Thiết bị nhiệt - Chương 3 ppsx

Theo trạng vật lý nhiên liệu được chia làm 3 loại rắn, lỏng và khí ở bảng 3-1 Bảng 3-1 Phân loại nhiên liệu công nghiệp Thiên nhiên Khí thiên nhiên hay khí đốt Khí than Khí lò cốc Khí lò

Chương 3

nhiên liệu – quá trình cháy nhiên liệu

Trong chương này chỉ khảo sát loại nhiên liệu hữu cơ thông dụng nhất

3.1 Đặc tính chung của nhiên liệu

3.1.1 Phân loại nhiên liệu

Theo trạng vật lý nhiên liệu được chia làm 3 loại rắn, lỏng và khí ở bảng 3-1

Bảng 3-1 Phân loại nhiên liệu công nghiệp

Thiên nhiên

Khí thiên nhiên (hay khí

đốt)

Khí than Khí lò cốc Khí lò cao Khí nhà máy lọc dầu

Yêu cầu chung của các loại nhiên liệu:

- Dễ cháy, tỏa lượng nhiệt lớn tính theo một đơn vị thể tích hay trọng lượng

- Khi cháy nhiên liệu không được tách ra khí độc hại đến sức khỏe của con

người cũng như ăn mòn những vật liệu xây lò

- Dễ khai thác và rẻ tiền Dễ bảo quản lâu dài trong kho và không có sự thay đổi tính chất của chúng Bảo đảm các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật

Kết quả phân tích thành phần nhiên liệu đều cho dưới dạng khô, vì độ ẩm của chúng thay đổi theo thời tiết Trong kỹ thuật lại cần đến thành phần làm việc, cho nên khi tính toán cần chuyển về thành phần làm việc

Tính chuyển thành phần nhiên liệu

Ví dụ khi biết thành phần cháy của nhiên liệu cần chuyển sang thành phần làm việc dùng hệ số chuyển đổi K

K =

100

)(

Bảng 3.3 tính hệ số chuyển đổi K Thành phần nhiên liệu cần chuyển sang Thành

W A

S +

A

ư 100

W A

S + +

100

lv lv

3.1.3 Tính chất của nhiên liệu

3.1.3.1 Nhiệt sinh của nhiên liệu

Nhiệt sinh là lượng nhiệt tỏa ra khi cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu (1kg nhiên liệu rắn hay lỏng hoặc 1m3 nhiên liệu khí)

Lượng nhiệt tỏa ra khi cháy nhiên liệu là kết quả của các phản ứng cháy tỏa nhiệt của các nguyên tố riêng biệt trong nhiên liệu Nhưng đồng thời cũng có những quá trình thu nhiệt cùng tiến hành song song như sấy khô, phân hủy các chất phức tạp thành các các thành phần đơn giản Cho nên nhiệt sinh chính là tổng các hiệu ứng nhiệt tính theo một đơn vị khối lượng hay thể tích của nhiên liệu Có hai loại nhiệt sinh: nhiệt sinh cao

và nhiệt sinh thấp Nhiệt sinh cao không tính đến nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ẩm của nhiên liệu và hơi nước tạo ra khi cháy hydro, kí hiệu QC

Căn cứ vào hiệu ứng nhiệt của từng nguyên tố khi đốt cháy D.I Mendeleev xác

định công thức để tính toán nhiệt sinh của:

Nhiên liệu lỏng hay rắn

Qt= 81C1 + 300H1 - 26(01-S1) - 6(w1 + 9Hl) , kcal/kg

Qt=339C1 + 1256H1 - 108,8(01-S1) - 25,1(w1 + 9Hl) , kj/kg

C1,H1,O1,S1 ứng với thành phần làm việc của các nguyên tố

Quan hệ giữa nhiệt sinh thấp và nhiệt sinh cao:

Trong các công thức, thành phần của khí đều tính theo % thể tích và nhiệt sinh đều tính

theo kj hay kcal trên mét khối khí tiêu chuẩn

Chú ý: Trong thực tế sản xuất có thể sử dụng công thức đơn giản sau

Nhiệt sinh của nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu và giao động

trong một khoảng lớn Lượng nhiệt tỏa ra nhiều nhất là hydro sau đó là carbon Cho nên nhiên liệu nào giàu 2 thành phần này thì nhiệt sinh càng cao

Tuổi càng lớn thì hàm lượng carbon càng lớn và hàm lượng ôxy càng nhỏ

Trong kỹ thuật, cần phải so sánh tiêu tốn nhiệt riêng cho một đơn vị (thể tích hay khối lượng) sản phẩm khi nung, sấy, nên có khái niệm đơn vị nhiên liệu tiêu chuẩn Đó là nhiên liệu (tưởng tượng) có nhiệt sinh bằng 29.300Kj/kg (7000 Kcal/kg) Để chuyển nhiên liệu bấy kỳ nào sang nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng hệ số:

300 29

3.1.3.2 Vai trò lưu huỳnh trong nhiên liệu

Lưu huỳnh trong nhiên liệu cho thường có ba dạng:

- Hợp nhất hữu cơ

- Hợp chất Sulfua sắt FeS2

- Sulfat CaSO4, FeSO4

Nhiên liệu có trên 5 - 7% lưu huỳnh, giá trị sử dụng của nó trong công nghiệp rất kém Than nâu có chứa lưu huỳnh dễ bị tả vụn trong không khí, vì FeS2 bị ôxy hóa thành

Fe2(SO4)3 làm cho than bị vụn Dầu mỏ chứa lưu huỳnh ở dạng nguyên tố, merkaptan, disulfua, Sulfua những chất này ăn mòn kim loại được

3.1.3.3 Tro, xỉ

Tro xỉ là tạp chất của nhiên liệu và là chất rắn không cháy được khi đốt nhiên liệu Hàm lượng tro phụ thuộc vào loại nhiên liệu, vị trí khai thác và dao động từ 0% ở nhiên liệu khí, vài phần nghìn ở nhiên liệu lỏng, 1-2% ở củi đến 50 - 60% ở đá dầu

Cần phân biệt:

Tro liên kết:Tro phân bố đồng đều trong nhiên liệu không loại trừ được khi làm giầu Tro tự do: là tạp chất lẫn cơ học với nhiên liệu, chúng dễ dàng loại trừ khi làm giàu Tro xỉ là thành phần có hại vì:

- Hạ thấp nhiệt sinh của nhiên liệu

- Tiêu tốn nhiệt để nóng cháy tro xỉ và phân hủy các hợp chất của tro xỉ

Ví dụ CaCO3 → CaO + CO2 - q

CaSO4 2H2O→ CaSO4 + 2H2O - q

- Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra khỏi lò

- Gây trở ngại việc cấp không khí vào để cháy nhiên liệu vì tro xỉ làm tắt nghẽn buồng đốt Nếu xỉ dễ cháy chúng dễ tạo tảng xỉ trong lò làm sự phân bố không khí trong

Theo thành phần hóa học của xỉ ta chia ra:

MgO CaO

O Al

>

+ +

MgO CaO

O Al

+ +

Độ chịu lửa của tro xỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học, xỉ kiểm thường có độ chịu lửa cao hơn xỉ axít Theo độ chịu lửa ta có 4 nhóm xỉ : xỉ dễ chảy độ chịu lửa gần

1160oC, chảy trung bình 1160 - 1350oC, khó chảy 1350 - 1500oC Độ nóng chảy của tro

xỉ cần phải tham khảo khi tính toán cấu tạo lò đốt và lựa chọn nhiên liệu phù hợp với vật liệu cần nung

Bảng 3-4 Hàm lượng tro của nhiên liệu

Khi thiên nhiên

5,0 - 10,0 7,0 - 15,0 4,0 - 15,0 1,0 - 8,0 0,4 - 1,0

0,5 - 1,5 0,0 - 3,0 25,0 - 50,0 20,0 - 60,0 2,5 - 22,0 3,0 - 10,0

3.1.3.4 Độ ẩm của nhiên liệu

Độ ẩm của nhiên liệu cũng hạ thấp nhiệt sinh của chúng vì nó làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu Ngoài ra khi cháy phải tiêu tốn nhiệt độ bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khói lò Vì vậy đốt cháy nhiên liệu ẩm rất khó khăn và nhiều lúc phải sấy nhiên liệu đến độ ẩm yêu cầu trước khi đốt

Hơi ẩm trong nhiên liệu nằm trong trạng thái tự do, nó dễ loại trừ khi sấy tự nhiên (2-3 ngày) và ở trạng thái độ ẩm hút hơi ẩm ấy chỉ loại trừ khi sấy nhân tạo ở 105oC Lượng hơi ẩm tự do phụ thuộc vào loại nhiên liệu, thời gian khai thác, kích thước nhiên liệu Lượng hơi ẩm hút phụ thuộc vào tính chất hút của nhiên liệu và điều kiện khí quyển Trong nhiên liệu còn có hơi ẩm nằm ở dạng liên kết hóa học với tro xỉ, nhưng trong kỹ thuật người ta không tính đến và không đưa vào thành phần làm việc của nhiên liệu

Trong nhiên liệu lỏng, nước nằm ở dạng nhũ tương khó tách riêng

3.1.3.5 Chất bốc của nhiên liệu

Nếu đốt nóng nhiên liệu rắn đến 850oC không có không khí thì chất bốc sẽ tách ra Vậy chất bốc là hỗn hợp khí khi phân hủy nhiên liệu và hơi của các chất ngưng tụ Trong thành phần của nó có CO, CO2, H2S, H2, N2, CnHm, hơi nước, nhựa than

Lượng chất bốc nhiều hay ít phụ thuộc vào dạng và thành phần nhiên liệu

Hàm lượng chất bốc là một đặc tính quan trọng, nó quyết định khả năng bắt lửa và những tính chất khác của nhiên liệu Vì vậy căn cứ vào hàm lượng chất bốc để chọn phương pháp đốt cũng như cấu tạo của thiết bị đốt nhiên liệu Lượng chất bốc càng nhiều, nhiệt độ bắt cháy nhiên liệu càng thấp, ngọn lửa cháy càng dài

Phần còn lại của nhiên liệu sau khi đã loại trừ chất bốc gọi là Koks Tùy thuộc loại than mà Koks có thể không kết lại với nhau thành khối Than mà có Koks kết khối tốt gọi

là than luyện Koks, còn Koks kết khối đó gọi là than Koks Than Koks được sản xuất từ

lò luyện Koks và dùng trong công nghiệp luyện thép

Than càng nhiều Koks tức càng ít chất bốc thì càng khó cháy và cháy ngọn lửa ngắn hoặc không có ngọn lửa Than antraxít là than già nhất, chứa ít chất bốc và nhiều Koks Vì vậy nhiệt sinh của nó cao, nhưng khó cháy và cháy với ngọn lửa vô cùng ngắn

Thành phần chất bốc và Koks có thể xem trong sơ đồ hình 3-1

Tùy theo loại than và thời gian dự trữ mà quyết định kích thước của đống than và

có những biện pháp phòng hỏa cẩn thận

- Nhiệt độ bùng cháy: của nhiên liệu lỏng là nhiệt độ khi có áp suất hơi của nhiên

liệu lỏng tạo với không khí thành hỗn hợp dễ bùng cháy nếu đưa gần ngọn lửa Đây là một đặc tính quan trọng của nhiên liệu lỏng và có ý nghĩa thực tế khi lưu kho Để tránh hỏa hoạn trong kho nhiên liệu lỏng cần tuân thủ những nguyên tắc một cách chặt chẽ

- Nhiệt độ bắt cháy: của nhiên liệu lỏng là nhiệt độ khi đó nhiên liệu lỏng được

đốt nóng trong điều kiện chuẩn sẽ bị cháy nếu đưa ngọn lửa đến gần và cháy trong thời gian hơn 5 giây

3 2 Các loại nhiên liệu

3.2.1 Nhiên liệu rắn

3.2.1.1 Củi gỗ

Đến nay việc dùng củi gỗ đốt trong các thiết bị nhiệt hạn chế, vì đó là nguyên liệu giá trị đối với công nghiệp tơ sợi, giấy thực phẩm, xây dựng Thành phần cháy của củi trung bình như sau : C0 = 51%; Hc =6%; Ne= 0,6%; Oc = 42,3% Nhiệt sinh của củi gỗ khoảng 11.300 - 13.300 kj/kg khi độ ẩm 25-35%

Ưu điểm chủ yếu của gỗ:

chất bốc

chất rắn không cháy

chất rắn (Koks) chất rắn cháy được chất bốc cháy được

hơi nước

Thành phần hữu cơ

Thành phần cháy Thành phần khô

Thành phần làm việc

A S C

H O+N

W

nước

- Hàm lượng tro rất ít 1,5 - 2%, khó nóng chảy (>1200oC) và khó tạo xỉ

- Hàm lượng bốc rất cao và đạt tới 85% tính theo thành phần hữu cơ

Nhiệt sinh than bùn khô khoảng (10400 - 13.700)kj/kg

Khi lưu kho thành đống, than bùn dễ tự Oxy hóa và dẫn tới hiện tượng tự cháy Cho nên phải đề phòng hỏa hoạn và những nguyên tắc an toàn phòng hỏa

Than bùn có thể sử dụng trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, than bùn dùng trong lò nung gạch ngói, than cục có thể dùng trong các buồng đốt hoàn toàn hoặc không hoàn toàn Cũng có thể dùng than bùn để khí hóa than

35- 40 17-28 5-15 Than nâu có màu nâu, không óng ánh như than đá, có dạng như đất Trong dung dịch kiềm yếu và sôi nó hòa tan chút ít và dung dịch có màu Đó là 2 điểm khác than đá Than nâu có những đặc tính sau:

- Hàm lượng tạp chất cao như: tro xỉ, lượng ẩm, đôi khi có cả lưu huỳnh

- Hàm lượng chất bốc cao và đạt đến 60% vì thế nó là loại than dài lửa

- Có huynh hướng tự bốc cháy khi để lâu trong kho

- Bị vỡ vụn khi để lâu trong không khí nên càng để lâu chất lượng càng giảm Nhiệt sinh của dao động nhiều Q1t = (7350 ữ 12.800) Kj/kg tùy theo độ ẩm

Than nâu dùng để đốt trong lò vòng, lò quay (dạng bụi) hoặc khí hóa để dùng trong công nghiệp silicát

3.2.1.4 Than đá

Khác với than nâu, than đá có cấu trúc đặc hơn, độ hút ẩm nhỏ hơn, màu đen hơn, và có

ánh kim gần như antraxit Hàm lượng chất bốc của than đá giao động trong khoảng lớn từ 9% than gầy đến 50% ở than dài lửa Thành phần nguyên tố và nhiệt sinh cũng bị thay

đổi tương ứng Hàm lượng oxy giảm theo tuổi của than, ngược lại hàm lượng cacbon và nhiệt sinh lại tăng lên

Bảng 3.7 Phân loại than đá

phồng

đặc

đến 600oC và khi cháy hầu như không có ngọn lửa Khi lưu kho lâu hay vận chuyển xa antraxit không bị biến chất, cho nên có thể lưu kho vô thời hạn Antraxit thường được phân loại theo kích thước

Bảng 3.8 Phân loại than antraxit theo kích thước

Than tảng Cục to Cục trung Cục nhỏ Don Cám

Đá dầu là loại đá được ngấm bởi sản phẩm phân hủy các chất hữu cơ đơn giản Chúng là loại nhiên liệu nhiều tro xỉ hàm lượng này đạt từ 40% đến 60%, nhưng độ ẩm không lớn lắm chỉ khoảng 4- 5%

Thành phần cháy của đá dầu trung bình như:

3.2.2 Nhiên liệu lỏng

Nhiên liệu lỏng thiên nhiên là dầu mỏ Đó là chất lỏng màu nâu thẩm gần đen, cấu tạo từ hỗn hợp cacbua hyđroho parafin (CnH2n+2) anken(CnH2n) và cácbua thơm với tỷ lệ khác nhau Thành phần dầu mỏ thô không thể biểu thị bằng một công thức hóa học nào Thành phần hóa học của dầu mỏ nói chung là ổn định đối với đa số mỏ dầu và thường nằm trong khoảng sau: (85-89%)C, (11- 15%) H2, (0,1 - 0,8%) O2 + N2, (0,05 - 3,27)S

Độ tro của chúng rất nhỏ (0,3%) độ ẩm không đáng kể

Nhiên liệu lỏng nhân tạo là sản phẩm chưng cất dầu mỏ: xăng, dầu hỏa cuối cùng là mazut Tất cả các nhiên liệu lỏng chế biến từ dầu mỏ đều phân ra loại nặng và loại nhẹ Dầu mazút sử dùng tương đối nhiều trong sản xuất vật liệu

Tấc cả các dạng nhiên liệu lỏng đều có nhiệt sinh gần như nhau và 40.000 - 44.000 kj/kg

Mác của dầu mazut Tính chất

10 20 40 80 100 Nhiệt trị (kj)

Hàm lượng lưu huỳnh không quá%

Nhiệt độ nên dùng vòi phun

Cực tiểu oC

Cực đại oC

41240 3,6 +5

80

0,964 0,905

100

0,996 0,938

4

85

100

38685 16,5 +2,5

140

1,058 1,018

4

3.2.3 Nhiên liệu khí thiên nhiên và nhân tạo

Nhiên liệu khí giá trị nhất là khí thiên nhiên Các túi khí này thường nằm gần mỏ dầu Nhiệt sinh của chúng tương đối cao do thành phần chính của khí thiên nhiên là CH4(trên 90%) So với các loại nhiên liệu khí khác, khí thiên nhiên có ưu việt lớn là nhiệt sinh cao, sạch, vận chuyển trong đường ống rất dễ dàng

Khí than được sản xuất từ nhiên liệu rắn trong lò khí hóa

Khí lò cao là sản phẩm thừa từ lò cao trong công nghiệp luyện gang thép Nhiệt sinh của nó không cao - gần 4200kj/m3 Khí lò cao đôi khi sử dụng lẫn với khí lò koks để

đảm bảo nhiệt độ trong lò

Khí lò koks cũng là sản phẩm dư thừa của lò koks Nó chứa tới 55% H2 và 25%

CH4, vì vậy nhiệt sinh của nó khá lớn 14.650 - 18.840 Kj/m3

Khí nhà máy lọc dầu nhận được khi gia công dầu mỏ bằng Crăcking Bên cạnh sản phẩm chính ở dạng lỏng ta còn có một lượng lớn khí, khí này có nhiệt sinh tới 46.000 - 50.000 Kj/m3 ưu điểm của nhiên liệu khí:

- Không chứa tro xỉ, nên không làm bẩn vật liệu nung khi nung trực tiếp Trường hợp khí than, khí lò cốc có chứa tạp chất ở dạng rắn, chúng có thể loại trừ được qua các thiết bị lọc

- Dễ cháy, khi cháy ngọn lửa có nhiệt độ cao vì dễ hỗn hợp với không khí và cháy với lượng không khí nhỏ nhất

- Dễ vận chuyển theo đường ống và có thể chuyển đi rất xa được

Bảng thành phần và tính chất các nhiên liệu khí

Nhiệt sinh kj/m3

28,0

57,0 13,5

2,7

23,0 0,5

-

2,0 5,5

10,5

7,5 52,6

58,5

1,0 0,2

-

16748

5150

3980

3.2.4 Lựa chọn nhiên liệu

Nhiên liệu dùng trong lò công nghiệp được lựa chọn dựa trên cơ sở:

- Yêu cầu vật liệu nung

- Kết cấu lò

- Điều kiện điều chỉnh môi trường …

Về giá thành của một số khí tính theo 1 tấn nhiên liệu tiêu chuẩn khi coi khí thiên nhiên

Việc sử dụng nhiên liệu rắn tốt nhất thông qua lò khí hóa, vì nhiên liệu khí có nhiều ưu việt hơn Song cũng cần chú ý đến điều kiện cụ thể từng nơi, từng sản phẩm và tùy theo điều kiện kinh tế kỹ thuật mà dùng than hay khí than

Những lò hiện đại làm việc liên tục, tự động hóa, nên quá trình cháy của nhiên liệu cũng phải được điều khiển tự động Vì vậy ở những lò này tốt nhất là dùng nhiên liệu khí Cũng có thể sử dụng nhiên liệu lỏng ở những lò này nhưng do đặc điểm của mazút khó cháy ở vòi phun

Việc sử dụng thiên nhiên rắn trong lò công nghiệp để nung sản phẩm chịu lửa, gốm trên thế giới ngày càng thu hẹp và nhường chỗ cho nhiên liệu khí, lỏng Sử dụng nhiên liệu khí, lỏng dễ điều khiển môi trường, nhiệt độ ở những giai đoạn cần thiết trong

Lò đứng nung cement, vôi, đolomít, samốt ngoài nhiên liệu khí và lỏng có thể dùng than ít chất bốc, ít tro ví dụ than antraxít, than gầy, than kok có cường độ cơ học cao và độ bền nhiệt lớn

Lò nấu thủy tinh nên sử dụng nhiên liệu khí sạch hoặc mazút để tránh bụi xỉ làm bẩn thủy tinh, ở lò nồi cỡ nhỏ có thể dùng than dài lửa

3.3 Tính toán quá trình cháy nhiên liệu

3.3.1 Mục đích và quy định tính toán

Mục đích tính toán quá trình cháy nhiên liệu là xác định được:

- Lượng không khí (lý thuyết và thực tế) cần thiết để cháy nhiên liệu

- Lượng sản phẩm cháy, thành phần của nó và nhiệt độ cháy Nếu nhiệt độ cháy của nhiên liệu lựa chọn không đạt được nhiệt độ nung của lò, thì ta phải xác

định nhiệt độ cần thiết đốt nóng sơ bộ không khí (hoặc cả nhiên liệu) Trên cơ

sở đó mà quyết định hay lựa chọn thiết bị đốt nóng không khí hoặc nhiên liệu

Mỗi trường hợp tính toán cần phải liên hệ đến những điều kiện thực tế cháy nhiên liệu và những đặc điểm của thiết bị nhiệt Trên cơ sở thực tế đó chúng ta lấy hệ số không khí dư cho phù hợp để cháy nhiên liệu Nhiệt độ thực tế hay nhiệt độ tác dụng của khói lò

được xác định gần đúng Vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, và những yếu tố

3.3.2 Lượng không khí cần thiết để cháy nhiên liệu

Để tính lượng không khí cần thiết khi cháy nhiên liệu ta dựa vào các phương trình cân bằng vật chất của các phản ứng cháy Khi tính toán ta lấy thành phần thể tích của không khí là N2 - 79% và 21%

Không khí lý thuyết cần thiết ( α =1)

Với nhiên liệu khí như khí than, lò koks, khí lò cao:

) O S H 5 , 1 H C 3 CH 2 2

H CO ( 100

762 , 4

CO, H2, CH4, C2H4, SO2 – thành phần trong khí m3 tch/ m3 tch ,% thể tích Với nhiên liệu lỏng và rắn:

Lo = 0,0889 CL +0,265H - 0,0333(01 - S1) , m3ch/kg

C1, H1, O1, S1- Thành phần làm việc của nhiên liệu

Do phương pháp đốt nhiên liệu, cấu tạo ghi, lò nung, đặc điểm của nhiên liệu Hơn nữa trong quá trình cháy nhiên liệu, gió và nhiên liệu có xu hướng chuyển động tương

đối với nhau Sự chuyển động tương đối này dễ dàng có một lượng ôxy trong không khí

chưa kịp phản ứng với nhiên liệu đã bị loại ra ngoài Do đó lượng không khí thực tế

dùng thường cao hơn so với lý thuyết Lượng không khí thực tế:

Trong thực tế sản xuất rất khó đạt được điều kiện trên, cho nên nhiên liệu đều cháy với hệ số không khí dư Thông thường nhiên liệu khí, mazút và than bụi cháy hoàn toàn với hệ số không khí dư α = 1,05 ữ 1,25

Nhiên liệu khí dễ cháy do dễ trộn lẫn với không khí cho nên thường cháy với hệ số không khí dư nhỏ α = 1,00 ữ1,1

Nhiên liệu lỏng, nếu được khí hóa sơ bộ và trộn tốt với không khí hệ số đó có thể giảm xuống = 1,00 -1,05

Khí cháy antraxít hay than bùn trong buồng đốt cơ khí, vào than và ra xỉ liên tục

hệ số không khí dư α =1,3 ữ1,4 ở buồng đốt thủ công đối với antraxít α =1,4 than đá α

= 1,5 - 1,6, than nâu α =1,6 - 1.8

ở buồng đốt bán khí đơn giản, hệ số α giảm xuống 1,1 - 1,2

Nếu cháy nhiên liệu rắn trong lò đứng hệ số không khí dư ở zôn nung α = 1,2 - 1,3, trong

lò vòng α dao động nhiều từ 1,5 - 2,0 đến 4,0 - 5,0 hoặc hơn, vì không khí hút vào lò qua khe hở

Trong không khí có chứa một lượng hơi nước nhất định có thể biết qua hàm ẩm d (gam ẩm/kg kkkhô), nên thể tích không khí ẩm:

293 , 1

là hệ số qui đổi từ đơn vị trọng lượng không khí ẩm tính bằng gam/kgkkkhô ra đơn vị thể tích của khí ẩm chứa trong 1m3 tiêu chuẩn không khí khô

Chú ý: Phần ẩm sẽ làm tăng thể tích không khí lên khoảng1,5% khi tính nhiệt cho lò nung có thể bỏ qua phần ẩm này Nhưng khi tính đối với lò sấy hàm ẩm d của không khí không được bỏ qua

3.3.3 Lượng và thành phần sản phẩm cháy

Khi cháy nhiên liệu hoàn toàn thì những sản phẩm thu được đều ở dạng khí như

CO2, H2O, N2, O2 và SO2 nếu nhiên liệu có chứa lưu huỳnh Vì sản phẩm cháy hay khói

lò đều ở nhiệt độ 100o cho nên hơi ẩm đều nằm ở trạng thái hơi

Thể tích chung của khói lò khí cháy nhiên liệu với hệ số khong khí dư α, bằng tổng thể tích các thành phần

Vα = Vco2 + VH2O + VN2 + VO2 + VSO2

Với nhiên liệu khí như khí than, khí lò KOKs, khí lò cao

VO2 = 0,21 (α - 1) Lo m3 tch/m3 tch

Tổng hợp:

Vα = 0,01 (CO2 + CO + H2 + 3CH4 + 4C2H2 + 2H2S + H2O + N2)+ LO(α+0,0016 dLα - 0,21) , m3 tch/m3 tch

CO2 CO… phần trăm % thể tích nhiên liệu khí làm việc

Với nhiên liệu rắn và lỏng

Vk = BVα Nm3/h

B - lượng nhiên liệu tiêu tốn trong 1 giờ m3 tch/h hay kg/h

Nhiều trường hợp lượng khói lò tăng lên do không khí lọt vào lò qua khe hở Khi

đó lượng không khí d tăng lên tới α = 4,0 ữ 4,5 và lượng khói lò thực tế thải qua thiết bị hút gió (ống khói, quạt hút) là:

Vkt = B [Vα + (αc - 1) Lo] , m3 tch/h

αc - hệ số dư của lò từ lúc đốt đến chân ống khói hay quạt hút

ở một số lò, lượng khói lò còn phải kể đến lượng khí do phân hủy vật liệu nung như CO2

khi phân hủy đá vôi (CaCO3 ) và hơi nước khi loại trừ ẩm và phân hủy caolinit

3.3.4 Nhiệt độ cháy nhiên liệu

Cháy nhiên liệu trong lò có thể tiến hành bằng hai cách:

- Cháy hoàn toàn nhiên liệu ở buồng đốt rồi dẫn sản phẩm cháy vào lò

- Cháy nhiên liệu trực tiếp trong lò giữa vật liệu nung

- Đôi khi có thể kết hợp hai cách trên, nghĩa là quá trình cháy bắt đầu ở buồng đốt

và kết thúc tại lò nung

Chế độ nhiệt độ trong lò phụ thuộc vào điều kiện của quá trình cháy, cấu trúc của thiết bị đốt, cấu trúc của khoảng làm việc của lò Đồng thời chế độ nhiệt độ trong lò được duy trì bởi sự điều khiển quá trình cháy Nếu điều khiển quá trình cháy đúng quy trình kỹ thuật, ta có thể đạt được nhiệt độ cực đại có thể có Vì vậy với mỗi loại nhiên liệu lựa chọn và phương pháp đốt có thể đảm bảo chế độ trong lò được

Khi tính toán nhiệt độ cháy nhiên liệu, quan trọng hơn cả là phải xác định được nhiệt độ cháy thực tế trong điều kiện cụ thể của lò và phương pháp đốt Song có nhiều nhân tố khó xác định, nên chỉ có thể tính gần đúng mà thôi

Người ta phân biệt 3 nhiệt độ cháy nhiên liệu

- Nhiệt độ calo

Nhiệt độ calo là nhiệt độ đạt được trong điều kiện cháy hoàn toàn và tất cả nhiệt sinh của nhiên liệu, nhiệt lí học của nhiên liệu và không khí mang vào chỉ dùng để đốt nóng sản phẩm cháy

k

kk kk n n l t c

C V

L t C t C Q t

α

α +

Lα - lượng không khí thực tế để cháy 1 đơn vị nhiên liệu

Ck- tỷ nhiệt của sản phẩm cháy, Kj/m3.độ

Nếu tn = 0, tkk = 0 và α = 1, thì nhiệt độ calo chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học của nhiên liệu Nhiệt độ Calo cực đại có thể đạt được khí α = 1

độ phân ly khí CO2 và H2O phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và áp suất riêng phần của chúng cho trong biểu đồ hình 3-2 và 3-3

Như vậy, ở nhiệt độ cháy cao (hơn 1600oC), còn phải tiêu tốn một năng lượng Qph

để thực hiện phản ứng phân hủy CO2 và H2O Do đó nhiệt độ cháy lý thuyết có thể xác

định:

k

ph kk

kk n t n l t lt

C V

Q L t C C Q t

α

+ +

=

Vậy nhiệt độ lý thuyết là nhiệt độ khi cháy hoàn toàn nhiên liệu, đồng thời toàn bộ nhiệt sinh, nhiệt lý học của nhiên liệu và không khí sau khi tiêu tốn một ít để phân ly sản phẩm cháy chỉ dùng để đốt nóng sản phẩm cháy

ở nhiệt độ dưới (1500 – 1600)oC nhiệt độ lý thuyết sẽ không khác nhiệt độ Calo, vì ở nhiệt độ thấp sẽ không có sự phân ly CO2 và H2O Nhiệt độ Calo và nhiệt độ lý

Nguyên nhân chính gây nên tổng thất hay hiện t−ợng cháy không hoàn toàn hóa học là vì kết cấu thiết bị đốt không hoàn chỉnh, nhiệt độ quá thấp, cấp nhiệt quá nhiều từ ngọn lửa cho đến vật liệu, tốc độ chuyển động của khí quá lớn Trong điều kiện nh− vậy

các phản ứng cháy không kịp hoặc không đủ điều kiện thực hiện đến cùng Cho nên cháy

không hoàn toàn và phụ thuộc nhiều vào sự tổ chức quá trình cháy, chế độ nhiệt độ cháy

và chế độ thông gió trong lò

Việc tổ chức cháy nhiên liệu ở nhiệt độ thấp (999-1000)oC, mặc dù trộn không khí tốt, không khí d− đạt yêu cầu vẫn có độ cháy không hoàn toàn lớn hơn so với khí cháy ở nhiệt độ cao ở nhiệt độ cao tuy có sự phân ly sản phẩm cháy thành Hydro,CO nh−ng đến

đoạn nhiệt độ thấp (1500-1600)oC chúng lại cháy và tỏa nhiệt

Nếu cung cấp không khí đầy đủ, tổ chức cháy tốt thì sẽ hạ thấp mức độ cháy không hoàn toàn Nếu trong khí thải không đ−ợc phép có mặt oxy tự do thì tổn thất do cháy không hoàn toàn là không thể tránh đ−ợc

Độ cháy không hoàn toàn cơ học cũng giảm l−ợng nhiệt tỏa ra vì khi đó một phần cháy đ−ợc của nhiên liệu đọng lại trong tro xỉ và phải tiêu tốn một phần nhiệt để đốt nóng chung

Độ phân ly a

Độ phân ly a

Ngoài ra khi cháy, ngọn lửa sẽ cấp nhiệt cho vật liệu nung, tường lò và tổn thất

nhiệt ta môi trường xung quanh

Vì những nguyên nhân trên, nên nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu sẽ thấp hơn

nhiều so với nhiệt độ cháy lý thuyết Nhiệt độ này cũng luôn luôn cao hơn nhiệt độ vật

liệu nung và nhiệt độ mặt trong của tường lò

Khói lò trong lò nung có nhiệt độ không đồng đều theo thể tích, vì vậy khi tính

toán ta xác định nhiệt độ thực tế trung bình của khói lò ứng với zôn khảo sát theo công

thức sau:

k

tt fh f kk

kk n n t t

C V

Q Q Q L t C t C Q t

α

+ +

=

Qf - nhiệt tỏa phụ

Qtt - nhiệt tổn thất Các thông số Qf, Qfh, Qtt thực tế rất khó tính toán Vì vậy người ta có thể xác định

gần đúng qua thực nghiệm bằng thức sau:

tt = tc ηρbảng 3.11 ηρ : hệ số piromet phụ thuộc vào dạng nhiên liệu, kết cấu lò

3.5 Nhiệt độ cần đốt nóng sơ bộ không khí

Khi lựa chọn nhiên liệu cho lò, chúng ta phải kiểm tra hoặc tính nhiệt độ cháy

nhiên liệu Nếu nhiệt độ này phù hợp với yêu cầu thì không cần phải đốt nóng sơ bộ

không khí hoặc nhiên liệu hoặc cả hai Ngược lại, nếu nhiệt độ cháy thấp hơn so với yêu

cầu thì phải tìm cách tăng nhiệt độ cháy của nó bằng cách đốt nóng sơ bộ không khí hoặc

nhiên liệu hoặc cả hai

Dựa theo công thức: tK = tcalo.ηp và t k C k V k =Q t+C n t n+L kk t kk C kk

Hàm nhiệt của sản phẩm cháy ứng với 1 đơn vị nhiên liệu ở nhiệt độ calo

QK = VK CK tK Kj/1 đơn vị nhiên liệu

Vk - thể tích sản phẩm cháy m3/1 đơn vị nhiên liệu

C - tỷ nhiệt của sản phẩm cháy Kj/m3, độ

C C V

Q +

Cn- tỷ nhiệt của nhiên liệu , Kj/m3, độ

Nếu nhiên liệu của khí đã được đốt nóng sơ bộ hoặc ở lò khí hóa ra đã có nhiệt độ tn, thì tượng nhiệt do không khí mang vào phải có:

Q +

∆

α

oC

Nhiệt độ tính toán ở trên là nhiệt độ tối thiếu mà không khí hoặc nhiên liệu phải

đạt được Song trong thực tế nhiệt độ của không khí hay nhiên liệu khí được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn so với tính toán Việc đốt nóng sơ bộ không khí và nhiên liệu khí chẳng những đảm bảo yêu cầu cần kỹ thuật mà còn tiết kiệm được nhiên liệu

4 Thiết bị đốt nhiên liệu

4.1 Thiết bị đốt nhiên liệu rắn

Mặc dù nhiên liệu rắn có những đặc điểm nhất định so với nhiên liệu khí và lỏng khi dùng trong lò công nghiệp Song cho đến nay nó cũng được sử dụng, nhất là trong kỹ thuật gốm thô, cement ở các nước có nển kinh tế khá, nhiên liệu rắn đang bị thay dần bởi nhiên liệu khí và lỏng

4.1.1 Quá trình tiến hành khi cháy nhiên liệu

Khi nhiên liệu cháy trên ghi đốt, nhiên liệu lần lượt qua 4 quá trình: sấy, tách chất bốc, cháy than koks và cặn koks trong tro, cuối cùng tạo ra tro xỉ (Hình 3-4)