1. INTRODUCERE ÎN TEORIA COMBUSTIEI

1.1. Chimia si fizica procesului de combustie

Din punct de vedere chimic, combustia este un proces exoterm de oxidare, în care anumite substante reactioneazã, mai mult sau mai putin violent, când se combinã cu oxigenul în stare liberã si care duce la producerea unei mari cantitãti de cãldurã si, frecvent, de luminã.
Substantele care reactioneazã în acest mod sunt denumite combustibili, iar reactia este cunoscutã sub numele de combustie. Se considerã cã oxigenul, fãrã de care combustia nu poate avea loc, întretine arderea.
Principalele componente care sunt prezente în combustibilii utilizati în mod curent sunt: carbonul (C), hidrogenul (H2), monoxidul de carbon (CO), metanul (CH4), alte hidrocarburi în afarã de metan (CmHn), oxigenul (O2), azotul (N2), dioxidul de carbon (CO2) si apa (H2O).
Printre aceste componente, cele combustibile reactioneazã în conformitate cu urmãtoarele reactii chimice:
C + O = CO2 + 394 kJ / mol
S + O2 = SO2 + 297 kJ / mol
2 H2 + O2 = 2 H2O + 242 kJ / mol
CO + 1/2 O2 = CO2 + 283 kJ / mol
CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 803 kJ / mol
CmHn + (m + n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2 + xxx kJ / mol (*)
Oxigenul necesar reactiilor de combustie este asigurat de aerul atmosferic, a cãrui compozitie medie este datã în urmãtorul tabel:
Compozitia medie a aerului atmosferic
(aer uscat la 273 K, 1013 mbar)
 
Masã molecularã MW
% volum 

(m3 / m3)
% masã 

(kg / kg)
Azot, N2
28
78,08
75,52
Oxigen, O2
32
20,95
23,15
Argon, A
40
0,93
1,28
Dioxid de carbon, CO2
44
0,03
0,046
Altele  
0,01
0,004
În calculul reactiilor de combustie, se presupune cã aerul are urmãtoarea compozitie:
N2 = 79% (procentaj de volum)
O2 = 21%
Posibilitatea fiecãrui combustibil de a-si elibera energia termicã este definitã de cãldura sa specificã de combustie. În general, putem spune cã puterea caloricã reprezintã cantitatea de cãldurã care este eliberatã în procesul de combustie de cãtre 1 livrã de combustibil lichid sau solid, sau de cãtre un picior cubic standard de combustibil gazos.
Existã douã puteri calorice diferite:
  • puterea caloricã superioarã
  • puterea caloricã inferioarã.
Diferenta dintre aceste douã valori reprezintã cãldura latentã de condensare a apei produse pe durata procesului de combustie.
Deoarece apa este întotdeauna prezentã în produsele de combustie, este necesar sã se elibereze vaporii de apã sub formã de condens (anume sub formã de apã lichidã), pentru a obtine cantitatea maximã de cãldurã pe care o poate genera potential orice combustibil (puterea caloricã superioarã).
În general, în procesul de combustie apa produsã este eliberatã în atmosferã sub formã de vapori în gazele arse, (ca urmare cãldura produsã prin condensarea apei se pierde, iar cãldura disponibilã este doar puterea caloricã inferioarã a combustibilului respectiv).
Sã analizãm reactia de combustie a metanului:
                                              CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + cãldurã
Pentru un gaz perfect, un mol de gaz în conditii normale (0°C, 1 atm) are întotdeauna acelasi volum, anume 22,414 litri.
Ca urmare, este posibil sã se considere o reactie chimicã dintre substante gazoase ca fiind o reactie chimicã dintre volumele substantelor respective.
Dacã ne reamintim cã în aer existã 21% volume de oxigen, avem:
1 m3CH4 + (2 m3O2 + 7,52 m3N2) = 2 m3H2O + 1 m3CO2 + 7,52 m3N2 + cãldurã
Deci, pentru fiecare m3 de metan, cantitatea de aer teoretic care este necesarã pentru a permite reactiei sã aibã loc este de (2 + 7,52) = 9,52 m3.
Considerând ecuatiile chimice de combustie mentionate mai sus:
1 m3 CH4 necesitã 2 m3O2
1 m3 H2 necesitã 0,5 m3O2
1 m3 CO necesitã 0,5 m3O2
1 m3 CmHn necesitã (m + n/4) m3 O2
Referindu-ne la volumul de aer, cantitatea necesarã de aer stoichiometric este:
1 m3 CH4 necesitã 9,52 m3 de aer stoichiometric
1 m3 H2 necesitã 2,38 m3 de aer stoichiometric
1 m3 CO necesitã 2,38 m3 de aer stoichiometric
1 m3 CHn necesitã 4,76 (m + n/4) m3 de aer stoichiometric
Pentru combustibili în formã gazoasã, dacã definim:
[CO], [H2], [CH4], [CmHn], [O2] procentajul volumetric al fiecãrei componente care este prezentã în amestecul de gaz combustibil, avem:
Volumul de aer teoretic Atv = [CO] x 2,38/100 + [H2] x 2,38/100 + [CH4] x 9,52/100 + 4,76 x [SUMAi(mi + ni/4) x CmHn]/100 - 4,76 x [O2]/100,
în care ultimul termen ia în considerare cantitatea de oxigen eventual prezentã în combustibil.
În practicã nu va fi niciodatã posibil sã se lucreze cu cantitatea stoichiometricã de aer, dar va fi necesar sã se utilizeze o cantitate de aer efectiv care este întotdeauna mai mare decât cea teoreticã.
Elementele esentiale ale combustiei sunt:
  • combustibilul
  • aerul de combustie (oxigenul)
  • amorsa pentru aprindere
Pentru a initia arderea nu este necesar doar sã existe un contact între combustibil si aer, ci trebuie sã existe, de asemenea, un agent de amorsare a reactiei, ceea ce înseamnã cã o parte a combustibilului trebuie sã aibã o temperaturã mai mare decât punctul sãu de aprindere. Combustia va satisface regula "3T", anume:
  • timp (scurt)
  • temperatura (ridicatã)
  • turbulentã (mare)
Se cere o turbulentã considerabilã pentru un contact optim între combustibil si aer, astfel încât sã se obtinã arerea completã a combustibilului, pentru a asigura o flacãrã de înaltã temperaturã si un timp scurt de combustie.
Turbulenta scãzutã duce la un amestec necorespunzãtor între combustibil si aer, astfel încât este posibil ca procesul de combustie sã nu fie complet, asigurând o flacãrã de temperaturã foarte redusã, iar combustibilului îi trebuie un timp îndelungat ca sã ardã (ca urmare apar hidrocarburi nearse).

1.2. Combustia în practicã

Amestecul perfect între combustibil si aer nu survine întotdeauna, chiar si în conditii bune de amestec. Câteodatã, amestecarea dureazã prea mult, astfel cã amestecul ajunge într-o zonã în care temperatura este prea scãzutã pentru a furniza suficientã cãldurã în vederea definitivãrii combustiei.
Dacã se furnizeazã doar cantitatea de aer stoichiometric, o parte a combustibilului nu arde si combustia rãmâne incompletã. Pentru a asigura o combustie completã, se furnizeazã aer în exces fatã de cantitatea stoichiometricã. În acest mod, fiecare moleculã de combustibil gãseste numãrul corect de molecule de oxigen necesare pentru încheierea combustiei.
Acest aer adãugat este denumit aer în exces, deci cantitatea efectivã de aer este egalã cu aerul teoretic plus aerul în exces.
Cantitatea de aer în exces utilizatã pentru combustia practicã depinde în general de mai multi factori (natura si starea fizicã a combustibilului, forma camerei de combustie, tipul de arzãtor etc.); cantitatea de aer în exces este mare pentru combustibilii solizi si are valori mai mici pentru combustibilii lichizi sau gazosi.
Am stabilit cã respectivele conditii optime pentru a garanta combustia completã a unor cantitãti mari de combustibil într-un spatiu limitat si în timp scurt presupun sã se lucreze cu aer în exces fatã de necesarul de aer teoretic.
Dorim sã subliniem acum cã ocombustie optimã se realizeazã cu cea mai redusã cantitate de aer în exces posibilã.
Aer în exces înseamnã cã o parte din oxigen, nefiind utilizatã, va deveni o parte a fluxului de gaze arse, ducând la cresterea volumului total al acestuia. Existã deci o valoare optimã pentru aerul în exces.
În cazul în care cantitatea de aer este prea micã, va fi prezent combustibil nears, datoritã combustiei incomplete (înregistrându-se astfel o risipã de combustibil si pericolul poluãrii atmosferei), în vreme ce o cantitate prea mare de aer produce o combustie completã, dar vor exista pierderi mai mari la cos (ducând la scãderea eficientei si la cresterea emisiei de oxizi de azot). Zona optimã este cea care combinã poluarea minimã cu cele mai reduse niveluri de combustibil nears si de pierderi la cos.

1.3. Procentajul de oxigen si aer în exces în gazele arse

Controlul aerului în exces este important pentru garantarea unei combustii corespunzãtoare. Prin mãsurarea oxigenului prezent în gazele evacuate, este posibil sã se determine procentajul corect de aer în exces. Mãsurarea procentajului de oxigen din gazele evacuate a înlocuit sistemul bazat pe mãsurarea procentajului de CO2. Aceasta se datoreazã urmãtoarelor:

  • oxigenul reprezintã o parte a aerului, în cazul în care continutul de oxigen este zero cantitatea de aer în exces este zero;
  • când se lucreazã cu lipsã de aer, procentajul de CO2 creste proportional cu cresterea cantitãtii de aer dar, dupã un maxim, procentul de CO2 scade odatã cu cresterea cantitãtii de aer, aceasta înseamnã cã acelasi procentaj de CO2 corespunde la douã niveluri diferite ale cantitãtii de aer de combustie;
  • flexibilitatea functionalã ridicatã a sondei cu oxid de zirconiu a revolutionat si simplificat mãsurarea cantitãtii de oxigen.
1.4. Gaze umede si gaze uscate

Apa este prezentã în fluxul de gaze evacuate sub formã de abur, care este produs prin combustia hidrogenului, de apa prezentã în combustibil si de umiditatea din aerul de combustie. Un asemenea gaz se numeste umed.
Dacã gazul este rãcit la temperatura mediului ambiant, umiditatea condenseazã în formã lichidã. Gazul astfel separat se numeste uscat.

1.5. Constante caracteristice ale combustibilor

Fiecare tip de combustibil este caracterizat de unele constante specifice. Aceste constante sunt:

  • a  raportul dintre volumul de gaze arse si volumul aerului de combustie (per unitatea de combustibil), relevant pentru combustia stoichiometicã (umed).
  • b raportul dintre volumul de gaze arse si volumul aerului de combustie (per unitatea de combustibil), relevant pentru combustia stoichiometicã (uscat).\
  • c  procentul maxim volumetric al continutului de CO2 în gazele arse (uscat) pentru combustia stoichiometricã.
  • d procentul pierderilor datorate cãldurii latente (pierderi de umiditate).
  • e factorul de combustie relevant pentru compozitia combustibilului.
    •
    Tabelul urmãtor prezintã constantele combustibililor cel mai frecvent utilizate:
    Combustibil 
    A
    b
    C
    d
    E
    Gaz natural
    1,105
    0,895
    11,7
    11
    0,38
    Propan
    1,084
    0,916
    13,8
    7,7
    0,42
    LPG
    1,091
    0,912
    14
    7,4
    0,43
    Titei
    1,068
    0,936
    15,1
    6,1
    0,56
    LFO
    1,067
    0,94
    15,6
    6,0
    0,56
    HFO
    1,065
    0,944
    15,8
    5,8
    0,58
    Cãrbune
    1,03
    0,98
    19,1
    2,7
    0,67
    Lemn
    1,2
    0,99
    20,1
    12,5
    0,58