Arderea si Eficienta energetica a echipamentelor si instalatiilor de incalzire

Reactiile chimice ale arderii

Dupa cum am mai spus arderea reprezinta de fapt un set de reactii chimice intre atomii care compun combustibilul si oxigenul din aer, reactiile cu oxigenul fiind denumite reactii de oxidare. Fiind compusi, in cea mai mare parte din atomi de carbon si hidrogen, combustibilii au proprietatea ca oxideaza foarte rapid, rezultatul fiind producerea de caldura si lumina, adica flacara.

O reactie de ardere ideala este descrisa in formula de mai jos (valorile indicilor m si n definind tipul combustibilului utilizat):

reactii chimice ardere

Spre exemplu, pentru gas metan ( CH4  ),  n = 1  si m = 4 si  formula devine:

  CH4  +   2 O2   =   CO2   +   2 H2 O   +   X  [kcal]

            Se vede ca substantele  rezultate in urma unei reactii de ardere ar trebui sa fie bioxid de carbon    ( CO2  ),  apa ( H2 O ) si o anumita cantitate de caldura  ( X ), exprimata in kilocalorii sau Kwh, depinzand de tipul combustibilului utilizat.  Bioxidul de carbon si apa sunt substante netoxice, care se gasesc in mod normal in natura, deci totul ar trebui sa fie perfect (cu rezerva ca bioxidul de carbon in cantitate mare poate produce asa numitul “efect de sera”).

reactii chimice ardere

Prezenta apei in componenta gazelor de ardere nu trebuie sa surprinda. Evident apa este prezenta sub forma de vapori, fiind produsa la temperaturi foarte mari (peste 1000 °C). Acesti vapori se transforma in lichid in asa numitul fenomen de condensare care are drept rezultat “condensul” produs pe caile de evacuare a gazelor de ardere. In momentul in care procesul de condensare are loc in zona schimbatorului de caldura (cazul centralelor in condensatie) caldura latenta inmagazinata in vaporii de apa este recuperata si devine caldura utila.
In figura de mai jos sunt date elementele si substantele chimice care participa la procesul de ardere si care rezulta din acest proces:

In aceasta situatie regasim in gazele de ardere doar:
- bioxid de carbon,
- vapori de apa,
- oxigen; procentul din aerul de intrare care nu a participat la ardere (excesul de aer),
- azot; intreaga cantitate de azot din aerul de intrare in arzator.
Setul de reactii descris mai sus se desfasoara, de fapt in mai multe etape. Exista o prima faza a arderii (faza intermediara sau arderea incompleta) in care moleculele de combustibil sunt “sparte” in elemente chimice de baza  (C si H2)  care reactioneaza separat cu oxigenul in cel putin doua etape intermediare, pana in faza de ardere completa.

reactii chimice ardere

In prima faza a arderii au loc urmatoarele reactii:

            In particular, pentru gaz metan:

CH4   +   ½  O2   =   CO   +   2 H2   +   Y1  [kcal]

            In urma acestor reactii rezulta doua componente: monoxid de carbon  ( CO )  si hidrogen
( H  ), doua gaze inflamabile, care in a doua faza a arderii, in reactie tot cu oxigenul dau compusii finali ai arderii: bioxid de carbon  - CO2  si apa - H2O.
Aceste doua substante constituie principalele noxe existente in aerul atmosferic (majoritatea instrumentelor de masura a CO includ si hidrogenul in proportia data pentru gazele de ardere.

Promotii Centrale termice

Efectele lor sunt foarte daunatoare si de aceea arderea nu trebuie sa se opreasca in aceasta faza. Intr-un singur caz practic sunt utilizate aceste componente si anume in procesul de gazeificare a lemnului, la cazanele pe lemne prin gazeificare, caz in care, in mod voit, arderea lemnului se opreste in aceasta faza (prin limitarea cantitatii de oxigen introduse in camera de ardere). Cele doua componente inflamabile sunt ulterior amestecate cu aer proaspat, producandu-se arderea finala.

            A doua faza a arderii:
2  ∙ CO   +   O2  =   2 CO2   +  Y2 [kcal]

2  ∙ H2     +   O2  =   2 H2O   +  Y3  [kcal]

            In plus, dupa cum am mai spus, in anumite conditii apar si alte reactii:

N   +   O2   =   NOx   (NO  +  NO2)   - oxizi de azot

            Apare in special la temperaturi ridicate in camera de ardere, prin oxidarea azotului din aer.
       
S   +   O2   =   SO2  -  bioxid de sulf

            Apare cu precadere la arderea combustibililor lichizi, datorita oxidarii sulfului, prezent in compozitia acestora, ca impuritati.  
In principal aceste trei substante (CO,  NOx  si  SO2) sunt cei mai toxici compusi ai arderii si de aceea procentul lor in gazele de ardere trebuie minimizat, in cadrul operatiilor de reglare si autorizare a functionarii unei centrale.

Minimizarea noxelor in gazele de ardere este insa unul din scopurile urmarite la reglarea unui arzator. Al doilea, dar la fel de important, este obtinerea unui randament maxim al arderii. Cresterea randamentului arderii trebuie urmarita din doua puncte de vedere:

1. arderea completa a combustibilului si a componentelor intermediare inflamabile ceea ce in practica inseamna ca, in urma analizei gazelor de ardere, continutul in C, H2 , CO sa fie cat mai mic. Existenta acestora in gazele de ardere duce la pierderea acelei cantitati de caldura care s-ar fi putut obtine prin arderea lor. Cauzele care pot duce la cresterea fiecarei componente in gazele de ardere vor fi studiate pe parcursul acestui capitol.

2. oxigenul masurat in gazele de ardere (excesul de aer) sa fie cat mai mic. Un exces mare de aer prin camera de ardere duce la diminuarea randamentului prin incalzirea inutila a aerului in exces si evacuarea lui pe cos impreuna cu cantitatea de caldura inmagazinata. In cazul unui exces foarte mare de aer, creste si viteza cu care amestecul aer-combustibil traverseaza camera de ardere si exista riscul ca particule de combustibil sa paraseasca camera  de ardere, fara sa arda complet. Fenomenul genereaza atat scaderea randamentului cat si cresterea continutului de CO si C (funingine) in gazele de ardere.