CÔNG NGHỆ ĐỐT NHIÊN LIỆU (LÝ THUYẾT CHÁY

CÔNG NGHỆ ĐỐT NHIÊN LIỆU (LÝ THUYẾT CHÁY) (Combustion: Theory and Technology) TS Bùi Tuyên Lời nói đầu Đây giáo trình đại học Kiến thức giáo trình bản, làm cho kỹ sư bước tiếp vào khoa học trình cháy hay thực hành đốt nhiên liệu qui mô khác Toàn kiến thức nhà khoa học giới làm ra, tác giả tổng hợp lại từ nhiều nguồn khác viết theo kiểu không copy Thực ra, tác giả có chút đóng góp nhỏ cho khoa học công nghệ đốt nhiên liệu rắn Ai làm việc chuyên sâu lĩnh vực đốt chất rắn có thành phức hợp bị nhiệt phân, tìm đọc “Bui Tuyên et al., Self-sustained flaming combustion and ignition of single wood pieces in quiescent air, Combustion Science and Technology, Vols 110-111, pp 53-65, 1995.” Lý thuyết cháy công nghệ đốt nhiên liệu lĩnh vực khó rộng mênh mông Từ đống lửa cổ đại đưa loài người thoát khỏi kiếp thú đến nhà máy luyện kim, phát điện, máy bay đại tên lửa vũ trụ đưa loài người thoát khỏi hệ mặt trời tương lai Mong đọc qua chục trang qua tự tăng thêm đam mê tìm hiểu thêm lĩnh vực đốt cháy Thành công học qua giáo trình đời không để xảy vụ cháy không kiểm soát nhà nơi làm việc Đây việc khó, thân tác giả chưa biết có thực hay không  Tài liệu phổ biến rộng rãi (nếu trích dẫn phải nguồn), không hạn chế gì, ngoại trừ copy đem bán kiếm lời  TS Bùi Tuyên 2015 Chương CƠ SỞ NHIỆT HÓA (THERMOCHEMISTRY) 1.1 Giới thiệu nhiệt hoá (thermochemistry) Nhiệt động học cổ điển nghiên cứu chuyển hóa nhiệt công học, ứng dụng nhằm tăng công thu động nhiệt Nhiệt động hóa học nghiên cứu biến đổi nhiệtcông phản ứng hóa học biến đổi pha Nhiệt hóa tập trung chủ yếu vào biến đổi lượng nhiệt gắn với phản ứng hóa học (và biến đổi pha), ứng dụng để tính thành phần chất hướng xảy phản ứng hóa học lượng liên quan tương ứng Nhiệt hóa phần có ảnh hưởng trực tiếp giáo trình Nhiệt động hỗn hợp khí không phản ứng Hỗn hợp chất khí không phản ứng hoá học với (hỗn hợp học tức trộn lẫn tuý, ví dụ không khí quanh ta) nhiệt độ định, tuân theo định luật Gibbs-Dalton sau: a Áp suất hỗn hợp tổng áp suất riêng phần chất khí thành phần Áp suất riêng phần (còn gọi phân áp suất) áp suất khí chiếm nguyên thể tích hỗn hợp nhiệt độ b Nội năng, enthalpy, entropy hỗn hợp tổng tương ứng nội năng, enthalpy, entropy khí thành phần (các đại lượng có tính cộng) Giả sử ta có a,b,c…i loại chất khí lý tưởng trộn học với nhau, số kmol tương ứng na, nb…ni Hỗn hợp áp suất p, nhiệt độ T chiếm thể tích V Hỗn hợp tuân theo phương trình khí lý tưởng: pV=nRμT n số kmol hỗn hợp Nhắc lại Rμ = 8314 J/(kmol.K) số vạn (phổ biến) chất khí n = na + nb + … ni p = (na + nb + … ni) RμT/V = na RμT/V + nb RμT/V + … ni RμT/V (1) tức khí thành phần j phân áp suất pj = njRμT/V (là áp suất mà có khí j chiếm trọn thể tích hỗn hợp V nhiệt độ T) Áp suất chung hỗn hợp p = pa + pb + … + pi Thành phần mol khí Xj = nj/n, suy Xa + Xb + … Xi = Nhiệt độ chung: T = Ta = Tb = … = Ti Thể tích thành phần nhau: V = Va = Vb = … = Vi (mọi khí đếu khuyếch tán khắp thể tích chung V, không quan trọng có loại khí hỗn hợp) Thể tích riêng phần hay phân thể tích khái niệm khác Đó thể tích chất khí thứ i chiếm riêng áp suất nhiệt độ hỗn hợp Hỗn hợp học khí lý tưởng có tính chất khí lý tưởng, tuân theo phương trình vạn (phổ biến) dạng (1) Các tính chất nhiệt học cụ thể (nhiệt dung riêng, khối lượng riêng ) hỗn hợp phụ thuộc vào khí thành phần, theo tỷ lệ mol Chúng ta đo khí thành phần chưa có phản ứng hay trạng thái cân Lúc phản ứng hoá học xẩy có chuyển hoá liên tục từ chất sang chất Đo giá trị tức thời phản ứng xảy khó.Ta thường dùng kiến thức nêu làm sở để suy diễn cho trạng thái không cân Nhiệt hoá, mà ta quan tâm giáo trình này, nghiên cứu lượng nhiệt xuất xẩy phản ứng hoá học gắn liền với phản ứng Đốt tờ giấy loại phản ứng hoá học Nó phát nhiệt Ta đoán đốt hai tờ giấy nhiệt lượng giải phóng lần nhiều nhiệt đốt tờ Có phản ứng khác tiêu hao nhiệt, khác hẳn với phản ứng cháy vừa nói Năng lượng phản ứng mà mang dấu khác Chi tiết ta nói 1.2 Tốc độ phản ứng hoá học (Chemical reaction rate) Hóa động học (chemical kinetics) nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng hoá học biểu thị thay đổi nồng độ vật chất tham gia phản ứng (hay sản phẩm) đơn vị thời gian Cụ thể ta muốn biết mole sản phẩm tạo thành đ.v thời gian đ.v không gian Ví dụ với phản ứng đơn giản A → B (trong A chất tham gia B sản phẩm phản ứng) Tốc độ phản ứng tức thời định nghĩa biểu thị (C có gốc từ concentration): v = - dCA/dt = dCB/dt mol/(cm3.s) (2) ý dấu công thức, tốc độ phản ứng độ tiêu hao chất tham gia ban đầu tốc độ xuất chất sản phẩm Cũng đo g/(cm3.s) hay g/(l.s) Tuy nhiên, phản ứng thuận (chỉ xảy theo chiều), tiến trình phản ứng phụ thuộc vào chất tham gia phản ứng, tốc độ phản ứng đo Có hai cách viết biểu thị độ thay đổi nồng độ, ví dụ chất A ta viết dCA d[A], ví dụ cụ thể hydro dCH d[H] Trường hợp phản ứng có dạng chung hơn: aA + bB → pP + qQ Các chất tham gia A, B; sản phẩm P,Q Các hệ số a, b, p, q hệ số cân phương trình (cân vật chất hay bảo toàn chủng loại hoá học) Tốc độ phản ứng này, áp suất không đổi, định nghĩa theo công thức: (để ý cách viết thể nồng độ) Phản ứng rỉ/sét (tốc độ chậm) Phản ứng cháy (tốc độ nhanh) Hình 1.1 Ấn tượng tốc độ phản ứng Giá trị tốc độ phản ứng đo qua thực nghiệm Chưa có lý thuyết cho phép tính tốc độ phản ứng hóa học 1.3 Ảnh hưởng nồng độ đến tốc độ phản ứng hoá học Tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng nhiều yếu tố, trước hết vào chất phản ứng, tức chất chất tham gia phản ứng Khi phản ứng chất biết, thuộc loại biết tốc độ phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, áp suất, cấu hình chất lượng bề mặt lò phản ứng, chất xúc tác 1.3.1 Luật khối lượng tác dụng Tốc độ phản ứng aA + bB → eE + fF phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng, thông thường theo quan hệ (C có gốc từ concentration, viết khác có nghĩa nồng độ): v = k CpACqB hay v = k [A]p[B]q (3) Sự phụ thuộc nói chung phi tuyến, nhiên có trường hợp p=q=0 hay p=q=1 Hệ số k gọi hệ số tốc độ phản ứng, k số nhiệt độ không đổi, có giá trị nhiệt độ T=const, cách để xác định giá trị đo qua thực nghiệm 1.3.2 Bậc phản ứng Trong phương trình (3) giá trị p q gọi bậc phản ứng chất A B; p, q tương ứng a, b không thiết phải Tổng số mũ nồng độ gọi bậc phản ứng chung n=p+q+… Phản ứng nhạy cảm với thành phần chất theo cách riêng Có thể có phương trình mô tả tốc độ thay đổi riêng chất phản ứng Bậc phản ứng không (zêrô) độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ (lượng) chất tham gia, phụ thuộc vào nhiệt độ Bậc phản ứng hệ số tốc độ phản ứng phải xác định qua thực nghiệm Không có phương pháp xác định giá trị chúng lý thuyết Bậc phản ứng chung thường lẻ thập phân, phản ứng cháy có bậc khoảng 1,7 – 2,1 Phản ứng bậc (zêrô): Tốc độ phản ứng không phụ thuộc nồng độ v = -dC/ dt = k0 = const -dC/ dt = k0 → C = C0 - k0t → thời gian để tiêu hao hết 1/2 nồng độ C/C0 = 0,5, gọi bán kỳ suy giảm chất tham gia, t1/2 = C0/(2k0) Ví dụ : Hình Thay đổi nồng độ phản ứng bậc zêrô Phản ứng bậc 1: v = - dC/dt = k1C k1 hệ số phản ứng có thứ nguyên 1/s (chỉ số k1 muốn nói phản ứng bậc nói đến bậc dưới, sách khác người ta không dùng số nào) Tích phân với điều kiện ban đầu C = C0 t = ta ln(C0/C) = k1t (4) lnC = lnC0 – k1t, (5) phương trình tuyến tính, dùng để xác định k1 qua thực nghiệm Qua lần đo: C1 thời điểm t1 C2 t2 ta tính k1 = (lnC1 - lnC2)/( t2 – t1) Khi có giá trị k1, từ (4) → C = C0 exp(-k1t) (6) thời gian để tiêu hao hết 1/2 nồng độ (bán kỳ suy giảm) C0/C = ½ t1/2 = ln(2)/k1 = 0,693/k1 Ví dụ phản ứng bậc một: Phản ứng bậc 2: v = - dC/dt = k2C2 Tích phân với điều kiện ban đầu C = C0 t = ta 1/C – 1/C0 = k2t (8) phương trình tuyến tính, từ k2 = (1/t)(1/C – 1/C0) (7) (8) (9) t1/2 = 1/(k2C0) (10) Ví dụ phản ứng bậc hai : Hầu hết phản ứng cháy có bậc phản ứng quanh giá trị 1,7 Bậc phản ứng hệ số tốc độ phản ứng phải xác định qua thực nghiệm Rất phản ứng có bậc cao 2,5 1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hoá học Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh tới tốc độ phản ứng, chẳng hạn than (C) có tốc độ phản ứng zero với oxy (O2) không khí nhiệt độ thường Tuy vậy, nhiệt độ tăng đến giá trị ta có phản ứng cháy với tốc độ nhanh Tốc độ phản ứng hoá học nhiệt độ tăng thay đổi theo luật khác tuỳ vào trương hợp cụ thể: I – tăng, tỷ lệ vừa phải (thường gặp) II - tăng nhanh (nổ) III - tăng giảm (sinh hoá) IV - tăng – giảm – tăng (phân huỷ) V - giảm Hệ số tốc độ phản ứng cho loại I (loại đơn giản phổ biến) có quan hệ với T tuân theo luật Arrhenius: k = k0 exp(-E/RT) (11) Trong k0 hệ số tần suất (va đập); E lượng hoạt hoá J/mol; R số chất khí = 8,314 J/(mol.K) Giá trị k0 E xác định qua thực nghiệm Năng lượng hoạt hoá E: Không phải va đập oxy nhiên liệu dẫn đến phản ứng Chỉ có nguyên/phân tử đạt mức lượng định phản ứng với gặp Các phân tử mức lượng va vào không phản ứng Ở nhiệt độ phân tử chất khí khối khí có lượng khác nhau, phân bố theo luật Maxwell, khối khí có nội entalpy xác định Khi nhiệt độ tăng lượng phân tử nói chung tăng, tức số phân tử đạt mức lượng phản ứng tăng Do tăng nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng Các chất xúc tác chất hoạt hoá hỗ trợ cho số phân tử đạt đến mức NL phản ứng, làm cho số nhiều lên Do mà tốc độ phản ứng bị thay đổi 1.5 Ảnh hưởng áp suất đến tốc độ phản ứng hóa học Đối với chất khí biết cân hoá học tỷ số mol chất A hỗn hợp xA = nA/Σni, phản ứng bậc có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dt = k1CA = k1 xA (p/RT) (12) 2 phản ứng bậc có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dt = k1C A = k1 xA (p/RT) (13) phản ứng bậc n có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dt = k1CnA = k1 xA (p/RT)n (14) Tức phản ứng bậc tỷ lệ với áp suất bậc nhiêu 1.6 Phản ứng dây chuyền phân nhánh (chain & branching reactions) Phản ứng thật không xảy theo kiểu nhảy vọt đến sản phẩm cuối mà qua nhiều bước trung gian, tức chuỗi ion hoạt động dây Ví dụ: CH4 + 2O2 → H2O + CO2 gồm chuỗi: CH4 + O2 → CH3 + O + OH CH4 + O → CH3 + OH CH3 + O2 → H2CO + OH H2CO + OH → HCO +H2O HCO + OH → CO + H2O H + O2 → OH + O H + H2O → OH + H2 2OH → H2O + O CO + OH → CO2 + H H + OH → H2O Các ion trung gian có tuổi thọ cực ngắn nên việc theo dõi đường thực dây chuyền việc khó khăn Các chất xúc tác làm thay đổi chế tốc độ hình thành chất trung gian, mà ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng nói chung 1.7 Cân hoá học (chemical equilibrium) Cân hoá học cân phương trình hoá học! Đây câu chuyện cân tốc độ phản ứng thuận phản ứng nghịch Các phản ứng hố học thường thuận nghịch, tốc độ chiều khác Thường có chiều áp đảo ta coi chiều thuận (tự nhiên) Khi nồng độ chất phản ứng chất sản phẩm không thay đổi hỗn hợp nằm trạng thái cân Lúc tốc độ phản ứng thuận tốc độ phản ứng nghịch đạt ổn định Ví dụ với phản ứng aA + bB ↔ eE + fF tuân theo định luật khối lượng tác dụng, tốc độ phản ứng thuận nghịch tương ứng v→ = k→CaACbB (15) e f v← = k←C EC F (16) Theo thời gian, nồng độ chất phản ứng giảm xuống phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, lúc v→ = v← tức k→CaACbB = k←CeECfF e f từ rút Kc = k→ / k← = (C EC F)/( CaACbB) (17) Kc hệ số cân hoá học, xác định qua thực nghiệm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ví dụ H2O ↔ 1/2 H2 + OH nhiệt độ 700K có KC700 = 10-16,6 3850K KC3850 = Có nghĩa nhiệt độ 700K có 1016,6 phân tử nước bị phân huỷ (nước bền vững), nhiệt độ tăng đến 3850K nửa số phân tử nước bị phân huỷ thành ion Bảng 1.1 Một số giá trị Log10Kc theo nhiệt độ phản ứng cụ thể sau 300K 500 1000 1500 2000 H2O ↔ 1/2H2 + OH -10,5 -5,87 -3,49 C + CO2 ↔ 2CO -20,52 -8,64 0,26 3,18 4,69 NO ↔ N + O -21,15 -11,98 7,4 SO2 + O2 ↔ SO3 11,91 5,21 0,22 -1,42 -2,25 3000K -1,07 6,16 -2,77 -3,09 Bài tập: so sánh tỷ lệ CO CO2 có dư carbon, 1500K 1.8 Enthalpy tạo chất (enthapy of formation) Khi hợp chất tạo nên từ nguyên tố (đơn chất) điều kiện p suất không đổi, định có biến đổi lượng kèm theo Đối với phản ứng cháy hóa biến thành nhiệt toả Năng lượng biến đổi này, để tạo mol hợp chất, gọi enthalpy tạo chất, đo điều kiện tiêu chuẩn (T=25oC áp suất p=1at không đổi) Enthalpy tạo chất có ký hiệu hof298 , số ‘o’ áp suất tiêu chuẩn at, số ‘f298’ nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC Đơn vị đo enthalpy tạo chất J/mol Tức lượng thay đổi đo tạo 1mol thành phẩm với chất phản ứng sản phẩm điều kiện tiêu chuẩn Ví dụ: nước tạo từ hydro oxy, xuất phát từ khí điều kiện tiêu chuẩn H2 + ½ O2 → H2O + hof298[H2O] Nếu sản phẩm nước điều kiện nhiệt độ 25oC & p=1at lượng 242 kJ/(mol nước) bị phát tán môi trường xung quanh (chú ý dấu theo qui ước nhiệt động học: nhiệt thu vào hệ dương, toả từ hệ môi trường âm) Như vậy, enthalpy tạo chất nước -242 kJ/(mol nước) Trong nhiệt động hóa học, dấu âm enthalpy tạo chất H2O cho hay nước hóa thấp hydro oxy ban đầu Nếu sản phẩm nước (dạng lỏng) hof298[H2O lỏng] = -286 kJ/mol Chênh lệch 286 242 nhiệt hóa hơi/ngưng tụ mol nước, (từ đễ dàng tính nhiệt ẩn hoá hơi/ngưng tụ nước) Một số giá trị enthalpy tạo chất tập hợp bảng sau, đơn chất gặp tự nhiên có enthalpy tạo chất qui ước zerô Bảng 1.2 Giá trị enthalpy taọ chất (1at, 25oC) Tên Công thức Trạng thái Enthalpy tạo chất, kJ/mol CO Khí -110,6 Khí CO2 -393,7 Khí CH4 -74,9 Khí C2H6 -84,6 Khí Ethylene C2H4 52,76 Khí Benzene khí C6H6 82,97 Benzene lỏng C6H6 Lỏng 49,06 Khí O2 Khí N2 C Tinh thể Khí H2 Khí H2O -242 H2O Lỏng -286 C2H2 Khí +227 CaO Tinh thể -635 Các chất nguyên tố dạng tự nhiên qui ước có hof298 = Ví dụ: CO(kh) + 1/2O2(kh) → CO2(kh) - 283,1 kJ/mole CO2, h = - 283,1 kJ/mole CO2 enthalpy tạo chất CO2 chất tham gia phản ứng xuất phát CO nguyên tố Trong phản ứng C(r) + 1/2O2(kh) → CO(kh) - 110,6 kJ/mole CO - 110,6 kJ/mole CO ehthalpy tạo chất CO chất tham gia phản ứng xuất phát nguyên tố dạng tự nhiên: than cục (rắn) oxy không khí, 25oC at Ngược lại, phân huỷ hợp chất thành nguyên tố lượng kèm theo có trị số ngược chiều với enthalpy tạo chất 1.9 Enthalpy phản ứng hoá học (enthalpy of chemical reaction) Trong phản ứng hoá học nói chung, chất tham gia ban đầu không thiết phải nguyên tố (đơn chất), phản ứng H2O + CaO chẳng hạn Chúng ta tập trung nói phản ứng cháy Trong trình cháy, phản ứng xảy nhanh Nhiệt (thường kèm với ánh sáng) thoát Enthalpy sản phẩm nhỏ thua enthalpy chất tham gia, chất đưa trạng thái tiêu chuẩn, chênh lệch ethalpy nhiệt lượng thoát ra, gọi enthalpy phản ứng Những phản ứng loại có enthalpy giảm gọi phản ứng toả nhiệt Các phản ứng cháy thuộc loại Các phản ứng ngược lại, có enthalpy tăng, gọi phản ứng thu nhiệt Phản ứng phân huỷ chất hữu chẳng hạn, thuộc loại thu nhiệt Các trình cháy xẩy p = const = 1at, có enthalpy phản ứng hay nhiệt lượng giải phóng phụ thuộc nhiệt độ ban đầu Để đo đạc tra cứu ta qui điều kiện tiêu chuẩn (25oC, at), tức chất xuất phát điều kiện tiêu chuẩn sản phẩm Công thức chung để tính enthalpy phản ứng HoR dựa vào enthalpy tạo chất, phương trình hóa học cân bằng: HoR = Σni hofR sanpham - Σnj hofR thamgia (18) Trong ký hiệu o điều kiện tiêu chuẩn; Σnj hofR thamgia tổng enthalpy tạo chất chất tham gia ban đầu; Σni hofR sanpham tổng enthalpy tạo chất chất sản phẩm (chú ý: số lượng chất tham gia nói chung khác số lượng sản phẩm) Enthalpy phản ứng cháy thường mang dấu âm, khó hiểu Đại lượng đổi dấu thường gọi nhiệt phản ứng, nghe thuận tai nhìn thuận mắt hơn! QR = - HoR Ví dụ: tính enthalpy phản ứng đk chuẩn CH4 (khí) + 2O2 (kh) → CO2 (kh) + 2H2O (lỏng) Tra bảng tạo chất ta tìm -74,9 + 2* → - 393,7 – 2*286 theo công thức (18) ta có enthalpy phản ứng cháy methane với oxy HoR298 = -393,7 – 572 - (74,9) = - 890,8 kJ/mol (chú ý đ.v đo) Vậy nhiệt phản ứng cháy methane 890,8 kJ/mol (của methane) Tóm lại, nhiệt lượng giải phóng môi trường đốt cháy hoàn toàn mol nhiên liệu sản phẩm làm nguội đến nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC, gọi nhiệt phản ứng cháy, ký hiệu ∆Hc hay QR, đo kJ/mol (nhiên liệu) Bảng 1.2 Giá trị enthalpy phản ứng cháy (1at, 25oC, toàn sản phẩm cháy pha khí) Nhiên liệu Công thức Trạng thái nhiên liệu HoR, kJ/mol QoR, kJ/mol Than (Carbon) C R Hydro H2 Kh Carbon Monoxide CO Kh Methane CH4 Kh Ethane C2H6 Kh Các giá trị bảng 1.2 tính từ bảng 1.1 -393,7 -242 -283 -802 -1429 393,7 242 283 802 1429 1.10 Nhiệt trị (heating value) Nhiệt lượng giải phóng đốt cháy đẳng áp (p=const) hoàn toàn kg nhiên liệu sản phẩm làm nguội đến nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC, gọi nhiệt trị nhiên liệu Ký hiệu thường dùng Q hay HV (heating value), đơn vị thường dùng MJ/kg hay kJ/kg Như vậy, nhiệt trị có giá trị enthalpy phản ứng cháy 1kg nhiên liệu đổi dấu sang +, tức nhiệt phản ứng cháy 1kg nhiên liệu Nhiệt trị thấp (LHV, lower heating value) nhiệt giải phóng nước (H2O) tạo thành sản phẩm cháy dạng khí (hơi) Trong kỹ thuật ta dùng giá trị Nhiệt trị cao (HHV, higher heating value) nhiệt trị nước sản phẩm cháy ngưng lại thành dạng lỏng/nước, thêm nhiệt hoá lỏng giải phóng môi trường HHV giá trị kỹ thuật, thực tế ta cần áp dụng biện pháp chống ngưng nước mặt thiết bị để chống ăn mòn HHV có nghĩa nhiên liệu chứa hydro, tất nhiên nhiên liệu thương mại có hydro Carbon tuý HHV hay LHV, có HV Nhiệt trị nhiên liệu khí đo cho m3 tiêu chuẩn nhiên liệu đó, đ.v MJ/m3tc Nhiệt trị nguyên chất tính trực tiếp từ Bảng 1.1 Ví dụ hof298[H2O] = 242 kJ/mol, nên kg H2 tạo 9kg H2O giải phóng 9000/18*242=121.000 kJ Tức LHV hydro = 121MJ/kg Trong thực tế nhiên liệu loại hợp chất phức tạp (củi, than, dầu ), người ta xác định nhiệt trị cách đốt khối lượng nhỏ nhiên liệu, mf, môi trường oxy thiết bị gọi bom nhiệt lượng kế (bomb calorimeter), nhiệt lượng giải phóng làm tăng nhiệt độ nước bình chứa có tổng chung nhiệt dung CB lên giá trị ΔT; nhiệt trị Q tính từ cân lượng Q mf = CB ΔT (19) 10 Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng mình, tất bị ảnh hưởng yếu tố như: chất nhiên liệu; tỷ lệ nhiên liệu/không khí; áp suất; nhiệt độ; chất khí độn không tham gia phản ứng cháy Tốc độ lan truyền lửa hỗp hợp trộn lẫn trước với không khí không cao lắm, thường 100 cm/s, ngoại trừ Acetylene hydrogen Một số giá trị max cho bảng 3.1 3.7 Nhiệt độ lửa (flame temperature) Ngọn lửa bao gồm không gian có biến đổi hoá học nhiệt độ mạnh Các giá trị hoá-lý không gian thay đổi từ điểm qua điểm khác Trong lửa nhỏ trường nhiệt độ biến thiên mạnh, khó giá trị nhiệt độ lửa, cho trường hợp đơn giản quẹt gas cá nhân Ta nói nhiệt độ cực đại lửa Tức cấu trúc có khu vực đạt nhiệt độ cao xung quanh, ta muốn biết cao bao nhiêu? Ví dụ vùng sáng đuôi lõi lửa hàn oxy-acetylene đạt tới 3.1003.300oC, xung quanh hạt lõi nhiệt độ thấp Nếu hỗn hợp trộn trước đốt cháy đẳng áp điều kiện cách nhiệt hoàn toàn ta có nhiệt độ lửa đoạn nhiệt, Tf Ta không tính nhanh giá trị nhiệt độ lửa đoạn nhiệt cho dù biết nhiên liệu cụ thể thành phần sản phẩm cân nhiệt độ Tf ẩn số Do bảo toàn lượng nên ta biết tổng enthalpy (gồm hoá năng) chất tham gia ban đầu ΔHR phải enthalpy sản phẩm ΔHP, sau: j r H R   n j h fRj tính từ enthalpy tạo chất chất tham gia (Reactants) j 1 i p p tf H P   ni h fPi    ni C pi dT i 1 tính từ enthalpy tạo chất chất thành phẩm 298 (Products) độ tăng enthalpy từ nhiệt độ tiêu chuẩn lên tới Tf Cân lại: ΔHR = ΔHP j r i p  n h j = fRj  n h i i 1 j 1 p p tf fPi    ni C pi dT , chuyển vế 298 j r  nC i 298 tf i p pi dT   ni h fRj   ni h fPi j 1 i 1 Giá trị vế phải phương trình (3.6) nhiệt phản ứng QR (enthalpy phản ứng đổi dấu) j r i p  n h i fRj   ni h fPi  QR j 1 p Tức i 1 tf  nC i pi dT  QR (3.6) 298 Ban đầu, giá trị Tf chưa biết (đang tìm) nên thành phần sản phẩm cân chưa biết, phải tính phương pháp lặp: Bước 1: Bắt đầu từ giá trị Tf1 đoán, ta tính thành phần cân ứng với nhiệt độ theo liệu cân hoá học tài liệu tra cứu 24 Bước 2: Tính nhiệt phản ứng QR điều kiện thành phần hỗn hợp cân biết bước Bước 3: Dùng thành phần cân bước 1, với giá trị nhiệt dung riêng tương ứng chúng, ta tính giá trị vế trái phương trình (3.6) Bước 4: So sánh độ lệch kết số bước Nếu bước cao nhiệt độ đoán bị cao ngược lại Hiệu chỉnh lại giá trị Tf đoán hướng Tf2 tiếp tục tính lặp lại lúc sai biệt chấp nhận Nhiệt độ thực: Thực tế ta đạt nhiệt độ cực đại nhỏ Tf có tổn thất nhiệt hoá học (một phần nhiên liệu chuyển hoá không hết sản phẩm cân hoá học), tổn thất nhiệt cách nhiệt không lý tưởng cuối tổn thất qua chất pha loãng (không tham gia phản ứng N2 chẳng hạn) Ta đánh giá nhiệt độ cực đại đạt cách lấy nhiệt trị nhiên liệu chia cho nhiệt dung trung bình không đổi sản phẩm cháy thực tế Ví dụ : Ước tính nhiệt độ đoạn nhiệt phản ứng đốt CH4 với giả thiết: cháy hoàn toàn thành CO2, H2O; nhiệt dung riêng số sau: nhiệt dung riêng CO2 1300J/(kg.K), nước 1950 J/(kg.K), nhiệt dung riêng nitơ 1200J/(kg.K) CH4 + 2O2 + ? N2 = CO2 + 2H2O + ?N2 16kg + 64kg + ? = 44kg + 36kg Tìm 64/0,233 - 64 = 210,7kg N2 Nhiệt lượng giải phóng QR = – 16000/16*74,9 – (- 44000/44*394 - 36000/18*242) = 803.100 kJ Nhiệt lượng dùng làm nóng khí sản phẩm cháy, NDR không đổi: 803.100 = ΔTmax*(44*1,3+36*1,95+210,7*1,2) = ΔTmax*380,24 ΔTmax = 803.100/380.24 = 2112 Tmax = 2109,5 + 25 = 2134,5oC Tất nhiên số khác với nhiệt độ đoạn nhiệt thực ta đơn giản hoá nhiều 3.8 Ổn định lửa (Flame stabilization) Hai mục đích : an toàn chất lượng sản phẩm Nếu bị (tắt) lửa dự kiến nguy hiểm không kịp thời cắt cung cấp nhiên liệu Nếu lửa cháy không ổn định, lúc to lúc nhỏ, mong muốn, có nguy tắt lửa Mặt khác, lửa phập phù kiểm soát đảm bảo chất lượng sản phẩm nhiệt độ thay đổi không mong muốn Hai khả bất ổn thường gặp gồm cháy ngược vào mỏ đốt tắt lửa Hiện tượng cháy ngược vào vòi phun xảy vòi phun có đường kính lớn nhiều so với khoảng dập lửa Hỗn hợp trộn lẫn trước phun khỏi vòi với vận tốc thích hợp, mồi lửa ổn định, sau vận tốc dòng hỗn hợp giảm xuống vận tốc lan truyền lửa, lủa cháy ngược vào Cháy ngược hoạt động không bình thường, không mong muốn, vòi đốt Để chống cháy ngược ta phải trì vận tốc dòng lớn vận tốc lan truyền lửa, tức thoả mãn điều kiện u > Λ Khi tăng vận tốc dòng hỗn hợp đến giá trị định lửa bị đẩy rời khỏi miệng đốt Tiếp tục tăng u đẩy lửa xa tắt (nếu không gian vô hạn) Cơ chế tắt lửa vận tốc lớn giảm nhiệt độ pha trộn với kk' xung quanh Trong buồng đốt công nghiệp người ta bố trí phương pháp ổn định nhiệt độ (vật phụ, lửa phụ …) cho buồng đốt ổn định tỷ lệ không khí/nhiên liệu Nhờ ổn định lửa tốc độ phun cao, suất đốt cao Tuy ta tăng công suất đốt, kW/m3, đến giá trị định, tăng vô hạn 25 Bảng 3.1 Các đặc tính cháy số nhiên liệu với không khí NL Tỷ lệ khối lượng cân hoá học nl/kk, kg/kg Giới hạn bắt lửa tương đối T tự cháy o C Tốc độ max.cm/s lửa Hệ số dư kk ứng với vmax T lửa vmax, K Khoảng cách tắt lửa mm Emin 10-5 J C2H2 CH4 C2H6 C3H8 0,0755 0,0582 0,0624 0,064 0,31 0,46 0,5 0,51 305 632 472 504 155,25 37,31 44,17 42,84 1,33 1,06 1,12 1,14 2236 2244 2250 0,76 2,55 1,78 2,03 3,01 0,63 24,03 30,52 1,64 2,72 2,83 Chú ý tỷ lệ khối lượng nhiên liệu/không khí nghịch đảo hệ số dư không khí nói trước 3.9 Các đốt gas (Gas burners) - Trộn lẫn trước (injector): chảy tầng; chảy rối - Khuếch tán: cấp không khí, tạo xoáy - Chỉ số Wobbe ổn định công suất nhiệt mỏ đốt nhiệt trị khí đốt (gas) dao động hay ta đổi sang đốt loại khí khác Lưu lượng thể tích dòng khí áp suất p, khối lượng riêng ρk thoát miệng phun tiết diện F, tính theo công thức: 2p V  kF (3.6) k k hệ số ma sát Công suất nhiệt mỏ đốt tính theo (Hu nhiệt trị thể tích khí, kJ/m3tc): 2p p Hu (3.7) Q  V H u  kF H u  kF k  kk * ρkk khối lượng riêng kk' ρ* KLR tương đối khí, ρ * = ρ k/ ρ kk Thừa số cuối công thức (3.7) gọi số Wobbe: H Wu  u (3.8) * Một mỏ đốt xác định vận hành chế độ đẳng áp dùng loại khí khác có công suất nhiệt có số Wu (không thiết nhiệt trị khí phải nhau) Mặt khác, số Wobbe khác ta phải thay đổi áp suất gas để giữ công suất mong muốn phải chuyển sang loại khí đốt (gas) khác 26 dual gas-oil burner / Đầu đốt chuyển đổi gas-FO 27 Chương CÔNG NGHỆ ĐỐT NHIÊN LIỆU LỎNG 4.1 Các điểm chung Quá trình cháy nhiên liệu lỏng trình cháy khuyếch tán Đơn giản ta trộn trước không khí với nhiên liệu chúng pha khác Tốc độ cháy, vậy, phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán nhiên liệu kk' đến với nhau; lửa gọi lửa khuếch tán Trước nhiên liệu khuếch tán phải bay khỏi chất lỏng Muốn bay nhanh bề mặt chất lỏng phải lớn tức nhiên liệu phải hoá bụi (phun sương) Quá trình cháy (ngọn lửa) thật xảy pha khí Nhiên liệu lỏng chia làm loại: dễ bay khó bay Loại dễ bay thường trộn trước 'chế hoà khí' trình cháy sau trình cháy giống hỗn hợp trộn trước Loại khó bay vừa cháy vừa bay hơi, lửa mặt chậu dầu, từ bấc đèn dầu hỏa hay nến cho ta quan sát tượng 4.2 Nhiệt độ chớp cháy nhiệt độ bắt lửa (flash and fire temperatures) Nhiên liệu lỏng bốc bao chất lỏng khác (ta ngửi thấy mùi) Tốc độ bốc phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ tăng tốc độ bốc tăng Cốc chứa nhiên liệu lỏng có nhiên liệu mặt thoáng, trộn lẫn với không khí Nếu nhiệt độ thấp nhiên liệu bốc lên không đủ tạo thành hỗn hợp cháy (do lõang quá) Tức tia lửa điện mồi đánh gần mặt thoáng không làm thay đổi Tăng nhiệt độ lên lượng bốc lên tăng lên đến giá trị hỗn hợp mặt thóang (lặng gió) giàu hơn, có khả chớp lửa qua mặt thoáng gặp lửa mồi Nhưng chớp lửa thoáng qua tắt lửa tiêu thụ hết phần tích trữ được, lượng tiếp tục bốc lên ít, chưa đủ trì trình cháy (ngọn lửa) Nhiệt độ thấp để có tượng gọi nhiệt độ chớp cháy Tăng nhiệt độ lên ta đạt tới giá trị nhiệt độ bắt lửa Lúc lửa sau mồi tự trì, không bị tắt mà mạnh lên truyền nhiệt xuống pha lỏng làm tăng lượng bay Có khoảng nhiệt độ giá trị chớp cháy bắt lửa Các gia nhiệt nhiên liệu lỏng (để giảm nhớt, dễ bơm đi) phải hoạt động nhiệt độ bắt lửa khoảng định 4.2 Đặc tính nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng qui mô công nghiệp FO (Fuel Oils), gọi Nhiên liệu đốt lò, sản phẩm chủ yếu trình chưng cất thu từ phân đoạn sau phân đoạn gas oil chưng cất dầu thô nhiệt độ sôi lớn 350 0C Nhiên liệu đốt lò phân loại sau: Nhiên liệu đốt lò loại nặng (FO nặng): nhiên liệu đốt lò chủ yếu dùng công nghiệp Nhiên liệu đốt lò loại nhẹ (FO nhẹ): bao gồm loại dầu giống điêzen (DO); dầu hỏa (KO), … chúng sử dụng làm nhiên liệu để đốt lò (lò đốt dạng bay hơi, dạng ống khói lò đốt gia đình) Nhiên liệu đốt lò phải đáp ứng tiêu chuẩn quy định nhiệt trị, hàm lượng lưu huỳnh, độ nhớt, nhiệt độ bắt cháy, độ bay hơi, điểm đông đặc điểm sương, cặn cacbon, hàm lượng tro, nước tạp chất học, … Nhiệt trị: Nhiệt trị đặc tính quan trọng nhất, thông tin cần thiết cho biết hiệu suất cháy nhiên liệu Nhiệt trị xác định theo tiêu chuẩn ASTM D240 Hàm lượng lưu huỳnh (S): Xác định lưu huỳnh hợp chât lưu huỳnh tiến hành theo nhiều phương pháp thử khác nhau: Đối với FO nhẹ, xu hướng ăn mòn nhiên liệu phát phép thử ăn mòn đồng (ASTM D130) Hàm lượng hợp chất S nhiên liệu FO nhẹ thấp tốt Đối với FO nặng, hàm lượng lưu huỳnh S thường cao, từ đến 5% Ở nhà máy luyện kim, dùng nhiên liệu có S cao ảnh hưởng đến chất lượng thép Đối với FO có hàm lượng cao phương pháp tiêu chuẩn để xác định S ASTM D129 28 Độ nhớt: Đối với FO nhẹ, độ nhớt ảnh hưởng nhiều đến mức độ nhiên liệu phun thành bụi sương, ảnh hưởng đến mức độ cháy hết đốt nhiên liệu Độ nhớt xác định phương pháp xác định độ nhớt Saybolt ASTM D88; phương pháp xác định độ nhớt động học ASTM D445 Đối với FO nặng, độ nhớt đặc tính quan trọng FO nhẹ, độ nhớt cho biết điều kiện để vận chuyển, xuất, nhập, bơm chuyển nguyên liệu, ra mức độ cần gia nhiệt trước phun vào lò Phương pháp xác định độ nhớt ASTM D445 Nhiệt độ bắt cháy: Nhiệt độ bắt cháy tiêu chuẩn phòng cháy nổ - nhiệt độ cao cho phép tồn chứa bảo quản nhiên liệu đốt lò mà không gây nguy hiểm cháy nổ Nhiệt độ bắt cháy xác định theo tiêu chuẩn ASTM D93 (quy trình cốc kín – Pensky Martens) Độ bay hơi: Đối với FO nhẹ, lò đốt, nhiên liệu trạng thái sẵn sàng kích cháy phải trì lửa ổn định, nghĩa độ bay phải ổn định Đối với FO loại nặng, thành phần cất không đề cập đến chúng dạng cặn Điểm đông đặc điểm sương: Đối với FO nhẹ, điểm sương nhiệt độ tinh thể parafin hình thành cấu trúc tinh thể hình thành nhiên liệu tạo thành dòng chảy Nhiệt độ đông đặc khái nhiệm sử dụng tương tự có nhiệt độ thấp điểm sương Hai khái niệm mức nhiệt độ thấp nhất, giới hạn cho phép để vận chuyển nhiên liệu từ bể tới lò đốt Đối với FO nặng, dựa vào nhiệt độ đông đặc mà lựa chọn phương pháp bơm chuyển, hệ thống gia nhiệt, hệ thống xuất nhập kho thích hợp Điểm đông đặc điểm sương xác định theo tiêu chuẩn ASTM D97 Cặn cacbon: Có hai dạng lò đốt nhiên liệu: lò đốt bay dạng khói lò đốt dạng phun Trong lò đốt bay dạng ống khói cặn cacbon tạo dầu không bị phá hủy không bay hoàn toàn đóng cặn gần bề mặt đường dẫn nhiên liệu vào làm giảm tốc độ dòng nhiên liệu Đặc biệt, lò đốt đồng hiệu cháy giảm nhiều Phương pháp xác định cặn cacbon Condradson theo tiêu chuẩn ASTM D189 áp dụng để xác định cặn cacbon cho FO nhẹ FO nặng Hàm lượng tro: Hàm lượng tro phụ thuộc vào phẩm chất nguyên liệu phương pháp chế biến nhiên liệu Phương pháp xác định hàm lượng tro theo tiêu chuẩn ASTM D482 Nước tạp chất học: Sự có mặt nước tạp chất học làm bẩn, tắc lưới học nhũ hóa sản phảm, đồng thời gây khó khăn cho việc vận chuyển Sự có mặt nước đáy bể dẫn đến ăn mòn bể Hàm lượng nước xác định theo phương pháp ASTM D95 Tạp chất học xác định theo phương pháp ASTM D473 Tổng hàm lượng nước tạp chất học xác định theo phương pháp ASTM D1796 Ví dụ đặc tính kỹ thuật FO Nhiên liệu đốt lò (FO) » TCVN 6239:2002 Theo TCVN 6239:2002, vào độ nhớt động học hàm lượng lưu huỳnh, nhiên liệu đốt lò (FO) phân loại sau: Ký hiệu Độ nhớt động học 50 0C, cSt Hàm lượng lưu huỳnh (S), % FO N Đến 87 Đến 2,0 FO N02A Đến 2,0 Trên 87 đến 180 FO N02B Trên 2,0 đến 3,5 29 FO N03 Trên 180 đến 380 Trên 2,0 đến 3,5 Các tiêu chất lượng nhiên liệu đốt lò (FO) theo TCVN 6239:2002 quy định bảng đây: Mức FO N02A FO N02B Tên tiêu Phương pháp thử FO N FO N03 (2,0 S) (3,5 S) TCVN 6594:2000 Khối lượng riêng 150C, kg/l, 0,965 0,991 0,991 0,991 không lớn (ASTM D1298) Độ nhớt động học 500C, cSt(*), 87 180 180 380 ASTM D445 không lớn TCVN 6701:2000 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, không lớn (ASTM D2622) 2,0 2,0 3,5 3,5 / ASTM D129 ASTM D4294 TCVN 3753:1995 Điểm đông đặc, 0C, không lớn +12 Hàm lượng tro, % khối lượng, không lớn 0,15 Cặn cacbon Conradson, % khối lượng, không lớn +24 +24 +24 / ASTM D97 TCVN 2690:1995 0,15 0,15 16 16 0,35 22 / ASTM D482 TCVN 6324:2000 (ASTM D189) / ASTM D4530 TCVN 6608:2000 Điểm chớp cháy cốc kín, 0C, không nhỏ 66 / ASTM D93 TCVN 2692:1995 Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn 1,0 Hàm lượng tạp chất, % khối lượng, không lớn 0,15 10.Nhiệt trị, cal/g(**), không nhỏ 9800 (*) cSt =1 mm2/s (**) calo = 4,1868 J (ASTM D 3828) / ASTM D95 ASTM D473 ASTM D240 / ASTM D4809 4.3 Cháy giọt nhiên liệu lỏng Đến ta phân tích tượng cháy nhiên liệu lỏng, phức tạp trình cháy hỗn hợp khí trộn trước có thêm trình bốc lỏng thành khí (chuyển pha) khuếch tán tham gia vào Ngọn lửa gọi khuếch tán, xảy cách bề mặt giọt nhiên liệu lỏng khoảng, mô tả Hình 4.1 Giữa màng lửa mặt lỏng oxy, ngược lại phía bên màng lửa nhiên liệu Nhiên liệu oxy vận chuyển 30 khuếch tán đến màng lửa Ở chúng kết hợp với phản ứng cháy, sản phẩm tạo bay khỏi màng lửa khuếch tán Các phân bước trình cháy giọt nhiên liệu lỏng bao gồm + Truyền nhiệt vào giọt lỏng, đơn vị khối lượng nhiên liệu cần nhiệt lượng Q = L + Cl(TW-TR) L nhiệt ẩn hoá nhiên liệu; Cl nhiệt dung riêng pha lỏng; TR nhiệt độ lỏng phía giọt; TW nhiệt độ lỏng mặt + Hoá pha lỏng thành khí, thời gian hoá giọt lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, đường kính d0 tính chất vật lý nó: tv  d 02 v   l d 02 8 g a g ln( B  1)  l d 02  8 g a g ln( C g (T  TB )  1) L  C l (TB  TR ) λV số hoá [m2/s]; ρg khối lượng riêng pha hơi, ag hệ số dẫn nhiệt độ pha hơi, Cg nhiệt dung riêng pha hơi, T∞ nhiệt độ khí xa giọt lỏng, TB nhiệt độ sôi nhiên liệu + khuyếch tán nhiên liệu từ bề mặt lỏng tới màng lửa, nóng dần thêm đường đi: Khối lượng thời gian khuyếch tán tới màng lửa phụ thuộc chất nhiên liệu, nhiệt độ buồng lửa… + Khuyếch tán oxy từ vào màng lửa + Phản ứng cháy xảy + Khuyếch tán sản phẩm cháy xa + Truyền nhiệt từ màng lửa xung quanh m.độ nhiên liệu m.độ Oxy Giọt nhiên liệu Màng lửa Mặt lỏng Màng lửa Hình 4.1 Giản đồ lửa khuếch tán mật độ chất phản ứng Các kết luận liên quan gần gũi với thực tế rút từ phân tích trình phức tạp gồm: (a) Năng suất đốt (năng lượng giải phóng đơn vị thể tích giây, J/(s.m3)) nhiên liệu lỏng tăng ta giảm kích thước hạt lỏng, tăng mật độ pha khí tăng tốc độ trao đổi chất (b) Màng lửa khuếch tán không tiến sát đến bề mặt lỏng Tốc độ cháy cao màng lửa cách xa mặt lỏng (c) Mật độ nhiên liệu có giá trị cực đại mặt lỏng giảm xuống đến zero màng lửa phía bên màng lửa Mật độ oxy zerô mặt lỏng tới màng lửa, sau tăng lên giá trị môi trường tự phía (d) Nhiệt độ cực đại đạt lửa khuếch tán trường hợp lửa trộn lẫn trước 31 4.4 Biến bụi dầu (oil pulverization) Ta thấy suất đốt tăng kích thước hạt lỏng giảm Do bụi lỏng dễ hoà trộn với không khí nên trình cháy xảy tốt, ta có khả điều khiển công suất (tăng giảm lửa) ổn định lửa dễ dàng Hơn hạt lỏng nhỏ hoá nhanh nên phản ứng hết, tức cháy sạch, không sinh khói tạo muội buồng đốt Biến bụi bước quan trọng, bắt buộc, trình đốt nhiên liệu lỏng công nghiệp Các nguyên tắc sử dụng để biến bụi gồm: học (phun dầu áp suất cao, 5–15 at, qua đầu bét phun; phun lên đĩa quay tốc độ cao…), phun nhờ khí nén, phun nhờ nước Các vòi (mỏ) đốt dầu công nghiệp thường dùng khí nén nước cho mục đích biến bụi Khí nén mỏ đốt áp suất thấp nguồn cấp không khí sơ cấp cho buồng đốt Hơi nước dùng lò sau khởi động xong, sản nước 4-7 at cho sản xuất, trích lại dòng nhỏ để biến bụi dầu Hình 4.2 Đầu bét phun dầu DO (tạo côn rỗng hay côn khắp) 4.5 Các vòi đốt dầu công nghiệp (oil burners) Thông thường vòi đốt dầu dùng khí nén hay nước để biến bụi quạt để cấp không khí (gió) Gió chia làm sơ cấp gió thứ cấp Gió sơ cấp cấp phần oxy để tạo dòng xoáy ban đầu, gió thứ cấp cấp phần oxy lại (và dư hơn) đồng thời tạo xoáy ngược với xoáy đầu, làm cho trình cháy triệt để ổn định 32 Hình 4.3 Đầu đốt dầu với cánh xoáy gió sơ cấp, thứ cấp Các yêu cầu an toàn: Các đốt đại chạy tự động, đảm bảo hoạt động bình thường tích hợp chức an toàn Tự động quạt thổi gió khỏi buồng đốt khoảng phút sau tự động bật lửa mồi cấp nhiên liệu vào, lửa không cháy lên sau giây nhiên liệu bị cắt hệ báo lỗi làm việc Tự động điều chỉnh tỷ lệ gió/nhiên liệu theo thay đổi công suất đốt hoạt động Thường xuyên theo dõi lửa, cắt nhiên liệu phát tín hiệu báo động lửa Khi ngừng đốt cho quạt gió chạy tiếp khoảng phút 33 Chương CÔNG NGHỆ ĐỐT NHIÊN LIỆU RẮN 5.1 Giới thiệu Nhiên liệu rắn loại nhiên liệu có từ cổ phổ biến vào bậc Đầu tiên củi gỗ, sau loại thực vật than củi Than đá mở đầu thời đại công nghiệp hoá Các tên lửa nhiên liệu rắn thiết bị tối tân bậc ngày Các ví dụ hoả hoạn, cháy rừng, cho ta tranh sức mạnh trình cháy chất rắn Dưới tác dụng nhiệt độ cao số chất rắn thăng hoa (naphtalene, long não…), số chảy lỏng bay Ngọn lửa nhiên liệu loại nằm pha khí, dừng cách mặt rắn khoảng ngắn bao bọc quanh mặt Nó giống với lửa giọt nhiên liệu lỏng Phần lớn than đá bị nhiệt phân phần, biến thành khí đưới tác dụng nhiệt độ cao Phần gọi chất bốc Phần lại carbon dạng rắn Than trẻ tuổi địa chất chứa nhiều chất bốc, carbon cứng Than gầy (anthracite) có chất bốc nhất, có thành phần (hàm lượng) carbon cao loại than 5.2 Đặc tính nhiên liệu rắn Thành phần: Phân tích sơ (proximate analysis): tìm độ ẩm, phần chất bốc, phần carbon rắn độ tro Phân tích cuối (ultimate analysis) : tìm thành phần khối lượng C, S, H, O tro than, đơn vị đo % khối lượng Nhiệt trị: nhiệt trị thấp LHV; nhiệt trị cao HHV Than tiêu chuẩn: kgCE, TCE (kg of coal equivalent, ton of coal equivalent) Tro: tính chất theo nhiệt độ, nhiệt độ biến dạng mềm, nhiệt độ nóng chảy Phải biết tính chất tro để chọn phương án thải xỉ thích hợp buồng đốt công nghiệp khối lượng tro thải lớn, đạt nhiều tấn/h 5.3 Tính toán lượng không khí lý thuyết khói Từ phương trình : C + O2 = CO2 12 kg + 32 kg = 44 kg hay 1kg + (23/12 = 2.67) = 3,67kg Tức kg C cần 2,67 kg oxy hay 2,67/0,233 = 11,445 kg không khí vừa cháy hết, cho 12,445kg khói H2 +1/2 O2 = H2O kg + 16 kg = 18 kg hay kg + kg = kg Tức kg H cần kg oxy hay 8/0,233=34,33 kg không khí vừa cháy hết, cho 35,33 kg khói S + O2 = SO2 32 + 32 = 64 hay 1kg S cần kg oxy tức 1/0,233=4,29 kg không khí, cho 5,29 kg khói Khi biết thành phần làm việc theo % khối lượng nhiên liệu ta tính lượng không khí lý thuyết: V0kk = ((2,67 C + H + S) – O)/23,3 kgkk’/kgnl Công thức cho nhiên liệu rắn lỏng, thành phần khối lượng tính theo %, thành phần làm việc (đã loại ẩm tro khỏi nhiên liệu) Ví dụ: than có thnh phần làm việc 72% C, 13% H, 6% S v 9% O cần lượng không khí 34 V0kk = ((2,67x72 + 8x13 + 6) – 9)/23,3 = 12.585 kg/kg Lượng khói (thể tích tiêu chuẩn) tạo thành sau 1kg nhiên liệu cháy hết gồm: Thể tích nitơ V0N2 = 0,79 V0kk + 0,8 Nlv/100 m3tc/kg(nl) Thể tích loại khí nguyên tử: V0RO2 = 1,866 (Clv + 0,375 Slvc)/100 m3tc/kgnl Thể tích nước V0H2O = 0,111Hlv + 0,0124Wlv + 0,0161 V0kk m3tc/kgnl Thể tích khói lý thuyết: V0kh = V0N2 + V0RO2 + V0H2O m3/kg Thể tích khói thực với hệ số λ cho trước Vkh = V0N2 + V0RO2 + V0H2O + (λ - 1) V0kk m3/kg 5.4 Quá trình cháy hạt than Quá trình cháy than thực cháy hạt lớp hay đám, cần phải nghiên cứu qua hạt Quá trình cháy hạt than phân đoạn sau: + truyền nhiệt từ vào hạt than + phân huỷ phần chất bốc hạt + khuyếch tán chất bốc + khuyếch tán oxy vào phản ứng cháy + truyền nhiệt phản ứng cháy xung quanh + cháy khuyếch tán lõi carbon rắn lại Mơ hình nhiệt phân Nusselt (lõi teo dần – shrinking core) Quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn chừng mực nhìn nhận giống với mô hình nhiệt phân hạt theo Nusselt Các giả thiết cho mô hình hạt có hình cầu đường kính d0=2R, nhiệt độ ban đầu đồng T0, thời điểm t≥0 bề mặt hạt nâng nhiệt độ lên đến T∞ giữ ổn định đó; thông số vật lý hạt xem biết không đổi, nhiệt dẫn vào hạt làm nhiệt độ tăng lên Nếu nhiệt phân xảy nhiệt độ định Tp mặt có nhiệt độ tiến vào tận tâm hạt sau thời gian Vị trí (bán kính r) mặt đẳng nhiệt Tp theo thời gian tính qua công thức dẫn nhiệt không ổn định cho hình cầu là: T( r ,t )  T0 T  T0  R  (1) n nr sin exp[n 2 at / R ]  r n1 n R Năng suất phân huỷ trung bình hạt là: K W kg/s, Kp số phụ thuộc chất, W0 khối lượng W  P2 d0 ban đầu hạt Hạt nhỏ dễ phân huỷ để cháy, suất phát nhiệt từ m3 cao 5.5 Nghiền than (coal pulverization) Nghiền than hay biến bụi than bước quan trọng công nghệ đốt than Hạt than nhỏ dễ đốt cháy nhanh Bụi than cháy gần giống với bụi nhiên liệu lỏng Đốt than dạng bụi công nghệ đốt tốt công suất hiệu suất nhiệt, tổn thất hoá học học chuẩn bị Thiết bị: Bãi chứa, băng tải, máy nghiền, kho chứa bụi than Sấy than: trước đưa vào máy nghiền phải sấy than cho khô Tính nổ bụi than: bụi than không khí hỗn hợp có tính cháy nổ cao, nguy hiểm 35 Máy nghiền bi Máy nghiền trụ Hình 5.1 Máy nghiền than (biến bụi than) 5.6 Buồng đốt than 5.6.1 Buồng đốt lớp chặt, tĩnh + Thủ công, ghi cố định, lớp than cố định; nạp thêm than, chỉnh gió cào xỉ tay + Bán thủ công, ghi xích ưu điểm chi phí ban đầu thấp, đốt tất loại than, chế độ vận hành mềm dẻo nhựơc: công suất thấp, qui mô nhỏ; hiệu suất thấp (tổn thất cao) ô nhiễm 36 Hình 5.2 Cháy lớp tĩnh, than cục ghi cố định 5.6.2 Buồng đốt tầng sôi Kiểm soát/gia công kích thước than trước vào lò, tầng sôi hoạt động hạt than nằm vùng kích thước định Các hạt cháy tầng giả lỏng (tầng sôi), nhiệt độ lớp đồng Nhiệt độ lớp sôi phải thấp nhiệt độ mềm xỉ (chống bết dính) 5.6.3 Buồng đốt than bụi Là kiểu đốt đại + Hệ thống nghiền than (kho bãi, tiếp nhận, tải, nghiền, kho chứa ) + Hệ thống làm nóng không khí quạt gió + Vòi phun, tạo xoáy, giống đốt dầu Đốt bụi than ứng dụng nhà máy nhiệt điện đại, có công suất lớn, hiệu suất cao, điều khiển tăng giảm lửa dễ dàng (tốt) Hình 5.3 Đốt bụi than Tóm lại: Mục đích công nghệ đốt nhiên liệu tạo trường nhiệt độ mong muốn (có thể thay đổi dễ dàng theo thời gian) với nhiên liệu (kinh tế nhất), đồng thời ô nhiễm Ngắn gọn nhất, muốn cháy phải có yếu tố: nhiên liệu, oxy nhiệt độ cao Muốn dập lửa phải cắt giảm yếu tố tốt đồng thời giảm Tài liệu tham khảo: 37 KANURY, M A (1982), Introduction to Combustion Phenomena, Gordon and Breach, New York GLASSMAN, I (1977), Combustion, Academic Press, New York KUO, K (2005), Principles of combustion, John Willey, New York 38