazelor de ardere se face în final în prima treaptă de preîncălzire a aerului, cu temperatura de 20–30 oC) gazele de ardere ating ușor la evacuare: tau = 130–150 oC.

Agregatul tehnologic nu poate utiliza integral debitul de aer eșapat de turbină. Ori, pentru a asigura în cazanul de aer fierbinte, încălzirea aerului comprimat de la temperatura tac până la temperatura t’a de 600–700 oC de mai sus, este necesară modificarea echivalentului în apă al gazelor de ardere Wg și al aerului încălzit Wa. Aerul evacuat din turbină are o suprapresiune mică și temperatură relativ coborâtă. Transportul lui în secțiile de producție vecine, pentru scopuri tehnologice, este neeconomic. De aceea suplimentul de aer este eșapat de turbină în atmosferă, mărind și mai mult pierderile ciclului.

În afara acestor aspecte tehnice, utilizarea ciclului de turbină cu aer pentru recuperarea electroenergetică a căldurii gazelor de ardere prezintă și următoarele deficiențe economice:

- întreaga instalație necesită oțel aliat foarte scump, oțel austenitic pentru cazanul de aer și oțel cu conținut mare de crom pentru treapta caldă a preîncălzitorului de aer de ardere, amplasat imediat după camera de lucru a agregatului tehnologic;

- imposibilitatea concentrării puterii, care s-ar putea obține prin centralizarea mai multo agregate tehnologice, din cauza greutăților tehnice și neraționalității economice a transportului aerului cald la distanțe mai mari.

Rezultă că folosirea electroenergetică a gazelor de ardere în ciclul turbinei cu aer (inclusă în canalul gazelor de ardere) se justifică numai când agregatul tehnologic necesită un proces cu suprapresiune. Este cazul, de exemplu, al turbinei cu gaze care folosește suprapresiunea gazelor de furnal și care restituie pe această cale o parte din puterea consumată pentru aerul de ardere insuflat în furnal.

În majoritatea cazurilor utilizarea electroenergetică a căldurii gazelor de ardere este mai eficientă când se face în ciclul turbinei cu abur, decât în cel al turbinei cu aer.

Utilizarea combinată a căldurii gazelor de ardere

În cele mai multe cazuri nivelul termic al gazelor de ardere ca și conținutul absolut de căldură, este mult mai mare decât necesitățile preîncălzirii aerului de ardere sau a combustibilului. Apare atunci oportună combinarea folosirii regenerative a gazelor de ardere cu cazanele recuperatoare sau cu ciclul turbinei cu gaze. În aceste condiții se pune problema repartiției cantității de căldură a gazelor de ardere între preîncălzitorul de aer și cazanu de abur recuperator sau turbina cu gaze, astfel încât pe ansamblu efectul energoeconomic al folosirii r.e.s. să fie maxim.

Repartiția utilizării gazelor calde între preîncălzitorul de aer și cazanul recuperator . Problema care se pune aici, din punct de vedere matematic, este de a repartiza debitul termic al gazelor de ardere

Page 27: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

Qg între cele două instalații recuperatoare, astfel încât cheltuielile anuale totale pe ansamblul instalației, la nivelul economiei naționale, să fie minime.

Metode: 1) cu ajutorul grafelor de fluență; metoda este greoaie și conduce la aflarea numai a unor date primare, necesare pentru optimizare;

2) pe baza principiului maximului discret.

Metoda 2 presupune scrierea unor relații de recurență între valorile parametrilor urmăriți și ale vectorului de decizie, în cazul de față funcția care exprimă criteriul tehnico-economic adoptat, valori care conduc la optimizarea procesului în ansamblu.

Calculul este iterativ, putându-se ușor adapta la efectuarea pe calculator, cu ajutorul unui program tipizat. Bazat pe aceste metode sunt analizate posibilitățile de recuperare a căldurii gazelor de ardere la cuptoarele de topit metale neferoase (cupru, plumb și aliajele lor).

Utilizarea gazelor de ardere la preîncălzirea aerului și în turbinele cu gaze pentru acționări . În ultimul timp, odată cu realizarea unor mair combinate metalurgice, chimice etc., puterea necesară antrenării agregatelor principale de compresie și pompare din instalațiile tehnologice aferente a crescut foarte mult. De exemplu, în chimie se estimează că puterea necesară acestor agregate va ajunge la circa 50–60% din puterea totală instalată, cu valori unitare curente de 15–25 MW/agregat.

Antrenarea acestor agregate se poate face cu motoare electrice, cu turbine cu abur sau cu turbine cu gaze. Din cauza puterilor unitare mari, antrenarea cu motoare electrice nu mai este oportună din punct de vedere tehnicoeconomic și în plus pune probleme suplimentare la pornire și funcționare sigură. În schimb, utilizarea turbinelor cu abur sau cu gaze pentru acționarea utilajelor respective nu creează nicio problemă, din punct de vedere al întreținerii, pornirii și exploatării curente, asigurând în plus o funcționare în zona randamentelor ridicate.

În cazul combinatelor siderurgice, în speță la furnale, apare și necesitatea încălzirii și comprimării aerului produs.

Pentru toate aceste cazuri este caracteristic faptul că în tehnologia de fabricare a produselor respective apar mari cantități de r.e.s. sub diverse forme și cu diferite nivele termodinamice, dar mai ales mari cantități de gaze de ardere la temperatură înaltă, iar uneori și cu un conținut de căldură legată chimic, cum este cazul gazelor de furnal.

Concluzii

Există tendința ca eficiența utilizării r.e.s. să fie privită ca o problemă numai de economie de combustibil. Datorită unor limitări apărite practic în acest sens, utilizarea r.e.s. este evitată de multe ori. De aceea, o analiză a eficienței utilizării r.e.s. ale proceselor pirotehnologice trebuie făcută din punct de

Page 28: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

vedere tehnico-economic, nu numai al economiei de combustibil, ținând seama și de efectele asupra desfășurării proceselor din care ele provin.

Utilizarea regenerativă a r.e.s. și în special a căldurii gazelor de ardere cu temperaturi înalte, la preîncălzirea aerului sau a combustibilului sau pentru regenerarea chimică, este soluția optimă de recuperare, mai ales că ea este urmată și de creșterea temperaturii în camera de lucru, ceea ce mărește productivitatea acesteia.

După cum s-a arătat însă, există limite tehnico-economice destul de rigide privin preîncălzirea aerului de ardere cu gazele de ardere, din care cauză, în cele mai multe cazuri, se poate recupera maximum 50% din conținutul de căldură fizică al acestor gaze. Regenerarea chimică a căldurii gazelor de ardere, aplicabilă în special în cazul gazelor naturale, implică soluții tehnice complicate și consumuri suplimentare de combustibil pentru producerea aburului și oxigenului necesar procesului de conversie endotermă.

De asemenea, creșterea temperaturii în camera de lucru, prin preîncălzirea aerului de ardere sau regenerarea chimică a gazelor de ardere, este într-o oarecare contradicție cu intensificarea procesului prin îmbunătățirea amestecului de ardere. Astfel, îmbunătățirea modului de formare a amestecului de ardere mărește temperatura în camera de lucru, fără nicio altă cheltuială suplimentară. Însă și această creștere are anumite limitări, deoarece la temperaturi ale gazelor mai mari de 1700-1800 oC are loc disocierea CO2 și H2O, ceea ce conduce în final la o reducere a temperaturii. Ca urmare, arderea poate fi chimic incompletă și cu întinderea flăcării, uneori, dincolo de limitele camerei de lucru, atunci când gazele conțin o cantitate suficientă de oxigen liber pentru arderea suplimentară a produselor disocierii. Creșterea temperaturii gazelor de ardere la capătul camerii de lucru, este de nedorit în majoritatea cazurilor, deoarece conduce la o creștere bruscă a uzurii suprafețelor ceramice și mărește consumul specific de combustibil.

Utilizarea regenerativă a căldurii gazelor de ardere la preîncălzirea materialelor tehnologice (încărcăturii sau produselor) are de asemenea anumite limite: economia de combustibil realizată scade brusc cu creșterea coeficientului de regenerare peste 0,5. La fel se modifică eficiența oricărei alte variante de utilizare regenerativă – tehnologică – a r.e.s. ale proceselor pirotehnologice.

Utilizarea energetică a căldurii r.e.s. de orice natură și în special a gazelor de ardere, este recomandabilă în următoarele cazuri:

1) dacă posibilitățile de preîncălzire la temperaturi înalte a aerului de ardere sunt epuizate, iar conținutul de căldură și temperatura gazelor de ardere sunt încă destul de mari;2) când este justificată tehnologic numai o preîncălzire moderată a aerului de ardere și din punct de vedere tehnologic este necesară răcirea în continuare a gazelor de ardere, pentru granularea particulelor topiturii antrenate;3) când nu este de loc aplicabilă utilizarea regenerativă, adică la cuptoarele care nu folosesc combustibil (convertizoare cu oxigen și instalații de stingere uscată a cocsului).

Page 29: Utilizarea căldurii gazelor evacuate

De multe ori utilizarea energetică a căldurii gazelor de ardere de la cuptoare este absolut necesară, la un grad de recuperare ridicat. Trebuie ținut seama însă de faptul că în cazul recuperării energetice, nu se face economie de combustibil tehnologic, ci de cel energetic, cu calități mai slabe.