Giáo trình kỹ thuật cháy (in lần thứ nhất) phần 1

Trang 1

_ THƯ VIÊN ĐẠI HỌC NHÀ TRANG M | ^ £ “TAT ChAT

Complex Thermal Applications - Easy Measurements

Portable Fiue Gas Analysis for Industrial Systems ° Re) 5 58 8 THU VIEN DAI HOC NHA TRANG - " 4 A N ` " r | "4 - | | m/s `“ | | ~ “ “c bộ é al c^ 3000013353

~ N Chao ming ban da din ¿ác

Ậ 4 the uién cia ching C6

Xin vui long:

sec Không xé sách | e Không gạch, viết, vẽ lên sách

Trang 3

KY THUAT CHAY

Tác giả: TS Trần Gia Mỹ

Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS TS Tô Đăng Hải

Biên tập uà sửa bông: Nguyễn Diệu Thuý, Thụy Anh Trình bày va chế bản: Thụy Anh, Bích Thảo

Vẽ bìa: Quỳnh Châu

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2005

oe 5

In 700 cuốn khổ 16 x 24 tại Công ty In Thương mại

Trang 4

LOI NOI DAU

Cháy là kỹ thuật cổ xưa nhất của loài người, với hơn một triệu năm tuổi Ngày nay khoảng hơn 90% năng lượng được cung cấp trên toàn cầu dựa vào các quá trình cháy, vì vậy kỹ thuật cháy là không thể thiểu được đổi với nhiễu ngành công nghiệp và dịch vụ (chẳng hạn giao thông vận tải, sản xuất điện năng, luyện kim, cơ khí, vật liệu xây đụng, v v)

Cháy là một tổ hợp các quá trình phức tạp diễn ra trong cùng

một không gian và thời gian: các quá trình hóa học, các quá trình truyền nhiệt - truyền chất, các quá trình thủy khí, Vì tính phức tạp này nên lý thuyết cháy không thể hình thành nếu như không có sự hỗ trợ của nghiên cứu thực nghiệm cháy ở diéu kiện cũng rất khó khăn (trong khoảng 1500°C)

Nội dụng cơ bản của cuốn sách này được soạn theo để cương

mon học Kỹ thuật cháy được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh thông qua và được giảng cho sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt ~ lạnh theo chương trình đào tạo đổi

của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Các chủ để của cuốn sách được trình bày theo trình tự sau

Những vấn đề chung về buồng lửa, về nhiên liệu được trình bày

trong hai chương đâu Tiếp theo là phân kỹ thuật cháy các loại nhiên

lieu Dé đối cháy hoàn toàn, hiệu quả đâu và than, người ta cố gắng

dhứa chúng về dạng gân với khí Vì vậy chương Kỹ thuật cháy khí được trình bày trước, khá chỉ tiết Đối với mỗi loại nhiên liệ

, những vấn để

lý thuyết cháy đặc thì được trình bày trước, sau dấy mới đến thiết bị đó

các chất độc hại và một vài biện pháp hạn ch - Phẩn cuối, với một mức độ giới hạn, giới thiệu về sự hình thành 1 quan, cing mot 6 phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Cuốn sách này dành cho sinh viên ngành nhiệt - lạnh và các ngành kỹ thuật có liên quan, cho các cán bộ kỹ thuật quan tâm đến kỹ

Trang 5

Nhân đây tác giả xin dược bày tỏ lời cẩm ơn chân thành tới GS TSKH Đặng Quốc Phú, Viện trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt ~ Lạnh đã có nhiều ý

sách

đóng góp quý báu cho nội dụng cuốn Sách được xuất bản lân đâu nên chắc không tránh được sai si tác giá xin tran trọng cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của bạn dọc và đồng nghiệp gần xa

Moi ý kiến xin gửi theo dia chi: Trung tâm nghiên cứu ứng dụng

Trang 6

MUC LUC

CHUONG 1 DAI CUONG VE BUONG LUA

1.1 Cháy - hình thức biến đổi năng lượng đầu tiên và quan trọng nhất 1.2 Buổng lửa - thiết bị trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt bên tron;

1.3 Các quá trình trong buồng lử

1.4 Cân bằng nhiệt và hiệu suất buồng l 1.4.1 Phương trình cân bang

1.4.2 Hiệu suất nhiệt và hiệu suất exergy

CHƯƠNG 2 NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU 23

2.1 Các đặc trmg cơ bản của nhiên liệ 2.1.1 Thành phần của nhiên liệu 2.1.2 Nhiệt trị của nhiên liệu 2.2 Nhiên liệu khí

2.2.1 Phân loại 2.2.2 Các tính chất 2.3 Nhiên liệu lỏng

Trang 7

Phản ứng phân huỷ Sự hình thành và cháy muội than 2.6 Ngọn lửa phun và các đặc trưng của ngọn lửa Đại cương về ngọn lửa

Các loại ngọn lửa cơ bản

Các đặc trưng cơ bản của ngọn lửa

2.7 Tính cháy nhiên liệu

Nội dung và giả thiết tính to

Tinh cháy nhiên liệu khí

'Tính cháy nhiên liệu rắn và long

2.7.4 Công thức thống kê 2.7.5 Nhiệt độ đọng sương 2.7.6 Cháy khơng hồn tồn

2.7.7 Tính tốn theo kết quả phân tích thành phần sản phẩm cháy 68 2.7.8 Tinh toán nhiệt độ cháy lí thuyết

2.7.9, Dé thi I - t cia quá trình cháy

CHUONG 3 KY THUAT CHAY NHIEN LIEU KHi

Trang 8

3.3, Cháy khuếch tán 3.3.1 Cháy khuếch tần tầng 3.3.2, Cháy khuếch tần rối 3.3.3 Sự ổn định ngọn lửa khuếch tán và vật giữ ngọn lửa 3.4, Hai dòng phun đồng trục và ngọn lửa của chún/ 3.4.1 Trường dòng 3.4.2 Ngọn lửa của các dòng đồng trục 3.5 Ngọn lửa xoá; 3.5.1 Chế độ thủy động 3.5.2 Ngọn lửa xoáy 3.6 Mỏ đốt hỗn hợp trước 3.6.1 Injector 3.6.2 Mỏ đốt đơn lẻ và mỏ đốt tập hợp 3.6.3 Ngọn lửa phụ và vật giữ ngọn lửa

3.6.4 Phòng chống cháy giật lùi trong mỏ đốt 3.6.5 Các tính chất của mỏ đốt hỗn hợp trước 3.7 Mỏ đốt khuếch tá 3.7.1 Đặc điểm kết cấu 3.7.2 Một số mỏ đốt kỹ thuật 38 Hệ thống cung cấp khí 3.8.1 Mạng khí 3.8.2 Đốt khí trong lò công nghiệp 3.8.3 Đốt cháy khí trong các lò hơi 3.9 Tính mỏ đốt khí không hỗn hợp trước CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT CHÁY ĐẦU

4.1 Các bước dẫn tới cháy mot gi 4.2 Biến bụi dâu

Trang 9

4.2.1 Thiết bị biến bụi khơng xốy 4.2.2 Thiết bị biến bui x 4.3 Các quá trình chá) 4.3.1 Cháy các giọt riêng biệt

4.3.2 Cháy trong đám sương

4.3.3 Diễn biến của quá trình hỗn hợp và phản ứng 4-4 Ngọn lửa dầu 4.5 Mỏ đốt dầu 4.5.1 Tổng quan về các hệ mô đốt 4.5.2 Mỏ đốt hoá hơi 4.5.4 Mỏ đốt hoá khí 4.6 Thiết bị cấp dâu 4.6.1 Bơm đầu

4.6.2 Hệ thống đường ống dẫn dầu cho các thiết bị đốt biến bại 160

CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT CHÁY THAN 5.1 Chuẩn bị than 5.2 Các tính chất vật lý của than bụi 5.2.1 Độ mịn và đặc tính hạt 5.2.2 Khối lượng riêng của than bụ 5.2.3 Bể mặt của than bụi

5.2.4 Độ ẩm của than bụi 5.2.5 Tính nổ của bụi

5.2.6 Tính vận chuyển của than bụi 5.3 Những đặc điểm của sự cháy than

Trang 10

5.3.2 Sấy và vai trò của hơi nước

5.3.3 Cháy đồng thể và cháy không đồng thể

5.3.4 Vai trò của tro 5.4 Cháy than bụi

5.4.1 Các quá trình riêng biệt của sự cháy than

5.4.2 Sự chuyển động của các hạt trong dòng không khí 5.4.3 Sự bắt lửa và cháy ban dat 5.4.4, Diễn biến cháy của hạt than 5.5 Buồng đốt than 5.3.1 Buồng đốt lớp chị 5.5.2 Buồng đốt tầng sôi 5.5.3 Buồng đốt than bụi 5.6 Tinh mỏ đốt than bul CHƯƠNG 6 SỰ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT ĐỘC HẠI VÀ KHẢ NANG HAN CHE CHUNG TRONG QUA TRINH CHA’ 6.1 Oxit nito NO, 6.1.1 Cơ chế hình thành NO nhiệt 6.1.2 Cơ chế hình thành NO tức thời 6.1.3 Cơ chế hình thành NO nhiên liệt 6.1.4 Các khả năng hạn chế sự hình thành NO 6.2 Ôxit lưu huỳnh SO,

6.2.1 Sự hình thành ôxit lưu huỳnh 6.2.2 Các biện pháp khử lưu huỳnh 6.3 Monoxit cacbon CO

6.4, Formaldehyd HCHO 6.5 Muội

Trang 12

Chuong 1

ĐẠI CUONG VE BUONG LUA

1.1 Cháy - hình thức biến đổi năng lượng đầu tiên và quan trọng nhất

Sự phát triển công nghiệp mạnh mẽ trong hai thế kỷ qua có được là nhờ nguồn năng lượng dồi dào Sự phát triển này được đánh dấu bằng sự ra đời của máy hơi nước - lần đầu tiên con người biết sản xuất ra cơ năng từ than đá thông qua chất tải năng lượng trung gian là hơi nước Ngày nay, khi trình độ văn minh của loài người đã đạt đến đỉnh rất cao, nhu cầu về năng lượng vẫn không ngừng tăng lên, tăng gần gấp đôi so với mức tăng dân số Nếu như hàng năm dân số thế giới tăng bình quân 2% thì nhu cẩu năng lượng tăng 3,8% [18] Năm 1982 toàn thế giới tiêu thụ 8410 triệu tấn nhiên liệu tiêu chuẩn NLTC (l tấn NLTC = 7.10° kcal = 2,931.10'°J), trong đó than chiếm 32%, dầu mỏ 42,2%, khí đốt 21,9%, năng lượng nguyên từ 1,5%, thủy điện và các dạng năng lượng khác 2,4%

Các nguồn năng lượng tái sinh như: năng lượng mặt trời, dia nhiệt, năng lượng gió, thủy triểu tuy có trữ lượng rất lớn nhưng trong tương lai gần vẫn chưa thể chiếm vị trí đáng kể trong cân bằng năng lượng của nhân loại Mặt khác, hình thức biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng như các loại pin nhiên liệu cũng chưa có ý nghĩa công nghiệp, do đó có thể nói rằng, chẳng những hiện nay mà cả trong tương lai không gần khoảng 90 nguồn cung cấp năng lượng của thế giới đều dựa trên quá trình cháy Cháy, vì thế, là hình thức, là quá trình biến đổi năng lượng đầu tiên biến hóa năng - nguồn năng lượng sơ cấp

có ý nghĩa nhất hiện nay - thành nhiệt năng

Nhiệt năng được sử dụng dưới hai hình thức sau:

~ Trực tiếp trong các quá trình công nghệ và dân dụng như trong

các lò công nghiệp, các thiết bị sấy, sưởi, chưng cất, cô đặc và trong

hàng loạt các thiết bị nhiệt khác Các thiết bị này có mặt hầu như trong tất cả các lĩnh vực công nghiệp ngày nay

- Trong dạng năng lượng trung gian trong chuỗi biến hóa năng lượng: hóa - nhiệt - cơ - điện năng như trong các động cơ đốt trong,

Trang 13

động cơ phản lực, tên lửa, trong các tuabin khí, trong các nhà máy nhiệt điện

Dù ở đâu hay sử dụng với mục đích gì thì mọi quá trình biến đổi và sử dụng năng lượng bao giờ cũng kèm theo tổn thất Người ta dự

tính rằng hiệu suất sử dụng năng lượng trung bình hiện nay của thế

giới chỉ khoảng 20% [I8] Tức là nếu lấy tiêu hao năng lượng năm 1982 làm chuẩn thì hàng năm thế giới lãng phí một lượng khổng lồ là 6728 triệu tấn NLTC

Những điều trình bày sơ lược trên đây cho thấy ý nghĩa đặc biệt quan trọng của việc nghiên cứu quá trình cháy và kỹ thuật buồng lửa,

ngay cả chỉ trên một khía cạnh biến đổi năng lượng

1.2 Buồng lửa - thiết bị trao đổi nhiệt với nguồn nÌ bên trong

Buổng lửa, theo định nghĩa sơ lược, là không gian bị giới hạn

trong đó xảy ra quá trình cháy, tức là về bản chất là một thiết bị biến đổi năng lượng Trong thực tế đa dạng của công nghiệp, nhằm mục

đích nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt, tăng độ gọn của thiết bị, giảm chỉ phí vật tư hoặc do yêu cầu đặc thù của các quá trình công nghệ,

buồng lửa được thiết kế, chế tạo để có thể, tùy từng trường hợp, đảm nhận thêm một hoặc các chức năng sau đây:

- Chức năng của thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nhiệt năng vừa được giải phóng từ các phản ứng cháy được truyền trực tiếp cho vật cân gia nhiệt (trong các lò công nghiệp), cho nước, hơi nước (trong các lò hơi), cho chất mang nhiệt trung gian (không khí, nước ) hay cho môi trường xung quanh (khi dùng lò sưởi đốt trực tiếp);

~ Chức năng của một thiết bị công nghệ như thiết bị sinh hoi, nấu chảy, lò phản ứng, thiết bị gia nhiệt

Phần lớn các buồng lửa đều là thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN), nhưng chúng khác với các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường ở chỗ lượng nhiệt truyền không phải do chất lỏng nóng mang vào mà được giải phóng ngay trong thiết bị nhờ các phản ứng ôxy hóa nhiên liệu Tức là chất lỏng nóng chứa nguồn nhiệt bên trong Phân bố nhiệt độ trong TBTĐN cùng chiều có và không có nguồn nhiệt trong được trình bày trên hình 1.1

Trang 14

Hình 1.1 Phân bố nhiệt độ trong TBTĐN cùng chiều có và không có nguồn nhiệt trong

L - chiều đầi ngọn lửa

x - quãng đường chuyển động của các dòng chất mang nhiệt

Trong TBTĐN không có nguồn nhiệt trong nhiệt độ của chất lỏng nóng chỉ phụ thuộc vào quá trình truyền nhiệt với chất lỏng lạnh và giảm dần theo chiều chuyển động Ngược lại, trong các buồng lửa - TBTDN, nhiét độ đồng thời bị chỉ phối bởi quá trình giải phóng năng lượng qua phản ứng cháy và quá trình truyền nhiệt, do đó nhiệt độ của chất lỏng nóng có thể tăng hoặc giảm tùy theo tương quan giữa hai quá trình này: nhiệt độ tăng khi lượng nhiệt được giải phóng lớn hơn lượng nhiệt truyền cho chất lỏng lạnh và ngược lại Nhìn chung sự phát nhiệt trong ngọn lửa ở phản đầu lớn hơn phản cuối, trong khi sự cấp nhiệt từ ngọn lửa đạt cực đại vào khoảng giữa, do đó nhiệt độ cia sin pl cháy lúc đầu tăng lên, đạt cực đại, sau đó giảm xuống Thông thường

nhiệt độ cực đại đạt được ở vị trí, mà tại đó lượng nhiệt phát bằng

lượng nhiệt cấp $

Có nhiều cách điều chỉnh phân bố nhiệt độ nhưng quan trọng nhất là cách điều khiển thông qua việc thay đổi vận tốc phát nhiệt - đặc trưng bằng sự phân bố hệ số cháy kiệt œ (đường cong cháy) - tức là điều khiển quá trình cháy Đây là vấn để có ý nghĩa cốt lõi trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo và vận hành các buồng lửa - TTĐN, vì ý nghĩa kinh tế kỹ thuật trong trường hợp này được quyết định không phải chỉ ở lượng nhiệt được sinh ra Điều này liên quan đến hàng loạt vấn để như:

Trang 15

~ Tính chất nhiệt vật lý của tường bao;

- Cách bố trí vật nung, chất

tải nhiệt:

~ Loại và số lượng ngọn lửa;

~ Hình dạng ngọn lửa, phân bố hệ số cháy kiệt và độ đen dọc theo chiêu đài ngọn lửa;

- Cấu trúc của vòi phun;

~ Vấn để tận dụng nhiệt thải và nung nóng sơ bộ không khí dùng để đốt cháy nhiên liệu

Bài toán thiết kế và điều khiển tối ưu chỉ có thể từng bước được giải quyết trên cơ sở xem xét và tính đến một cách toàn diện những vấn để trên đây,

Để thấy rõ hơn điều này, hãy xem xét hai phương trình cơ bản của TBTĐN là phương trình cân bằng và phương trình truyền nhiệt: Qn = Qc - Qw- Qe a-D Qy=k.F.At (1-2) Qu = kw Fw At (1-3) trong đó:

Qu - nhiệt hữu ích (cung cấp cho vật cần gia nhiệt) Qy - ahiét tổn thất qua tường bao

Qc- nhiệt cung cấp theo chất lỏng nóng

Q, - nhiệt vật lý của sản phẩm cháy (SPC)

ky, k - hệ số truyền nhiệt giữa SPC, ngọn lửa và tường buồng đốt hoặc vật nung

E, F, - điện tích truyền nhiệt (bể mặt nung, tường lò)

At - độ chênh lệch nhiệt độ giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt,

Khó khăn lớn nhất trong việc tính toán theo các phương trình trên đây là do trường nhiệt độ trong buồng lửa là trường ba chiêu nên các đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ (hệ số cháy kiệt, hệ số truyền nhiệt, độ đen ) cũng là những vectơ ba chiều Các đại lượng này liên

Trang 16

quan chat chẽ với các đặc trưng buồng lửa đã kể ở trên và xác định chính xác chúng là điều hết sức khó khăn cả vẻ lý thuyết lẫn thực nghiệm

1.3 Các quá trình trong buồng lửa

Để hiểu rõ hơn diễn trình của các quá trình cháy, chúng ta khảo

sắt các quá trình riêng lẻ, có vai trò quan trong trong diễn trình đó, Vì các q trình này khơng hồn toàn như nhau ở các loại nhiên liệu khác nhau, do đó dưới đây chi dé cập tới những quá trình cơ bản nhất, xảy ra khi đốt cháy mọi loại nhiên liệu trong buồng lửa Các quá trình có tính đặc thù khi cháy nhiên liệu lỏng, rắn sẽ được trình bày chỉ tiết ở các chương 4 và 5

1 Quá trình hôn hợp nhiên liệu và chất óxy hóa 9, (hình!.2)

Chất ôxy hóa phổ biến nhất là không khí nên để trình bày ngắn gon, ti đây sẽ sử dụng thuật ngữ này theo nghĩa tổng quát là chất ôxy hóa Quá trình cháy hoàn toàn và có hiệu quả nhất chỉ có thể xảy ra

khi nhiên liệu và không khí được hỗn hợp đồng đều ở mức phân tử

Tic IA tai mọi phan tố thể tích, có kích thước cỡ chiều dài chuyển động, tự do của phân tử, tỉ lệ của hỗn hợp nhiên liệu/không khí phải như nhau và bằng tỉ lệ định hạn (stochiometrish) Trong phẩn lớn các buồng lửa công nghiệp, thời gian để thực hiện quá trình này đài hơn so với những quá trình khác như quá trình bắt lửa, quá trình phản ứng và nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10 giây

2 Quá trình đốt nóng nhiên liệu và không khí tới nhiệt độ bắt lửa

Năng lượng hoạt hóa cần thiết để có thể xảy ra phản ứng cháy được đặc trưng bởi nhiệt độ bất lửa Nhiên liệu, không khí hoặc hỗn hợp của chúng phải được nung nóng đến nhiệt độ này thì phản ứng mới xảy ra được Ở quá trình khởi động, năng lượng bắt lửa phải được cấp từ bên ngoài, như bằng tỉa lửa điện, bằng ngọn lửa phụ, bằng cách

thành phần phản ứng mới được đưa vào buồng lửa được lấy từ vùng phản ứng hoặc từ vách buồng lửa đã bị đốt nóng thông qua các cơ chế truyền nhiệt quen thuộc: dẫn nhiệt, đối lưu, khuếch tán phân tử và bức xạ Khi đốt những nhiên liệu chất lượng kém (nhiệt trị thấp), cơ chế

Trang 17

này không có hiệu lực, do đó phải thường xuyên có ngọn lửa phục vụ

cho việc bắt lửa, như khi đốt

phế thải công nghiệp

“Trong các hệ thống công nghiệp, để tận dụng nhiệt thừa của khói

thái, người ta sử dụng các loại thiết bị hồi nhiệt để nung nóng sơ bộ

không khí hoặc nhiên liệu trước khi đưa vào buồng đốt Như vậy mặc

dù mục đích tự thân của biện pháp này là tiết kiệm năng lượng nhưng qua đó đồng thời cũng hỗ trợ quá trình bắt lửa

3 Các phản ứng cháy và phát nhỉ

Các phản ứng cháy là hạt nhân, là trọng tâm của các quá trình trong buồng lửa Phản ứng cháy liên quan mật thiết tới sự phát sáng và khái niệm về ngọn lửa

Ngọn lửa được định nghĩa là dòng vật chất bao gồm: nhiên liệu, không khí và sản phẩm cháy, trong đó xảy ra các phản ứng ôxy hoá và phát sáng (cháy) Trong thực tế rất khó định vị ngọn lửa một cách chính xác, vì cả các phản ứng cháy và hiện tượng phát sáng đều rất không tập trung

4 Quá trình cấp nhiệt Ð

Đây là quá trình truyền nhiệt tới vật gia nhiệt, tường bao và môi trường Quá trình này ảnh hưởng rất lớn tới chế độ thủy động và trường nhiệt độ trong

buồng lửa Như đã trình bày ở phần trên, ở một số hệ thống quá trình này được tách khỏi buồng lửa như trong trường hợp ác buồng đối Mục đích của việc tách TrướcBL Buổnglửa (BL) SauBL biệt này là để tránh tác động có hại của — Hình 1.2 Các phương án tổ hợp các quá trình cơ monage

các phản ứng cháy bản trong buồng lửa

tới vật cẩn gia nhiệt —_ Phươngán,vídụb: Quá tình, ví dụ Đ; Cũng có thể

hoặc để tạo ra một 1y ra một phần (®)

dong sản phẩm cháy có nhiệt độ rất cao lưu thông trong không gian g y ig 8 gi

Trang 18

buồng lửa _

'Tác dụng tương hỗ của các quá trình riêng lẻ trên đây là hết sức đa dạng; cách thức tổ hợp của chúng xác định đặc tính của hệ thống kỹ thuật Về cơ bản có 6 phương án tổ hợp va do đó có 6 loại buồng lửa với sự sắp xếp các quá trình được thể hiện trên hình 1.2 Căn cứ vào vị trí của quá trình hỗn hợp nhiên liệu và chất ôxy hố ®, các loại buồng lira duge phan thành hai nhóm sau day:

* Buông lửa không hỗn hợp trước

Quá trình hỗn hợp nhiên liệu và không khí xảy ra trong buồng lửa Vì sự hỗn hợp được thực hiện nhờ quá trình khuếch tán (ting hoặc rối) trong buồng lửa, nên trong trường hợp này ngọn lửa được gọi là ngọn lửa không hỗn hợp trước (ngọn lửa khuếch tán)

Nhóm này bao gồm hai loại buồng lửa với các cách tổ hợp sau đây:

+ Bung lửa không hồi nhiệt

a Cả bốn quá trình đều được tiến hành trong không gian buồng lửa Đây là kiểu đặc trưng của các loại lò hơi và lò nhỏ

b Ba quá trình đầu xảy ra trong buồng lửa, còn quá trình cấp nhiệt được chuyển ra ngoài Các loại buồng đốt, các cyclon của lò hơi là những ví dụ ứng dụng của nguyên lý này

+ Budng lita hồi nhiệt

Không khí và nhiên liệu có thể được đốt nóng sơ bộ ở các mức độ khác nhau trước khi đưa vào buồng đốt, tùy thuộc vào mức độ này mà có thể có hay không có quá trình nung nóng đến nhiệt độ bắt lửa trong buồng lửa

c Ba quá trình còn lại đều xảy ra trong buồng lửa Các loại lò

công nghiệp và lò hơi hoạt động theo nguyên lý này,

Trang 19

Quá trình hỗn hợp được thực hiện ngoài buồng lửa Ngọn lửa trong trường hợp này được gọi là ngọn lửa hỗn hợp trước Về nguyên tắc cũng có thể đốt nóng hỗn hợp nhiên liệu - không khí đến gần nhiệt độ

bắt lửa trước khi đưa vào buồng đốt, nhưng theo quan điểm an tồn,

người ta thường khơng thực hiện giải pháp này Tùy theo cách tổ hợp quá trình cấp nhiệt có thể thực hiện hai phương án:

e, Quá trình cấp nhiệt xảy ra trong buồng lửa Các buồng lửa sử dụng mỏ đốt Bunsen và mỏ đốt khí nhỏ hoạt động theo nguyên lý này

£ Quá trình cấp nhiệt xảy ra ngoài buồng lửa Các 1d tunnel hoat động theo nguyên lý nay

Cách phân loại trên đây cũng được sử dụng cho các loại buồng lửa trong các thiết bị năng lượng Trong các động cơ đốt trong cấp

nhiệt đẳng áp (động cơ xăng) người ta sử dụng ngọn lửa hỗn hợp trước,

còn ngọn lửa trong động cơ diesel là ngọn lửa không hỗn hợp trước “Tuabin khí hoạt động với cả hai loại ngọn lửa trên

Ngoài hai phương pháp tổ hợp quá trình hỗn hợp và quá trình cháy, như đã trình bày trên đây, trong thực tế còn có phương pháp trung gian, Hỗn hợp theo đó quá a) Không hỗn hợp trước ÿ L trình hỗn a phẩn được ‘icp 9 At ——yx thực hiện Ở - b) Hỗn hợp i1 ngoài, một trước một phần phần ở trong

buồng lửa đi ọ —:

Điển biến Cyn gp ie

quá trình trước hoàn toàn

hỗn hợp và chấy trong

buồng theo So - si

các phương — MừHh Lả Diễn biết gui rình hổn hợp và chấy theo chiếu

pháp này chuyển động của dòng

x =0: bắt đầu buồng lửa, L: chiều dai ngọn lửa

được trình

bày trên hình 1.3 Dễ dàng thấy rằng theo chiều tiến triển của quá trình

Trang 20

hỗn hợp chiều dài ngọn lửa bị rút ngắn dần lại

Đặc tính của ngọn lửa phụ thuộc rất lớn vào trạng thái dòng Tương ứng với chế độ thủy động, ngọn lửa trong các lò công nghiệp, các lò hơi, trong các động cơ đốt trong, tên lửa, tuabin khí là ngọn lửa

rối

Chỉ trong các thiết bị nhỏ, sử dụng trong việc nội trợ hoặc trong ngành thủ công mới có các chế độ nhảy tảng do đó mới có ngọn lửa tầng

Trong các buồng lửa kỹ thuật, vì có thể bỏ qua các tổn thất áp suất do ma sát, do uốn dòng và do các trở lực khác nên các quá trình cháy có thể coi là đẳng áp, thường là ở áp suất khí quyền Ở đây không để cập tới hiện tượng nổ, nó xuất hiện khi quá trình cháy tạo ra một sự tăng áp suất rất lớn Nổ xuất hiện khi một lượng nhiên liệu lớn cháy trong một không gian nhỏ, khép kín hoặc khi nhiên liệu cháy nhanh đến mức khối khí bao quanh không giãn nở kịp (vì quán tính) nên làm tăng áp suất đột ngột Các buồng lửa phải được thiết kế và vận hành sao cho có sự lưu thông tốt giữa sản phẩm cháy với môi trường nhằm ngăn ngừa hiện tượng nổ

1.4 Cân bằng nhiệt và hiệu suất buông lửa

1.4.1 Phương trình cân bằng

Sơ đồ Sankey biểu điễn cân bằng nhiệt cho buồng lửa có và không có hồi nhiệt được trình bày trên hình 1.4

Trang 21

Trong d6:

U - lượng nhiên liệu chưa cháy hết trong 1 kg tro, (kg/kg)

c - nhiệt dung riêng khối lượng, kJ/kg.°C

m - dong vat chat, kg, (kí hiệu chỉ số: X ~ xỉ, B - nhiên liệu, K - không khí

+~ nhiệt độ, "C

M - vật liệu cần gia nhiệt, *

mx - hàm lượng tro trong 1 kg nhiên liệu

"Nang sông trước không khí (hái niet

Hình 1.4 Cân bằng nhiệt của buông lửa C - cấp, chỉ các lượng nhiệt cấp cho buồng lửa

N - hữu ích, dùng để gia nhiệt cho vật cần đốt nóng `W - vách, lượng nhiệt tổn thất qua tường buồng lửa HH - hồi nhiệt, lượng nhiệt thụ được từ thiết bị hồi nhiệt Wh - vách của thiết bị hồi nhiệt .A - khói, sản phẩm cháy ke - không cháy hết 1p - tổng, toàn phần

1.4.2 Hiệu suất nhiệt và hiệu suất exergy

1 Hiệu suất nhiệt

Để đánh giá hiệu suất sử dụng nhiệt trong buồng lửa, người ta thường sử dụng hai khái niệm là hiệu suất toàn phần và hiệu suất

Trang 22

buồng lửa

a Hiệu suất toàn phân

Hiệu suất toàn phần đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng nhiệt hữu ích và được định nghĩa qua:

= Qw

Qa

b Hiệu suất buồng lửa

Ny (1-9)

Là tỉ số giữa toàn bộ lượng nhiệt được truyền trong buồng lửa, không phân biệt là cho vật nung hay cho tường bao và lượng nhiệt cấp cho buồng lửa, tính theo phương trình (1-4)

_ Q,+0y Qe

Đối với buồng lửa đốt nhiên liệu rắn, vì có thêm tổn thất nhiệt do

nhiên liệu cháy không hết và tổn thất theo tro, xỉ khi thải chúng ra khỏi buồng lửa, nên hiệu suất buồng lửa được tính theo:

Qa + Qx + Que

Q

Trang 23

~ Exergy vat lí (exergy nhiệt và cơ của dòng vật chất)

e= cø(T - T) - Tụ [cø In(T,/T) — Ry In(py/p)} (1-13)

- Exergy hóa học của sản phẩm cháy (có thành phần thể tích r, và

phân áp suất tương ứng p,) đối với môi trường có nhiệt độ Tụ và phân áp suất của các khí thành phần pụ,:

eg = T,Ẻ Rự, In(p/pọ,) q-1)

- Exergy hóa học của nhiên liệu: có thể tính chính xác theo phương pháp của Sargut , nhưng quá phức tạp, do đó thường được tính gần đúng [2l]:

eạ~ 108 H, đối với than đá es~(1,15 +12) H, - đối với than nâu

eg= 1,06 H, đối với than cốc

eạ~H, nhiên liệu lỏng ep = (0,95 + 0,98) Hy nhien liệu khí

Nếu như hiệu suất nhiệt của quá trình cháy đoạn nhiệt bằng 100% tức là không có tổn thất năng lượng thì tổn thất exergy của quá trình biến đổi hóa năng thành nhiệt năng là rất lớn, khoảng 30 đến

55% [21]

Trang 24

Chuong 2

NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH

CHÁY NHIÊN LIỆU

2.1 Các đặc trưng cơ bản của nhiên liệu

2.1.1 Thành phần của nhiên liệu

Nhiên liệu kỹ thuật bao gồm hai thành phần: thành phần chấy được và thành phần không cháy được

“Thành phân cháy được của hầu như tất cả các loại nhiên liệu cơ bản bao gồm: ~ Cacbon (C) - Hydro (H,) - Lưu huỳnh (S) Thành phân không cháy được gồm: - Tro - Nước - Nito - Oxy

Tuy nhiên hàm lượng các thành phần kể trên rất khác nhau; than

nâu chứa trên 60% tro và ẩm, trong dầu đốt thành phần tro và ẩm rất

nhỏ, trong khi nhiên liệu khí không chứa tro mà tùy từng trường hợp có thể chứa ít bụi

Thành phần của nhiên liệu rắn và lỏng được xác định qua việc phân tích cơ bản và được biểu diễn dưới dạng thành phần khối lượng của các nguyên tố có mặt trong nhiên liệu Nếu sử dụng các chữ cái thường để chỉ thành phần khối lượng của các nguyên tố tương ứng, cụ thể thành phân cacbon là c, hydro là h, thành phần tro là a, ẩm là w thì:

c+h+s+o+n+a+w=l @-)

Trang 25

Thành phần khí đốt được xác định qua việc phân tích thành phần thể tích của từng khí thành phẩn chứa trong nó (diều này rất khó thực hiện ở các loại nhiên liệu khác vì ngay trong một mẫu dầu đốt của Mỹ người ta đã từng tìm thấy 5000 hợp chất khác nhau [52] Để tránh nhầm lẫn với thành phần thể tích của sản phẩm cháy, khi biểu diễn thành phần của nhiên liệu khí sẽ không dùng ký hiệu thông dụng r, thí dụ reo, mà thay bằng [CO] Tức là đối với khí đốt, một cách tổng quát, có thể viết:

[CO] + [H;] + [C„H,] + [CO;] + [N;] + [O,] = 1 (2-2)

Cân chú ý rằng hàm lượng hơi nước trong khí đốt không được đưa ra dưới dạng thành phẩn thể tích mà được biểu thị qua độ ẩm

tương đối như đối với không khí ẩm, @ = p/p, „

2.1.2 Nhiệt trị của nhiên liệu

“Tính chất quan trọng nhất của mỗi loại nhiên liệu là năng suất tỏa nhiệt, tức là lượng nhiệt được giải phóng từ hóa năng khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu Người ta phân biệt hai loại năng suất tỏa nhiệt và gọi là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp của nhiên liệu

1 Nhiệt trị cao H, [kJIk hay kJim`]

Nhiệt trị cao là lượng nhiệt được giải phóng khi đốt cháy hoàn

toàn một đơn vị nhiên liệu (1 kg hay ! m`) trong điều kiện đẳng áp và làm nguội sản phẩm cháy tới nhiệt độ gốc Nhiệt độ gốc, hay còn gọi là nhiệt độ cân bằng, là nhiệt độ quy ước có giá

(thông thường là 25°C), tùy thuộc vào tiêu chuẩn xác định nhiệt trị Khi xác định nhiệt trị cao, người ta thường tính tới

toàn bộ lượng nước có nguồn gốc từ nhiên liệu có trong sản phẩm cháy, vì ở nhiệt độ gốc, phần lớn lượng nước này đã ngưng tụ Đáng tiếc là trong các buồng lửa kỹ thuật thông thường, lượng nhiệt này không sử dụng được vì làm nguội sản phẩm cháy xuống dưới nhiệt độ đọng sương là điều tối ki (xem 2.7.5) Như vậy, phải bổ sung thêm một khái niệm về nhiệt trị để thích hợp với việc tính toán thực tế

2 Nhiệt trị thấp H, [kIIkg hay kJim"}

Nhiệt trị thấp chỉ khác nhiệt trị cao ở chỗ là khi xác định nó, người ta không tính đến nhiệt ngưng tụ của hơi nước trong sản phẩm

Trang 26

cháy, tức là mặc dù đư

làm nguội tới nhiệt độ gốc nhưng vẫn giả thiết là trong sản phẩm cháy không xảy ra quá trình ngưng tụ hơi

nước

Nếu gọi lượng nước được hình thành khi cháy một đơn vị

nhiên liệu là mụ/„ và nhiệt ẩm hóa hơi của nước là r, (ở 25,

r= 2442,5 kl/kg), thì quan hệ giữa H, và H, có dạng:

H,=H,+r mụ¿› (2-3)

3 Xác định nhiệt trị của nhiên liệu

Nhiệt trị cao H, được xác định bằng bom calorimet Một lượng nhiên liệu xác định hay một dòng nhiên liệu có lưu lượng ổn định được

đốt cháy hoàn toàn bằng O; (cũng có thể bằng không khí ẩm bão hòa)

trong bình hai vỏ chứa áo nước thì sản phẩm cháy được làm nguội tới nhiệt độ gốc Bằng cách xác định lượng nước làm mát và độ chênh nhiệt độ của nước khi vào và ra khỏi áo nước, người ta dễ dàng xác định được nhiệt trị cao H, Nhiệt trị thấp H, được tính theo (2-3) khi do

lượng nước ngưng tụ từ sản phẩm cháy

Do nhiệt trị cao không có ý nghĩa kỹ thuật nên để đơn giản, dưới đây sẽ dùng thuật ngữ nhiệt trị theo nghĩa là nhiệt trị thấp

Trang 27

2.2 Nhiên liệu khí

2.2.1 Phân loại

Nhiên liệu khí là hỗn hợp của các khí cháy và không cháy, dược phân loại theo những cách khác nhau: theo một tính chất nhất định

(chẳng hạn theo nhiệt trị), theo nguồn gốc, theo mục đích sử dụng

* Theo nhiệt trị, nhiên liệu khí được phân thành bốn nhóm: Khí nhiệt trị thấp (H, < 9 MJ/m) Khí nhiệt trị trung bình (H, = + 15 MJ/m’) Khí nhiệt trị cao (H, = 15 + 23 Mi/m’) Khí nguyên chất (H, > 23 MJ/m))

Trong ngôn ngữ thương mại thế giới, người ta thường sử dụng các loại ký hiệu sau đây:

SNG- Substitute (hay Synthetic) Natural Gas - tức là khí tổng hợp có tính chất của khí thiên nhiên

LNG -_ Liquified Natural Gas - khí thiên nhiên dạng lỏng

LPG- Liquified Petrolium Gas - khí lỏng như propan hay butan

a Khí lò cao, H, = 3,5 MJ/m`, hình thành trong quá trình sản xuất gang trong lò cao Trung bình cứ sản xuất một tấn gang, người ta thu được khoảng 2500 m` khí ở nhiệt độ 250°C

b Khí lò sinh khí, H, = 5,0 M1/m`, thu được khi khí hóa than đá hoặc than nâu trong lò khí hóa ghỉ quay Mỗi tấn than đá được khí hóa cho 3300 + 4300 m’ khi loại này Vì khi khí hóa, người ta chỉ cấp một lượng không khí nhỏ qua ghỉ quay nên chủ yếu chỉ xuất hiện CO; hàm lượng CO, trong loại khí này thấp

c Khí nước, H, = 11 MJ/m` Nếu trong quá trình khí hóa lần lượt phun hơi nước và không khí theo chu kỳ vào lớp cốc bị nung đỏ sẽ xuất hiện không chỉ CO mà cả H,, khi đó được loại khí có tên là khí nước

Trang 28

d Khí lò cốc, H, ~ 17 MI/m`, sản phẩm phụ của quá trình sản xuất cốc; từ một tấn than được cốc hóa thường thu được 300 đến 350 m` khí này

e, Khí ngưỡng, H, ~ 29 MJ/m’ (tir than 44), H, = 13,5 Mi/m! (tir than nâu), hình thành khi khí hóa một phần (khí hóa có ngưỡng, có mức độ) than đá hoặc than nâu & 400°C Tir mot tan than sinh ra 130

m’ khi nay

£ Khi sng hay còn gọi là khí đô thị, H, = 19,5 MJ/m’, 1 mot hồn hợp của khí lò cốc và khí ngưỡng

ø Khí thiên nhiên, H, > 35 + 45 MI/m', là hỗn hợp của các khí hydrocacbon ở điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường; thành phần chủ yếu là methan, nhưng cũng có loại khí thiên nhiên có hàm lượng ethan tương đối cao

h Khí lọc dầu, H, = 40 + 100 Mi/m), sản phẩm phụ của quá trình loc dau (ví dụ, khí lỏng propan và butan)

Bảng 2.1 giới thiệu thành phẩn một số loại khí đốt quan trọng nhất Bảng 2.1 Thành phân [% thể tích] một số loại khí đốt Loạkhí | CO | H, |CH, | CH,|C,H,| CÓ, | Na | Or | He Khí lò cao 2202| - | - |286|492| - - | 35 Khí lò sinh khi | 29,1 | 1,0 | 0,12 - |102|596| - | 48 Khí nước 704 | 64 | 06 12 |139|76 | - |110 Khí lò cốc 13,8 | 10,4 | 35,7 64 | 88 | 23,7) 11 | 17,0 |Khí ngưỡng, 62 [da |456| - |38|209| 56 | - | 290 Khi sáng 148] 85 |265| - |199| 63 |218| 17 | 195 'Khí thiên nhiên | - - Jøz2|6ø0| - |053|117| - |365 2.2.2 Các tính chất

Các tính chất của một số khí quan trọng nhất được thể hiện ở bing 2.2, của một số khí tỉnh khiết - ở bằng 2.3

Trang 30

Nhiệt trị của khí lò cao phụ thuộc vào thành phần của liệu Khi chất lượng của liệu tăng thì nhiệt trị giảm xuống còn khoảng 2500 kJ/m` Do vậy khí lò cao không được dùng để nung không khí cho lò cao hay nung lò cốc mà thường được dùng như một nhiên liệu bổ sung cho lò hơi hoặc lò công nghiệp

Khí lò sinh khí dùng để đốt lò công nghiệp ở những nơi không có khí thiên nhiên và khí hóa lỏng

Trang 31

2.3 NI iên liệu lỏng 2.3.1 Thành phần và tính chất đạc trưng 1 Các loại đầu đốt

Chất đốt kỹ thuật dạng lỏng hiện tại, đồng nghĩa với dầu đốt (dưới day sẽ gọi ngắn gọn là đầu) Vẻ cơ bản người ta phân biệt ba loại đầu sau đây:

~ Dâu khoáng chất (từ nguyên liệu dầu mỏ); ~ Dâu tổng hợp (từ than đá hoặc than nâu); - Dâu đá (từ các vỉa đá dâu)

Dâu tổng hợp, còn gọi là đầu hắc ín, là sản phẩm của quá trình chế biến than Khác với đầu khoáng, loại dầu này không có khả năng bôi trơn và có khối lượng riêng trên 1000 kg/m", thường là 1050 kgim’,

Dầu đá được khai thác từ các vỉa đá chứa dâu; do trữ lượng của loại này rất bé nên người ta ít đẻ cập đến nó

Tùy thuộc vào nguồn gốc, dầu khoáng có thành phần hóa học khác nhau, chúng có khối lượng riêng trong khoảng 840 + 1000 kg/m' Theo khối lượng riêng và độ nhớt, dầu khoáng được chia thành 5 loại:

~ Dầu EL (đặc biệt nhẹ), còn gọi dầu DO; - Dầu L (nhẹ); ~ Dầu M (nhẹ trung bình); ~ Dầu S (nặng) hay còn gọi là dầu FO; - Đầu ES (đặc biệt nặng)

Tính chất của hai loại dầu khoáng quan trọng nhất được đưa ra trong bảng 2.4 Các giá trị trình bày trong bảng là yêu cầu tối thiểu, các loại dầu này trong thực tế thường có tính chất tốt hơn yêu cầu này

Trang 32

Bảng 2.4 Tinh chất của hai loại đầu quan trọng nhất

Tinh chất Dâu EL Dâu S Khối lượng riêng 6 15°C [kg/m'] 860 ~940 Điểm lửa ['C] 5 65 DO nhét dong hoc, max {mm"/s] | 620°C 6 3 850°C z 450 ở 100C : 40 Ham lượng lưu huỳnh, max [%] 08 28 Hàm lượng nước, max [%] 01 05 Chất không hòa tan, max [%} 005 05 | Nhiệt tị thấp H, [MJ/kg] > 41,868 > 39,175 Độ tro, max [%] 001 0/15 2 Tính chất đặc trưng a Nhiệt trị

Nhiệt trị thấp của các loại dâu dao động trong khoảng từ 39,7 đến 42,7 MI/kg Nhiệt trị của một loại dầu sai khác nhau không đáng kể: nhiệt trị thấp của dầu nặng từ 39,77 đến 41.45 M/kg (trung bình là 40,5 MI/kg), của dâu đặc biệt nhẹ từ 41,87 đến 42/70 MJ/kg (trung bình 42,25 MI/kg)

b Điểm lửa

Điểm lửa là nhiệt độ, mà tại đó một chất lỏng (cháy được) do bay hơi tạo ra một hỗn hợp có khả năng bắt lửa khi có mổi lửa từ bên ngồi mà khơng làm chất lỏng cháy cùng và khi cách li khỏi mồi lửa thì không thể cháy tiếp tục Điểm lửa và nhiệt độ bắt lửa là hai khái niệm khác nhau, ví dụ: xăng có nhiệt độ sôi 60 + 140°, điểm lửa -16 = +10°C trong khi nhiệt độ bát lửa 350 + 460°C

Điểm lửa là một thông số đặc trưng cho sự an toàn vẻ cháy của các loại nhiên liệu lỏng và được sử dụng để phân loại đầu đốt trong

Trang 33

phòng hỏa Theo sự phân loại này ở bảng A có ba nhóm: -Al: điểm lửa duéi 21°C;

-All: diém lita 21 + 55°C;

~AHII: điểm lửa 55 + 100°C

Các loại dầu đều được xếp vào nhóm AIII, mặc dù dầu nặng sau khi được đốt nóng sơ bộ thường có điểm lửa trên 100°C

e Độ nhớt

Độ nhớt là một tính chất quan trọng để đánh giá khả năng bơm và biến bụi của đâu, do đó khi vận hành buồng đốt nhiên liệu lỏng pI thường xuyên kiểm tra và theo dõi thông số này Khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt dầu giảm xuống (xem bảng 2.5), do đó dầu nặng thường được hâm nóng lên 50°C, khi đó độ nhớt có giá trị 450 mm”/s Nếu độ nhớt lớn hơn 450 mmỶ/s thì trở lực trong đường ống sẽ quá lớn, do đó công suất bom dâu cũng sẽ rất lớn Theo Kraussold [30], quan hệ giữa độ

nhớt động lực và nhiệt độ của dầu có thể biểu diễn dưới dạng: Ig (Qu) = [2,35 - 1,035 Ig(Đ] Ig(Hạ) (2-6) trong đó: tụ, và nạo là độ nhớt động lực ở t và 20°C Bảng 2.5 Sự phụ thuộc của độ nhớt động học v [mmls] vào nhiệt độ Nhiệt độ Dầu nặng S Dầu đặc biệt nhẹ EL 20°C 5000 6 50°C 450 2,8 100°C 40 5 120°C 21,5 =

'Yêêu cầu về độ nhớt khi biến bụi dầu phụ thuộc vào loại mỏ đốt và phương pháp biến bụi, nhưng thường dao động trong khoảng từ 6 đến 75 mm/s

3 Một số thành phân đặc trưng a Hàm lượng lu huỳnh

Lưu huỳnh có trong mọi loại dầu nhưng không có tác hại đối với bể chứa và ống dẫn, ngoại trừ ống bằng đồng; khi đó ở một số điều

Trang 34

kiện nhất định có thể tạo thành các hợp chất đồng hòa tan trong dâu, các hợp chất này để làm tắc bộ phận lọc dầu

Khi cháy, lưu huỳnh liên kết với Oxy tao thành SO,, nhưng một phân nhỏ SO, lại bi Oxy héa trong buồng lửa để tạo thành SO, SO, là nguyên nhân gây ra hiện tượng đọng sương axit và ăn mòn nhiệt độ thấp, còn SO, khi thải ra môi trường gây ra ô nhiễm Do đó theo quy định vẻ bảo vệ môi trường, hàm lượng SO, trong khói thải không được vượt qua giới hạn cho phép

b Hàm lượng tro

Dầu chứa một lượng tro rất nhỏ dưới dạng liên kết hóa học nên không thể lọc tách được Thành phần chủ yếu của tro là vanadi và natri; khi cháy tạo thành vanadipentoxit (V,O,) có nhiệt độ nóng chảy khoảng 675'C Khi có mặt Na;SO, nhiệt độ nóng chảy của V,O, giảm xuống 570'C V;O, nóng chảy bám vào các bể mặt truyền nhiệt gây ra hiện tượng ăn mòn nhiệt độ cao

c Hàm lượng nước

Hàm lượng nước trong dầu rất bé và không có tác hại đối với đặc tính cháy của dâu Nước có khối lượng riêng lớn hơn dầu, thường tích lại ở đáy các bể chứa nên có thể dễ dàng hút ra khỏi bể, Nước tạo với các chất ngoại lai thành bùn có thể gây tắc phin lọc và ống phun

Ngoài ra ở nhiệt độ sôi, nước có thể gây ra hiện tượng sủi bọt trong bể

chứa

4 Trâm tích

Trảm tích là những chất rắn không hòa tan, có thể gây tắc bộ phận lọc và các vòi phun

2.3.2 Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt 1 Nhiệt dung riêng và nhiệt ẩn hóa hơi

+ Nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến £C, c„ [KJ/kg.K], của các loại dầu có thể tính theo [3]:

- Khi p > 900 kg/m’:

cụ = 3,8553 - 2,3442.10"p + 0,0023t (2-7a)

Trang 35

- Khi p < 900 kg/m’: cụ = 2,8967 - 1,2893.10"p + 0,0023t (2-7b) + Nhiệt ẩn hóa hơi, r [kJ/kg, của dầu ở nhiệt độ t: r= (251453 - 376,74t)/p (2-8)

2 Hệ số dân nhiệt  và hệ số giãn nở vì nhiệt B

~ Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt 2 [W/mK] va nhiệt độ t °C] duge biểu diễn qua biểu thức sau [6]: _ 117,208 Pp a (1 - 0,000541) (2-9) - Hệ số giãn nở vì nhiệt trung bình của dầu B.=0,00072K" 2.4 Nhiên liệu rắn 2.4.1 Thành phần và phân loại

Trang 36

“Thành phần cốc trong nhiên liệu chính bằng tổng của hàm lượng cacbon cố định và tro Cacbon cố định và chất bốc là những thành phân cháy được, nước và tro là thành phần không cháy được Bằng phương pháp phân tích nhanh, người ta dễ dàng xác định được các thành phần nói trên

a Hàm lượng nước được xác định bằng cách sấy nhiên liệu ở 106°C

b Ham lugng tro chính là phân còn lại khi đốt mẫu than trong lò điện ở nhiệt độ 825 + 25°C Tro của than chủ yếu bao gồm các thành phần khoáng chất của thực vật mà từ đó than được hình thành Ngoài ra tro cũng chứa một lượng chất ngoại lai không cháy được và một phần lưu huỳnh của nhiên liệu dưới dạng các hợp chất SO, Tro của than đá chứa 25 + 35% Al,O, và 35 + 40% SiO,, trong khi tro than nâu chủ yếu chứa CaO, MgO Tính chất có ý nghĩa kỹ thuật quan trọng nhất của tro là nhiệt độ biến mềm Tro lỏng (xÌ) ngăn cản sự tiếp xúc của không khí với nhiên liệu, gây ra hiện tượng cháy khơng hồn tồn dẫn đến giảm công suất nhiệt của buồng lửa

e Chất bốc là các hợp chất hydrocacbon, tách ra khỏi nhiên liệu dưới dạng khí và hơi, được xác định bằng cách nung than đã sấy khô trong môi trường không có không khí ở nhiệt d6 900°C Phan mat di Ia chất bốc, phần còn lại là cốc Chất bốc có ý nghĩa quan trọng đối với diễn trình cháy than, vì khi thoát ra khỏi nhiên liệu, chất bốc sẽ bốc cháy trước phân rán còn lại Cùng với tuổi địa chất (trẻ: than bùn, than nâu; già: than đá ), chất bốc là một căn cứ quan trọng để phân biệt chất lượng của các loại nhiên liệu rắn Theo hàm lượng chất bốc giảm dân, than được chia thành các loại: than bùn, than nâu, than khí, than mỡ, than gầy, anthrazit Bảng 2.7 là thành phần và nhiệt trị của một số loại than

Để phục vụ cho việc đánh giá khả năng sử dụng của nhiên liệu rắn, người ta còn tiến hành phân loại than theo cỡ hạt

Trang 37

Bảng 2.7 Thành phần và nhiệt trị của loại than Nhiên liệu H,[Rg] | w[%] | bi%] | af%] | LC| Gỗ 19000 20 65 2 - Than bin | 17000-23000] 15 <60 5 - ‘Than nau 8000 59 21 3-5 | 1400 Các 30000 3-6 | <io | <10 Than đá ~ Anthrazit 33 000% <4 <9 | 3-7 | 1160 - Than mỡ 32 000 <4 |18-26 | 3-7 | 1200 ~ Than khí 32 000! <4 | 26-32] 3-7 | 1250

TP Khô trong không Khí '? tính đối với trạng thái khô b; hàm lượng chất bốc

t¿ nhiệt độ nóng chảy của xỉ

2.4.2 Tính chất nhiệt vật lý

1 Nhigt dung riéng, c [kJ/kg K]

Nhiệt dung riêng của than phụ thuộc vào thành phần, do đó không có công thức chung cho tất cả các loại than

- Đối với than đá có hàm lượng chất bốc từ 9 đến 50%, nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 24 đến PC được tính theo [55]:

Cy = 0,833 (1 +0,8b) [1 + 15.10%- 8.10] (2-10a) Trong đó:

b - hàm lượng chất bốc +— nhiệt độ giá trị tới 250*C Nhiệt dung riêng thực có thể tính theo:

= 0,85(1 + 0,8b) [1 + 31,1.10%+ 6.10% - 33,10%] (2-10b) - Đối với than cốc trong khoảng nhiệt độ từ 24 đến 250°C:

Cy = 0,728 + 1.256.103 @-11a)

Trang 38

),676 [1 + 433,10°t - 316.10%] (2-11b)

Cố gắng xây dựng các công thức tính toán tương tự cho than nâu đã không thành công, vì từ 23 loại than nâu có nguồn gốc rất khác nhau người ta đã không nhận thấy bất kỳ một quy luật nào [55]

2 Hệ số dén nhiét, A[WimK]

Khả năng dẫn nhiệt của than và cốc tăng theo hàm lượng chất bốc và khối lượng riêng Hệ số dẫn nhiệt thực (đo theo từng cục) của một số loại than được đưa ra trong bảng 2.8, cùng với giá trị nhiệt dung riêng trung binh tir 20 + 100°C

Bảng 2.8 Tính chất nhiệt lý của một số nhiên liệu rắn Nhiên liệu b | p[kgim' os A[W/mKỊ | e [kl/kgK] {Than nau | 0521 | 960 3 0329 2/587 | Thanmỡ | 025 | 1270 0 0210 1214 Anthrazit | 0082 | 1370 0 0,238 1,088 Coc ld cao | 0006 | 925 51 0970 0.862 Than gỗ 009 270 al 0.152 0,963 Khi cần tính hệ số dẫn nhiệt ở các nhiệt độ khác, có thể sử dụng quan hệ: À=^u[I + at] (2-12) Trong đó:

su - hệ số dẫn nhiệt ở 30°C, tra theo bang 2.8 a = 0,002 cho than va a = 0,0029 cho cốc

Hệ số dẫn nhiệt biểu kiến (tức là hệ số dẫn nhiệt của đống - tập hợp các hạt than) phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt, khối lượng riêng, độ ẩm và độ nén của đống Kết quả đo đạc một số mẫu than nâu vùng trung nước Đức có đường kính hạt từ 1 + 2 mm được trình bày trong bảng 2.9 [55]

Trang 39

Bảng 2.9 Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào độ ẩm, khối lượng riêng Độ ẩm [%] p [kg/m?] ty PC) 2 (WimK] 06 565 173 0,074 154 560 15.2 | 0,091 37,0 585 130 0.135 520 670 116 0,213 2.5 Phan ting chay 2.5.1, Cháy đồng thể

Cháy đồng thể là phản ứng của các khí cháy như H;, CO, CH,, C,H, với ôxy và khí CO với hơi nước Phương trình phản ứng

2H, +O; — 2H,O

biểu thị cân bằng vật chất giữa các chất ban đầu và các chất cuối cùng chứ không khẳng định rằng sự va chạm giữa hai phân tử hydro và một phân tử ôxy tạo nên hai phân tử nước Diễn biến thực tế của phản ứng phức tạp hơn nhiều, bao gồm rất nhiều bước riêng rẽ và được miêu tả bởi lí thuyết phản ứng dây chuyền Dạng của phản ứng phụ thuộc vào số hạt tích cực có trước và sau phản ứng Hạt được coi là tích cực nếu giàu năng lượng, trong điều kiện bình thường không bền và trong các trường phản ứng chỉ tồn tại thời gian ngắn (vì dễ dàng tham gia phản

ứng) Các nguyên tử tự do của các nguyến tố hoặc liên kết nhiều

nguyên tử khác nhau đều có thể đóng vai trò hạt tích cực

Trong các phản ứng cháy có nguyên tử H, O và các liên kết OH, C;, CH và CH, là những hạt tích cực nhất Người ta phân biệt các bước phản ứng sau đây: - Phản ứng xuất phát - Phản ứng dây chuyển - Phản ứng phân nhánh ~ Phản ứng kết thúc (tái hợp)

Phan ứng xuất phát là bước khởi đầu cần thiết Trong bước này có một hoặc nhiều hạt tích cực được sinh ra từ một hạt ồn định Quá

® 38

Trang 40

trình ngược lại được gọi là phản ứng kết thúc hay là tái hop vi hai hạt tách rời kết hợp với nhau tạo nên một hạt ổn định Phản ứng xuất phát cấn năng lượng hoạ hoá, đối với quá trình cháy năng lượng hoạt hoá là sự châm mồi Trong các phản ứng kết thúc năng lượng giải phóng ri ân được các hạt có khối lượng đủ lớn tiếp nhận mà vẫn giữ nguyên cấu trúc (không bị phân rä)