Kỹ thuật cháy - P2

CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN Chương 1. Đại cương về buồng lửa Chương 2. Nhiên liệu và quá trình cháy nhiên liệu Chương 3. Kỹ thuật cháy nhiên liệu khí Chương 4. Kỹ thuật cháy dầu Chương 5. Kỹ thuật cháy tha

13 1.5. Đặc điểm của các quá trình cháy nhiên liệu 1.5.1. Vùng động học và khuyếch tán của phản ứng: 1.5.1. Cháy nhiên liệu rắn: 1.5.2. Cháy nhiên liệu lỏng: 1.5.3. Cháy nhiên liệu khí: 1.6. Hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học 1.6.1. Định luật Hess. 1.6.2. ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học. (Sự phụ thuộc của hiệu quả nhiệt phản ứng hóa học vào nhiệt độ). Hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ tiến hành phản ứng. Giá trị của hiệu quả nhiệt ở nhiệt độ khác nhau có ý nghĩa thực tế rất lớn khi tính toán cân bằng hóa học và tính tổn thất nhiệt do phân hủy các sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao. Từ (1-46) và (1-47) ta có: 21vUUQ = (c) 21pIIQ = (d) Tiến hành lấy vi phân các phơng trình (c) và (d) theo nhiệt độ khi v = const và p = const ta đợc: 2v1vv2v1vvCCTUTUTQ== (1-49) 21ppp2p1ppCCTITITQ== (1-50) ở đây: 11pvCC- nhiệt dung mol tổng của các chất ban đầu, 22vpC,C- nhiệt dung mol tổng của sản phẩm phản ứng. Các phơng trình (1-49), (1-50) là biểu thức toán học của định luật Kirshhof. Đối với nhiều phản ứng hoá học, hiệu quả nhiệt rất ít phụ thuộc vào nhiệt độ và trong các tính toán thực tế ta có thể coi là không đổi. 1.7. Sự nổ nhiệt và sự cháy kích nổ của các chất khí 1.7.1. Sự nổ do nhiệt. Quá trình cháy trong không gian tự do: Khi đốt các chất khí cháy trong dòng thì chất khí và không khí hay hỗn hợp đã đợc chuẫn bị sơ bộ trớc sẽ đợc cấp liên tục vào mặt ngọn lửa đứng yên, còn các sản phẩm cháy đợc rút đi liên tục khỏi mặt ngọn lửa. Khi đó quá trình cháy diễn ra ở áp suất không đổi. Quá trình cháy trong không gian kín: Quá trình cháy hỗn hợp chứa trong bình kín, V=const có đặc điểm hoàn toàn khác. Nếu toàn bộ hỗn hợp đợc nung đến nhiệt độ tự bốc cháy hoặc đợc đốt mồi ở một điểm nào đó thì phản ứng cháy sẽ xẩy ra rất nhanh và áp suất trong hệ sẽ tăng lên đáng kể. Phản ứng này đợc gọi là sự nổ do nhiệt. 14Khi giả thiết quá trình cháy là quá trình đoạn nhiệt, ta có thể xác định nhiệt độ nổ theo công thức sau: tnổ ==+++iinm2211CmQCm CmCmQ , (1-51) Trong đó: Q là tổng của nhiệt lợng và nội năng của hỗn hợp cháy; mi- số mol sản phẩm cháy; Ci - nhiệt dung riêng mol ở áp suất không đổi. áp suất khi nổ hỗn hợp cháy đợc xác định theo công thức: Pnổ = P0. nm.TT0nỗ (1-52) ở đây: T0 và Tnổ là nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cháy và nhiệt độ nổ 0K; p0 và pnổ là áp suất ban đầu của hỗn hợp và áp suất khi nổ, bar n và m là số mol của hỗn hợp trớc và sau khi nổ. Trong các hỗn hợp hợp thức của khí và không khí ta có áp suất khí nổ không vợt quá 10 bar. 1.7.2. Sự kích nổ. Khi đốt cháy hỗn hợp khí ở một khu vực nhất định, ví dụ ở một đầu của ống thì đặc tính cháy hỗn hợp khí trong ống ngắn và trong ống dài sẽ khác nhau. Khi cháy hỗn hợp khí trong ống dài, lúc đầu sự lan truyền ngọn lửa tơng tự nh ở ống ngắn, nhng sau đó trên chiều dài bằng khoảng cách 10 lần đờng kính ống tốc độ lan truyền ngọn lửa sẽ rất lớn đến hàng nghìn mét trong một giây. Hiện tợng này gọi là sự kích nổ. Sự kích nổ xẩy ra do nén đoạn nhiệt các lớp khí nằm phía trớc và do xẩy ra sự tự bốc cháy từ lớp này đến lớp khác. Sự kích nổ đợc lan truyền đi dới dạng sóng kích nổ. 1. Sóng kích nổ đợc lan truyền với tốc độ không đổi. 2. Tốc độ sóng kích nổ phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và loại hỗn hợp cháy. 3. Vật liệu làm ống không có ảnh hởng đến tốc độ sóng kích nổ. 4. Tốc độ kích nổ không phụ thuộc vào đờng kính ống nếu đờng kính này không quá nhỏ. 5. Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cháy thực tế không có ảnh hởng đến tốc độ kích nổ. Các số liệu về tốc độ sóng kích nổ và áp suất trong sóng kích nổ đợc cho trong bảng 1-2. Bảng 1-2. Tốc độ sóng kích nổ của hỗn hợp các khí cháy với không khí Tên chất khí Tốc độ sóng kích nổ, m/s áp suất trong sóng kích nổ, bar Hydro Axêtylen Metan Cacbon oxyl 2821 2450 2322 1930 20,4 34,0 31,0 23 Sự kích nổ có sức công phá lớn hơn nhiều lần so với sự nổ nhiệt. 15 1.8. Buồng lửa và các quá trình xấy ra trong buồng lửa. 1.8.1. Buồng lửa Buồng lửa, là không gian giới hạn trong đó xảy ra quá trình cháy và quá trình trao đổi nhiệt, tức là một thiết bị trao đổi nhiệt có nguồn nhiệt bên trong. Trong thực tế nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt, giảm kích thớc của thiết bị, giảm chi phí vật t hoặc do yêu cầu đặc thù của các quá trình công nghệ, buồng lửa đợc thiết kế, chế tạo để có thể đảm nhận một hoặc các chức năng sau đây: - Chức năng của thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nhiệt năng vừa đợc giải phóng từ các phản ứng cháy đợc truyền trực tiếp cho vật cần gia nhiệt trong các lò công nghiệp, cho nớc, hơi nớc trong các lò hơi, cho chất mang nhiệt trung gian (không khí, nớc .) hay cho môi trờng xung quanh (khi dùng lò sởi đốt trực tiếp). - Chức năng của một thiết bị công nghệ nh thiết bị sinh hơi, nấu chảy, lò phản ứng, thiết bị gia nhiệt . Phần lớn các buồng lửa đều là thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN), nhng chúng khác với các thiết bị trao đổi nhiệt thông thờng ở chỗ lợng nhiệt truyền không phải do chất lỏng nóng mang vào mà đợc giải phóng ngay trong thiết bị nhờ các phản ứng ôxy hoá nhiên liệu. Tức là chất lỏng nóng chứa nguồn nhiệt bên trong. 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. Ngợc lại, trong các buồng lủa - TBTĐN, nhiệt độ đồng thời bị chi phối bởi quá trình giải phóng năng lợng qua phản ứng cháy và quá trình truyền nhiệt, do đó nhiệt độ của chất lỏng nóng có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tơng quan giữa hai quá trình này: nhiệt độ tăng khi lợng nhiệt đợc giải phóng lớn hơn lợng nhiệt truyền cho chất lỏng lạnh và ngợc lại. Nhìn chung sự phát nhiệt trong ngọn lửa ở phần đầu lớn hơn phần cuối, trong khi sự cấp nhiệt từ ngọn lửa đạt cực đại vào khoảng giữa, do đó nhiệt độ của sản phảm cháy lúc đầu tăng lên, đạt cực đại, sau đó giảm xuống. Nhiệt độ cực đại đạt đợc ở vị trí mà tại đó lợng nhiệt phát bằng lợng nhiệt cấp. Có nhiều cách điều chỉnh phân bố nhiệt độ, nhng quan trọng nhất là cách điều chỉnh thông qua việc thay đổi vận tốc phát nhiệt, đặc trng bằng sự phân bố hệ số cháy kiệt (đờng cong cháy) tức là điều khiển quá trình cháy. Đây là vấn đề có ý nghĩa cốt lõi trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo và vận hành các buồng lửa - TBTĐN, vì ý nghĩa kinh tế kỹ thuật trong trờng hợp này đợc quyết định không phải chỉ ở lợng nhiệt đợc sinh ra. Điều này liên quan đến hàng loạt vấn đề nh: - Hình dáng, kích thớc buồng lửa; - Tính chất nhiệt vật lý của tờng bao; - Cách bố trí vật nhận nhiệt, chất tải nhiệt; - Loại và số lợng ngọn lửa; - Hình dạng ngọn lửa, phân bố hệ số cháy kiệt và độ đen dọc theo chiều dài ngọn lửa; - Cấu trúc của vòi phun; - Vấn đề 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 u chỉ có thể từng bớc đợc giải quyết trên cơ sở xem xét và tính đến một cách toàn diện những vấn đề trên đây. Để thấy rõ hơn điều này, hãy xem xét hai phơng trình cơ bản của TBTĐN là phơng trình cân bằng và phơng trình truyền nhiệt: QN = QC - QW - QA (1-53) 16 QN = k . F . t (1-54) QW = kW . FW . t (1-55) Trong đó : QN - nhiệt hữu ích (cung cấp cho vật cần gia nhiệt). QW - nhiệt tổn thất qua tờng bao. QC - nhiệt cung cấp theo chất lỏng nóng. QA - nhiệt vật lý của sản phẩm cháy (SPC). k, kW - hệ số truyền nhiệt giữa SPC, ngọn lửa và tờng buồng đốt hoặc vật nung. F, FW - diện tích truyền nhiệt (bề mặt nung, tờng lò). t - độ chênh nhiệt độ trung binh giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt. Khó khăn lớn nhất trong việc tính toán theo các phơng trình trên đây là do trờng nhiệt độ trong buồng lửa là trờng ba chiều nên các đại lợng phụ thuộc vào nhiệt độ (hệ số cháy kiệt, hệ số truyền nhiệt, độ đen .) cũng là những vectơ ba chiều. Các đại lợng này liên quan chặt chẽ với các đặc trng buồng lửa đã kể ở trên và việc xác định chính xác chúng là điều hết sức khó khăn cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. 1.8.2. Các quá trình trong buồng lửa. Quá trình cháy trong buồng lửa là một quá trình rất phức tạp, bao gồm nhiều quá trình: tạo hỗn hợp, đốt nóng hỗn hợp, cháy phát nhiệt, cấp nhiệt (truyền nhiệt) cho môi chất. . . . . Vì các quá trình này không hoàn toàn giống nhau đối với các loại nhiên liệu, do đó dới đây chỉ đề cập tới những quá trình cơ bản nhất, xảy ra khi đốt cháy mọi nhiên liệu trong buồng lửa. Các quá trình có tính đặc thù khi cháy nhiên liệu lỏng, rắn sẽ đợc trình bày chi tiết ở các chơng 4 và 5. 1.8.2.1. Qúa trình hỗn hợp nhiên liệu và chất ôxy hoá. Quá trình cháy hoàn toàn và có hiệu quả nhất chỉ có thể xảy ra khi nhiên liệu và chất oxy hoá đợc hỗn hợp đồng đều ở mức phân tử. Trong các buồng lửa công nghiệp, chất ôxy hoá phổ biến nhất là ôxy của không khí, quá trình cháy lý tởng là quá trình có tỉ lệ của hỗn hợp nhiên liệu/không khí đạt giá trị tối u. Thời gian để thực hiện quá trình pha trộn này dài hơn so với những quá trình khác nh quá trình bắt lửa, quá trình phản ứng và nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10 giây. 1.8.2.2. Qúa trình đốt nóng hỗn hợp nhiên liệu và không khí tới nhiệt độ bắt lửa. Nh đã nghiên cứu ở 1.2.2. để quá trình cháy xẩy ra thì nhiệt độ hỗn hợp phảI đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy. Nhiên liệu, không khí hoặc hỗn hợp của chúng phải đợc nung nóng đến nhiệt độ này thì phản ứng mới xảy ra đợc. Khi khởi động, năng lợng bắt lửa phải đợc cấp từ bên ngoài, nh bằng tia lửa điện, bằng ngọn lửa phụ. Khi quá trình cháy đã xảy ra thì năng lợng bắt lửa cho phần hỗn hợp mới đa vào buồng lửa đợc lấy từ vùng phản ứng hoặc từ vách buồng lửa nhờ các phơng thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lu và bức xạ. Khi đốt những nhiên liệu chất lợng kém, thấp khó cháy (nh khi đốt rác, phế thải công nghiệp), vì nhiệt trị thấp nên phải thờng xuyên có ngọn lửa để đảm bảo cho việc bắt lửa. 1.8.2.3. Phản ứng cháy và phát nhiệt. 17 Ngọn lửa là một dòng vật chất hỗn hợp 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 các phản ứng cháy và hiện tợng phát sáng đều rất không tập trung. 1.8.2.4. Quá trình truyền nhiệt Nhiệt lợng toả ra khi cháy sẽ truyền từ ngọn lửa tới vật cần gia nhiệt, tờng bao và môi trờng, Quá trình truyền nhiệt này có ảnh hởng rất lớn tới chế độ thủy động và trờng nhiệt độ trong buồng lửa do đó có một số trờng hợp ngời ta tách rời quá trình truyền nhiệt khỏi buồng lửa nh trong trờng hợp các buồng lửa hai buồng. Mục đích của việc tách biệt này là để tránh tác động có hại của các phản ứng cháy tới vật cần gia nhiệt hoặc để tạo ra một dòng sản phẩm cháy có nhiệt độ rất cao trong không gian buồng lửa. * Buồng lửa không hỗn hợp trớc. Quá trình hỗn hợp nhiên liệu và không khí xảy ra trong buồng lửa. Vì sự hỗn hợp đợc thực hiện nhờ quá trình khuyến tán (tầng hoặc rối) trong buồng lửa, nên trong trờng hợp này ngọn lửa đợc gọi là ngọn lửa không hỗn hợp trớc (ngọn lửa khuyết tán). Loại này thờng dùng cho nhiên liệu rắn hoặc lỏng. * Buồng lửa hỗn hợp trớc. Đây là loại buồng lửa chỉ dành riêng cho nhiên liệu khí. Quá trình hỗn hợp đợc thực hiện ngoài buồng lửa. Ngọn lửa trong trờng hợp này đợc gọi là ngọn lửa hỗn hợp trớc. Về nguyên tắc cũng có thể đốt nóng hỗn hợp nhiên liệu - không khí đến gần nhiệt độ bắt lửa trớc khi đa vào buồng đốt, nhng theo quan điểm an toàn, ngời ta thờng không thực hiện giải pháp này. Ngoài hai phơng pháp đã trình trên đây, trong thực tế còn có phơng pháp trung gian, theo đó quá trình hỗn hợp một phần đợc thực hiện ở ngoài, một phần ở trong buồng lửa. Diễn biến quá trình hỗn hợp và cháy trong buồng theo các phơng pháp này đợc trình bày trên hình 1.9. Dễ dàng thấy rằng theo chiều tiến triển của quá trình hỗn hợp chiều dài ngọn lửa bị rút ngắn dần lại. Đặc tính của ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái dòng. Tơng ứng với chế độ thuỷ 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. 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, thờng là ở áp suất khí quyển. Ơ đây không đề cập tới hiện tợng nổ, nó xuất hiện khi quá trình cháy tạo ra một sự tăng áp suất rất lớn. Nổ xuất hiện khi một lợng 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 đợc thiết kế và vận hành sao cho có sự lu thông tốt giữa sản phẩm cháy với môi trờng nhằm ngăn ngừa hiện tợng nổ. 18 Hình 1.9. Quá trình hỗn hợp một phần và cháy trong buồng . truyền nhiệt: QN = QC - QW - QA ( 1-5 3) 16 QN = k . F . t ( 1-5 4) QW = kW . FW . t ( 1-5 5) Trong đó : QN - nhiệt hữu ích (cung cấp. và nội năng của hỗn hợp cháy; mi- số mol sản phẩm cháy; Ci - nhiệt dung riêng mol ở áp suất không đổi. áp suất khi nổ hỗn hợp cháy đợc xác định theo công