Pentru a asigura o ardere economica, se utilizeaza sisteme de control ale arderii, asa-numitele analizoare de gaze, cu ajutorul carora se verifica calitatea proceselor de ardere, raportul dintre aer si combustibil etc.,in scopul imbunatatirii randamentului arderii.

Arderea poate avea loc intr-o atmosfera reducatoare sau oxidanta in functie de cerintele procesului tehnologic pe care-l deserveste. Continutul de oxigen din gazele arse este in mod practic independent de varietatea sorturilor de combustibil. In figura 12.1 se reprezinta dependenta continutului de oxigen si bioxid de carbon in functie de coeficientul excesului de aer l .

Astfel, pentru reglarea arderii in atmosfera oxidanta se determina continutul de 0₂ din gazele arse. Determinarea continutului de oxigen este mai avantajoasa decat a C0₂ , deoarece o valoare mica a procentului de C0₂ poate avea atat semnificatia unei lipse de aer cat si a unui exces de aer, iar C0₂ este influentat sensibil de compozitia chimica a combustibilului.

In cazul instalatiilor termice care necesita o atmosfera reducatoare (l < 1), este necesara masurarea a doi parametri: continutul de oxid de carbon si hidrogen din gazele arse.

Pentru ca un anumit component din gazele arse sa fie analizat, acesta trebuie sa aiba o anumita insusire specifica, de natura chimica sau fizica prin care se deosebeste de ceilalti componenti.

Proprietatile chimice constau in absorbtia componentilor in diferiti reactivi chimici.

12.2. Analiza chimica a gazelor arse

In figura 12.2 este redata schema de principiu a unui aparat pentru analiza chimica a gazelor arse de tip V.T.I.-2 (sau Orsat) cu ardere suplimentara.

Fig.12.2. Schema analizorului de gaze arse de tip V.T.I.-2: 1,2,3,5,6-

Absorbtia bioxidului de carbon se face in vasele 1 si 2, hidrocarburile nesaturate ( C_n H_m ) in vasul 3, iar oxigenul in vasul 4.

Reactivii utilizati sunt:

- hidroxidul de potasiu (KOH), pentru absorbtia bioxidului de carbon si de sulf;

-solutia de bromura de potasiu (KBr), pentru absorbtia hidrocarburilor nesaturate (C_nH_m);

-solutia alcalina de pirogalol C₆H₃ (OH)₃ pentru absorbtia oxigenului. Solutia de hidroxid de potasiu (KOH) se obtine prin dizolvarea a 200 g KOH in 400 cm³ H₂O.

In vasul de absorbtie are loc reactia:

CO₂ + 2 KOH = CO₃K₂ + H₂O. (12.1) Solutia de bromura de potasiu (KBr) este formata din 20 % bromura de potasiu in apa.

Absorbtia hidrocarburilor nesaturate poate fi realizata si intr-o solutie de acid sulfuric fumas (acid sulfuric concentrat care contine in solutie trioxid de sulf liber).

Solutia alcalina de pirogalol se obtine prin dizolvarea a 180 g KOH in 300 cm³ apa distilata la care se adauga 15 g pirogalol (acid pirogalic) in 50 cm³ apa. In vasul de absorbtie are loc reactia:

(12.2)

Pentru determinarea componentelor CO, H₂ si CH₄ din gazele arse, se procedeaza la arderea lor in cuptorul electric. La temperatura de 270. . . 290 ^oC ard componentii CO si H₂, prin trecerea probei de gaz din biureta de masurare in cuptor prin serpentina, spre vasul tampon 6 si inapoi in biureta, de unde din nou se va analiza produsul final de ardere CO₂. Arderea are loc datorita reducerii oxidului de cupru CuO care se gaseste in serpentina cuptorului, dupa reactiile:

(12.3)

si

Prin micsorarea volumului amestecului se determina cantitatea de H₂ apoi trecand proba ramasa de 5. . . 6 ori in vasul 2 pentru absorbtia CO₂ format, se determina continutul de CO.

Pentru determinarea continutului de gaz metan se ridica temperatura in cuptorul electric pana la 850 . . . 900 ^oC si se trece proba de gaz prin serpentina incandescenta a cuptorului, unde are loc reactia:

CH₄₊ 20₂ = CO_{2 +} 2H₂O (12.4)

Cantitatea de CH₄ se determina prin micsorarea volumului amestecului in urma absorbtiei CO₂ in vasul 2. Proba de gaz ramasa se trece in vasul 4 pentru absorbtia CO₂ care s-a degajat din oxidul de cupru.

Continutul de azot se determina dupa relatia:

N = 100 - ( CO₂ + O₂ + CO + H₂ + CH₄ + C_nH_m). (12.5)

12.3. Analiza automata a compozitiei gazelor arse

Analiza automata a compozitiei gazelor arse se realizeaza cu ajutorul unor analizoare de gaze ca de exemplu analizorul GACOLoy productie RFG-model 1990, sau de tip BACHARACH sau alte modele, care se bazeaza pe proprietatile electrice ale diferitelor gaze componente ale amestecului de gaze arse, ca de exemplu rezistivitatea electrica. Analizorul GACOLoy afiseaza de exemplu urmatoarele date:

Combustibil

Eta % (h )

Schema unui astfel de tip de aparat de analiza automata a gazelor arse este prezentat in figura 12.3.

Fig.12.3. Schema unui aparat de analiza automata a gazelor arse.

12.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Indiferent pe ce cale se face analiza gazelor arse, pe cale chimica cu analizor Orsat sau pe cale automata, trebuie sa fie urmata de o verificare a acesteia pe cale grafica (prin intermediul triunghiurilor de ardere).

In figurile 12.4 si 12.5 sunt prezentate triunghiurile de ardere dupa Ostwald pentru gaz metan si pentru combustibil lichid usor (de calorifer) STAS 54-70. (Datorita variatiei compozitiei chimice elementare de la un combustibil la altul, triunghiul de ardere dupa Ostwald, sau dupa Gibbs, este valabil numai pentru combustibilul a carui compozitie chimica elementara este cunoscuta si pentru care s-a construit triunghiul de ardere respectiv).

In figura 12.6 este prezentat triunghiul de ardere pentru acelasi gaz metan, dupa Gibbs.

Spre deosebire de diagrama Gibbs, triunghiul de ardere dupa Ostwald prezinta avantajul ca permite determinarea imediata a coeficientului excesului de aer l .

De asemenea utilizarea triunghiului de ardere fie dupa Ostwald fie dupa Gibbs, mai prezinta posibilitatea determinarii directe pe cale grafica a unui al treilea component, cunoscand in prealabil prin analiza chimica, pe ceilalti doi componenti din gazele arse ( de exemplu, cunoscand procentul de CO₂ si O₂ , pe baza analizei chimice, procentul de CO poate fi determinat pe cale grafica).

In cazul arderii complete cand rezulta numai CO₂ si O₂, punctul reprezentativ F, cade pe dreapta AB (pentru triunghiul de ardere dupa Ostwald) si pe dreapta BC (pentru triunghiul de ardere dupa Gibbs).

Fig.12.4. Triunghiul de ardere dupa Ostwald pentru gaz metan.

Pentru arderea incompleta cand rezulta CO₂, O₂ si CO, se duce o paralela la OA pentru valoarea lui O₂ determinata in % si o paralela la OB pentru valoarea lui CO₂ determinata in %, la intersectia lor rezultand punctul reprezentativ F (pentru triunghiul de ardere dupa Ostwald) sau, ducand o paralela la AC pentru valoarea lui CO₂ determinata in % si o paralela la AB pentru valoarea lui O₂ determinata in %, se obtine punctul F in triunghiul de ardere dupa Gibbs.

Analiza este corecta, numai cand punctul F cade in interiorul triunghiului pentru arderea incompleta si pe latura AB (Ostwald), respectiv BC (Gibbs), pentru arderea completa.

Exemplu: prin analiza chimica a gazelor arse rezultate din arderea gazului metan s-a obtinut : 7 % CO₂ si 6 % O₂, din triunghiul de ardere dupa Ostwald (fig.12.4) rezulta punctul F cu l = 1,12 si CO = 6,7 %. Aceeasi situatie se obtine si la triunghiul de ardere dupa Gibbs (fig.12.6).

In cazul arderii incomplete, din analiza chimica a gazelor arse si a cantitatii de funingine rezultata din arderea incompleta a carbonului, se poate determina randamentul arderii h _a, cu relatia:

Fig.12.5. Triunghiul de ardere dupa Ostwald pentru combustibil lichid usor.

[%], (12.6)

in care: Q_i este puterea caldura de ardere inferioara a combustibilului, in kJ / kg sau in kJ / m³_N, iar Q_pachin este caldura pierduta prin arderea incompleta a combustibilului. Q_pachin se determina cu relatia:

[kJ / kg.cb.] sau [kJ / m³_N.cb.] (12.7)

unde: V_g reprezinta volumul total de gaze arse rezultate din arderea a 1 kg sau 1 m³_N de combustibil in m³_N / kg sau m³_N / m³_N.cb; r_CO, r_H2, r_CH4-participatiile volumice ale CO, H₂ si CH₄ in gazele arse, in %; Q_iCO = 12.642 kJ / m³_N; Q_iH2 = 10.760 kJ / m³_N; Q_iCH4= 35.583 kJ / m³_N si Q_iC = 34.332 kJ / kg reprezinta caldura de ardere inferioara pentru CO, H₂, CH₄ si a carbonului nears sub forma de funingine (grafit) ; m _f- continutul de funingine in g / m³_N gaze arse ( pentru determinarea lui m _f, vezi lucrarea 14).

Volumul aproximativ de gaze arse, V_g, pentru gazul metan se determina cu relatia:

(12.8)

unde: 9,45 reprezinta L_o (aerul minim necesar arderii teoretice a un m³_N de gaz metan) in m³_N gaz metan; iar l este coeficientul excesului de aer, care pentru gaz metan se determina cu relatia aproximativa:

[ -] , (12.9)

relatie care este riguros valabila numai in cazul arderii complete.

Nota: se recomanda pentru gazele naturale h _a = 98,5 . . . 99,5 %; pentru combustibili lichizi h _a = 0,97 . . . 0,99 % ; iar pentru combustibili solizi sub forma de praf, h _a = 0,95 . . . 0,99 %.

Rezultatele masuratorilor se trec in tabelul 12.1.

Tabelul 12.1 Valori masurate si calculate.

(Combustibilul utilizat: gaz metan , Q_i = 35583 kJ / m³_N).

Observatii: Asa cum s-a mai aratat, analiza chimica a gazelor arse se poate face cu aparate de tip "Orsat" sau V.T.I.-2 (modelul prezentat in prezenta lucrare) sau cu analizoare chimice rapide de tip "Bacharach", GACOLoy sau altele.

De asemenea, analiza gazelor arse se poate efectua pe cale cromatografica sau electrica (utilizand diferite proprietati fizice ale gazelor componente) sau pe alte cai, utilizand metode automate sau semiautomate cu aparate inregistratoare sau indicatoare etc.

Indiferent prin care metoda se obtine analiza componentilor gazelor arse, aceste rezultate sunt utilizate pentru conducerea rationala (optima) a proceselor de ardere si pentru arderea cit mai economica a combustibililor clasici, utilizati in diferite procese energo-tehnologice. Pentru mai multe detalii a se consulta bibliografia [ 1] , [ 6] , [ 7] .