Tehnologia OPTIMARD pentru arderea curata a pacurii la instalatii de cazane, cuptoare din rafinarii si cuptoare industriale

1. Despre formarea depunerilor pe suprafeţele de încălzire.

În stadiul actual al tehnicii, arderea păcurii la instalaţii de cazane şi cuptoare industriale produce dificultăţi mari în exploatare. Una dintre dificultăţi este formarea de depuneri pe suprafeţele de încălzire, care pot fi depuneri carbonoase, constituite de funinginea rezultată în urma arderii incomplete şi depuneri minerale, constituite de componentele minerale ale cenuşii din păcură, în principal sodiul, vanadiul şi sulful.

În funcţie de temperatura la care se formează, depunerile minerale se împart în două grupe mari: depuneri care se formează la temperaturi înalte (pe ţevile supraîncălzitoa-relor) şi depuneri care se formează la temperaturi joase (pe ţevile economizorului şi la preîncălzitorul de aer).

Depunerile minerale la temperaturi înalte se formează, mai ales, din componentele minerale ale  cenuşii aflate sub formă gazoasă sau lichidă, atunci când temperatura gazelor de ardere scade sub temperatura de condensare sau de solidificare a acestor componente. La trecerea prin focar, componentele minerale iniţiale ale cenuşii suferă o serie de  modificări chimice. Mai întâi, în procesul de ardere se formează oxizi ai metalelor componente (Na2O, V2O3, V2O4, SO2, SO3). Apoi, ca urmare a reacţiilor chimice care se desfăşoară în focar, în drumul gazelor de ardere sau după depunerea pe suprafaţe metalice, iau naştere compuşi noi (pentaoxid de vanadiu-V2O5, sulfaţi, vanadaţi ş.a.), cu temperaturi de înmuiere, condensare şi sublimare mult mai mici decât cele ale cenuşii iniţiale. La atingerea temperaturilor de condensare sau solidificare a acestor compuşi, la suprafaţa ţevilor din zona respectivă are loc o depunere selectivă a  componentelor minerale.

La început, pe ţevi aderă componente cu consistenţă lipicioasă, dar odată cu creşterea cantităţii de depuneri, se formează un strat termoizolant şi temperatura suprafeţei depunerilor creşte, atingîndu-se temperaturi la care componenţii depunerii se înmoaie şi se sinterizează. Apoi, depunerile înmuiate captează uşor particule solide din cenuşa volantă şi particule de funingine,iar murdărirea avansează rapid.

Depunerile formate la temperaturi înalte sunt aderente, dure şi compacte, iar uneori se cementează. Caracteristica specifică a depunerilor formate la temperaturi înalte este creşterea continuă a stratului acestora pe ţevi. Prin creşterea stratului de depuneri, se pot forma punţi între ţevile dispuse necorespunzător, ceea ce va impune oprirea cazanului pentru curăţire.

Depunerile minerale la temperaturi joase se formează din particulele de cenuşă volantă care se găsesc în gazele de ardere în stare solidă. În cele mai multe cazuri, formarea depunerilor la temperaturi joase este strîns legată de atingerea temperaturii punctului de rouă acidă al gazelor de ardere şi de apariţia coroziunii acide.

Depunerile minerale şi depunerile carbonoase care se acumulează în cursul exploatării pe ţevile suprafeţelor de încălzire ale instalaţiilor de cazane şi cuptoarelor industriale produc multe inconveniente: 

• înrăutăţirea schimbului de căldură, urmată de creşterea temperaturii gazelor de ardere evacuate la coş;
• reducerea secţiunii de trecere a gazelor de ardere printre ţevi, urmată de scăderea treptată a sarcinii, până la situaţia limită în care instalaţia trebuie oprită pentru curăţirea depunerilor;
• apariţia fenomenelor de coroziune la  temperatură înaltă şi la temperatură joasă.

Toate aceste inconveniente pot fi eliminate prin aplicarea tehnologiei OPTIMARD pentru arderea curată a păcurii.

2. Descrierea tehnologiei OPTIMARD

Tehnologia OPTIMARD pentru arderea curată a păcurii prevede tratarea continuă a procesului de ardere prin dozarea în aerul de ardere a unei compoziţii aditive sub formă de soluţie electrolitică de substanţe active. După evaporarea picăturilor din compoziţia aditivă rezultă particule foarte fine de substanţe active, răspândite omogen sub formă de aerosoli în aerul de ardere şi în focar.

Tehnologia OPTIMARD pentru arderea curată a păcurii utilizează substanţe active alese dintre sărurile metalelor alcaline, alcalino-pământoase, lantanide şi săruri de amoniu. Principalele substanţe active sunt azotatul de potasiu, azotatul de sodiu, azotatul de magneziu, azotatul de ceriu şi azotatul de amoniu dozate în anumite proporţii optimizate pentru obţinerea unor efecte sinergice maxime.

Substanţele active din compoziţia aditivă produc următoarele fenomene fizico-chimice :

●  particulele fine ale substanţelor active, în special azotaţii metalelor alcaline, introduse în aerul de ardere, la temperatura ridicată se descompun formând oxigen liber (activ), care are drept efect imediat intensificarea reacţiilor de ardere a picăturilor de păcură; astfel, arderea carbonului şi a cocsului în prezenţa aerosolilor substanţelor active este aproape de cea completă şi  formarea de funingine este mult diminuată.

●● particulele fine ale substanţelor active, ajunse în focar, mai întâi neutralizează parte din oxizii de vanadiu şi de sulf, iar apoi, transportate de gazele de ardere, acţionează în zonele cu depuneri:

• azotatul de potasiu converteşte pentaoxidul de vanadiu în vanadat de potasiu, care are o temperatură de topire ridicată şi se prezintă în stare pulverulentă;
• azotatul de potasiu, azotatul de sodiu şi azotatul de amoniu reacţionează cu trioxidul de sulf (S03) din  gazele de ardere, cu reducerea formării de rouă acidă şi formarea de sulfaţi care se prezintă în stare  pulverulentă;
• azotatul de magneziu reacţionează cu trioxidul de sulf (S03) din  gazele de ardere, cu reducerea formării de rouă acidă şi se utilizează îndeosebi la arderea păcurii cu  conţinut  foarte mare de sulf şi de vanadiu;
• azotatul de ceriu are ca efect creşterea temperaturii de topire a depunerilor, astfel încât acestea nu se mai formează în stare lichidă;
• toţi azotaţii produc oxidarea carbonului nears din depuneri, acestea devin poroase, îşi pierd aderenţa şi se îndepătează uşor de pe ţevi. 

Aceste fenomene fizico-chimice complexe determină neutralizarea componentelor minerale din cenuşă cu caracteristici de lipire şi aderenţă, precum şi oxidarea intensă a particulelor de funingine. Astfel, depunerile de funingine se diminuează şi depunerile minerale dure se transformă în depuneri neaderente, friabile, uşor de îndepărtat de pe ţevi prin antrenarea lor de către gazele de ardere care circulă cu viteză (autocurăţire în timpul funcţionării cazanului/cuptorului) sau de către suflătorii de depuneri.

Procesele de dozare a compoziţiei aditive şi introducerea aerosolilor în focar sunt realizate cu ajutorul unor instalaţii de tratare, special concepute pentru tehnologia prezentată.

3. Compoziţii aditive

Compoziţiile aditive pentru arderea curată a păcurii se prepară şi se transportă la locul de utilizare sub formă concentrată, apropiată de saturaţie, pentru a nu fi necesară manevrarea unor recipiente mari. Compoziţiile se păstrează în vase din material plastic, închise etanş, cu capacitatea până la 30 litri. Depozitarea vaselor pline cu compoziţie aditivă se face la temperaturi cuprinse între 5 şi 40°C.

Caracteristicile principale ale compoziţiilor aditive sunt următoarele:

• stare fizică: soluţii electrolitice concentrate de substanţe active pentru curăţirea depunerilor şi reducerea coroziunii la arderea păcurii;
• aspect: lichid  de culoare portocaliu, fără suspensii;
• densitate: 1,15...1,5 kg/dm³
• valoarea pH: 5…6
• proprietăţi: nu sunt toxice, nu au miros, nu sunt inflamabile, nu sunt explozive, nu sunt radioactive.

Compoziţia solutiei electrolitice şi doza de consum optimă se stabilesc în funcţie de caracteristicile păcurii utilizate, natura şi caracteristicile depunerilor, tipul cazanului sau cuptorului, condiţiile concrete de exploatare.

4. Instalaţia de tratare

Instalaţia de tratare pentru arderea curată a păcurii realizează injecţia compoziţiei aditive în canalele de aer de ardere, inainte de admisia la arzatoare. Schemele tehnologice de principiu sunt prezentate în fig.1 şi 2.

Compoziţia aditivă de consum, necesară pentru o perioadă de funcţionare de 7...14 zile, se prepară într-un rezervor de consum prin amestecarea compoziţiei concentrate cu apă demineralizată într-o proporţie optimizata, stabilită în funcţie de particularităţile fiecărei aplicaţii.

Debitul de compoziţie consumată este de 0,15…0,3 litri/tona de păcură arsă, optimizat la fiecare aplicatie în funcţie de tipul cazanului sau cuptorului,  caracteristicile păcurii  şi condiţiile de exploatare.

Descrierea instalaţiei de tratare cu injecţia compoziţiei aditive în aerul de ardere (fig.1 şi 2)

Din rezervorul (1) compoziţia de consum curge prin cădere liberă la un dispozitiv de tratare (2), care are un  pulverizator cu aer comprimat.

La cazanele/cuptoarele cu preîncălzitor de aer (v. fig.1), acest dispozitiv pulverizează şi introduce compoziţia de tratare într-o fracţie foarte mică de aer de ardere cald. Fracţia redusă de aer de ardere care va fi tratat este preluată după caloriferul de aer sau dintre treptele preîncălzirorului de aer (5). Picăturile de compoziţie pulverizată se usucă în contact cu aerul cald şi rezultă particule foarte fine de substanţe active sub formă de areosoli, care sunt introduse în canalul de aer de ardere (6), inainte de admisia la arzatoare. Dozarea debitului de compoziţie aditivă consumată se realizează prin calibrarea duzei pulverizatorului şi prin reglarea alimentării pulverizatorului cu aer comprimat.

Fig.1. Instalaţie de tratare pentru arderea curată a păcurii la un cazan/cuptor cu preîncălzitor de aer

                                  1-rezervor de consum (100-500 l);  2-dispozitiv de tratare a aerului de ardere;  3-regulator de presiune; 

                                              4-aer de pulverizare (1,5 bar, 1mc/h);  5-canal de aer de ardere;  6-preîncălzitor de aer

La cazanele/cuptoarele fără preîncălzitor de aer (v. fig.2), instalaţia de tratare cu injecţie a compozitiei aditive în aerul de ardere este asemănătoare cu cea prezentată mai sus, dar este prevăzută cu un ventilator (7) şi un încălzitor (8) pentru fracţia redusă de aer care va fi tratat.

  Fig.2. Instalaţie de tratare pentru arderea curată a pacurii la un cazan/cuptor fără preîncălzitor de aer

                                     1-rezervor de consum (100-500 l);  2-dispozitiv de tratare a aerului de ardere;  3-regulator de presiune;

                              4-aer de pulverizare (100-1500mbar);  5-canal de aer de ardere;  7-ventilator de aer de activare;  8-încălzitor de aer

5. Eficienţa tehnologiei OPTIMARD

Tehnologia OPTIMARD, dezvoltată pentru arderea curată a păcurii la instalaţii de cazane şi cuptoare industriale, realizează următoarele acţiuni permanente:

• intensificarea procesului de ardere a carbonului şi cocsului din păcură
• creşterea temperaturii de topire a componentelor minerale ale cenuşii din păcură
• reducerea conţinutului de oxizi de sulf şi de vanadiu din gazele de ardere
• reducerea temperaturii punctului de rouă acidă al gazelor de ardere.

Aceste acţiuni permanente conjugate au următoarele efecte importante:

• reducerea proceselor de formare a depunerilor de funingine
• reducerea proceselor de formare a depunerilor minerale
• reducerea coroziunii de înaltă temperatură şi a coroziunii de joasă tempertatură
• reducerea poluării prin evitarea acumulărilor de depuneri care să fie evacuate periodic în cantităţi mari prin operaţiile de suflare.

În exploatarea de durată a instalaţiilor de cazane şi a cuptoarelor industriale, aceste efecte conduc la următoarele rezultate care dovedesc eficienţa tehnologiei:

• creşterea randamentului termic al cazanului/cuptorului cu 1…1,5 %
• reducerea consumului de energie electrică pentru ventilatoare cu 10…15 %
• creşterea disponibilităţii de sarcină şi de timp a cazanului/cuptorului
• reducerea cheltuielilor de întreţinere şi reparaţii
• reducerea emisiilor poluante.

Tehnologia a fost aplicata cu succes la cinci cazane de apă fierbinte de 100 Gcal/h, un cazan de abur de 100 t/h si un cazan de abur de 420t/h din centrale termoelectrice. Rezultatele obţinute au demonstrat eficienţa tehnologiei şi lipsa oricăror influenţe negative asupra cazanelor, personalului şi mediului.

Vezi mai multe detalii in revista Energetica nr.  1 /1999, pag. 8-14 si nr. 7/1999, pag. 297-308, https://ire.ro/publicatii/arhiva-revista/anul-1999/ .