tinhtrongluongkhongtkhi001

Tính lượng khơng khí cần thiết cho chất đốt Trịnh Minh Chính Chế tạo lị đốt để sản suất sức nóng dùng để sấy trái cây, cá, mực, v.v hay nước dùng để chạy turbine quay generator để sản suất điện công việc mà kỷ sư lượng thường hay gặp Công việc tính lượng chất đốt xử dụng giờ? Chất đốt dạng (khí thiên nhiên, dầu thơ than đá)? Chất sa thải sau đốt (CO2, CO, nước, SOx, NOx, v.v.) (Chomiak (1990)) Các chất đốt lỏng (dầu nặng, dầu hôi, v.v.) hay rắn (than đá, gỗ, v.v.) thường đo kg/giờ hay kg/giây khơng khí (KK) thổi vào vào lị máy thổi đơn vị đo m3/giờ hay m3/giây Tính lượng KK cần thiết để đốt cháy lượng chất đốt Hiện với kỷ nghệ thông tin với máy tính nhanh giới chưa tính xác cho lửa dầu than đá phần lý thuyết chưa hồn toàn hoàn chỉnh phần độ nhanh máy tính đại ngày chưa tính mơ hình phức tạp Do tính tốn máy tính bỏ túi chừng, độ sai 50% Phương pháp (PP) đo chất sa thải sau đốt PP tốt PP trình bày khơng xác đơn giản hố nhiều vấn đề Thí dụ N2 khơng tham gia phản ứng cháy hay phản ứng xảy lúc, điều không xảy thực tế PP xử dụng chưa có PP tốt 1) Sự đốt cháy hydrocarbon (CxHy) Nước lạnh vào Ống khói Máy đốt Nước nóng Hình 1: Một hình mẫu cho lị nấu nước nóng cơng nghiệp 1) Tính lượng khơng khí (KK) cho cháy hydrocarbon Hydrocarbon có cơng thức hố học CxHy thí dụ (CH4, C2H6, C3H8, v.v.) Thí dụ cháy hồn tồn lượng khí mê tan lị đốt (xem Hình 1) Phương trình phản ứng hố học cho phản ứng khí mê tan sau: CH  2O2  CO2  2H 2O (1) tương tự phản ứng cháy cho hydrocarbon sau y y  ( x  ) O2  x CO2  H 2O (2) viết theo trọng lượng phân tử (chất) sau (nguyên tử gram cho C, H O 12, 16) Cx H y y (12 x 1 y )  ( x  ) 32  x 44  y 18 (3) hay (12 x  y )  (32 x  y )  44 x  y (4) Như (12x+y) kg hydrocarbon cần (32x+8y) kg oxygen sa thải 44x kg CO2 9y kg nước (H2O) Trong thực tế không lấy oxygen nguyên chất mà dùng khơng khí (KK) Thành phần hố học tỉ lệ phần trăm theo thể tích trọng lượng “KK khơ” hay gọi tắt KK (KK khơng có độ ẩm hay nước) sau N2 O2 Ar CO2 H2 Andet Tổng cộng Thể tích (%) 78,03 20,99 0,94 0,03 0,01 < 0,003 100 Trọng lượng (%) 75,47 23,20 1,28 0,046 0,001 < 0,003 100 Bảng 1: Thí dụ tỉ lệ phần trăm thể tích trọng lượng KK KK VN chứa nhiều nước tỉ lệ phần trăm chất khí khác Để tính tốn nhanh người ta thường tính gần KK khô gồm 23,2% O2 76,8% N2 theo trọng lượng 21% O2 79% N2 theo thể tích Trong thực tế chất đốt phức tạp, khơng đơn giản có carbon hydrogen nêu Bảng thí dụ thành phần hoá học tỉ lệ phần trăm loại khí đốt thiên nhiên (thành phần hố học khí thiên nhiên tùy thuộc vào mỏ khí) Thành phần hóa học Cơng thức Tỉ lệ % Tỉ lệ % Tỉ lệ % thể tích mol trọng lượng Methane (mê tan) CH4 81,30 81,29 69,97 Ethane (ê tan) C2H6 2,85 2,87 4,63 Propane (pro pan) C3H8 0,37 0,38 0,90 Butane (bu tan) C4H10 0,14 0,15 0,47 Pentane (pen tan) C5H12 0,04 0,04 0,16 Hexane (hex xan) C6H14 0,05 0,05 0,23 Nitrogen (ni tơ) N2 14,35 14,32 21,52 Oxygen (o xi) O2 0,01 0,01 0,02 Carbondioxide CO2 0,89 0,89 2,10 100 100 100 Tổng cộng Bảng 2: Thành phần hoá học tỉ lệ phần trăm khí đốt thiên nhiên mỏ (Sydgar AB(1981)) Nếu lấy tỉ lệ % trọng lượng oxygen KK khô 23,20 phần lại Nitrogen chất khác không tham gia vào phản ứng đốt cháy ta có: (12x+y) kg CxHy cần hay (32x+8y) kg O2 kg CxHy cần (32 x  y ) (12 x  y ) kg CxHy cần (32 x  y ) 0,2320 (12 x  y ) kg O2 (5) hay kg KK (6) Theo định luật Avogadro, phân tử gram tất nguyên chất thể khí chiếm thể tích điều kiện nhiệt độ áp suất Thể tích phân tử chất khí nhiệt độ 0oC 760 mm thuỷ ngân chứa thể tích 22,4 lít, có nghĩa phân tử gram oxy (O2) hay khí carbonic (CO2) chiếm thể tích 22,4 lít điều kiện thường (0oC 760 mm thuỷ ngân) Như thể tích KK (phân tử gram KK 28,96 g/mol) kg CxHy cần (32 x  y ) 22,4  0,2320 (12 x  y ) 28,96 m KK Thí dụ 1: đốt cháy hồn tồn kg C2H6 Cho C2H6 có nghĩa x = y = 6, x y vào phương trình (PT) (5) ta được: (32 2  6) 0,2320 (12 2  6)  16,09 kg Như thể tích KK trở thành 22,4 16,09  28,96  12,45 m 2) Tính lượng chất sa thải từ đốt cháy hydrocarbon Tương tự cho carbondioxide nước, ta có kg CxHy sa thải 44 x (12 x  y ) kg CO2 kg CxHy sa thải 22,4 x (12 x  y ) m3 CO2 kg CxHy sa thải y (12 x  y ) kg H2O kg CxHy sa thải 11,2 y (12 x  y ) m3 H2O Ngồi CO2 H2O cịn có N2 khói (N2 KK mà giả sử N2 không tham gia phản ứng cháy) (7) 2) Tính đốt cháy chất đốt lỏng rắn Thông thường chất đốt thể lỏng rắn phân tích gồm có thành phần ngun tố C (carbon), H (hydrogen), S (lưu huỳnh), O (oxygen), N (nitrogen), H2O (hơi nước) Chất bẩn (không đốt cháy cát, sỏi đá, v.v.) (xem Bảng 3) Than đá Dầu nặng Dầu nhẹ Gỗ Rơm từ lúa mì Khí đốt thiên nhiên Carbon, C 0,594 0,857 0,865 0,375 0,430 0,746 Lưu huynh, S 0,008 0,024 0,005 0,000 0,001 0,000 Hydrogen, H 0,037 0,114 0,130 0,046 0,054 0,236 Nitrogen, N 0,010 0,002 0,000 0,001 0,000 0,009 Oxygen, O 0,074 0,000 0,000 0,320 0,380 0,009 Hơi nước, H2O 0,129 0,001 0,000 0,250 0,100 0,000 Chất bẩn 0,148 0,002 0,000 0,008 0,035 0,000 Tổng cộng 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Bảng 3: Thí dụ thành phần hố học tỉ lệ số chất đốt.(N Bech and J Dahæin (1986)) Nếu kg chất đốt chứa trọng lược nguyên tố sau: c kg carbon (C) h kg hydrogen (H2) s kg lưu huỳnh (S) o kg oxygen (O2) n kg nitrogen (N2) w kg nước (H2O) a kg chất bẩn Như kg chất đốt tổng số lượng tất nguyên tố 1, có nghĩa chsonwa  (8) loại bỏ chất bẩn nước (người ta thường dùng cách phân tích cho than đá), phương trình trở thành chson  (9) a) Tính lượng KK cần thiết cho đốt cháy kg chất đốt Giả sử phản ứng xảy hồn tồn, có nghĩa C cháy hết cho CO2 H cháy cho H2O S cho SO2 C + O2 = CO2 (10) kmol C + kmol O2 = kmol CO2 12 kg C + kmol O2 = kmol CO2 kg C + kmol O2 12 = kmol CO2 12 c kg C + c kmol O2 12 = c kmol CO2 12 c kg C + c 22,4 nm3 O2 12 = c 22,4 nm3 CO2 12 c kg C + c 32 kg O2 12 = c 44 kg CO2 12 nm3 : m3 nhiệt độ 0oC 76 mm thủy ngân 2H2 kmol H2 kg H2 + + + O2 kmol O2 kmol O2 = = = 2H2O kmol H2O kmol H2O kg H2 + kmol O2 = kmol H2O h kg H2 + h kmol O2 = h kmol H2O h kg H2 + h 22,4 nm3 O2 = h 22,4 nm3 H2O h kg H2 + h kg H2 + h 32 kg O2 h kg O2 S kmol S 32 kg S + + + kg S = h 18 kg H2O h kg H2O O2 kmol O2 kmol O2 = = = SO2 kmol SO2 kmol SO2 + kmol O2 32 = kmol SO2 32 s kg S + s kmol O2 32 = s kmol SO2 32 s kg S + s 22,4 nm3 O2 32 = s 22,4 nm3 SO2 32 s kg S + s kg S + s 32 kg O2 32 s kg O2 = = = (11) (12) s 64 kg SO2 32 s kg SO2 Giả sử N2 (nitrogen) không tham gia phản ứng cháy Trong thực tế N2 kết hợp với O2 cho NO NO2 gọi chung NOx NOx làm ô nhiễm môi trường NOx mầm móng sinh bệnh ung thư Vì phản ứng N2 tạo NOx phức tạp nên trình bày vào dịp khác Như oxygen tối thiểu để đốt cháy hoàn toán kg chất đốt sau: c h s o    12 32 32 kmol kg chat dot Ot ,  Otl , s o  c h       32  12 32 32  (13) theo trọng lượng kg kg chat dot (14) trọng lượng KK tối thiểu KK tl , s o  32  c h        12 32 32  0,2320 m3 kg chat dot (15) KK có 23,20% O2 76,8% N2 Thể tích O2 tối thiểu Ott , s o  c h       22,4  12 32 32  m3 kg chat dot (16) Và thể tích KK tối thiểu KK tt , s o  22,4  c h        12 32 32  0,21 m3 kg chat dot (17) KK có 21% thể tích O2 79% thể tích N2 b) Tính lượng chất sa thải từ đốt cháy chất lỏng rắn Trong khói gồm có: (44/12) c kg CO2 phản ứng C + O2 = CO2 (9 h + w) kg H2O phản ứng 2H2 + O2 = 2H2O từ chất đốt (w kg) s kg SO2 ph ản ứng S + O2 = SO2 - (n + 0,768KKtl) kg nitrogen (n kg từ chất đốt 0,768KKtl từ KK) - a kg chất bẩn, không cháy 3) Kết luận - - Phản ứng cháy không đơn giản trình bày Cháy hồn tồn chuyện khó xảy thực tế Thông thường người ta dùng lượng KK nhiều lượng KK tối thiểu (lượng KK cháy hoàn toàn) khoảng 10% Các phản ứng không xảy lúc - - - Phản ứng lệ thuộc vào nhiệt độ nồng độ chất tham gia phản ứng Để cho chất đốt KK dễ hoà lẫn, nguời ta dùng rối loạn (tiến Anh gọi turbulence) Khi có sự rối loạn, nhiệt độ thay đổi không gian mà thời gian đưa đến phản ứng trở nên phức tạp N2 kết hợp với O2 cho NO NO2 gọi chung NOx, chất mầm móng gây bệnh ung thư S (lưu huỳnh) chất đốt kết hợp với O2 cho SOx, tạo acid làm ô nhiễm môi trường Tất phức tạp hy vọng trình bày vào dịp khác Tài liệu tham khảo ghi phía cuối cho bạn muốn tìm hiểu thêm Tài liệu tham khảo J Chomiak (1990) Combustion – A Study in Theory, Fack and Application Abacus Press N Bech and J Dahlin (1986) Combustion – Theory and Practice Polytenisk Forlag (in Danish) R Joel (1987) Basic Engineering Thermodynamics ed Longman Group UK Ltd (in English) S Hadvig (1972) Stoichiometry and Values of Fuel Matter (Education Notes) Institute of Energy Technology, Tecnical University of Denmark (in Danish) Sydgas AB (1981) Natural Gas Handbook Sydgas AB (in Swedish) Tài liệu tham khảo thêm Về đốt cháy 1) R Borghi (1988) Turbulent Combustion Modelling Prog Energy Combust Sci., Vol 114, pp 245-292 2) J Chomiak (1990) Combustion – A Study in Theory, Fact and Application Abacus Press – Gordon & Breach Science Publishers 3) W C Gardiner (1984) Combustion Chemistry Springer-Verlag 4) R T Haslam and R P Russell (1926) Fuels and Their Combustion McGraw-Hill Book Company, Inc 5) E E Khalil (1982) Modelling of Furnaces and Combustors Abacus Press 6) K K Kuo (1986) Principles of Combustion John Wiley & Sons 7) P A Libby and F A Williams (1980) Turbulent Reacting Flows Editet by P.A Libby and F.A williams Springer-Verlag A Stambuleanu (1976) Flame Combustion Processes in Industry Abacus Press 8) J Tomeczek (1994) Coal Combustion Krieger Publishing Comapany Về tạo thành NOx and SOx 9) P Falholt, P Glarborg, N H Olesen and S Hadvig (1984) Nox formation in The Combustion of Natural Gas Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish) 10) P Glarborg, N B K Rasmussen, and S Hadvig (1987) Reduction of NOx Emission from the natural Gas Furnace Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish) 11) P Glarborg and S Hadvig (1988) Nox formation in The Gas Phase of Coal Combustion Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish) 12) L L Sloss (1991) NOx Emissions From Coal Combustion IEA Coal Research, London 13) K V Thambimuthu (1993) Coal Cleaning for Advanced Coal-based Power Generation 14) J L Vernon and T Jones (1993) Sulphur and Coal IEA Coal Research, London