curs12 rom farasch - mmut.mec.upt.rommut.mec.upt.ro/ioana/master/curs4_ge.pdf · coeficientului, la care se asigura o ardere completa. ... µg/kg Unitati de masura pentru imisii.

Arderea• Arderea este un proces chimic exotermicexotermic obtinut prin

oxidarea combustibililor.• Combustibilii sunt surse de energie termica, izvoare

termodinamice. • Se numesc combustibili (SOLIZI, GAZOSI, LICHIZI)

substantele care indeplinesc o serie de conditii dintre care cel mai important este faptul ca se combina cu oxigenul.

• Conditiile pt. ca un material sa fie considerat combustibil:• se pot combina cu oxigenul din aer cu viteza suficient de mare, degajând

energie termica (reactie exotermica);• sa nu aibe alte intrebuintari superioare;• sa aiba un pret acceptabil;• produsele arderii sa nu contina elemente toxice;

• Combustibilii sunt fosili si neconventionali.

Analiza chimica elementara pt combustibilii solizi si lichizi

• Analiza chimica elementara exprima participarea masica a elementelor care formeaza masa masa combustibilacombustibila, dar si continutul de cenusa, azot si umiditate care formeaza balastulbalastul.

• Elementele chimice din care este format un combustibil solid sau lichid sunt: carbonul (C), hidrogenul (H), sulful (S), azotul (N), oxigenul (O), umiditatea (W) si cenusa (A).

• c+h+s+n+o+w+a=1 [kg]

Analiza chimica elementarapentru combustibilii gazosi

• Hidrogen (H2)c, monoxid de carbon (CO)c, metan (CH4)c, hidrocarburi de tipul (CmHn)c in general, oxigen (O2)c, etc.

• Analiza elementara a unui combustibil gazos indica participatiile volumice ale gazelor ce sunt simple componente, sunt stabile din punct de vedere chimic, si al caror amestec formeaza combustibilul.

• Între participatiile volumice exista relatia:• (H2)c+(CO)c+(CH4)c+(CmHn)c+(O2)c+(CO2)c+(N2)c=1m3

N

Compozitia chimica a combustibililorC, H, N, O So Ss M Wt

Sulf Umiditatea Masa organica conventionala

organic sulfura

Masa minerala necom bustibila

higroscopica De imbibatie

Masa organica (o)

Masa combustibila (mc)Combustibil anhidru (anh)Proba uscata la aer, proba de analiza (a)

Proba initiala (i)

Analiza tehnica (imediata) a carbunilorA C H N O S W

Masa organica Umiditate Cenusa

Carbon fix

Materii volatile

Cocs

Proba pentru analiza

(higroscopica)

Arderea si puterea calorifica• Arderea poate fi:

• completa (masa combustibila se oxideaza complet);• perfecta (nu exista CO sau alti produsi oxidati doar partial);

• Puterea calorica (adica cantitatea de caldura dezvoltata la arderea perfecta si completa a unitatii de masa de combustibil) poate fi:

• superioara Hs pentru cazul când apa este evacuata în stare lichida;

• inferioara Hi pentru cazul când apa este evacuata în stare de vapori (si prin urmare s-a pus in libertate, prin condensarea vaporilor, caldura de vaporizare);

• Hi=Hs-2510 (9*h+wt) [kJ/kg] unde 2510 kJ/kg reprezinta caldura de vaporizare medie a apei, iar (9*h+wt) reprezinta cantitatea de apa rezultata prin oxidarea hidrogenului, plus umiditatea din combustibil.

Formule empirice• C2H6 -etan, C3H8-propan, C4H10-butan, C2H2-

acetilena, C2H4-etilena, C5H12-pentan; C6H14-hexan, C7H16-heptan, C8H18-octan, C6H6-benzen, H2S-hidrogen sulfurat;

• Hi=33900c+120120*(h+o/8)+9250 s-2510 w [kJ/kg] pentru combustibili solizi sau lichizi;

• Hi=12720*(CO)c+10800(H2)c+35910(CH4)c++60020(C2H4)c+63730(C2H6)+56920(C2H8)c+…+23400(H2S)c [kJ/m3

N] pentru comb gazosi• combustibil conventional Bcc : Hicc= 7000 kcal/kg=29300 kJ/kg• B*Hi=Bcc*Hicc? formula de calcul pt cantitatea de cc

Compozitia probei initiale/de analiza/etc.

ci+hi+ssi+ so

i +ni+oi+wti+ai=1 [kg]

ca+ha+ssa+ so

a+na+oa+wha+aa=1 [kg]

Hia, Hi

i, Hsa, Hs

i

Hiam = p Hi1 + (1-p)Hi2 [kJ/kg]

p - este participarea masica a fiecarui combustibil in amestec,atunci cand ard doi combustibili

Exemple (valori informative)

Combustibil Puterea calorifica inferioara Hi (i) MJ/kg

Huila 22 ÷ 31,5 Cocs, brichete 29 ÷ 32 Carbune brun 8,5 ÷ 20 Lignit 6,0 ÷ 8,0 Lemn 8 ÷ 15 Combustibil lichid usor (CLU) 42,7 Pacura S 41,0 Gaz natural 46,9 Biogaz 22 ÷ 27

Gaz lichid (C3H8, C4H6) 46,0 Deseu (menajer, industrial) 2,0 ÷ 6,0

Arderea carbonului

• C+O2=CO2+Qc

• 1 kmol C+1 kmol O2=1 kmol CO2+405,8 MJ/kmol• 12 kg C+1 kmol O2=1 kmol CO2 :12 *c• c kg C +c/12 kmol O2= c/12 kmol CO2

Arderea sulfului

• S+ O2=SO2+Qs

• 1 kmol S +1 kmol O2=1 kmol SO2+290,2 MJ/kmol

:32, *s

• s kg S+s/32 kmol O2= s/32 kmol SO2

Arderea hidrogenului

• H2+0,5 O2=H2O+QH

• 1 kmol H2+0,5 kmol O2=1 kmol H2O+240 MJ/kmol

:2, *h

• h kg H2+ h/4 kmol O2= h/2 kmol H2O

Arderea monoxidului de carbon

• CO+0,5 O2=CO2+Qco

• 1 kmol CO+0,5 kmol O2 = 1 kmol CO2+

+283,7 MJ/kmol,

• 1m3N CO+0,5 m3

N O2=1m3N CO2

Arderea unei hidrocarburi

• CmHn+ (m+n/4) O2= m CO2+n/2 H2O+Q

• 1 kmol CmHn+ (m+n/4) kmol O2 = m kmol CO2+

+n/2 kmol H2O

• 1 m3N CmHn+ (m+n/4) m3

N O2= 1m m3N CO2+n/2

m3N H2O

Volum minim necesar de oxigen• Volumul de oxigen necesar arderii complete a

unitatii de combustibil = oxigen minim necesar.• Pentru combustibili solizi si lichizi:• Omin=c/12 + h/4 + s/32 - o/32 [kmol O2/kg comb]• dupa ce se scade oxigenul continut în combustibil• Exprimat in m3

N pe kg de combustibil (c) va fi:• Omin=22,4*(c/12 + h/4 + s/32 - o/32 ) [m3

N O2/kg c]

• Omin =1,876 c + 5,6 h + 0,7 s - 0,7 o [m3N O2/kg c]

• [m3N O2/kg c] ][ )

8s-o

-3(h+c12

22,41O2min =

Oxigenul minim necesar arderii combustibilului gazos

−++++=

lcombustibi /kmol2O kmol

c)2(Oc)nHm)(C

4n(m

42CHc)2

(Hc(CO)21

2minO

Aerul necesar arderii (L)

=

comb

3N2min

min kgm

0,21

OL

min

real

LL

aer de minima camtitateaaer de reala cantitatea

==λ

Coeficient de exces de aer

=

comb

aer2minmin kg

kg

0,232O

L

Produsele arderii. Cazul combustibilului solid sau lichid

444 3444 21444 3444 21lcombustibi din

sauaer dindirect

O2H2N2O

oxidare de reactiile din

2SOO2H2COgt VVVVVVV +++++=λ

12c

22,41V2CO = [ ]/kgm 3

N

O2H

pulveriz

O2H

minaO2H ?

w1000 ?

dL?w

1822,4

2h

22,41V +λ++=

[ ]/kgm 3N

(d = continutul de umiditate, g/kg aer uscat)

32s

22,41V2SO = [ ]/kgm 3

N

0,211)L(V min2O −= λ [ ]/kgm 3N

28n22,410,79L ?V min2N += [ ]/kgm 3

N

( ) O2Hgugtmin0gugu VVV unde L1?VV +=−+= [ ]/kgm 3

N

Produsele arderii. Combustibilul gazos• Exemplu: Omin=0,5 (CO)c + 0,5(H2)c + 2(CH4)c +

3(C2H4)c- (O2)c [Nm3/Nm3]

• Omin=0,5(CO)c+0,5(H2)c + (m+ )(CmHn)c - (O2)c

[Nm3/Nm3]

• Vco2=(CO2)c +(CH4)c +2(C2H4)c+(CO)c+Σm(CmHn)c

[Nm3/Nm3]

• VH2O= (H2) c + 2 (CH4) c + Σ (CmHn) c [Nm3/Nm3]

• VoN= (N2) c + 0,79 Lmin [Nm3/Nm3]

• pentru arderea reala: VN = (N2) c + ?·0,79 Lmin [Nm3/Nm3]

• mai apare în gaze oxigenul nefolosit la ardere:

Vo2= (?- 1) Omin [Nm3/Nm3]

2n

4n

Controlul arderii• Pentru fiecare combustibil care se arde în anumite

conditii exista o valoare optima a coeficientului de exces de aer (?opt), ca fiind valoarea minima a coeficientului, la care se asigura o ardere completa.

• daca arderea are loc cu ? < ?opt arderea este incompleta;

• daca ? > ?opt , creste volumul de gaze de ardere evacuate din instalatie si cresc prin urmare pierderile de energie cu gazele evacuate;

• Coeficientul de exces de aer se determina pe cale indirecta, folosindu-se analiza compozitiei gazelor de ardere efectuata cu analizatoare de gaze.

Fumul• Produsele arderii sunt: CO, NOx, SO2, CO2, H2O, O2

si N2 plus diferite alte specii, in general poluante• Diferitele componente din gazele uscate vor fi notate

cu indicele f (reprezinta de fapt participari volumice ale componentei in amestecul de gaze de ardere = fum):

• continutul de CO2 in gazele uscate: (CO2)f = = ?co2

• continutul de CO in gazele uscate: (CO)f =

• continutul de O2 in gazele uscate: (O2)f =

• continutul de N2 in gazele uscate: (N2)f =

gu

CO

V

V2

gu

CO

VV

gu

O

V

V2

gu

N

V

V2

Punct de roua (acida)

• Temperatura la care condenseaza specia H2O in gazele de ardere.

• Este functie de presiunea partiala a respectivei specii (H2O in gazele de ardere), reprezentand de fapt temperatura de saturatie corespunzatoare presiunii patiale.

• In condens se retin diferiti poluanti (NOx, SO2), formand acizi.

• Pentru protejarea instalatiilor de ardere (partea finala) evacuarea gazelor se face la temperaturi superioare celei de roua acida.

Arderea trebuie

• Analizata din punct de vedere:

– Economic (randament)

– Ecologic (concentratii de poluanti antropici)

• Optimizata

• Intensificata

• Sustinuta (combustibil de suport)

Explicatii de terminologie

•• ImpuritatiImpuritati în aer (naturale), în aer (naturale),

•• PoluantiPoluanti (antropici, naturali)(antropici, naturali)

•• EmisiiEmisii (Poluanti la (Poluanti la sursa)sursa)

§§ ImImisii isii (Calitatea (Calitatea aerului determinata de aerului determinata de prezenta poluantilor)prezenta poluantilor)

Prin transmisie emisia devine imisie

Quelle: G. Baumbach, Luftreinhaltung, 1997

AusbreitungChemische UmwandlungenEMISIE

IMISIE

Surse de poluare

§ Concentratii masice

EMISII

mg/m3 raportate la 0 °C si 1013 mbar

§ Concentratii volumice

cm3/m3 sau ppm; 1 cm3/m3=1 ppm

§ Debit de poluantig/s; kg/h; t/a

§ Factor de emisie (specific sursei)

mg/kg; kg/t; kg/TJ; g/km

Unitati de masura pentru emisii

§Concentratii masice

IMISII

mg/m3 sau µg/m3 raportate la 20 °C si 1013 mbar

§Concentratii volumice

cm3/m3 sau ppm; ppb; 1 ppb=1 µl/m3

§Coeficient de depunere

mg/(m2zi); µg/(m2zi)

§Doza

mg/m3·h

§Pragµg/kg

Unitati de masura pentru imisii

Timp de stationare a poluantilor în stratosfera

4-170 aniN2O5-7 zileNO2

1,5-7 aniCH43-6 zileNO

0,1-0,8 aniCO0,5-2 zileH2S

2-4 aniCO21-10 zileSO2

2-14 zileNH3zileCnHm

Durata de viata

SubstantaDurata de viata

Substanta

Sursa: E. Lahmann, Luftreinhaltung. 1990

Încarcarea cu poluanti

• Depinde de fondul natural al poluarii peste care se

suprapune cel indus suplimentar (antropic, natural

accidental).

[ ] [ ] [ ] rasuplimentafondtotala WWW +=

Controlul calitatii aeruluiLege pentru limitarea emisiilorLege pentru limitarea emisiilor < < Valorile maxim admise de Valorile maxim admise de legislatielegislatie: constructiv (prevenire), controlul sursei, alegerea combustibilului, epurarea gazelor

Lege pentru limitarea imisiilorLege pentru limitarea imisiilor < < Valorile maxim admise de Valorile maxim admise de legislatielegislatie

MasuratoriMasuratori: efort material, uman, rezultate clare, corecte

Calcule cu formule empiriceCalcule cu formule empirice: informativ, foarte subiectiv

ModeModelarelare: necesara pentru strategii de dezvoltare, de control a calitatii aerului, cadastru de mediu, comparatie,

prognoze, alarmare

Coeficientul excesului de aer [-] determinat din masuratori

( )f2

fmax2

f4f2ff20,210,79

f2

f2

)(COCO

?

:aprox

])2(CH-)(H 0,5-0,5(CO))[(O)(N)(N

?

=

−−=

Valori uzuale: pt combustibil solid circa 1,4 - 1,6pt combustibil gazos circa 1,1 - 1,2pt combustibil lichid circa 1,2 - 1,3

Controlul arderii

1CO

CO21O

max 2

22 =+

•Diagrama Ostwald (triunghiul arderii)specifica fiecarui combustibil in parte.•Ex. pt combustibil solid (CO2max).•Dreapta arderii perfecte (ipotenuza):

λoptim

Analiza concreta functie de pozitia punctuluireal de masura M in interiorul triunghiului.

x M

λ

Aprinderea combustibililor• Pentru ca aprinderea combustibilului sa se poata

face, trebuiesc îndeplinite urmatoarele conditii:– sa se realizeze o anumita proportie de combustibil si

oxigen în contact intim;– sa existe o sursa de caldura care sa initieze aprinderea;

• Usurinta aprinderii unui combustibil depinde de urmatorii factori:Ø suprafata de contact dintre combustibil si oxigenul din

aer;Ø presiunea partiala a oxigenului în aer;Ø temperatura de (auto)-aprindere a combustibilului fata

de cea locala;

Arderea reversibila. Pila de combustie• In general prin ardere se transforma energia chimica

a combustibilului in energie termica, care se valorifica (cu randament de circa 40 % in medie) spre producerea de energie mecanica, in diferite instalatii (motor termic cu ardere interna, cazan de abur cu turbina de abur, turbina cu gaze, etc.). Din energia mecanica se obtine apoi energia electrica, in generatoarele de curent.

• In pila de combustie se valorifica energia reversibila dezvoltata in urma unor reactii chimice, la care participa diferiti ioni. Se genereaza direct curent electric, in baza energiei sensibile a reactantilor.

Schematizarea pilei de combustie

Reactii chimice

• Anod

• Catod

• Ansamblu

−+ +→ e4H4H2 2

OH2e4H4O 22 →++ −+

OH2OH2 222 →+