1

2. KLASIFIKACIJA GENERATORA PARE Klasifikacija se generatora pare moe izvesti po razliitim kriterijima. Ovdje e biti prikazan jedan od moguih naina klasificiranja.

I. elini generatori pare A. Vatrocijevni (dimocijevni) generatori pare B. Vodocijevni generatori pare 1. Horizontalni s ravnim cijevima 2. Vertikalni sa savinutim cijevima a) Generatori pare s prirodnom cirkulacijom b) Generatori pare s prisilnom cirkulacijom 1) Generatori pare s bubnjem 2) Protoni generatori pare C. Cilindrini generatori pare II. Lijevani generatori pare III. Generatori pare posebne namjene IV. Nuklearni reaktori

elini vatrocijevni generatori pare

Sl. 3.1 Generator pare s kratkim loitem

Plamen se i dimni plinovi kod ovih generatora pare nalaze u cijevima koje su obuhvaene bubnjem u kojemu je voda. Namijenjeni su za kapacitete proizvodnje pare do cca 25 t/h i tlakove do maksimalno 25-30 bar. Nisu pogodni za ugradnju pregrijaa pare. Osnovna prednost im lei u niskim proizvodnim trokovima. Koriste se za izgaranje sve tri vrste goriva. Starije izvedbe ovih generatora pare prikazane su na slikama 3.1 i 3.2.

2

Sl. 3.2 Kompaktna izvedba s plamenicom

Vjerojatno najpoznatiji generator pare ove izvedbe je lokomotivski kotao prikazan na sl. 3.3 u zakovinoj izvedbi.

Sl. 3.3 Lokomotivski kotao

Moderna izvedba ovih generatora pare poznata je kao blok kotao i prikazana je na sl. 3.4.

3

Sl. 3.4 Blok kotao

Vertikalna izvedba vatrocijevnih generatora pare prikazana je shematski na sl. 3.5.

Sl. 3.5 Vertikalna izvedba vatrocijevnog generatora pare

elini vodocijevni generatori pare Kod vodocijevnih se generatora pare, kao to im naziv sugerira, s unutarnje strane cijevi nalazi voda, odnosno vodena para. Time se u cijevima mogu ostvariti znatno vei tlakovi nego to to mogu izdrati bubnjevi velikih promjera kod vatrocijevnih generatora pare.

Horizontalni generatori pare s ravnim cijevima (Sekcijski kotlovi)

4

U razvoju generatora pare pojavili su se poslije vatrocijevnih u tenji da se podignu parametri pare (tlak i temperatura), ime se osigurava bolji stupanj iskoristivosti postrojenja. Relativno su jednostavne konstrukcije. Kod njih jo nije primijenjena tehnologija zavarivanja, tako da su sekcije cijevi umetnute u zajedniki kolektor. Proizvodni trokovi su vii nego kod vatrocijevnih generatora pare. Na sl. 3.6 dan je shematski prikaz cirkulacije vode (prirodna cirkulacija) u isparivau ovih generatora pare. Isparivake su cijevi nagnute pod kutom 5-15 u odnosu na horizontalnu ravninu zbog lakeg protoka mjehura pare. Bubanj moe biti postavljen uzduno, kao na sl. 3.6 ili popreno kao na sl.3.7. Ima dvije osnovne funkcije: spremnik je vode iz kojega se napajaju isparivake cijevi i separator je vlage.

Sl. 3.6 Cirkulacija vode u horizontalnim generatorima pare

Horizontalni se generatori pare prvenstveno koriste za proizvodnju pare za procesne potrebe, katkada za potrebe grijanja, a rijetko za proizvodnju elektrine energije. Za postizanje viih temperatura pare ugrauje se pregrija pare, kao to je to prikazano na sl. 3.7. Zbog slabijeg hlaenja cijevi od strane pregrijane pare, pregrija je smjeten iza etiri reda isparivakih cijevi koji ga tite od direktnog zraenja plamena iz loita. Zbog toga su prirasti temperatura pregrijane pare ogranieni na svega 50 C.

Na sl. 3.8 prikazan je horizontalni generator pare s izgaranjem ugljena na reetki. Za izgaranje se mogu koristiti i

ostale vrste goriva.

Sl. 3.7 Horizontalni generator pare s ravnim cijevima

5

Sl. 3.8 Horizontalni generator pare s izgaranjem na reetci

Vertikalni generatori pare sa savinutim cijevima

U ovu grupu spadaju srednji i veliki generatori pare. Za izgaranje mogu koristiti sve tri vrste goriva i tada im je konstrukcija prilagoena odgovarajuoj vrsti goriva i nainu izgaranja: 1) izgaranje krutog goriva u sloju

na ravnoj reetci na kosoj (stepenastoj) reetci

2) izgaranje krutog goriva u fluidiziranom sloju 3) izgaranje u prostoru

ugljena praina tekue gorivo plinsko gorivo

Generatori pare s prirodnom cirkulacijom

Cirkulacija vode u isparivau nastaje zbog razlike u gustoama vode u silaznim cijevima koje spajaju bubanj s donjim kolektorima i gustoe vodeno-parne smjese u isparivakim cijevima koje opet vode od donjih kolektora kroz loite do bubnja. Silazne cijevi u pravilu nisu grijane. Starije su izvedbe generatora pare imale vie bubnjeva (sl. 3.9), dok se modernije izvedbe prepoznaju po jednom (sl. 3.10), najvie dva bubnja. Visoki tlakovi koji karakteriziraju dananje generatore pare bitno poskupljuju izvedbu bubnjeva, to reducira broj bubnjeva i smanjuje promjer.

6

Sl. 3.9 Generator pare s tri bubnja i kosom reetkom

Sl. 3.10 Generator pare s jednim bubnjem i izgaranjem u prostoru

7

Generatori pare s prisilnom cirkulacijom

Za prirodnu je cirkulaciju vodeno-parne smjese u isparivau potrebna minimalna visina loita i dovoljna razlika gustoa vode i pare. Kod niih loita ili kada se zbog povienja tlaka razlika gustoa vode i pare smanjuje, moe se koristiti pumpa za osiguranje potrebne cirkulacije. Takvi se generatori pare zovu La Mont kotlovi. Shematski prikaz La Montovog generatora pare prikazan je na sl. 3.11.

Sl. 3.11 Shema generatora pare s prisilnim strujanjem

Posebnu grupu generatora pare u kojima se uspostavlja prisilno strujanje vode i pare ine protoni generatori pare. To su danas najvee jedinice koje se grade s kapacitetima pare do 2500 t/h i nadkritinim tlakovima te temperaturama pare do 600 C. Moemo ih zamisliti kao jednu cijev (sl.3.12) u kojoj se voda zagrijava, potpuno isparava i proizvedena para pregrijava.

Sl. 3.12 Ideja protonog generatora pare

Najpoznatiji iz ove grupe je Bensonov protoni generator pare koji koristi ideju sa sl. 3.12 u njenom izvornom obliku. Nedostatak istog protonog generatora pare je u tome to takva konstrukcija nije pogodna za nia optereenja kod kojih dolazi do poveanja udjela loita u ukupnoj izmjeni topline generatora pare. To znai da se kod niih optereenja poveava opasnost od pregaranja cijevi u loitu. Zbog tog razloga je kod niih optereenja povean protok vode kroz ispariva Sulzerovog protonog generatora pare. Za isparavanje tog poveanog protoka nema dovoljno goriva pa je na kraju isparivaa postavljen odvaja vode koja se odvodi u spremnik napojne vode. Time je osigurana zatita isparivakih cijevi.

8

Sl. 3.13 Shema Sulzerovog generatora pare

Sl. 3.14 Sulzerov protoni generator pare

elini cilindrini generatori pare

Ovi se generatori pare sastoje od cilindrine posude u kojoj je voda i izvor topline. Izvor topline moe biti plamen, para, voda ili neki drugi medij te elektrina energija. Najzanimljiviju grupu ine nuklearni generatori pare. Na sl. 3.15 prikazan je U-cijevni nuklearni generator pare kakav se koristi u nuklearnim elektranama PWR (Pressurized Water Reactor) tipa. Kao izvor topline koristi se voda pod visokim tlakom kako ne bi isparavala. Zagrijana voda iz reaktora ulazi u U-cijevni snop koji u pravilu ima nekoliko tisua tankih cijevi (20 mm). Svoju toplinu predaje napojnoj vodi koja ispunjava prostor izmeu cijevi i vanjskog plata. Napojna voda se zagrijava, isparava do stanja suhog zasienja i vodi u turbinu. Tlak i temperatura pare su relativno niski u usporedbi s generatorima pare na fosilna goriva.

9

Sl. 3.15 Nuklearni generator pare

Lijevani generatori pare

Lijevano eljezo i elini lijev nisu dovoljno ilavi da bi izdrali visoke tlakove. Zbog toga se ovi ureaji ne koriste za proizvodnju elektrine energije, kod ega se trae visoki parametri da bi se dobio visoki stupanj iskoristivosti, ve se koriste za proizvodnju pare ili tople vode u domainstvima ili poslovnim zgradama. Izrada im je relativno skupa, ali se to nadoknauje velikom pouzdanou u radu i dugovjenou. Otporni su na vanjsku (na strani dimnih plinova) i unutarnju (na strani vode) koroziju.

Sl. 3.16 Lijevani vrelovodni kotao Sl. 3.17 Lijevani generator pare za centralno grijanje

Generatori pare posebne namjene

U ovoj emo grupi generatora pare prikazati brodske kotlove i generatore pare na otpadnu toplinu.

10

Brodski generatori pare Karakterizira ih smjetaj na brodovima zbog ega im je konstrukcija kompaktna kako bi se to bolje iskoristio raspoloivi prostor. Zbog promjenljivog reima pogona broda moraju imati veliku elastinost u radu (0 - 120 % snage). Na ratnim se brodovima konstrukcijom osigurava da se najbolji stupanj iskoristivosti generatora pare postie kod 25 % snage. Na trgovakim se brodovima, za razliku od toga, najbolji stupanj iskoristivosti postie na punoj snazi. Podgrupe su slinih karakteristika kao kod stacionarnih generatora pare:

horizontalni s ravnim cijevima vertikalni sa savinutim cijevima s prisilnom cirkulacijom nuklearni generatori pare.

3.18 Horizontalni kotao s ravnim cijevima 3.19 Vertikalni kotao s dva bubnja

Generatori pare na otpadnu toplinu

Kod ovih se generatora pare koriste dimni plinovi visokih temperatura koji su proizvod nekog drugog procesa. Umjesto da ih se izbaci u atmosferu njihova se toplina koristi za proizvodnju pare. Ovaj je sluaj est kod integriranog koritenja plinskoturbinskog i parnoturbinskog procesa. Zbog visokih temperatura (500-600 C) dimnih plinova na izlazu iz plinske turbine oni se vode u generator pare na otpadnu toplinu (utilizator), gdje se moe, ali i ne mora ubrizgavati dodatno gorivo.

11

Sl. 3.20 Generator pare na otpadnu toplinu

Nuklearni reaktori

U nuklearnim se elektranama BWR tipa (Boiling Water Reactor) isparavanje vode odvija u reaktoru. Time reaktor postaje generator pare, sl. 3.21.

Sl. 3.21 BWR tip reaktora

Umjesto se goriva koristi toplina nastala nuklearnom reakcijom fisije (raspadom tekih atoma urana ili plutonija) u jezgri reaktora. Voda se prolaskom kroz jezgru zagrijava i djelomino isparava, a para se nakon separacije vode odvodi u turbinu.

1

3. POVRINE PRIJELAZA TOPLINE Loita

U loitu se generatora pare odvija izgaranje goriva. Loita se mogu podijeliti po vrsti i nainu izgaranja goriva. Samo kruto gorivo moe izgarati u sloju: krutom sloju ili fluidiziranom sloju. Izgaranje se u krutom sloju odvija na reetci koja se kree kroz podnoje loita. Kroz reetku se upuhuje zrak potreban za izgaranje. estice se u krutom sloju ne gibaju u odnosu na reetku. U fluidiziranom se sloju zrak upuhuje tolikom brzinom da podie estice goriva i kvarcnog pijeska (slui za popunjavanje prostora izmeu estica goriva zbog bolje fluidizacije).

U prostoru mogu izgarati sve tri vrste goriva. Tekue se gorivo u gorionicima raspruje u vrlo sitne kapljice ime mu se poveava povrina i olakava isparavanje, jer izgaraju pare tekueg goriva. Plinsko se gorivo u loite ubacuje gorionicima u kojima se djelomino ili potpuno mijea sa zrakom zbog boljeg izgaranja.

Da bi izgarao u prostoru ugljen se mora mljevenjem usitniti u vrlo finu ugljenu prainu koja se zajedno sa zrakom upuhuje u loite. Neizgoreni dio ugljene praine pada u lijevak loita kroz koji se posebnim kanalom odvodi na deponij ljake i pepela. Veliina se loita (povrina za prijelaz topline) u pravilu odreuje tako da na izlazu iz loita (ispred cijevne zavjese - poetak konvektivnog kanala) temperature dimnih plinova budu neto ispod temperatura sinteriranja pepela u ugljenu. Tada ne dolazi do hvatanja pepela za cijevi koje u konvektivnom kanalu ispunjavaju prostor (za razliku od loita u kojemu se one nalaze na obodu loita). Kada je sastav pepela u ugljenu takav da bi pepeo na temperaturama izgaranja omekavao i lijepio se za izmjenjivake povrine, moe se koristiti slabo hlaeno predloite u kojemu je temperatura ekstremno visoka. Pepeo se tada u rastaljenom stanju odstranjuje, a proieni dimni plinovi uvode u glavno loite. Tablica 3.1 Klasifikacija loita

Loita

Izgaranje u sloju Izgaranje u prostoru

U krutom sloju U fluidiziranom

sloju

Jednostrujno ili vrtlono

Plinska i

tekua goriva

Ugljena praina

Kruti odvod troske

Tekui odvod troske

Loita moraju osigurati:

to potpunije izgaranje s minimalnim koeficijentom pretika zraka, to manje zaljakivanje loita i izmjenjivakih povrina, odgovarajuu proizvodnju pare za unesenu koliinu goriva, veliku sigurnost u radu,

2

mogunost lakog i jednostavnog opsluivanja, mogunost brzog reguliranja optereenja u irokim granicama.

Sl. 3.22 Vrtlono loenje Sl.3.23 Jednostrujno loenje Parametri na temelju kojih se moe procijeniti kvaliteta rada loita:

1. osloboena koliina topline,

LL qBQ = 2. koeficijent pretika zraka na izlazu iz loita 3. gubitak topline uslijed kemijskog nepotpunog izgaranja - kq , %, 4. gubitak topline uslijed mehanikog nepotpunog izgaranja - mq , % 5. volumno optereenje loita,

L

LV V

qBq =

6. za loita u sloju, gustoa toplinskog toka po jedinici povrine reetke,

R

LR A

qBq =

7. gustoa toplinskog toka po jedinici povrine poprenog presjeka,

L

LA A

qBq =

8. udio leteeg pepela, 9. tlak (potlak) u loitu, 10. temperatura zraka na ulazu u loite.

3

Pregrijai pare Para se pregrijava prvenstveno zbog poveanja stupnja iskoristivosti krunog procesa. Na sl. 3.24. pregrijano je podruje od stanja 1 do 2. Poveanje pregrijanja za 55 C poveava stupanj iskoristivosti za oko 1 %. Pregrijana para ne sadri kapljice vode zbog ega je manje erozivna i korozivna. Pregrijanje pare je imperativ za parne turbine, a poeljno je i za parne strojeve. Izlazna para iz turbine mora sadravati manje od 15 % vlage da ne doe do intenzivne erozije i korozije turbinskih lopatica.

Sl. 3.24. Izobarna promjena stanja vode u generatoru pare

Toplina se dimnih plinova moe predati pregrijaima: konvekcijom, zraenjem ili kombiniranim djelovanjem jednog i drugog. Postizanje se najviih temperatura pregrijanja moe osigurati samo kombiniranim djelovanjem.

Konvektivni se pregrijai postavljaju u struju dimnih plinova tako da su cijevnom zavjesom ili paketima cijevi zaklonjeni od direktnog zraenja plamena iz loita. Obino se izvode u dva stupnja (dva paketa) s ubrizgavanjem napojne vode u struju pregrijane pare izmeu njih, radi regulacije temperature izlazne pare. Prijelaz topline se kao kod svih konvektivnih povrina poboljava s poveanjem optereenja.

Ozraeni se pregrijai koriste u generatorima pare s najviim parametrima, jer drukije nije mogue ostvariti pregrijanja pare od > 500 C. Smjetaju se na prednjem ekranu, bonim ekranima, stropu ili u prestrujnom kanalu, tako da ipak nisu na direktnom udaru plamena, zbog slabije sposobnosti hlaenja cijevi od strane pregrijane pare. Osjetljivi su na stvaranje sloja na unutarnjoj strani cijevi zbog ega zahtijevaju visoke standarde pripreme napojne vode. Dobre karakteristike ozraenih pregrijaa su: dodatno hlaenje loita (zbog visokih tlakova toplina se isparavanja vode

smanjuje, a time i odvoenje topline u loitu), u kombinaciji s konvektivnim pregrijaima daju temperaturnu karakteristiku slabo

ovisnu o optereenju, jednostavne su konstrukcije Na sl. 3.25 prikazane su temperaturne karakteristike ozraenog i konvektivnog pregrijaa, te njihove kombinacije. Vidljivo je da se u kombinaciji ozraenog i konvektivnog pregrijaa temperatura pregrijanja zadrava na konstantnoj vrijednosti u podruju optereenja od 25-100 %.

4

360

370

380

390

400

410

420

430

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Optereenje

Tem

pera

tura

, o C

konvektivni

ozraenikombinacija

Sl. 3.25 Temperaturne karakteristike pregrijaa pare

Meupregrijai Proces meupregrijavanja pare prikazan je na sl. 3.26. Svjea se para ekspandira u visokotlanom dijelu turbine do tlaka meupregrijanja, vraa se u generator pare u kojemu se meupregrijava obino do iste temperature kao i svjea para (od stanja 5 do stanja 6), te ponovo ekspandira u niskotlanom dijelu turbine.

Sl. 3.26 Proces meupregrijanja pare

Sadanji trendovi u projektiranju meupregrijaa:

jedno meupregrijanje za podkritine tlakove, dva meupregrijanja za nadkritine tlakove, bolje je uvesti meupregrijanje nego imati previsoku temperaturu svjee pare, uvoenje meupregrijanja poskupljuje turbinu (kompliciranija izvedba kuita te

dulji parovodi i sloenija regulacijska oprema), ali ne poskupljuje bitno generator pare,

iznad 400 C spaava se 4,5-5 % topline, ali se gubi po 1 % za svakih 10 % poveanja ukupnog pada tlaka.

5

Prednosti meupregrijanja pare:

poveava se stupanj iskoristivosti procesa, smanjuje se vlanost u zadnjim stupnjevima turbine do 50 %, smanjuje se snaga napojne pumpe za 15-18 %, smanjuju se dimenzije kondenzatora za 7-8 %, smanjuju se gorionici za oko 5 %, smanjuje se generator pare za 15-18 %, smanjuju se dimenzije predgrijaa napojne vode. Nedostaci meupregrijanja pare: poveava se cijena turbine, ukupno uzevi investicijski troak raste zbog dodatnih cjevovoda i ventila oteano rukovanje i kontrola.

Ekonomajzerske povrine Ekonomajzerske povrine ine zagrijai napojne vode i zagrijai zraka. Ugrauju se u izlaznom dijelu generatora pare ime snizuju izlaznu temperaturu dimnih plinova. Time se ostvaruje poboljavanje stupnja iskoristivosti generatora pare (odatle naziv ekonomajzerske povrine). Smanjenjem izlazne temperature dimnih plinova za 15-20 C, ostvaruje se poboljanje stupnja iskoristivosti generatora pare za oko 1 %. Kod dananjih generatora pare izlazne temperature obino iznose na punom optereenju 130-150 C. Ukupno se na ovaj nain stupanj iskoristivosti generatora pare moe poveati za oko 3-5 % te iznosi 92-94 %.

Utjecajni faktori o kojima ovise izlazne temperature dimnih plinova: koliina topline koja se moe izmijeniti u generatoru pare, ulazna temperatura napojne vode i zraka, rosite dimnih plinova, cijena ureaja. Problemi koji se javljaju u vezi s ekonomajzerskim povrinama: projektiranje niskog optereenja - da bi se smanjila niskotemperaturna korozija

potrebni su bypass na dimnim plinovima i recirkulacija na dovodu vode i zraka, poveano oneienje, potrebni su ventilatori, potrebni su poveana panja i skuplje odravanje. Postoji uvijek optimalna temperatura dimnih plinova na izlazu iz generatora pare kada su trokovi proizvodnje pare minimalni. Meutim, postoje i situacije kada se ekonomajzerske povrine ne upotrebljavaju (taj se prostor smanjuje kako se cijene goriva podiu): kada je gorivo jeftino, kada se generator pare loi sezonski, kada generator pare slui kao pomoni ureaj za proizvodnju pare.

6

Zagrijai napojne vode

Obino su smjeteni izmeu meupregrijaa pare i zagrijaa zraka. Ukoliko nema zagrijaa zraka, tada su zagrijai vode zadnje izmjenjivake povrine generatora pare. U pravilu se voda u njima zagrijava ispod temperature zasienja, kako se ne bi pojavila para koja moe izazvati kavitaciju i oteenja. Ako su ipak predvieni za zagrijavanje vode s ulaskom u zasieno podruje, tada su posebne konstrukcije i nazivaju se predisparivai.

Prednosti zagrijaa vode: koriste se i za male jedinice i nie tlakove, potronja je dodatne snage mala, bre putanje u pogon generatora pare, zauzima relativno mali prostor, smanjuje optereenje ogrjevnih povrina. Po konstrukciji mogu biti: 1) integralni dio isparivakog kruga, 2) odvojeni paketi - obino su smjeteni u konvektivnom kanalu generatora pare,

izlazni im je kolektor spojen s bubnjem. Po tehnolokom postupku izrade dijele se na: 1) eline sa ili bez rebara - osjetljivi na kisik u vodi i pH vrijednost vode, u pravilu

se koriste vee brzine strujanja vode, 2) lijevani - za nie tlakove, otporniji na kvalitetu vode i niskotemperaturnu

koroziju, skuplji u izradi.

Zagrijai zraka

Isplativi su u pravilu za generatore pare kapaciteta iznad 20-25 t/h. Smjeteni su obino iza zagrijaa vode, na kraju generatora pare. Zagrijavanje zraka za 55 C poveava stupanj iskoristivosti generatora pare za oko 2 %. Jednostavnije su i lake konstrukcije od zagrijaa vode zbog niih tlakova. Zbog slabijeg koeficijenta prolaza topline zahtijevaju velike povrine. Zrak se zagrijava zbog: poveanja stupnja iskoristivosti generatora pare, suenja goriva, boljeg izgaranja - uslijed viih temperatura Zagrijai se zraka mogu podijeliti na: 1) rekuperatore - zrak su i dimni plinovi odvojeni stijenkom - cijevni - ploasti 2) regeneratore - rotacioni (Ljungstrom), 70 % svih zagrijaa zraka su ovoga tipa (sl.

3.27), grijani se elementi sastoje od tankih elinih limova (sae) koji se naizmjenino zagrijavaju dimnim plinovima i hlade zrakom, vrlo su efikasni ali se javlja problem brtvljenja.

7

Sl. 3.27 Ljungstromov rotacioni zagrija zraka

59

4.1 MASENA BILANCA GENERATORA PARE Mesena je bilanca u opem sluaju prikazana na sl. 1. S vanjske se strane cijevi nalaze dimni plinovi, a s unutarnje strane protjeu voda i para Primjer prikazuje vodocijevni generator pare s izgaranjem ugljene praine.

Sl. 1. Masena bilanca generatora pare Masena bilanca na strani dimnih plinova U ulazni dio bilance izgaranja spadaju: B koliina goriva, kg/s, L koliina zraka za izgaranje,kg/s, Li koliina zraka koji se usisava zbog nedovoljnog brtvljenja generatora pare, kg/s. U izlazni dio masene bilance na strani dimnih plinova ulaze: G plinski produkti izgaranja, kg/s, Gai kruti mineralni ostatak pepeo, ljaka koji se odvode na razliitim mjestima uzdu

dimnog trakta: na dnu loita, na dnu konvektivnog kanala, u filteru krutih estica i na dimnjaku.

W

D

Dnv

Pr1 Pr2

Eko

Filter

Ga1 Ga2 Ga3

B

L

Ga4 G

L1 L2

L3

60

aii

ii

GGLLB +=++ Pri pogonu s plinskim gorivom otpada lan koji obuhvaa mineralni ostatak, a pri

pogonu s pretlakom u loitu, otpada lan koji se odnosi na usisavanje zraka. Masena bilanca na strani vodeno-parnog trakta Kod postavljanja masene bilance za radni medij s unutarnje strane cijevi, treba predvidjeti i vodu za odmuljivanje (ispiranje isparivaa radi odstranjivanja soli koje se unose u vodeni trakt s napojnom vodom) te vodu koja se ubrizgava u pregijanu paru radi regulacije temperature svjee pare. U tom sluaju ulazni dio bilance ine: Dnv protk napojne vode, kg/s, W protok vode koja se ubrizgava za regulaciju temperature svjee pare, kg/s. Izlazni dio bilance: D protk svjee pare, kg/s, Dmulj koliina za odmuljivanje, kg/s.

muljnv DDWD +=+ 4.2 TOPLINSKA BILANCA GENERATORA PARE

U stacionarnim pogonskim uvjetima mora postojati ravnotea dovedene i odvedene energije (topline) generatora pare. U toplinsku bilancu ulaze samo tokovi koji presijecaju granice generatora pare (sistema) i zato granice moraju biti definirane. Kako e biti definirane ovisi o tome to se analizom eli obuhvatiti. Ono to se dogaa unutar granica generatora pare nije od interesa za raunanje toplinske bilance.

Q Qdovedena odvedena= (3.1)

Dovedena toplina Toplina se u generator pare moe dovesti razliitim nainima. Prvenstveno se dovodi kao kemijska energija goriva, ali se moe dovesti i kao fizika (osjetna) toplina otpadnih dimnih plinova koji su zagrijani u nekom tehnolokom procesu. Toplina se jo moe dovesti zrakom i gorivom, ako su zagrijani na temperaturu koja je iznad temperature okoline. Osim izgaranja toplina se moe razvijati u loitu i nekim drugim egzotermnim procesima ili se moe troiti ukoliko su kemijski procesi koji se odvijaju paralelno s izgaranjem endotermni. I konano toplina se moe dovoditi u obliku elektrine energije, to je primjereno samo malim generatorima pare ili tople vode.

)( endegzpfindovedena QQQQQQ +++= (3.2) Q Hin d= u pravilu se radi o donjoj toplinskoj moi goriva, no moe biti i

entalpija otpadnih dimnih plinova iz nekog tehnolokog procesa. Ako

61

su dimni plinovi na izlazu iz generatora pare ohlaeni na temperaturu niu od 100 C, mora se raunati s gornjom toplisnkom moi goriva. Ovo je najvea toplina koja se dovodi generatoru pare (ukoliko nije elektrini bojler).

Q Q Qf fB fL= + )( 0ttcQ BBfB = predstavlja fiziku toplinu goriva koja je umnoak specifine topline i temperature. Ovaj je dio topline mali i treba ga uzeti u obzir samo ako se gorivo prethodno zagrijava. Ugljen se zagrijava zbog suenje. Tekua goriva (mazut) se zagrijavaju radi smanjenja viskoziteta kako bi se mogla transportirati i bolje raspriti. Plinsko gorivo se u pravilu ne zagrijava.

Q V c t tfL L pL L= ( )0 predstavlja fiziku toplinu zraka, ako se zrak zagrijava prije uvoenja u generator pare. Ako se zrak zagrijava unutar generatora pare prije uvoenja u loite (to je est sluaj), to se u bilanci ne uzima u obzir.

BkJ/kg)2600( = ppp hGQ toplina za parno rasprivanje mazuta, bolje rasprivanje poveava dodirnu povrinu izmeu mazuta i vruih plinova u loitu to pospjeuje isparavanje, a time i izgaranje. Za rasprivanje se mazuta troi 0,3-0,35 kgpare/kgmazuta.

Zadnja se dva pribrojnika u jednadbi za dovedenu toplinu (3.2) u pravilu ne pojavljuju i moemo ih izostaviti. Samo kao ilustraciju za endotermni proces koji se javlja paralelno s izgaranjem moemo spomenuti izgaranje uljnih kriljaca. Rekli smo da se radi o organskoj gorivoj tvari slinoj nafti koja se nalazi u vapnenakoj strukturi od koje je se ne isplati odvajati prije uvoenja u loite. Vapnenac se tako na visokim temperaturama koje vladaju u loitu razlae, pri emu nastaje ugljini dioksid. Na razlaganje se troi toplina to u proraunu treba uzeti u obzir.

Odvedena toplina Jednadba odvedene topline iz generatora pare svedena na kilogram goriva dana je sljedeim izrazom:

Q Q I Q Q Q Qodvedena korisna out k m troska= + + + + +0 kJ / kgB (3.3)

QDB

h hkorisna p v= ( ) korisna toplina koja se od dimnih plinova predaje izmjenjivakim povrinama. D je proizvedena para, kg/s, B je gorivo, kg/s, a u zagradi su entalpija svjee (pregrijane) pare i entalpija vode na ulazu u generator pare.

62

Sl. 3.28 Toplinska bilanca generatora pare

I I Iout G G= 0 izlazna toplina je razlika izmeu entalpije dimnih plinova na izlazu i

entalpije dimnih plinova na temperaturi okoline. Qk gubitak topline uslijed nepotpunog izgaranja zbog kemijskih razloga. Qm gubitak topline uslijed nepotpunog izgaranja zbog mehanikih razloga. Q0 gubitak topline uslijed hlaenja vanjskih toplih povrina. Qtroska ostatak balastne materije nakon izgaranja naziva se troska. Troska

izlazi iz generatora pare s viom temperaturom od temperature okoline. Ovo je gubitak uslijed fizike (osjetne) topline troske.

Sl. 3.29 Shematski prikaz toplinskih tokova

63

Toplinski gubici Toplinski se gubici generatora pare izraavaju u postocima unesene topline.

Gubitak zbog fizike topline dimnih plinova

Dimni plinovi na izlazu iz generatora pare imaju viu temperaturu tG od okoline tG0. To je najvei toplinski gubitak generatora pare i rauna se prema:

100)( 000 ++

=BBLLLd

GGout hhhhVH

IIg %. (3.4)

U nazivniku je unesena toplina u generator pare iji je najvei dio ogrjevna mo goriva. Fizike su topline zraka i goriva relativno male i uzimaju se u obzir samo ako je temperatura zraka i goriva via od okoline. Gubici fizike topline dimnih plinova iznose 5-12 % to ovisi o: temperaturi, volumenu, sastavu dimnih plinova.

to je vei faktor pretika zraka , to e i izlazni gubitak dimnih plinova biti vei.

Gubitak zbog kemijskog nepotpunog izgaranja

Ovaj se gubitak pojavljuje kada se u dimnim plinovima nalaze proizvodi nepotpunog izgaranja (CO, H2, CH4, CmHn). Moe iznositi 0-2 %, a javlja se uslijed: nedovoljne koliine zraka za izgaranje, slabog mijeanja goriva i zraka, malih dimenzija loita, tako da ne ostaje dovoljno vremena za izgaranje, velikih dimenzija loita zbog ega su temperature izgaranja niske.

qV, MW/m3

g k, %

Sl. 3.30 Gubitak kemijskog nepotpunog izgaranja

64

Na sl. 3.30 kvalitativno je prikazan gubitak uslijed kemijskog nepotpunog izgaranja u ovisnosti o toplinskom optereenju loita qV, pri emu je toplinsko optereenje loita jednako unesenoj koliini topline po jedinici volumena loita.

qBH

VVd

lozista= MJ / m3

Faktor pretika zraka

Gub

ici,

% nepotuno izg.izlazni gubitaksuma

Sl. 3.31 Optimalni faktor pretika zraka

Na sl. 3.31 prikazano je sumarno djelovanja izlaznog gubitka dimnih plinova i gubitka uslijed kemijskog nepotpunog izgaranja. Optimalni faktor pretika zraka nije onaj kod kojega nema gubitka nepotpunog izgaranja, ve onaj kod kojega je suma gubitaka najmanja.

Gubitak zbog mehanikog nepotpunog izgaranja

Gubitak topline uslijed mehanikog nepotpunog izgaranja vezan je prvenstveno uz kruto gorivo koje ne izgara u potpunosti zbog mehanikih razloga. Najvei se gubitak pojavljuje kod loita s mehanikom reetkom. Jedan dio goriva propadne kroz raspore na reetki, jedan se dio goriva prenosi dimnim plinovima iz loita u konvektivni kanal,a na kraju ostaje jedan dio neizgorenog goriva zarobljen u ljaki.

g g g gm m propad m let m troska= + +, , , (3.5)

[ ]gG r

B H V h h h hmm C

d L L L B B

= + + 33900

0 0( )% (3.6)

Gm koliina goriva u propadu, letu i troski, kg/s rC udio gorive materije (uglavnom ugljik) u Gm Ovisnost gubitka mehanikog nepotpunog izgaranja o veliini loita kvalitativno je vrlo slina s ovisnou gubitka kemijskog nepotpunog izgaranja (sl. 3.30).

65

3.32 Izgaranje na reetki

Gubitak zbog vanjskog hlaenja

Vanjske su povrine generatora pare vie temperature od temperature okoline zbog ega dolazi do hlaenja zraenjem i konvekcijom. Kada bismo pokuali izraunati ovaj gubitak primjenjujui metode prijelaza topline, proraun bi postao vrlo sloen i zahtjevan. U svrhu pojednostavljenja prorauna koristimo se gotovim dijagramom danim na sl. 3.33.

Sl. 3.33 Odreivanja gubitak topline zbog vanjskog hlaenja

66

Gubitak zbog fizike topline troske

Gubitak topline zbog fizike topline troske proizlazi iz toga to pri izgaranju krutog goriva izlazna troska ima visoku temperaturu (600-700 C). Kod loita s tekuim odvodom troske, ove temperature su jo osjetno vie. Ovaj gubitak obino iznosi 1-2 % i moe se izraunati na sljedei nain:

[ ]gG c t t

B H V h h h htroskatroskam p troska troska

d L L L B B

= + + , ( )

( )%0

0 0

(3.7)

pri emu je cp troska, , 1 256 kJ / kgK .

Stupanj iskoristivosti Stupanj se iskoristivosti generatora pare moe odrediti na dva naina. Direktna se metoda temelji na mjerenju tlaka i temperature pare i vode te ulaznih parametara i protoka goriva i zraka.

[ ] 100)()(

00

++=

BBLLLd

vpGP hhhhVHB

hhD % (3.8)

Kao to se vidi iz jednadbe (3.3), toplina se unesena zrakom i gorivom uzima u obzir samo u sluaju kada im je temperatura iznad temperature okoline. Najnesigurniji parametar pri koritenju direktne metode jeste odreivanje masenog protoka goriva kada se radi o ugljenu.

Indirektnom se metodom stupanj iskoristivosti odreuje tako da se odrede svi toplinski gubici, koji se zatim oduzimaju od 100 %.

)(100 0 troskamkoutGP ggggg ++++= % (3.9) Ukoliko se ne radi o krutom gorivu, od gubitaka praktiki ostaju samo izlazni gubitak dimnih plinova (gout) i gubitak odavanja topline na okolinu (g0). Praksa je pokazala da se indirektnom metodom dobivaju pouzdaniji rezultati.

1

5. OSNOVE IZGARANJA

5.1 KLASIFIKACIJA OBLIKA ENERGIJE Prema zakonu odranja energije, energija se ne moe niti proizvesti niti unititi, ve samo transformirati iz jednog oblika u drugi. Zbog toga nije posve ispravno, za neko (recimo fosilno) gorivo, upotrebljavati ustaljeni izraz "energetski izvor", budui da energija u "energetskom izvoru" ve postoji, a ne nastaje. Ona je samo pohranjena u obliku koji u pravilu nije podesan za neposredno iskoritavanje. U tom je sluaju primjerenije govoriti o postojanju razliitih oblika energije i njihovoj transformaciji iz jednoga oblika u drugi.

Ipak, kada razmiljamo o tome kako je energija dospjela na Zemlju, ustanovit emo da se bez obzira na oblik energije u kojemu je ona pohranjena gotovo uvijek radi o istom izvoru, a to je Sunce i njegovo zraenje. Suneva energija je pohranjena u ugljenu, nafti, zemnom plinu, drvetu, hrani, ona je uzrok stvaranja vodotokova, morskih struja, valova i vjetrova, a da se o direktnom zraenju topline ije blagodati svakodnevno koristimo i ne govori. Sa stanovita ljudskog postojanja suneva je energija beskonani izvor topline za Zemlju.

Meutim, postoje oblici energije na Zemlji ije se ishodite ne nalazi na Suncu. To je npr. energija plime i oseke, koja je posljedica gravitacijskih sila prvenstveno izmeu Zemlje i Mjeseca. Ni nuklearna energija, bez obzira o kojemu se moguem nuklearnom gorivu radi, nije Suneva energija. Isto vrijedi za geotermiku energiju za koju se pretpostavlja da energiju hlaenja preko vanjske povrine Zemlje nadoknauje toplinom radioaktivnog raspada elemenata od kojih je graena.

U pokuaju klasifikacije oblika energije moe se govoriti o primarnim i transformiranim oblicima energije. Primarni oblici su oni koji se nalaze ili pojavljuju u prirodi. Zbog toga to se samo neki od primarnih oblika energije mogu direktno upotrijebiti, vre se transformacije energije do oblika koje korisnici trebaju.

Osim podjele po uestalosti primjene, kada govorimo o konvencionalnim i ne-konvencionalnim oblicima energije, primarni se oblici energije mogu podijeliti na obnovljive i neobnovljive oblike energije. Obnovljivi su oblici oni koji se prirodno obnavljaju u intervalima koji su sumjerljivi ljudskom poimanju vremena. To su npr.: Suneva energija, energija vodnih snaga, energija vjetra, energija plime i oseke, toplina mora. Drugu skupinu ine neobnovljivi oblici energije ije se rezerve uslijed koritenja svakim danom smanjuju, a to su: energija fosilnih i nuklearnih goriva te geotermika energija Zemljine unutranjosti. Obnovljive primarne oblike energije karakterizira promjenljivost energetskog toka. Budui da uglavnom nije rijeeno skladitenje energije barem ne sa stanovita energetike (izuzetak je npr. akumulacija vode-potencijalne energije u akumulacijskom jezeru hidroelektrane), moe se dogoditi da energije ne bude ba onda kada je najpotrebnija.

Obnovljive primarne oblike energije nije mogue transportirati u onom obliku u kojemu se pojavljuje u prirodi, za razliku od fosilnih i nuklearnih goriva.

2

Konvencionalni oblici energije Kao to je ve naglaeno energija je uvijek povezana s materijalnim nosiocem. Prema nosiocima i uestalosti njihovog iskoritenja primarne oblike energije moe se podijeliti na konvencionalne i nekonvencionalne. Konvencionalni oblici energije su kemijska energija drveta, ugljena, nafte i zemnog plina. Zatim u konvencionalne oblike spadaju potencijalna energija vodotokova, nuklearna energija zasnovana na fisiji te toplinska energija vruih izvora. Tablica 2.1 Konvencionalni oblici energije

drvo ugljen nafta zemni plin nuklearna goriva

neobnovljivi oblici

hidro energija

obnovljivi oblici

kemijska nuklearna potencijalna

Nekonvencionalni oblici energije Nekonvencionalni oblici energije su kinetika energija vjetra, potencijalna energija plime i oseke, geotermika energija (toplinska energija Zemljine unutranjosti), Suneva energija (direktno koritenje), toplinska energija mora i nuklearna energija zasnovana na fuziji. Tablica 2.2 Nekonvencionalni oblici energije

geoter-mika

fuzija neobnovljivi oblici

toplina mora

Suneva vjetar plima i oseka

obnovljivi oblici

toplinska zraenje kinetika nuklearna potencijalna

Goriva Goriva su primarni oblici energije u kojima je energija pohranjena u kemijskom ili nuklearnom obliku. Oslobaanjem energije goriva poveava se unutarnja energija radne tvari koja se tada koristi za dobivanje rada ili toplinske energije. U sadanjem su trenutku tehnolokog razvoja najvanija konvencionalna goriva fosilna: ugljen, nafta i zemni plin, te od nuklearnih goriva uran.

Korisni oblici energije Transformacije energije teku do onih energetskih oblika koje korisnici trebaju, a to su: toplinska energija, mehanika energija, kemijska energija i energija svjetla. Od naroitog znaaja su transformacije kojima se proizvodi elektrina energija. Zbog svojih dobrih osobina da se lako transformira u druge oblike energije (naroito je vana transformacija u mehaniki rad i obrnuto, mehaniki se rad s malim gubicima transformira u elektrinu energiju) i da se lako transportira na vee udaljenosti, elektrina energija je izuzetno znaajna za gospodarski razvoj svake zemlje. Empirijski je utvreno da je potronja elektrine energije po glavi stanovnika jedan od parametara koji ukazuju na razvijenost nacionalnog gospodarstva i ivotni standard ljudi odreene zemlje.

5.2 GORIVA

3

Kruta goriva

Najvanije kruto gorivo je ugljen. Smatra se da je proces nastajanja ugljena zapoeo prije mnogo milijuna godina u movarnim podrujima kada je organska materija biljnog porijekla dospjela ispod povrine vode. U nedostatku zraka prvo se poinje stvarati treset. Poveanjem tlaka i temperature (tektonske promjene, vulkanska aktivnost) proces pougljivanja tokom vremena napreduje uz smanjenje udjela vlage i lakoishlapljivih sastojaka. U zavisnosti od podruja nastanka i geoloke starosti ugljeni se mogu podijeliti u etiri osnovne grupe: ligniti, smei ugljeni, kameni ugljeni i antraciti. U tablici 3. dane su karakteristike prema kojima se mogu klasificirati ugljeni. Tablica 2.3 Klasifikacija ugljena

Voda Ogrjevna vrijednost Hd

Ishlapivi sastojci

Ukupni ugljik

% kJ/kg % % Lignit 35-75 6700-19250 53-62 60-67 Smei ugljen 10-40 18850-26800 45-53 67-77 Kameni ugljen 3-10 23900-35400 10-50 77-92 Antracit

4

Plinska goriva Zemni plin je najvanije plinsko gorivo. On je smjesa lakih ugljikovodika, vode i drugih plinova. Sastav varira u zavisnosti od nalazita u irokim granicama. Najvei je postotak metana (CH4) koji iznosi 50-100 %. Prema teim ugljikovodicima sastav obino moe ii do heksana (C6H14). Pored plinovitih ugljikovodika u sastavu se najee nalaze i ugljikovodici koji su pod okolinim uvjetima u tekuem stanju. Takvi sastojci se obino jo u toku proizvodnje odvajaju kao plinski kondenzat. Ogrjevna vrijednost zemnog plina iznosi u zavisnosti od sastava 33-38 MJ/m3.

U usporedbi s naftom koritenje zemnog plina je mlaeg datuma. Zbog lakoe koritenja zemnog plina iz leita plina (direktno se iz buotine vodi na mjesto upotrebe) njegova proizvodnja se stalno poveava. Kasniji poetak intenzivnijeg koritenje zemnog plina posljedica je problema koji su se pojavljivali s transportom i skladitenjem plina. Danas su meutim tehniki problemi velikim dijelom rijeeni. Izgraeni su plinovodi koji spajaju zemlje i kontinente te omoguuju transport plina na velike udaljenosti. S druge strane razvijena je tehnika ukapljivanja plina koja omoguuje morski transport velikih volumena.

Osim zemnog plina esto se kao gorivo koriste otpadni plinovi iz industrijskih pogona kao npr. koksni plin, i dr.

5.3 STATIKA IZGARANJA

U gorivima se izgaranjem s kisikom oslobaa unutarnja kemijska energija koja se prenaa na molekule poveavajui njihovu kinetiku energiju. Time se poveava unutarnja energija radne tvari, a zbog toga i temperatura. Kisik se gorivu u pravilu dovodi sa zrakom u kojemu ga ima oko 21 % (volumni postotak). Izgaranje moe biti potpuno i nepotpuno. Potpuno je izgaranje ono kod kojega svi gorivi sastojci u potpunosti izgore. U sluaju nedostatka kisika za izgaranje ili slabog mijeanja goriva i zraka, proizvodi izgaranja mogu sadravati jo uvijek gorive tvari ili plinove. To je nepotpuno izgaranje koje je u pravilu nepoeljno jer predstavlja gubitak. Gorivo se sastoji od: gorive tvari, vode i pepela. Izgaranjem goriva tvar prelazi u plinovitu, voda u paru, a pepeo ostaje u krutom stanju.

Uz gorivo je i kisik za poetak procesa izgaranja potrebno osigurati i trei uvjet, a to je temperatura zapaljenja. Zanimljivo je da se proces oksidacije (spajanje s kisikom) javlja na svim temperaturama pri emu se oslobaa toplina, ali je kod niskih temperatura proces oksidacije tako spor da se odvoenje topline lako ostvaruje. Kako se temperatura povisuje proces se oksidacije, a time i oslobaanje topline intenzivira s naroitim ubrzanjem na temperaturi zapaljenja. Proces izgaranja prouava se kroz dvije osnovne grane: Statika izgaranja u obzir se uzimaju samo krajnji produkti nastali pri procesu izgaranja Dinamika izgaranja bavi se fizikim i kemijskim procesima koji se odvijaju tijekom izgaranja

Mehanizam je izgaranja goriva vrlo sloen i teak za proraun kada se ele pratiti sve faze procesa. Ako se zadovoljimo samo bilancom tvari i topline, to je za veliki dio praktinih problema dovoljno, tada se proraun izgaranja bitno olakava. Iz stehiometrijskih jednadbi moemo na lak nain izraunati koliine zraka potrebnog za izgaranje kao i koliine dimnih plinova koje pri izgaranju nastaju.

5

Jednadbe izgaranja krutih i tekuih goriva Za proraun je izgaranja potrebno poznavati sastav goriva koji se dobiva elementarnom analizom. Za kruta se i tekua goriva sastav po jedinici mase goriva (1 kg) prikazuje

c h s o n w a+ + + + + + = 1. (2.1) Simboli redom predstavljaju: ugljik, vodik, sumpor, kisik, duik, vlagu i pepeo. Gorivi sastojci su: ugljik, vodik i sumpor.

Za potpuno izgaranje ugljika vrijedi

C O CO+ =2 2 (2.2) 1 1 12 2kmol kmol kmolC O CO+ = 12 22 4 22 42 2kg m m

3 3C O CO+ =, , :12 1kg m m3 3C O CO+ =1 867 1 8672 2, , Za 1 kg ugljika da bi potpuno izgarao potrebno je dovesti 1,867 m3 kisika pri emu e se dobiti 1,867 m3 ugljinog dioksida. Jedinice za volumen odgovaraju normalnom stanju (1,013 bar i 0 C) kao to e to biti sluaj u cijelom poglavlju.

Zbog nedostatka kisika ugljik e barem djelomino izgarati u ugljini monoksid.

C O CO+ =0 5 2, (2.3) 1 0 5 12kmol kmol kmolC O CO+ =, 12 11 2 22 42kg m m

3 3C O CO+ =, , :12 1kg m m3 3C O CO+ =0 933 1 8672, ,

Izgaranje vodika

H O H O2 2 20 5+ =, (2.4) 1 0 5 12 2 2kmol kmol kmolH O H O+ =,

OHOH 23

23

2 m4,22m2,11kg2 =+ :2 1kg m m3 3H O H O2 2 25 6 11 2+ =, ,

Izgaranje sumpora

S O SO+ =2 2 (2.5) 1 1 12 2kmol kmol kmolS O SO+ =

23

23 m4,22m4,22kg32 SOOS =+ :32

1kg m m3 3S O SO+ =0 7 0 72 2, , Isparavanje vlage iz goriva (nema izgaranja)

1 1 2kmol kmolw H O 18 22 4 182kg m

3w H O , : 1 1 24 2kg m

3w H O ,

6

Tablica 2.4 Stehiometrijske vrijednosti izgaranja (kruta i tekua goriva) Izgaranje Potrebni kisik Proizvodi izgaranja

1 kg m3 m3

c 1,867 1,867 CO2

c 0,933 1,867 CO

h 5,6 11,2 H2O

s 0,7 0,7 SO2

Jednadbe izgaranja plinskih goriva Plinskim je gorivima sastav zadan u volumnim udjelima.

CO H H S C H CO N Om n+ + + + + + =2 2 2 2 2 1 (2.6) Sagorljivi sastojci su: CO H H S C Hm n, ,2 2 i . Jednadba izgaranja CO:

CO O CO+ =0 5 2 2, (2.7) Budui da je 1 22 4kmol m3= , (kod normalnih uvjeta), to za 1m3 ugljinog monoksida treba dovesti 0,5 m3 kisika i izgaranjem e nastati 1m3 ugljinog dioksida. Vrijednosti za kisik i proizvode izgaranja razliitih gorivih plinova dane su u sljedeoj tablici.

Tablica 2.5 Stehiometrijske vrijednosti izgaranja (plinska goriva)

Izgaranje Potreba kisika Proizvodi izgaranja

1 m3 m3 m3 m3

CO 0,5 1 CO2

H2 0,5 1 H2O

H2S 1,5 1 SO2 1 H2O

CH4 2 1 CO2 2 H2O

CmHn m n4

+ m CO2 n2

H2O

Koliina zraka za izgaranje

Da bismo izraunali potrebni volumen zraka za izgaranje prvo je potrebno, prema tablicama 2.4 i 2.5, a poznajui sastav odgovarajue vrste goriva, izraunati potrebni teoretski volumen kisika. Teoretski volumen kisika je ujedno i minimalni, jer jo manje dovoenje kisika znai nepotpuno izgaranje i nepotrebne gubitke. Tako je za kruto i tekue gorivo minimalni volumen kisika za 1 kg goriva:

oshcVO ++= 7,07,06,5867,1min2 m kg3 B/ (2.8) gdje indeks B oznaava gorivo. Za plinsko gorivo minimalni volumen kisika iznosi:

7

V CO H H S mn

C H OOB B B

m nB

20 5 0 5 15

42 2 2min, , ,= + + + +

m m

3B/ 3 (2.9)

Budui da kisika u zraku ima oko 21 %, tada je minimalni volumen zraka

VV

LO

minmin

,= 2

0 21 (2.10)

U stvarnosti nije realno za oekivati da svaka estica goriva doe u kontakt s odgovarajuom esticom kisika (mijeanje goriva i zraka nije idealno). Zbog toga je potrebno u pravilu dovoditi veu koliinu zraka od teoretski potrebne. Omjer dovedenog i teoretski potrebnog zraka naziva se koeficijent pretika (vika) zraka.

= VV

L

L min (2.11)

Vrijednost koeficijenta pretika zraka ovisi o vrsti goriva, plameniku i loitu u kojemu se vri izgaranje. Aproksimativne vrijednosti za razliita goriva iznose:

= 1,01 - 1,1 plinska goriva = 1,03 - 1,2 tekua goriva = 1,15 - 1,3 ugljena praina = 1,3 - 1,5 ugljen na reetki

Koliina dimnih plinova Ukupni volumen dimnih plinova VG ini suma volumena pojedinanih plinova.

V V V V V V V V VG CO SO CO H C H N O H Om n= + + + + + + +2 2 2 2 2 2 (2.12) U izraz za volumen dimnih plinova ulaze koliine potpunog izgaranja (CO2, SO2, H2O) i nepotpunog izgaranja (CO, H2, CmHn) kao i viak zraka (O2, N2). U pravilu e koliine dimnih plinova koje nastaju zbog nepotpunog izgaranja biti zanemarivo male. Nedijelei pretiak zraka na kisik i duik moemo pisati

V V V V VG RO N H O L= + + + 2 2 2 1min min( ) (2.13) V V VRO CO SO2 2 2= + (2.14) esto se nastali dimni plinovi dijele na suhe i vlane, pa moemo pisati

V V VG Gsuhi H O= + 2 (2.15) Volumeni pojedinanih plinova u sluaju krutih i tekuih goriva u m kg3 B :

V c sRO2 1867 0 7= +, , (2.16) V V nN L2 0 79 0 8min min, ,= + (2.17) V h wH O2 11 2 1 24= +, , (2.18) Za plinsko gorivo se na slian nain mogu izraunati pojedinani proizvodi izgaranja u m m3 B/ 3 :

8

V CO mC HROB

m nB

2= + (2.19)

V V NN LB

20 79 2min min,= + (2.20)

V H H Sn

C HH OB B

m nB

2 2 2 2= + + (2.21)

Gornja i donja ogrjevna mo

Ogrjevna je mo goriva koliina topline koja se oslobaa izgaranjem jedinice mase goriva. Goriva u pravilu sadre (pored ostaloga) vodik i vlagu, a vlaga se dovodi i zrakom za izgaranje (cca 13 gr/m3). Vlagu iz zraka zbog jednostavnosti prorauna nismo uzeli u obzir u jednadbama (2.18 i 2.21). Na taj se nain nakon izgaranja u dimnim plinovima pojavljuje vodena para koja u sebi sadri latentnu toplinu isparavanja. Ako dimne plinove ohladimo ispod temperature zasienje (100 C za okolini tlak zraka), doi e do kondenzacije vlage koju sadre pri emu e se osloboditi toplina isparavanja vode. Na taj e nain toplina osloboena izgaranjem biti vea. To je gornja ogrjevna mo goriva Hg. U veini tehnikih postrojenja dimni plinovi se ne hlade ispod temperature zasienja, tako da e toplina osloboena izgaranjem 1 kg goriva odgovarati donjoj ogrjevnoj moi goriva Hd. Veza izmeu jedne i druge ogrjevne moi dana je izrazom:

H H w rg d= + 0 (2.22) gdje je w koliina vodene pare u kg koja izgaranjem prelazi u dimne plinove, a r0 u kJ/kg toplina isparavanja za 1 kg vode od 0 C. Tablica 2.6. Ogrjevne moi tehnikih plinova

Plin Molekularna masa Ogrjevna mo

m Hg Hd

kg/kmol kJ/m3 kJ/m3

Ugljini monoksid CO 28,01 12.640 12.640

Vodik H2 2,016 12.770 10.760

Metan CH4 16,04 39.750 35.730

Acetilen C2H2 26,04 58.030 56.020

Etilen C2H4 28,05 63.000 58.980

Etan C2H6 30,07 69.650 63.620

Propan C3H8 44,09 99.130 91.090

Butan C4H10 58,12 128.530 118.480

Glavni je sastojak svih goriva ugljik. Ogrjevna mo ugljika iznosi:

H Hg d= = 33910. kJ/kgB

9

Ogrjevna se mo goriva moe priblino izraunati pomou ogrjevnih moi njegovih sastavnih dijelova:

H r H r H r H r Hd d d n dn in

i di= + + + = =1 1 2 2 1K ( ) gdje ri oznaava udio pojedinog sastavnog dijela u gorivu. Ako se radi o plinskom gorivu, ri oznaava volumne udjele pojedinih plinova u gorivu. Pomou tablice 2.6, tada se moe izraunati ogrjevna mo plinskog goriva. Za kruta je i tekua goriva na isti nain:

H c ho

s wd = + + + 33900 117 000 8 10500 2 500. . . . kJ/kgB (2.23)

Teoretska temperatura izgaranja

Ako pretpostavimo da imamo adjabatsko loite u kojemu izgara gorivo sa zrakom, dimni e plinovi koji nastaju preuzeti svu osloboenu toplinu izgaranja, odnosno toplinu koja se dovodi u loite. Toplina se u loite moe dovesti kao kemijska energija goriva, ali i kao osjetna toplina (unutarnja energija) goriva i zraka. Gorivo se esto zagrijava zbog suenja (ugljen) ili zbog boljeg rasprivanja (mazut). Zrak se zagrijava zbog ubrzanja procesa izgaranja i zbog poveanja stupnja iskoristivosti generatora pare. U adijabatskom e loitu dimni plinovi dosegnuti teoretsku temperaturu izgaranja. Kod realnih tehnikih loita istovremeno s procesom izgaranja tee proces hlaenja dimnih plinova, jer je to upravo i svrha, da se toplina izgaranja prenese na radni medij. Zbog toga je stvarna temperatura dimnih plinova osjetno nia od teoretske temperature. Da bismo izraunali teoretsku temperaturu tGteor potrebno je izraunati prvo teoretsku entalpiju dimnih plinova IGteor koja se izraava u kJ/kgB ili kJ / mB

3 , u zavisnosti od toga da li se radi o krutom i tekuem ili o plinskom gorivu

I H V h hGteor loz d L L B= + + kJ/kgB ( kJ / mB3 ) (2.24) gdje je lo stupanj iskoristivosti loita, a hL i hB entalpije zraka i goriva. Za prikazivanje procesa izgaranja u loitu naroito je pogodan It- dijagram, gdje je I entalpija dimnih plinova u kJ/kgB ( kJ / mB

3 ), a t je Celsiusova temperatura dimnih plinova. U knjigama se i tablicama mogu nai vrijednosti za entalpije pojedinih dimnih plinova h (kJ/m3), tako da je sumarna entalpija dimnih plinova:

I V h V h V h V hG RO CO N N H O H O L L= + + + 2 2 2 2 2 2 1min min( ) kJ/kgB (2.25) Kada pomou izraza (2.25) za razliite temperature nacrtamo It-dijagram, lako je uvrtavanjem vrijednosti IGteor oitati teoretsku temperaturu. Ili za neku drugu entalpiju odgovarajuu temperaturu i obrnuto. It-dijagram je vrlo upotrebljivo sredstvo kod prorauna povrina za izmjenu topline kod generatora pare.

Procesi izgaranja su izrazito nepovrativi procesi jer je proizvode izgaranja nemogue vratiti u prvobitno stanje.

10

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 500 1000 1500 2000

temperatura, oC

enta

lpija

, kJ/

kgB

Sl. 2.1 It-dijagram za dimne plinove

Kontrola procesa izgaranja

Koeficijent pretika zraka u loitu treba odravati u optimalnim granicama. Kada je premalo zraka, dolazi do nepotpunog izgaranja to izaziva nepotrebne toplinske gubitke. Ako je zraka previe, poveava se masa dimnih plinova to s jedne strane izaziva gubitak zbog snienja temperature izgaranja, a s druge strane izaziva toplinski gubitak na izlazu upravo zbog poveane mase. Mjerenjem sastava dimnih plinova mogue je odrediti gubitke nepotpunog izgaranja i vrijednost koeficijenta pretika zraka.

Odreivanje mjerenjem CO2 r

VVCO

CO

Gsuhi2

2= (2.26) Volumni je udio CO2 jednak omjeru njegovog volumena i ukupnog volumena suhih dimnih plinova. Ovdje se koriste suhi dimni plinovi zato to se prilikom mjerenja vlaga iz plinova kondenzira, pa je mogue odrediti sastav samo suhih plinova. Maksimalni se udio CO2 postie kod stehiometrijskog izgaranja ( = 1) zato to je tada volumen suhih plinova minimalan.

rV

VCOCO

Gsuhi2

2

maxmin( )

= (2.27)

Ako ove dvije jednadbe podijelimo, dobit emo

r V r VCO Gsuhi CO Gsuhi2 2 1= =max ( ) (2.28) [ ]r V V r VCO Gsuhi L CO Gsuhi2 21( ) ( ) ( )min min max min+ = (2.29) Sada moemo izraziti koeficijent pretika zraka

= + 1 12

2

( ) minmin

maxVV

rr

Gsuhi

L

CO

CO (2.30)

11

Uz pretpostavku da su minimalni volumeni suhih plinova i zraka priblino jednaki, dobiva se

= rr

CO

CO

2

2

max (2.31)

Odreivanje mjerenjem O2

= =

VV

VV V

L

L

O

O Omin

2

2 2

(2.32)

gdje je VO2 volumen kisika u pretiku zraka.

U zraku: VV

V VNO

N O2

2

2 2

7921

7921

= = (2.33)

U dimn. plinovima: VV

rr

V V Vrr

N

O

N

OO O N

O

N

2

2

2

2

2 2 2

2

2

= = = (2.34)

Uvrtavanjem u jednadbu (2.32) za dobivamo =

21

21 79 22

rr

O

N

(2.35)

Ako pretpostavimo da je priblian udio duika u dimnim plinovima kao i u zraku 79 %, tada je koeficijent pretika zraka

= 21

212

rO (2.36)

5.4 DINAMIKA IZGARANJA Proces izgaranja je proces izmjene tvari i topline, kod kojega se izmjenjuju atomi u pojedinim molekulama tako da nestaju poetne molekule pojedinih komponenata u procesu izgaranja, stvaraju se nove, ali broj atoma u procesu ostaje nepromjenjen. Nezavisno od naina izgaranja, ukupno se vrijeme izgaranja bilo kojeg goriva i sastoji od vremena neophodnog za dovod kisika gorivu (stvaranje smjese) s, vremena potrebnog za zagrijavanje komponenata izgaranja n i vremena potrebnog za odvijanje kemijske reakcije k. knsi ++= Vrijeme u kojemu se odvija stvaranje smjese i zagrijavanje, naziva se fiziki stadij procesa nsf += , dok se vrijeme u kojemu se odvija reakcija izgaranja naziva kemijski stadij, tako da moemo pisati: kfi += Ako je k >> f, proces izgaranja se naziva kinetiki proces jer se ukupno vrijeme izgaranja odreuje brzinom kemijskog procesa. Za kinetiki proces (kinetiko podruje) vrijedi

12

ki Pri f >> k tj. kada je vrijeme potrebno za transport kisika prema gorivu mnogo vee od vremena u kojemu se odvija kemijska reakcija, kaemo da se proces odvija u difuzijskom podruju, pri emu vrijedi: fi Ako je vrijeme potrebno za kemijsku reakciju priblino jednako vremenu koje je potrebno za odvijanje fizikog stadija procesa, tada kaemo da se proces izgaranja nalazi u meupodruju. kfi Pri izgaranju plinskog goriva fiziki stadij procesa f predstavlja vrijeme stvaranja gorive smjese i njeno zagrijavanje do temperature samozapaljenja. Mijeanje zraka i plina (stvaranje gorive smjese) je olakano injenicom to su obje komponente koje ine smjesu plinovi. Intenzivno mijeanje dovodi do brzog zagrijavanja smjese do toke samozapaljenja. Osim toga veoma se esto proces zagrijavanja odvija paralelno sa stvaranjem smjese i ne zahtijeva posebno vrijeme. U zavisnosti od naina stvaranja gorive smjese, proces izgaranja plinskog goriva se moe odvijati u kinetikom, difuzijskom ili meupodruju. Pri izgaranju tekueg goriva fiziki stadij ine procesi prethodnog rasprivanja tekueg goriva u sitne kapljice, njegovo zagrijavanje i isparavanje te stavaranje gorive smjese. Treba naglasiti da gorivu smjesu ine kisik i pare tekueg goriva, jer kapljice dok ne ispare ne mogu izgarati. Proces izgaranja tekueg goriva moe se odvijati u sva tri podruja: kinetikom, difuzijskom ili meupodruju. Proces izgaranja krutog goriva sastoji se od niza uzastopnih etapa. U prvoj etapi dolazi do toplinske pripreme goriva koja obuhvaa suenje i izdvajanje lako hlapljivih komponenata (volatila). Na ovaj se nain dobivaju plinovi i koksni ostatak koji izgaraju u prisutnosti kisika stvarajui dimne plinove i kruti nesagorivi ostatak. Mjerenja pokazuju da je najdulji proces izgaranja koksa (ugljika) koji predstavlja osnovnu sagorljivu tvar bilo kojeg krutog goriva. Npr. u antracitu ugljik sudjeluje u sagorljivoj tvari s udjelom 93-95 %. Pri ostarivanju procesa izgaranja u loitu nastoji se omoguiti maksimalni mogui konatkt izmeu goriva i zraka da bi se ostvarilo to potpunije izgaranje. Na smjer i intenzitet reakcije pri izgaranju znaajan utjecaj imaju fiziki faktori temperatura i tlak te aerodinamiki brzina dovoenja kisika i brzina odvoenja proizvoda izgaranja od povrine na kojoj se odvija reakcija. Za razliku od izgaranja plinskog goriva (homogeni proces), izgaranje krutog goriva predstavlja heterogeni proces gorivo i kisik se nalaze u razliitim agregatnim stanjima. Brzina kemijske reakcije Brzina kemijske reakcije openito zavisi od kemijske prirode goriva i koncentracije reagirajue tvari te fizikih faktora temperature i tlaka. Veina procesa u loitu odvija se pri atmosferskom tlaku (pretlak ili potlak koji ostvaruje ventilator za zrak i dimne plinove mjeri se u milimetrima vodenog stupca pa je otklon od atmosferskog tlaka zanemariv), tako da je od fizikih faktora najvanija temperatura.

13

Pri relativno niskim temperaturama, brzina reakcije je manja od brzine difuzije u blizini meupovrine. To znai da kisika ima dovoljno, tako da nain njegovog dovoenja do meupovrine nema znaenje. Gradijent kisika je u blizini meupovrine mali, a kocentracija priblino jednaka onoj okolnoj. Pri ovakvim uvjetima brzina izgaranja je odreena kinetikom kemijske reakcije.

Temperatura

Brzi

na iz

gara

nja

Slika Ovisnost brzine izgaranja o temperaturi

S poveanjem temperature, brzina izgaranja raste u eksponencijalnoj zavisnosti prema zakonu Arrheniusa. mO

nB cckw 2=

TRE

ekk = 0

Pri emu su: k konstanta brzine reakcije koja predstavlja broj aktivnih sudara molekula, tj. sudara koji

dovode do reakcije ili spajanja u druge molekule u volumenu od 1 dm3 u jednoj sekundi pri koncentraciji od 1kmol/m3

k0 konstanta koja znai najvei mogui broj sudara molekula koje se nalaze u kemijskoj reakciji u volumenu od 1 dm3 u jednoj sekundi pri 273 K.

cB koncentracija goriva cO2 koncentracija kisika E energija aktivacije R plinska konstanta T temperatura Poveanje brzine izgaranja raste s porastom temperature sve dotle dok brzina reakcije ne postane priblino jednaka brzini dovoenja kisika do povrine reakcije. Pri daljem poveanju temperature, brzina kemijske reakcije postaje tolika da proces izgaranja biva ogranien brzinom dovoenja kisika. Sav dovedeni kisik odmah ulazi u kemijsku reakciju s gorivom tako da je na povrini reakcije njegova koncentracija priblino jednaka nuli. U ovom je sluaju brzina izgaranja ograniena uvjetima dovoenja kisika tj. hidrodinamskim

kinetiko podruje

difuzijsko podruje

14

+

faktorima relativnom brzinom strujanja i veliinom estica. Proces izgaranja se nalazi u difuznom podruju. Kao to je pokazano, kinetiko i difuzijsko podruje izgaranja u istom obliku pojavljuju se samo pri odreenim uvjetima. Izmeu njih se nalazi meupodruje u kojemu su brzina kemijske reakcije i brzina dovoenja kisika meusobno usporedive. Za veinu industrijskih loita proces izgaranja krutog goriva karakteriziraju uvjeti koji odgovaraju meupodruju. U sluaju heterogenog izgaranja koliina kisika koja reagira na povrini izgaranja jednaka je difuzijskom toku u pravcu te povrine. Brzina izgaranja wi se moe izraziti preko brzine kemijske reakcije i preko difuzijskog toka reagirajueg plina (kisika). ( )pdifpi ccckw == cp koncentracija kisika na povrini reakcije, c koncentracija kisika daleko od povrine reakcije,

dif koeficijent prijenosa mase. Analogno prijenosu topline, koeficijent prijenosa mase je vezan bezdimenzionalnim odnosom

D

dNu difdif

= Nudif Nusseltov broj za difuzijski tok, d veliina estice, D konstanta difuzije. Koeficijent prijenosa mase mijenja se skoro proporcionalno s brzinom strujanja i obrnuto proporcionalno (ali s manjim intenzitetom) s veliinom estice.

ndif dw

Iz jednadbi za brzinu izgaranja moe se izraziti ukupni koeficijent brzine izgaranja. pi ckw = ( )pdifi ccw = pi ck

w = 1

pdif

i ccw = 1

c

k

w

dif

i +

=

111

dif

u

k

k

11

1

+= ukupni koeficijent brzine izgaranja (uzima u obzir kemijske i

fizike uvjete izgaranja)

15

Veliine k1 i

dif1 predstavljaju, uslovno reeno, kemijski i fizikalni otpor procesu izgaranja.

Kada je difk 11 proces izgaranja se odvija u kinetikom podruju kku = .

Kada je kdif

11 proces izgaranja se odvija u difuzijskom podruju difuk = .

1

6. IZGARANJE KRUTOG GORIVA Fizikalni uvjeti izgaranja: Za vrijeme izgaranja u loitu generatora pare gorivo prolazi kroz pet faza:

1. zagrijavanje i suenje, 2. isplinjavanje lakih plinovitih sastojaka, 3. paljenje na temperaturi 300-550 C, 4. rasplinjavanje koksa, 5. izgaranje vrstog ugljika.

Kad gorivo sadri visoki postotak vlage, za suenje je potreban velik volumen loita. Suenje se obavlja ili prije unoenja u loite (ugrijanim zrakom ili plinovima izgaranja iz generatora pare) ili u generatoru pare zraenjem topline u loitu. Nakon suenja provodi se isplinjavanje pri emu se djelovanjem topline lako hlapivi ugljikovodici prevode u plinovito stanje (volatilizacija). Za isplinjavanje nije potreban kisik. Paljenje goriva se ostvaruje na to nioj temperaturi to je vei sadraj isplinjenih sastojaka. U fazi rasplinjavanja se zbog lokalno nedovoljne koncentracije kisika poveava udio gorivih plinova (prvenstveno CO i H2). Na kraju slijedi izgaranje koksa, to je najsporiji dio procesa. U loitu generatora pare vrsto gorivo moe izgarati na dva naina:

- u sloju na reetki, - ili raspreno u prostoru (ugljena praina).

6.1 IZGARANJE KRUTOG GORIVA U SLOJU

Poetak upotrebe izgaranja u sloju javlja se s prvim generatorom pare kojega je 1769.god. konstruirao engleski inenjer J.Wat (1736-1819). Od tada se kao gorivo najvie upotrebljavao ugljen s runim loenjem na nepominoj reetki. Sve su to uglavnom bili generatori pare s velikim sadrajem vode, a proizvodili su paru do 1,5 MPa tlaka i do 250C temperature. U razdoblju 1900-1925. najvie se koristilo vrsto gorivo koje je izgaralo u sloju na mehaniki pokretanoj reetki. Tada su generatori pare proizvodili paru tlaka do 4 MPa i temperature pregrijanja do 450 C. Od 1925-1950. uvedeno je osim izgaranja vrstih goriva u sloju, i izgaranje ugljene praine u prostoru, to je smanjilo volumensko optereenje loita i skoro u potpunosti istisnulo izgaranje u sloju odnosno upotrebu reetke.

Pri izgaranju u nepokretnom sloju gorivo slobodno lei na

reetki i propuhuje se zrakom. Brzina strujanja zraka i nastalih dimnih plinova kroz sloj je takva da ne naruava strukturu sloja. Za ispunjenje ovog uvjeta neophodno je da teina estica goriva bude vea od sile dinamikog tlaka nastrujavanja zraka i dimnih plinova na esticu. Aerodinamika karakteristika nepokretnog sloja je dana sljedeom nejednadbom:

2s

GesticafesticawAcG

zrak

ws

2

esticaG teina estice goriva,

fc koeficijent otpora estice,

esticaA povrina presjeka estice,

G gustoa plinske smjese, sw brzina plinske smjese.

Radi smanjenja propada kroz reetku i smanjenja gubitaka u letu, neophodno je koristiti veu granulaciju estica. S druge strane nastoji se smanjiti veliinu estica goriva zbog vee povrine za odvijanje reakcije to rezultira poveanjem brzine izgaranja. U praksi se koriste loita za izgaranje u nepokretnom sloju kod kojih je veliina estica 20-30 mm. Pri izgaranju u sloju koliina goriva iznosi 700-1000 kg/m3. Zbog relativno velikih estica proces se izgaranja u sloju odvija u difuznom podruju, u kojemu se ukupna brzina izgaranja odreuje brzinom dovoenja oksidanta do povrine goriva. Na slici 1. se nalaze rezultati ispitivanja izgaranja kamenog ugljena na ravnoj pominoj reetki koje je proveo H.Werkmeister 1931.g. Prema Werkmeister-ovim se ispitivanjima tok izgaranja moe podjeliti na pet karakteristinih vremenskih intervala: Prvi interval (1) neposredno nakon paljenja goriva postoji pretiak zraka (kisika). Gorivo se

pali zraenjem topline od volumena plamena i dimnih plinova u loitu i od ozia loita, ali povrina goriva nije potpuno obuhvaena plamenom.

Drugi interval (2) nestaje pretiak zraka, gornji slojevi potpuno se isplinjuju, a zbog izgaranja goriva smanjuje se otpor strujanja zraka kroz sloj goriva na reetki.

Trei interval (3) rasplinjuje se ostatak estica goriva, a udio ugljik-dioksida u dimnim plinovima naglo se poveava.

etvrti interval (4) ostatak goriva u krutim esticama potpuno se isplinio te izgara kao koks s plaviastim plamenom, udio ugljik-dioksida u dimnim plinovima pada, a poto je dovod zraka vei od potrebnog teoretskog, nastaje pretiak zraka

Peti interval (5) konano dogorijevanje goriva uz daljnje smanjenje ugljika i smanjenje dovoda zraka.

3

Slika 1. Rezultati Werkmeisterovih ispitivanja kamenog ugljena

Hd = 27.2 MJ/kg, udio plinovitih sastojaka vpl,s= 0.20-0.30 kg/kg, udio pepela a= 0.12 kg/kg, udio vode w = 0.6 kg/kg

U novije se vrijeme zbog velikog koritenja i primjene izgaranja goriva u prostoru malo radi na istraivanju procesa izgaranja u sloju tako da se rezultati Werkmeister-ovih ispitivanja jo i danas koriste kao osnovni podaci o uvjetima izgaranja u sloju. Uz odreene korekcije ovi rezultati vrijede i za goriva drugaijih karakteristika na kosim ili stepenastim reetkama, s razliitim toplinskim vrijednostima.

Tablica 1. Temperatura paljenja krutog goriva

Kruto gorivo Temperatura paljenja, C drvo 220 300 treset 225 280 lignit 200 240 smei ugljen 200 230 kameni ugljen s velikim postotkom plinovitih sastojaka

210 250

kameni ugljen s malim postotkom plinovitih sastojaka

260 340

antracit 480 koks 420 560

4

Proces izgaranja poinje kada se gorivu dovede toliko topline da se ono zapali. Temperatura paljenja nije jednaka za sve vrste ugljena jer ni ugljen nije materija jednolika sastava i jednakih svojstava (tablica 1.) Ugljeni koji sadre vie od 20% vlage teko se pale na ravnim reetkama, jer toplina zagrijavanja goriva koja se dovodi zraenjem loita na sloj goriva prodire kroz njega vrlo polagano, odnosno troi se na isparavanje vlage u gorivu. Gorivo na stepenastim i kosim reetkama prevre se i lake pali jer toplina bolje prodire do estica goriva. Prema Marcardu pojedini udjeli isplinjena i rasplinjena goriva imaju sljedee temperature paljenja: tp=250 400 C visoko molekularni ugljikovodici tp=580 750 C plinovi H2, CO, CH4, CxHy Na paljenje i izgaranje goriva utjeu pravilna izvedba loita i njegovih svodova, a znatan utjecaj na vrijeme paljenja i izgaranja ima veliina zrna goriva (ugljena), odnosno asortiman goriva. Prema ispitivanjima R.Schulzea, H.Janissena te drugih autora, izraen je pregled odnosa veliine zrna, poetka paljenja ugljena, svretka paljenja i sadraja CO2 u dimnim plinovima. Iz tog pregleda proizlazi da asortiman goriva 0-5 mm stvara vrlo loe uvjete izgaranja u sloju, dok su kod veih asortimana goriva uvjeti bolji. Gubici goriva kod izgaranja u sloju a) propad kroz reetku propadmg ,

Ti gubici nastaju uslijed propada estica goriva kroz raspore izmeu tapova reetke. Taj je gubitak razliit za razliite vrste reetke. Znatan utjecaj na veliinu ovog gubitka ima subjektivan imbenik loenja i to napose kod reetki s runim loenjem.

b) neizgoreno u trosci - troskamg , Gubitak prouzroen time to se odreena koliina estica goriva zapee u trosci i neizgorena, biva odvedena iz loita. Gubitak je razmjeran s: - toplinskim optereenjem reetke qR, - sadrajem pepela, - sitnoom zrna ugljena, - sadrajem vlage u gorivu.

c) letei koks letmg , Gubitak je leteeg koksa posljedica injenice da jedan dio gorive materije prijee iz loita u podruje konvektivnih povrina gdje vie nema izgaranja te neizgoren izae iz generatora pare. Gubitak je razmjeran s: - toplinskim optereenjem reetke, - toplinskim optereenjem loinog prostora, - koliinom praine u gorivu. Ovaj gubitak ovisi o nainu loenja i o vrsti reetke.

5

Loita za izgaranje u krutom sloju Generatori pare s loitem kod kojega gorivo izgara u sloju imaju maksimalni uinak ogranien na 100 t/h, ali im je minimalni uinak praktiki neogranien odnosno mogu raditi i u praznom hodu. Zadatak loita za izgaranje u krutom sloju kao i ostalih loita je da omogue pretvaranje kemijske energije goriva u toplinsku energiju produkata izgaranja. Osnovni zadaci svakog kotlovskog loita su:

1 potpunost izgaranja goriva 2 to manji pretiak zraka 3 sigurnost u eksploataciji 4 prikladnost za posluivanje 5 optimalno hlaenje loita

Prema smjeru dovoenja goriva i zraka na reetku razlikuje se pet razliitih naina (shema):

a) suprotan - gorivo se dovodi s gornje strane, a zrak s donje strane b) horizontalan ukrien - gorivo se dovodi sa strane, a zrak s donje strane c) vertikalan ukrien - gorivo se dovodi s gornje strane, a zrak sa strane d) paralelan - gorivo i zrak se dovode s donje strane e) obrnuto paralelan - gorivo i zrak se dovode s gornje strane

Slika 2.Sheme dovoenja goriva i zraka na reetku

Izgaranjem goriva u sloju odnosno na reetki samo se dio kemijske energije goriva pretvara u osjetnu toplinu dimnih plinova u samom sloju goriva, dok se drugi dio pretvara tek u prostoru loita. Na temelju toga izvedene su osnovne veliine za dimenzioniranje reetke,a to su :

- stvarno toplinsko optereenje reetke:

RdR RHBq = [ ]2mkW

- stvarno toplinsko optereenje volumena loita (Vl)

ll

dL V

HBq = [ ]3mkW

6

R , l udjeli toplina osloboenih u sloju (na reetki) i u prostoru loita.

R + L = 1

Vrijednost R je 1, s time da gornja granica vrijednosti R=1 nastaje kada sav ugljik u gorivu izgori u CO2 na samoj reetki, dok donja granina vrijednost nastaje kad sav ugljik izgori na reetki samo u CO. Toplinska optereenja volumena loita kod izgaranja u sloju (reetke) iznose: qL= 116 420 kW/m3 Tablica 2. Toplinska optereenja reetke

Vrsta reetke (goriva) Toplinsko optereenje, qR (kW/m2)

Kameni ugljen:

- pomine ravne reetke s prirodnim propuhom 907-1400

- pomine ravne reetke s umjetnim propuhom 1150-2090

Smei ugljen i lignit

- stepenasta i kosa reetka s prirodnim propuhom 470-1220

- stepenasta i kosa reetka s umjetnim propuhom 760-1860

- ravne reetke - ravne reetke - kose reetke - kose-stepenaste reetke

1. Loita sa nepominom reetkom 1.1. Ravna nepomina reetka Ravna nepomina reetka je najjednostavnija reetka, a sastoji se od nepominih ipki (reetnica) izmeu kojih su ui ili iri razmaci za dovod zraka.Nabacivanje goriva na reetku se obavlja runo.Ovakova loita danas imaju samo parni kotlovi malih uinaka (kotlovi centralnih grijanja malih zgrada).

LOITA ZA IZGARANJE U KRUTOM SLOJU

1. LOITA S NEPOMINOM REETKOM 2. LOITA S POMINOM REETKOM

7

Slika 4. Ravna nepomina reetka

Karakteristine veliine nepominih reetki ograniene su mogunou runog nabacivanja goriva, a za najvee reetke iznose: - duina reetke L= 2000 3000 mm - irina reetke b= 1000 mm Toplinsko optereenje nepominih reetki iznosi: qR= 470 990 kW/m2 Toplinsko optereenje volumena loita iznosi: qL= 140 410 kW/m3 Brzina strujanja zraka za izgaranje goriva uzima se iskustveno i iznosi: wL= 1.0 1.8 m/s - za prirodni dovod zraka wL= 3.0 6.0 m/s - za prisilni dovod zraka Gorivo se na ravnoj reetki uslijed djelovanja gravitacije i smanjenja volumena izgorjelog sloja pomie prema dolje.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 500 1000 1500 2000

Temperatura, oC

Visi

na, d

m

Slika 5. Shematski prikaz nepokretnog sloja

Na vrhu sloja nalazi se svjee nabaeni ugljen koji se sui i zagrijava (1). U zoni ispod njega dolazi do izdvajanja volatila i paljenja sloja (2). U sljedeoj zoni (3) imamo izgaranje koksa tj. goriva iz kojeg su se izdvojili volatili (isparljive i sagorljive materije). Izgaranjem koksa u ovom sloju oslobaa se najvea koliina topline pa se zrak i produkti izgaranja zagrijavaju do

svjee gorivo

koks

pepeo

8

visokih temperatura. Ova je zona bogata pepelom pa moe doi do njenog zapaljenja i stvaranja troske. Nastala troska moe znatno onemoguiti dovod zraka u sloj i odvijanje procesa izgaranja u tom sloju. U etvrtoj zoni (4) nalazi se troska koja se hladi zrakom i titi elemente reetke od velikih toplinskih optereenja. Tako zrak, koji se dovodi ispod reetke, ujedno i hladi samu reetku. Ako se promatra protok zraka kroz reetku u zavisnosti od vremena izmeu dva nabacivanja svjeeg goriva dobiju se tri karakteristine linije.

Slika 6. Smanjenja goriva na reetki.

Linija (1) u dijagramu prikazuje protok zraka koji bi se trebao dovoditi u sloj da bi se postiglo potpuno izgaranje (idealni sluaj). Kod idealnog dovoenja, na poetku procesa trebalo bi dovoditi vie zraka zbog izgaranja volatila, dok bi na kraju perioda, pri izgaranju koksa, dovod trebalo smanjiti. Stvarno dovoenje zraka (linija 3) se meutim tijekom promatranog intervala poveava to je posljedica smanjenog otpora sve tanjeg sloja goriva. Koliina zraka koja se stvarno koristi za izgaranje (linija 2) je na poetku neto manja od teorijski potrebne i tijekom vremena se smanjuje zbog smanjene mase goriva u sloju.

Prema tome na poetku intervala, izgaranje e biti nepotpuno pa e i gubici od 1 do 2 usljed kemijske nepotpunosti izgaranja biti vei od potrebnog. To e utjecati na poveanje gubitaka u izlaznim plinovima to je izraenije kod dueg vremena izmeu dva nabacivanja goriva. Ovaj se nedostatak uklanja kontinuiranim dovoenjem goriva uz pomo razliith ubacivaa. Kontinuirano nabacivanje goriva utjee i na samo odvijanje procesa izgaranja na reetki jer estice ugljena ve u letu prolaze kroz prve faze izgaranja (vidi izgaranje - openito) pa se trajanje procesa izgaranja u sloju skrauje. Smanjuje se i mogunost ljepljenja ugljena na reetku, a ujedno se i toplinsko optereenje reetke moe poveati i do 10-15%.

Slika 7. Primjer pneumatskog ubacivaa goriva

1 - dodava ugljena 2 - kosa ravnina

9

1.2. Kosa nepomina reetka Kose reetke koriste se za goriva koja imaju veliki postotak vlage ( i do 65%).One imaju takav nagib da se gorivo moe pomicati zbog vlastite teine prema kraju reetke. Gorivo se pali i izgara neprekinuto pomou uarenih estica jednog dijela goriva , koje ostaje na pojedinim stepenicama reetke, te se na njima pale nove estice. Kose reetke slue i za izgaranje drvnih otpadaka, treseta i slinih goriva.

Slika 8. Kosa nepomina reetka

Najvee reetke imaju dimenzije: - duina reetke L=4000 mm - irina reetke b=1200 2200 mm Toplinsko optereenje kose reetke iznosi: qR= 470 990 kW/m2 Toplinsko optereenje volumena loita iznosi: qL= 140 410 kW/m3 2. Loita sa pominim-mehanikim reetkama Mehaniki pomina reetka moe biti: ravna kosa-stepenasta Dovoenje ugljena i zraka na pomine reetke odvija se po ukrienoj shemi (vidi sl. 2.). Sloj goriva, izgarajui na reetki, polako putuje prema kraju reetke, a zrak za izgaranje dovodi se kroz raspore izmeu ipki (reetnica). Uz reetku imamo poseban ureaj koji dozira, ubacuje i regulira debljinu sloja goriva na reetki. Za razliku od ravne pomine reetke, gdje se gorivo giba relativno prema reetki, na pominoj stepenastoj reetki gorivo se stalno prevre i mijea, pa se tako pospjeuje izgaranje. 2.1 Pomina ravna reetka Koristi se u generatorima pare malih i srednjih uina, gdje se koristi kameni i smei ugljen toplinskih vrijednosti

10

2860014300 =dH kgkJ

- vlage do 35% i veliine ugljena (asortimana) < 40mm Postoje razliite konstrukcije mehanikih reetki, a najee se koristi lanana reetka koja radi kao transportna traka. Lanana reetka se moe upotrijebiti gotovo za sva vrsta goriva. Princip rada lanane reetke: Na poetku reetke pada ugljen iz posebnog lijevka, a zatim putuje zajedno sa reetkom kroz loite. Na kraju ostaju pepeo i troska koji padaju s reetke u lijevak za pepeo.

Slika 9. Pomina ravna reetka

Kod izgaranja u sloju odnosno na reetki postoji izravna ovisnost izmeu vremena zadravanja goriva na reetki i u loitu, te toplinskog optereenja reetke i loita. Plinoviti sastojci isplinjenih goriva izgaraju vrlo brzo, oko 1-5 sekundi, dok rasplinjavanje ugljika (koksa) i dogorijevanje zahtjeva zadravanje ugljena na reetki u trajanju od 15-25 minuta pri normalnim optereenjima generatora pare. Protok goriva na reetki:

= rwhbB

s

kg

b [ ]m - irina reetke h [ ]m - visina sloja goriva na reetki

rw [ ]sm - brzina kretanja reetke rw =2.4-18 hm manje i srednje reetke rw =18- 30 hm reetke sa umjetnim propuhom

[ ]3mkg - gustoa goriva u rasutom stanju Vrijeme zadravanja goriva na reetki odnosno u loitu:

11

dR

Hq

h = [ ]s

dH [ ]kgJk - donja ogrijevna mo goriva [ ] - koeficijent stvarne brzine kretanja goriva na reetki

stvarna brzine je neto manja od brzine kretanja reetke ( )1 Rq [ ]2mWk - toplinsko optereenje reetke (Tablica 2.)

Sloj goriva na pominoj reetki kree se brzinom slw ,a temperatura u sloju se povisuje brzinom tw idui od vrha sloja nanie. Polje jednakih temperatura u sloju (izoterma) je nagnut pod kutem koji rezultantnu brzinu Rw zatvara sa horizontalom.

Brzina povienja temeperature tw biti e vea ako u sloju izgaraju suhi ugljeni s veom koliinom volatila.

Slika 10. Shema izgaranja goriva na pominoj reetki

A B poetak izdvajanja volatila. C D zavretak isparavanja volatila. Izmeu ove dvije zone odvija se paljenje smjese koja se

sastoji od volatila i zraka, i to na izotermi kojoj odgovara temperatura samozapaljenja smjese (E F).

Presjek ravnine koja predstavlja kraj izdvajanja volatila i gornje povrine sloja (C) priblino odgovara teorijskom pretiku zraka (=1). Idui od donje povrine sloja do toke (G), izoterme koja predstavlja poetak isparavanja volatila, nee postojati smjesa zraka i volatila pa e koeficijent pretika zraka u plinovitoj smjesi biti beskonaan (=).

Od toke G do toke C poinje mjeanje volatila sa zrakom, tako da viak zraka u plinovitoj smjesi naglo opada.Toka H predstavlja paljenje smjese, a koeficijent pretika zraka biti e (1

12

Temperatura zraka je, zbog osjetljivosti elementa reetke, ograniena na vrijednost do oko 150C. Stabilizacija paljenja goriva, a samim time i proces izgaranja moe se omoguiti dovoenjem topline u korijen sloja. Na slikama su prikazane razliite koncepcije loita napravljene za to bolje dovoenje topline u korijen sloja (slika 11.)

Starija koncepcija loita kod koje su se postavljali tzv. svodovi za paljenje koji su trebali odbijati toplinske zrake koje bi padale u korijen sloja. Stvarno pogodovanje paljenju sloju je bilo to to su ti svodovi sprijeavali intenzivno hlaanje sloja niskim grijanim povrinama.

Kod nekih starijih konstrukcija, zadnji su se svodovi izvodili tako da vrue produkte izgaranja vraaju k prednjem dijelu reetke ime bi doprinijeli stabilizaciji procesa izgaranja, odnosno dogorijevanju tekih ugljikovodika izdvojenih u korijenu sloja.

Suvremena loita se rade visoko, a sloj produkata izgaranja iznad reetke je debeo pa predstavlja neku vrstu sivog tijela koje intenzivno zrai prema korijenu sloja.

Slika 11. Koncepcije loita

Kod ukriene sheme dovoenja zraka i goriva na reetku, sastav produkata izgaranja nije ravnomjeran (slika 12.).

Slika 12. Sastav produkata izgaranja

Na srednjem dijelu reetke najvei je sadraj gorivih plinova (CO, H2, CH4) koji prodiru u loite pa se za njihovo izgaranje mora dovoditi tzv. sekundarni zrak (iznad sloja). U tom dijelu

13

loita, iznad reetke, intenzivnije su kemijske reakcije i odvijaju se u difuznoj oblasti izgaranja, to zahtijeva zonsko dovoenje zraka ispod reetke. Broj zona se kree od 3 do 8 i zavisi o duljini reetke i fiziko-kemijskim osobinama goriva. Za generatore srednjih veliina dovoljne su 3-4 zone koje trebaju dobro brtviti. Pri dovoenju sekundarnog zraka, vrlo vaan parametar za izgaranje je tlak pod kojim se uvodi taj zrak u loite. Sljedei sluajevi ukazuju na vanost tlaka sekundarnog zraka.

Sluaj a) Nema uvoenja sekundarnog zraka: loite naputaju velike koliine nasagorijelih plinova. Sluaj b) Uvoenje sekundarnog zraka pod tlakom od 1750 Pa: izgaranje zavrava pri kraju loita (na izlazu). Sluaj c) Uvoenje sekundarnog zraka pod tlakom od 4000 Pa: izgaranje zavrava na polovini visine loita.

Na lananoj reetki uspjeno izgaraju smei i kameni ugljeni s umjerenim sadrajem pepela (4-26 %) i vlage do 35 %, pri emu granulacija ugljena treba biti manja od 40 mm. Da bi se povrina reetke zatitila od topline zraenja plamena i dimnih plinova, potrebno je da ugljeni imaju najmanje 5% pepela i troske. 2.2 Pomina kosa i stepenasta reetka Generator pare s ugraenom stepenastom mehanikom reetkom projektiran je za ugljen manje ogrjevne moi i veeg postotka pepela i vlage (smei ugljen i lignit). Izgaranje se i kod ovih reetaka odvija po ukrienoj shemi, ali se kretanje sloja razlikuje od onog na ravnoj reetki. Prve kose reetke su bile izraene s ravnom povrinom. Kod njih se stabilizacija procesa izgaranja vrila zraenjem dimnih plinova iz loita, a imale su dugaak crni korijen u kojem su se vrile pripreme faza izagaranja.

Slika 13. Kosa stepenasta pomina reetka

14

Uvoenjem stepenastih kosih reetki skratio se crni korijen. Na stepenicama reetke se formiraju gnijezda uarenog koksa na principu suprotne sheme dovoenja goriva i zraka (vidi sl.2). Produkti izgaranja goriva u gnijezdu se kreu navie kroz sloj goriva grijui ga, suei i isplinjavajui sve do paljenja. Stabilizacija procesa izgaranja kod kose stepenaste reetke vri se na dva naina:

a) zraenjem produkata izgaranja iz loita b) djelovanjem vruih dimnih plinova iz uarenog gnijezda

Slika 14. Shema izgaranja goriva na kosoj stepenastoj reetki

Osnovne dimenzije stepenice reetke:

Visina izmeu reetnica: ( ) dh = 43 [ ]mm

d [ ]mm - veliina ugljena (asortiman) Minimalna irina reetnice:

tgtgtgtghb

+=min [ ]mm [ ]o - kut prirodnog klizanja ugljena

[ ]o - nagib stepenaste reetke

Dovod zraka za izgaranje je i kod ovih reetaka ostvaren preko zona. Debljina sloja goriva na kosim stepenastim reetkama je obino dosta velika i dosee vrijednosti i do 400 mm u zavisnosti od duine reetke. Kut nagiba ovih reetki je manji nego kod kosih nepominih i iznosi = 25 - 42. Kod ovih reetki imamo izdvajanje zone suenja i zagrijavanja goriva te obostrano paljenje sloja goriva, pa se mogu koristiti za izgaranje ugljena poveane vlanosti kao i ostalih goriva (vlani drveni otpatci do 55% vlage, treset, itd).

Kose stepenaste reetke se razlikuju po konstrukciji reetnica i kinematici njihovog kretanja. Najstariji tip reetke ja Sejbotova reetka(15a). Kod ove se reetke svaki drugi red reetnica kree oscilatorno, dok su ostali redovi nepokretni. Zbog male visine ovih reetnica, hlaenje je slabo pa su jako toplinski optereene. Ovaj se tip reetki koristi za ugljene slabije kvalitete. Za kvalitetnije ugljene koriste se reetke od legiranog elika.

15

Sljedei tip reetke (15b), kod kojih se oscilatorno naizmjenino kreu svi redovi reetnica, konstruirane su s ciljem intenzivnijeg mjeanja goriva u sloju. Kaskadni tip reetke (15c) u principu nema nagiba te je kod njega pomicanje sloja ostvareno poveanjem hoda pojedinih redova reetnica.Ovaj tip reetke pogodan je za ugljene sa velikim sadrajem minerala i niskom temperaturom topljenja pepela. Intenzivno mjeanje ugljena u sloju, to je naroito poeljno kod sitnog ugljena s veim sadrajem pepela, ostvaruje se na Martinovoj reetki (15d). Kod ove se reetke reetnice, koje su sloene u pravcu suprotnom od smjera kretanja goriva, kreu oscilatorno, svaki drugi red naizmjenino. Ovime je omogueno vraanje upaljenih komada ugljena pod sloj goriva, a ujedno se osigurava stabilnost procesa izgaranja i kod ugljena sa velikim sadrajem minerala (do 60%) i vlage (do 50%) uz veliko optereenje reetke. Slika 15. Nain kretanja reetke Spaljivanje gradskog otpada u sloju Nagla urbanizacija utjecala je na poveanje koliine i energetske vrijednosti otpada tako da je njegovo spaljivanje postalo jedan od najracionalnijih naina za unitavanje ove materije. Posebno je vano zbog velikih zahtjeva da se sauva ovjekov okoli. Budui da je otpad heterogena mjeavina organskih i anorganskih materija s promjenjivim fizikim osobinama, problem njegova spaljivanja je dosta sloen. Temeljem brojnih analiza otpada utvreno je da se oko 80% uzoraka nalazi u podruju trkuta trokomponenetnog dijagarama (slika 16.) i da se ak 50% nalazi u uem trokutu (crtkano). Prema tim podacima moe se utvrditi da je kvaliteta otpada relativno ujednaena.

Slika 16. Trokomponentni dijagram

Mala postrojenje slue samo za unitavanje otpada, a proizvedena se toplina ne upotrebljava, dok se u veim postrojenjima toplina izgaranja koristi za dobivanje vodene pare ili tople vode. S obzirom na raznolike ogrjevne moi, razliite karakteristike i nehomogenost otpada, potrebno je loite i parni kotao za izgaranje takva goriva pojedinano projektirati. Zbog toga

16

razlikujemo loita za izgaranje tehnoloko-industrijskih otpadaka (drvni, tekstilni, koni, itd) i za izgaranje gradskog otpada. Za izgaranje otpada najee se koriste kose stepenaste reetke kapaciteta 15 kg/s. Zajednika karakteristika svih konstrukcija reetki je da se zrak za izgaranje dovodi po zonama, a osim mogunosti kontinuirane promjene brzine sloja imaju i sigurnosne spojnice kojim se spreavaju oteenja reetke.

Slika 17. Reetke za spaljivanje gradskog otpada

Pojedine faze izagaranja otpada, zbog heterogenog sastava, se preklapaju tako da temeperaturni tok du reetke nije kao kod izgaranja ugljena na istoj reetki. Zbog toga se izgaranje otpada ne moe usporediti sa izgaranjem ugljena. Svi tipovi reetke su nagnuti u smjeru kretanja sloja i podeeni za rotaciono ili oscilatorno kretanje reetnica (slika 17.).

U novije se vrijeme za spaljivanje gradskog otpada upotrebljavaju loita s izgaranjem u fluidiziranom sloju.

6.2 IZGARANJE GORIVA U FLUIDIZIRANO SLOJU

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5

w

p

Pri poveanju brzine strujanja zraka dinamiki tlak u sloju moe postii vrijednost koja je jednaka teini estica, tako da dolazi do naruavanja stabilnosti sloja. Brzina koja odgovara ovim uvjetima naziva se kritinom brzinom. S daljnjim poveanjem brzine zraka poinje tzv.

wkr

17

fluidiziranje sloja koje se sastoji u tome da se osnovna masa gorivih estica podie s reetke i poinje naizmjenino vrtlono kretanje gore-dolje, koje podsjea na kljuanje uzavrele vode. Pri ovome dolazi do intenzivnog mijeanja goriva sa zrakom. U fluidiziranom sloju brzina strujanja mora biti vea od one koja odgovara kritinoj brzini, jer se eli naruiti stabilnost sloja, ali istovremeno mora biti manja od srednje brzine strujanja koja dovodi do odnoenja osnovne mase gorivih estica. U odnosu na poetnu visinu mirujueg sloja, fluidizirajui je sloj 1,5-2 puta vii, a u 1 m3 fluidiziranog sloja nalazi se 400-600 kg goriva. Aerodinamika karakteristika fluidiziranog sloja moe se izraziti:

22G

Gesticafesticas

Gesticafw

AcGw

Ac , gdje su brzine sw i Gw , prikazane na shemi loiita.

sw brzina smjese zraka i dimnih plinova u fluidiziranom sloju

Gw brzina smjese zraka i dimnih plinova iznad fluidiziranog sloja

Pri tome je Gs ww zato to je u sloju manji presjek za strujanje dimnih plinova u odnosu na presjek iznad sloja. Presjek je manji ne samo zbog goriva koje se nalazi u njemu, ve i zbog kvarcnog pijeska koji se dodaje da bi zapunio prostor izmeu estica goriva i tako osigurao homogenu fluidizaciju.

U praksi se fluidizirani sloj ostvaruje sa to ravnomjernijim sastavom veliine gorivih estica. Loita se koriste za male i srednje snage. Relativno su