«

»

Preocupari energetice. ARDEREA LEMNELOR IN STRAT LA CAZANE

Share

Din cauza resurselor naturale in continua scadere din punct de vedre cantitativ si uneori si calitativ, problemele privind asigurarea energiei necesare functionarii societatii umane in general se pun cu o deosebita acuitate, in special dupa ce am pasit in mileniul trei. Si aceasta pentru ca zacamintele sunt si ele epuizabile, iar deocamdata inca nu sunt puse in circuitul economic noile resurse preconizate a le inlocui pe cele vechi. Este si principalul motiv pentru care se  „pedaleaza” pe gasirea  solutiilor potrivite sa valorifice materialele care, la prima vedere, n-ar prezenta interes. Si pentru ca lemnul a fost poate prima materie folosita de om in scop energetic, el ramane pe mai departe in atentia oamenilor.

Sigur ca titeiul si derivatele sale, gazele naturale, energia hidro si cea nucleara sunt resursele cele mai uzitate pentru ca ele sunt mai consistente si mai eficiente in raport cu ceea ce ofera lemnul. Si totusi, exista unele domenii unde lemnul poate suplini cu efecte notabile pe cele enumerate mai inainte, in special in locuri mai greu accesibile sau acolo unde resturile lemnoase trebuie sa fie valorificate din punct de vedere energetic.

Specialistii in domeniu au stabilit deja parametrii pe baza carora sistemele de ardere a lemnului pot duce la obtinerea energiei cu o eficienta deloc de neglijat.

In cele ce urmeaza, puteti lua cunostinta tocmai de asemenea aspecte care, recomandate investitorilor, intereseaza pe constructori si mai ales pe instalatori in calitatea lor de „faurari” de obiective economico-sociale, dar si in calitatea lor de beneficiari pe santierele unde lucreaza aflate in locuri izolate.

Acest studiu poate fi folositor si societatilor din industria lemnului, dar si  investitorilor  privati.

 

Aspecte comparative privind arderea lemnelor in strat, la cazane, in arderea inversa si in arderea directa

Cazanele mici de incalzire cu lemne aplica din ce in ce mai mult sistemul de ardere inversata. Sistemul reprezinta arderea sarjei de lemne intr-o zona bine delimitata la baza stratului. Fazele specifice arderii combustibililor solizi se succed cu rapiditate intr-o zona ingusta fata de grosimea stratului, impiedicandu-se functional aparitia fenomenului de „ambalare” a arderii in toata masa de combustibil.

In fig. 1 este prezentata schematic arderea stratului in sistem clasic, direct. Ca principiu general, la arderea directa in strat, aerul primar de ardere produce un debit de gaze de ardere ce strabate stratul si duce la aparitia diverselor faze de ardere (ardere reziduu carbonos, devola­tilizare si incalzire cu uscare) in toata masa de combustibil care formeaza o sarja de alimentare. Rezulta la partea superioara a stra­tului un debit de gaze de ardere incompleta in amestec cu substante volatile combustibile si umiditate. Acest debit de gaze combustibile, rezultat practic din intreaga grosime a stratului, primeste aerul secundar de ardere si genereaza gaze de ardere completa. Concluzia este ca, in regimul normal de lucru al grata­rului, apare fenomenul de „ambalare” a stratului, adica aparitia unei sarcini termice care depaseste sarcina termica proiectata a cazanului. Rezultatul este depasirea temperaturii maxime a apei din cazan, chiar si in conditiile unor sisteme mecanice de introducere a aerului de ardere, si aparitia situatiei de avarie de supratemperatura. Pentru a evita acest fenomen, trebuie redusa grosimea stratului de combustibil, ceea e duce la sarje cu timp scurt de acoperire a necesarului termic.

In cazul arderii inverse, conform schemei din fig. 2, datorita propa­garii frontului de flacara in contra­curent cu aerul de ardere (primar), fenomenul de aprindere necontrolata a stratului nu mai apare, ceea ce permite realizarea unor rezerve semnificative de combustibil printr-o grosime foarte mare de strat. Astfel se realizeaza autonomii de functionare cu o incarcatura (sarja) de pana la 12 ore de functionare normala (50% din sarcina nominala).

In contact cu o zona stabila de ardere, lemnele de deasupra gratarului se aprind si sufera un proces de gazeificare. In prezenta unei cantitati suficiente de aer pentru ardere completa, care antreneaza sub gratar produsele de gazeificare, acestea ard intr-o camera de ardere. Aici este de mentionat diferenta de proces fata de arderea directa a stratului. La arderea directa, stratul de combustibil in ardere se dezvolta pe verticala oricat de mult, in limita aerului disponibil, si intotdeauna, datorita reactivitatii mari a carbonului la temperaturi ridicate, arderea este incompleta. De aceea, este totdeauna necesar ca la arderea directa sa se insufle deasupra stra­tului aer secundar, aproximativ cu acelasi debit ca si aerul primar, pentru a da oxigenul necesar arderii volatilelor si gazelor de gazeificare a cocsului. La arderea inversa, stratul de cocs este numai pe periferia bucatilor de lemn, la portiunea inferioara a stratului si nu se dezvolta in susul stratului deoarece curentul de aer de ardere vine de sus in jos mentinand rece combustibilul. Acest fenomen de aprindere, numai prin conductie si radiatie locala, s-a pus in evidenta in cadrul experimentarilor efectuate in Laboratorul de Termotehnica (cu prilejul unor comuni­cari stiintifice sustinute la conferinte de termotehnica si transfer de caldura, autorii au prezentat pe larg rezultatele cercetarilor experi­mentale legate de tehnica de aprin­dere si ardere in sistem invers) si diferentiaza fundamental arderea inversa de arderea directa unde aprinderea se face mai ales convectiv, prin gazele fierbinti produse de straturile inferioare.

Datorita acestor particularitati functionale, cazanele cu combustibil solid cu ardere inversa au distributia aer primar/aer secundar in domeniul 100% / 0% – 60% / 40% spre deosebire de sistemele cu ardere directa care au acelasi raport variind in domeniul 50% / 50% – 40% / 60%.

Sistemul de ardere inversa a combustibilului solid in strat aduce si o serie de alte avantaje importante.

Din punctul de vedere al calitatii arderii, deoarece insuflarea de aer secundar se realizeaza de obicei concentrat, asa cum reiese din schema functionala prezentata fig. 3, pe o zona de sectiune redusa (sectiunea de trecere dintre buncarul ce are la baza zona de ardere si ca­mera focar racit de ardere a produselor gazoase), se reali­zeaza o amestecare foarte buna cu produsele din camera de gazeificare, asiguran­­du-se necesarul de aer de ardere in conditiile unor excese scazute. Chiar daca arderea se reali­zeaza numai cu aer primar, prin accelerarea debi­tului combinat de aer in exces, produse de ardere incompleta si volatile la trecerea prin reducerea de sectiune, se realizeaza, de asemenea, conditii favorabile de amestecare, ce creeaza premisele unei arderi complete la excese de aer mici. Adaugand elementul de stabilizare a arderii constituit de tempe­ratura ridicata a canalului de trecere si posibi­litatea, in camera de ardere racita, de dirijare a gazelor de ardere peste suprafete refractare fierbinti, rezulta o reducerea substantiala a COV nearse eliminate cu gazele de ardere si un nivel de concentratii de oxid de carbon comparabile cu cele caracteristice arderii combustibililor gazosi in sisteme autoaspirante.

Din punct de vedere functional, deoarece prin caracteristicile parti­culare sistemului, oprirea procesului de ardere este aproape completa prin oprirea insuflarii de aer, spre deosebire de arderea directa in strat unde oprirea insuflarii de aer nu duce si la oprirea degajarilor de volatile din strat, rezulta posibilitatea unui control si a unei asigurari a cazanelor mult mai stricte si eficiente.

Principalele caracteristici de ardere sunt legate de procesul de ardere la suprafata a lemnului. Aspectul tipic de ardere la suprafata este aratat in foto 1.

Pentru intretinerea continuitatii procesului de ardere, trebuie asigurata o viteza minima de circulatie a aerului, apoi, pe masura ce insuflarea de aer se intensifica, cu cresterea vitezei creste intensitatea de ardere. O diagrama experimentala, determinata in laborator pe un stand de modelare a arderii inverse, este prezentata in fig. 5a.

Unul din cele mai importante avantaje ale arderii inverse a lem­nului este functionarea procesului de ardere in regim stationar, adica frontul de ardere progreseaza uniform si continuu in timp. Datorita siste­mului specific de aprindere si stabilizare a arderii in strat, ce permite incarcarea cu sarje mari, continuitatea procesului de ardere se constituie in avantaj functional, de tip proces stationar, conform exemplului din fig. 5b, in timp ce la arderea in strat obisnuit arderea este nestationara, in sistem ciclic de sarja, conform exemplului din fig. 6.

Diagramele din fig. 5 si 6 au fost determinate pe standul experimental de incercare a cazanelor din Laboratorul de Termotehnica al Facultatii de Instalatii.

Se observa la cazanul cu ardere inversa a lemnului (fig. 5b) o constanta foarte buna a temperaturilor in timp, atat pe partea apei, cat si a gazelor de ardere la cos. Comparativ cu aceasta functionare cvasi-stationara, la arderea directa a lemnului (fig. 6) se observa functio­narea ciclica, determinata de alimentarea periodica a stratului de lemne. La inceputul si sfarsitul fiecarei sarje este o scadere a debi­tului de caldura produs si, respectiv, a temperaturilor, apoi, la mijlocul intervalului de sarja, apare un maxim puternic datorita faptului ca procesul de ardere cuprinde intregul strat.

Rezulta, pentru cazanele cu ardere inversa, sisteme de reglaj si protectie mai simple si cu eficienta sporita, materializata prin cresterea randamentului de sistem si frecventa scazuta de aparitie a situatiilor de avarie de supratemperatura (cea mai frecventa avarie la functionarea cu combustibil solid a cazanelor).

La nivelul exploatarii curente este de remarcat, in primul rand, faptul ca deschiderea usii de alimentare nu duce la contactul cu statul de ardere, ceea ce elimina posibilitatea de accidentare directa sau prin caderi de combustibil aprins din cazan.

In camera de ardere inferioara, aerul fiind in debit suficient, se produce arderea completa. Gazele de ardere urmeaza apoi traseul prin tevile drumului convectiv si sunt apoi evacuate la cos, circulatia lor fiind asigurata de un exhaustor. Este avantajoasa functionarea caza­nului in depresiune, deoarece se evita scapa­rile de gaze de ardere prin neetanseitati.

Procesul din camera de deasupra stratului fiind preponderent de gazeificare, temperatura nu este inalta. Specifice pentru procesul de gazeificare sunt temperaturile de 600 – 900 0C. Contactul gratarului cu un combustibil cu temperatura relativ joasa si cu aerul de ardere care are un puternic efect de racire face ca temperatura barelor de gratar sa fie mult mai joasa decat in arderea directa, deci nu vor fi necesare materiale refractare de calitate superioara pentru a asigura durabilitatea gratarului.

Particularitatea de pornire la cazanele cu ardere inversa este data de trecerea curgerii gazelor din sistem invers, cu strabaterea convectivului, in sistem direct, fara stra­ba­terea camerei de ardere racite si a convectivului, printr-o sectiune de scurt-circuit, cu evacuare directa la cos.

Sistemul de trecere este, in gene­ral, manual si nu ridica pro­bleme de realizare tehnologica sau de manipulare in exploatare curenta. Prezenta acestui sistem are insa avantajul asigu­rarii, la pornirea sistemului de la rece, a unui debit de gaze de ardere de temperatura ridicata, ceea ce duce la atingerea rapida a regimului de autotiraj pentru cosul de fum, element functional deosebit de avantajos atat pentru functionarea caza­nului, cat si pentru conditiile de siguranta a functionarii in centrala (se evita aparitia refularilor de gaze toxice sau formarea de acumulari de gaze cu potential de explozie).

Perioada de ardere directa, la pornirea de la rece a sistemelor cu ardere inversa, trebuie sa fie suficient de lunga pentru a asigura incalzirea zonei refractare de la baza buncarului de combustibil ce contine gratarul si formarea stratului superficial de cocs reactiv la suprafata inferioara a combustibi­lului de la baza stratului. Aceasta perioada este insa mult mai scurta decat cea necesara sistemelor clasice de ardere care necesita timp atat pentru incalzirea zonelor samotate, cat, mai ales, pentru formarea unui strat de jar gros si uniform necesar initierii arderii la incarcarea cu sarja de combustibil proaspat. Scurtarea timpului de pornire la rece, conjugata cu marirea timpului de sarja, duce la simplitate sporita in exploatare a sistemelor cu ardere inversa, paralel cu reducerea emisiilor globale la nivelul sistemului (este cunoscut faptul ca un sistem de ardere cu combustibil solid are emisii maxime de noxe in perioadele de pornire).

Din punctul de vedere al combustibilului utilizat, la cazanele cu ardere inversa se recomanda folosirea unor lemne de sectiune medie, de circa 70 x 70 mm (se va evita sectiunea rotunda, preferan­du-se cele cu zone de colt, unde se initiaza arderea cu usurinta), cu lungime care sa permita realizarea unei acoperiri corecte a gratarului si a zonei de baza samotate si cu umiditate maxima de 15–20%. Conditia de umiditate este mai restrictiva decat in cazul sistemelor de ardere directa, care permit uzual folosirea unor lemne cu umiditate maxima de 25–30%, dar nu repre­zinta un impediment in folosirea sistemelor cu ardere inversa, deoarece umiditatea ceruta este atinsa de combustibil prin uscare naturala pe o perioada de circa 2 ani, in depozit inchis.

Trebuie, de asemenea, remarcata diferenta constructiva ce apare la nivelul zonei de gratar. Astfel, la sistemul de ardere directa a combustibilului, se constituie in zona de gratar strict suprafata pe care se insufla aer primar de ardere, formata din bare de gratar sprijinite in diverse sisteme. Rezulta necesitatea asigurarii unor sisteme complexe de distributie uniforma a aerului pe sectiuni de curgere mari, pentru a nu se realiza dezechilibre de ardere si a se asigura debitele specifice de combustibil ars. La cazanele cu ardere inversa, datorita prezentei aerului necesar de reactie primara si a scaldarii zonei de baza cu gaze de ardere, rezulta o functionare ca suprafata de gratar (generatoare de aprindere) a intregii zone samotate de la baza stratului. Furnizarea de aer secundar sau amestecarea gazelor de ardere incompleta cu aerul disponibil de tip primar nu se realizeaza insa decat in zona de trecere dintre buncar si focarul racit, zona caracterizata de viteze si turbulente mari si de sectiune redusa. Se creeaza astfel premisele unei insuflari eficiente de aer de ardere fara necesitatea asigu­rarii uniformitatii de curgere pe sectiuni mari. Mai mult, aerul primar ce scurtcircuiteaza anumite zone din buncar va fi folosit ca aer de ardere secundar la trecerea prin zona de legatura mai sus amintita. Rezulta deci ca sistemul de ardere inversa nu numai ca elimina complicatiile legate de distributia de aer de ardere, dar si compenseaza constructiv scurtcircuitele de aer ine­rente curgerii prin stratul de combustibil aleatoriu si in continua modificare.

In tabelul 1 se ofera spre exemplificare valorile de masurari si de calcul pentru patru cazane conside­rate reprezentative, cu rezultate bune de functionare, care au fost testate de colectivul de autori in Laboratorul de Termotehnica al facultatii.

Referitor la sarcinile termice ale cazanelor in discutie, este important de mentionat ca se utilizeaza un domeniu uzual mai redus de puteri termice nominale pentru cazanele cu ardere inversa (20–150 kW) fata de caza­nele cu ardere directa (20–1500 kW). Explicatia pentru domeniul relativ redus, specific solutiilor cu ardere inversa, rezida, pe de o parte, in noutatea solutiei care nu a permis inca lansarea unor cazane de puteri mari, din cauza lipsei unor modele clare de calcul si functionare, iar pe de alta parte, din cauza caracterului nepractic al unui buncar cu alimentare superioara in cazul unor cazane mari. De aceea, s-au considerat de referinta cazanele de 25 kW si 105 kW pentru solutia cu ardere inversa si cele de 170 kW si 650 kW pentru sistemul cu ardere directa. Alegerea nu dezavantajeaza solutiile cu ardere directa, deoarece este cunoscut faptul ca, atat in ceea ce priveste randamentele, cat si in ceea ce priveste calitatea arderii, o sarcina termica mai mare avantajeaza performantele.

In aceste conditii de comparatie, se remarca in primul rand nivelurile de temperatura la cos, mai scazute la solutiile cu ardere inversa datorita functionarii de tip regim permanent. Valorile de temperatura la cos pentru regimul maxim al cazanelor cu ardere directa sunt ceva mai ridicate, deoarece proiectarea se face pentru o valoare medie de sarja ce este depasita in perioadele de ardere foarte intensa a volatilelor din strat. Largirea domeniului de functio­nare cu perioadele de „acalmie” de la capetele sarjelor ar duce la „declasa­rea” cazanului ca sarcina termica, ceea ce nu este acceptabil pentru beneficiari.

Un alt parametru important atat pentru performantele termice, cat si pentru cele de ardere este excesul de aer. Daca la cazanele cu ardere directa este necesara mentinerea unui nivel de oxigen in gazele de ardere de circa 10–14% in vederea menti­nerii unei concentratii de CO la un nivel corect de circa 5.000 ppm la 10% O2, pentru cazanele cu ardere inversa este suficienta o concentratie de oxigen in gazele de ardere de numai 4–8%. Aceste concentratii de oxigen se exprima prin excese de aer cuprinse intre 2 si 2,5 la cazanele cu ardere directa, spre deosebire de cazanele cu ardere inversa ce necesita excese de aer de doar 1,25 – 1,65.

Rezulta pierderi de caldura prin entalpia gazelor de ardere la cos cu 5 pana la 15 procente mai mari la cazanele cu ardere directa fata de cele cu ardere inversa, in conditiile compararii unor cazane cu mase si costuri de productie (raportate la sarcina termica utila) apropiate.

In ceea ce priveste pierderile specifice prin aerare incompleta de natura mecanica, se observa uniformitatea valorilor. Faptul reprezinta insa o anomalie de caz datorita selectarii pentru studiu a unor cazane cu performante foarte bune si in conditii de functionare strict controlata si optimizata. In realitate, datorita sistemului de ardere, cazanele cu ardere directa inre­gis­treaza pierderi specifice prin ardere incompleta de natura mecanica de ordinul 1–3%, spre deosebire de cele cu ardere inversa care, datorita circulatiei gazelor de ardere peste zona samotata de tip jgheab, inre­gistreaza valori sub 0,5%.

La nivelul pierderilor specifice prin suprafetele exterioare calde, se remarca, de asemenea, o uniformitate a valorilor. Nici in acest caz situatia nu este caracteristica in general pentru solutiile constructive analizate, deoarece izolarea cazanelor cu ardere inversa este mult mai eficienta decat a celor cu ardere directa la nivelul usii de alimentare (fierbinte la arderea clasica si racita cu aer la arderea inversa).

In concluzie, din analiza efectuata, rezulta o serie de avantaje clare pe plan energetic si legate de calitatea arderii (ecologice) generate de folosirea tehnicii de ardere inversata, dar si imposibilitatea aplicarii acestei tehnici, fara complicarea sistemului de alimentare, la puteri termice mari. In plus, daca s-ar dori mentinerea carac­­teristicii de autono­mie la 10–12 ore, s-ar ajunge la volume neeconomice de stocare pentru combustibil. Rezulta ca solutia cu ardere inversa se preteaza la sarcini termice pana la 150–200 kW, fiind recomandabila datorita avantajelor de exploatare semnificative, dar este discutabila aplicarea acesteia la sarcini termice mai mari.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 23 – ianuarie-februarie 2007

 

Autori:
prof. dr. ing. Niculae ANTONESCU
conf. dr. ing. N.N. ANTONESCU
conf. dr. ing. Paul Dan STANESCU – UTCB, Facultatea de Instalatii



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2007/02/22/preocupari-energetice-arderea-lemnelor-in-strat-la-cazane/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.