Tài liệu tham khảo về giáo trình lò luyện kim
Chế độ lớp sôi 36
a) Điều kiện hình thành lớp sôi
Lớp sôi hình thành khi tốc độ khí trong lò đạt đến tốc độ tối thiểu cần thiết Khi tốc độ khí tiếp tục tăng, hiện tượng sôi xảy ra với cường độ lớn hơn, cho đến khi đạt đến tốc độ cực đại, tại đó hiện tượng sôi sẽ bị phá vỡ Để đặc trưng hóa trạng thái lớp sôi, người ta sử dụng chỉ số gọi là “số sôi,” được xác định theo công thức: \( W_{min} = \frac{W}{m_s} \).
Ws - tốc độ thổi của khí (ứng với lò rỗng) [m/s]
W min - tốc độ thổi tối thiểu để hình hành lớp sôi [m/s]
Hình 2.12 mô tả trạng thái của lớp sôi ứng với các giá trị khác nhau của số sôi: Hình 2.12a: bắt đầu hình thành lớp sôi, m s =1ữ2
Hình 2.12b: sự xáo trộn của vật liệu có thể nhận biết bằng mắt th−ờng, ứng với , thể tích lớp liệu tăng khoảng 15%
Hình 2.12 Trạng thái của lớp sôi ứng với các giá trị khác nhau của m s
Hình 2.12c: trong lớp liệu bắt đầu hình thành các khoảng trống gọi là bong bóng khí, ứng với m s Pữ100
Hình 2.12d cho thấy các bong bóng khí mở rộng chiếm toàn bộ tiết diện ngang của lò, khi m s > 50 đến 100, lớp sôi bị phá vỡ và bắt đầu hình thành lớp lơ lững.
Quan hệ giữa trở lực của lớp liệu (∆p), tốc độ thực của khí (W thực )và chiều cao lớp liệu (H) vào tốc độ thổi (W s ), trình bày trên hình 2.13
Lớp lơ lững Lớp sôi
Quan hệ giữa trở lực (∆p), tốc độ thực của khí (W thực) và chiều cao lớp liệu (H) ảnh hưởng đến tốc độ thổi (W s) trong các lò tiết diện tròn Tốc độ thổi tối thiểu (W min) được xác định theo công thức cụ thể.
- hệ số nhớt động của khí lò [m ν 2 /s] d - đ−ờng kính hạt liệu [m] r r min e 1400 5,22 A
A r - tiêu chuẩn achimed, xác định theo công thức:
= ν g - gia tốc trọng tr−ờng [m/s] ρ v , ρ k - khối l−ợng riêng của vật liệu và khí lò [kg/m 3 ]
Tốc độ W max xác định theo công thức: d
= + b) Trao đổi nhiệt trong lớp sôi
Liệu của lớp sôi có kích thước hạt nhỏ, được xem là liệu mỏng, và quá trình trao đổi nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào sự trao đổi nhiệt bên ngoài Bên cạnh đó, do liệu được xáo trộn mạnh, vai trò của truyền nhiệt bức xạ cũng trở nên quan trọng trong quá trình này.
Hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi xác định theo công thức: k td ud
Trong đó: dtđ - dường kính tương đương của hạt liệu: v td n
= π n - số l−ợng hạt trong thể tích khảo sát
G - tổng khối l−ợng của các hạt trong thể tích khảo sát [kg] ρ V - khối l−ợng riêng của vật liệu [kg/m 3 ] λ k - hệ số dẫn nhiệt của khí [W/m.độ]
Giá trị của N u phụ thuộc vào giá trị của tiêu chuẩn F e (tiêu chuẩn Fedorob) có giá trị xác định theo công thức sau: k k v td 2 e
R W c) Lĩnh vực ứng dụng của lớp sôi
Chế độ lớp sôi được ứng dụng để sấy và gia công vật liệu dạng hạt kích thước nhá
Các lò sấy: lò sấy cát, vật liệu chịu lửa, sấy hạt nông sản …
Các lò gia công vật liệu: lò gia công quặng sunfat nikel, phế thải pirit sau khi tuyển nổi, các lò nung manhêdit, đôlômit …
Chế độ lớp lơ lững 40
a) Đặc tính của lớp lơ lững
Khi m s > 50 đến 100, lớp lơ lững bắt đầu hình thành, cho thấy không có ranh giới rõ rệt giữa lớp sôi và lớp lơ lững Trong chế độ lớp lơ lững, mật độ hạt rất thấp và khoảng cách giữa các hạt lớn Trạng thái chuyển động của hạt phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của chúng.
Khi hạt có kích thước nhỏ hơn 0,001 mm, chuyển động của chúng được xem là chuyển động tự do hay chuyển động Brown Trong trường hợp này, các hạt này dễ dàng bị cuốn theo khí thải, dẫn đến tổn thất vật liệu đáng kể, vì vậy chế độ này ít được ứng dụng.
Khi hạt có kích th−ớc d=0,01ữ0,1 mm, có thể chia làm hai nhóm:
Nhóm các hạt nhỏ khi chuyển động sẽ đạt tới tốc độ ổn định khi lực nâng của dòng khí (lực Stoke) cân bằng với lực gây chuyển động như trọng lượng của hạt và lực đẩy Achimed Đối với nhóm này, giá trị R e nhỏ hơn 0,15, và chuyển động của các hạt được mô tả bởi phương trình e r R.
Nhóm các hạt lớn không thể đạt tới tốc độ ổn định khi lực nâng của dòng khí (lực Stoke) chưa đủ cân bằng với lực gây chuyển động Đối với nhóm này, giá trị Re lớn hơn 0,15, và chuyển động của các hạt được mô tả bởi phương trình đặc trưng.
4 Trong đó: k là hệ số trở lực b) Trao đổi nhiệt trong lớp lơ lững
Trong lớp lơ lửng, hạt có kích thước nhỏ và mỏng, cùng với khoảng cách giữa các hạt lớn, cho phép chúng ta thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng hạt trong lớp này.
Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa khí và liệu [W/m 2 o K]
C 1 - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ giữa khí và liệu [W/m 2 o K 4 ]
C2 - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ giữa liệu và tường lò [W/m 2 o K 4 ] q - hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học [j/kg]
V v , ρ v - thể tích [m 3 ] và khối l−ợng riêng của vật liệu [kg/m 3 ]
T k , T v , T T - nhiệt độ tuyệt đối của khí, vật liệu và tường lò [ o K] τ - thời gian lưu liệu trong lò [s]
Xét trao đổi nhiệt đối lưu trong lớp lơ lững, ta có: Đối với trường hợp đối lưu tự nhiên:
Khi G r E÷2500 : N u =1,4.G 0 r , 167 Đối với trường hợp đối lưu tự nhiên và cưỡng bức:
N = ÷ − − Đối với trường hợp đối lưu cưỡng bức, R e ữ400 :
Tốc độ của khí được xác định bằng hiệu số giữa tốc độ của khí và hạt liệu tại vị trí ra khỏi không gian làm việc của lò Lĩnh vực ứng dụng của tiêu chuẩn này rất đa dạng.
Chế độ lớp lơ lững được áp dụng rộng rãi trong các lò nung và sấy quặng sunfat, cũng như trong quá trình xử lý dung dịch cô đặc của sunfat kẽm, đồng, pirit và các chất thải pirit sau tuyển nổi.
Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt 41
Nhiên liệu dùng cho lò làm việc ở chế độ lớp có thể là nhiên liệu rắn, lỏng và khÝ
Phương pháp đốt trong lò chế biến vật liệu bao gồm chế độ lớp chặt và lớp sôi, trong đó nhiên liệu khí được thổi đồng thời với không khí qua ghi lò mà không cần hòa trộn trước Quá trình cháy diễn ra trong lớp liệu, với nhiên liệu lỏng cũng được thổi cùng không khí, một phần hóa khí và cháy, phần khác bám vào bề mặt hạt liệu Nhiên liệu rắn thường được nghiền nhỏ và trộn vào vật liệu trước khi đưa vào lò, với quá trình cháy xảy ra ngay trong lớp liệu Đặc biệt, trong lò thiêu kết quặng, nhiệt cung cấp chủ yếu từ các phản ứng hóa học, không cần thêm nhiên liệu Ở chế độ lớp lơ lửng, nhiên liệu được đốt trong buồng riêng và khí nóng được dẫn vào lò, giúp tận dụng nhiệt từ các phản ứng hóa học mà không cần cung cấp nhiệt bên ngoài.
Khái niệm chung 43
Mục đích của quá trình nung 43
Nung kim loại là một bước quan trọng trong sản xuất luyện kim, giúp tăng độ dẻo và khả năng biến dạng của kim loại trong gia công áp lực, từ đó nâng cao năng suất và giảm công suất thiết bị cũng như hao mòn dụng cụ Trong gia công nhiệt luyện, kim loại được nung đến nhiệt độ thích hợp để thay đổi tổ chức trước khi làm nguội Quá trình này diễn ra trong lò nung, với cường độ nung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất nhiệt, vật lý của kim loại và kích thước hình dạng của vật nung Việc xác định hợp lý cường độ và thời gian nung có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của lò.
Các hiện t−ợng xẩy ra khi nung kim loại 43 3.1.3 Chế độ nung khi nung kim loại 44 3.2 TÝnh toán thêi gian nung 45
Trong quá trình nung kim loại, có thể xảy ra nhiều hiện tượng không mong muốn như oxy hóa kim loại, thấm hoặc thoát carbon (đối với thép), quá nhiệt, cháy và nứt Những hiện tượng này phụ thuộc vào loại kim loại và điều kiện nung, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Hiện tượng oxy hóa xảy ra trong môi trường nhiệt độ cao và tác động của khí lò, dẫn đến việc kim loại ở lớp bề mặt bị oxy hóa và gây ra sự cháy hao kim loại Lượng kim loại bị hao hụt trong quá trình nung để cán và rèn khoảng 1-2%, trong khi nung để nhiệt luyện dao động từ 0,5-1,0% Tốc độ oxy hóa của kim loại tăng mạnh khi nhiệt độ vượt quá 800 °C, đặc biệt đối với các chi tiết bằng thép.
Hiện tượng thoát carbon xảy ra ở các chi tiết bằng thép, trong đó quá trình oxy hóa diễn ra song song với quá trình khử carbon Các phản ứng khử carbon diễn ra như sau:
Hiện tượng nứt trong quá trình nung kim loại xảy ra khi tốc độ nung quá lớn, dẫn đến ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp kim loại Để tránh nứt, các loại thép có hàm lượng cacbon cao và thép hợp kim nên được nung với tốc độ chậm ở nhiệt độ dưới 500°C Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, cần nung với tốc độ lớn để giảm cháy hao và tăng năng suất Nếu nhiệt độ nung không được chọn hợp lý, kim loại có thể bị quá nhiệt hoặc cháy, làm giảm chất lượng sản phẩm và gây ra phế phẩm.
3.1.3 Chế độ nung khi nung kim loại
Chế độ nung kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cường độ nung, được thể hiện qua các giản đồ nung mô tả sự biến đổi nhiệt độ của lò và kim loại theo thời gian Việc lựa chọn chế độ nung hợp lý không chỉ nâng cao tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng sản phẩm mà còn mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể.
Tùy thuộc vào tính chất của kim loại, hình dáng, kích thước và nhiệt độ yêu cầu sau khi nung, có thể áp dụng nhiều chế độ nung khác nhau Hình 3.1 minh họa một số giản đồ nung với các chế độ nung điển hình.
Hình 3.1 Giản đồ nung a) Nung 1 giai đoạn b) Nung 2 giai đoạn c) Nung 3 giai đoạn
Giản đồ hình 3.1a mô tả quá trình nung một giai đoạn, thường được áp dụng cho các vật nung mỏng hoặc các vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt lớn, dẫn đến trở nhiệt nhỏ.
Giản đồ nung hai giai đoạn, như thể hiện trong hình 3.1b, thường được áp dụng cho các vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt cao Điều này cho phép đạt được độ chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và tâm của vật nung sau khi hoàn tất quá trình nung.
Giản đồ hình 3.1c mô tả quá trình nung ba giai đoạn với giai đoạn giữ nhiệt, phù hợp cho các vật nung dày có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) Phương pháp này giúp đảm bảo độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của vật nung sau khi kết thúc quá trình nung là nhỏ.
Khi xây dựng giản đồ nung, việc chọn nhiệt độ lò cao và cường độ nung lớn có thể giúp giảm thời gian nung và hao hụt kim loại, nhưng lại dễ dẫn đến nứt và quá nhiệt kim loại, đặc biệt trong giai đoạn nhiệt độ thấp Ngược lại, nếu chọn nhiệt độ lò thấp và cường độ nung nhỏ, thời gian nung sẽ kéo dài, làm tăng oxy hóa ở nhiệt độ cao và giảm năng suất.
3.2 Tính toán thời gian nung
Các điều kiện giới hạn khi nung 45 3.2.2 Ph−ơng pháp tÝnh 46
Tính toán quá trình nung kim loại liên quan tới việc giải ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt dẫn nhiệt (ph−ơng trình Phu-ri-ê) có dạng:
Trong đó a là hệ số truyền nhiệt độ: ρ
Nghiệm của phương trình (3.1) xác lập mối quan hệ giữa sự thay đổi của nhiệt độ của vật thể theo thời gian và không gian:
Nghiệm cụ thể của phương trình nhiệt phụ thuộc vào các điều kiện giới hạn, bao gồm trạng thái nhiệt độ ban đầu của vật thể, kích thước hình học của nó, và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể và môi trường xung quanh Điều kiện ban đầu xác định sự phân bố nhiệt độ của vật thể tại thời điểm τ = 0, được biểu thị bởi hàm số có dạng t ® = f(x, y, z, 0).
Trong trường hợp đơn giản nhất, nhiệt độ ban đầu của vật thể ở mọi điểm là đồng nhất, tức là t® = t0 = const Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu không ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ của vật thể, do đó điều kiện giới hạn về thời gian có thể bỏ qua Điều kiện biên được xác định là các điều kiện giới hạn về không gian và được chia thành ba trường hợp khác nhau.
Điều kiện biên loại 1 liên quan đến chế độ nhiệt độ của bề mặt vật thể, cho phép xác định sự thay đổi nhiệt độ bề mặt theo thời gian, được biểu diễn qua mối quan hệ t m = f(τ).
Ví dụ nhiệt độ bề mặt vật thể tăng theo hàm số bậc nhất: t m = C n τ hay t m = t ® + C n τ (3.6) Trong đó C n là tốc độ nung [ o C/s]
- Điều kiện biên loại 2: cho tr−ớc dòng nhiệt đi qua mặt vật thể q = f(τ) hay q = const (3.7)
- Điều kiện biên loại 3: Cho chế độ nhiệt độ của nguồn nhiệt và quy luật truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật thể t lò = f(τ) hay t lò = const (3.8)
Việc xác định thời gian nung trong các phương trình vi phân truyền nhiệt thường gặp nhiều khó khăn, đặc biệt trong các trường hợp tổng quát Tuy nhiên, đối với những hình dạng đơn giản như hình tấm, hình trụ hay hình cầu, có thể áp dụng các giả thiết gần đúng để tính toán với độ chính xác chấp nhận được Bài viết này sẽ khảo sát một số trường hợp điển hình trong việc tính toán thời gian nung kim loại trong lò Để thực hiện các phép tính, vật nung thường được phân loại thành hai loại chính: vật mỏng và vật dày.
Các vật nung được xem là vật mỏng khi có trở nhiệt nhỏ, với tỉ số giữa chiều dày và hệ số dẫn nhiệt x → 0 Đây là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt lớn hoặc có chiều dày nhỏ Trong trường hợp này, nhiệt độ của vật thể gần như đồng nhất và chỉ phụ thuộc vào thời gian.
Các vật dày là những vật có trở nhiệt lớn ( → λ x có giá trị đáng kể), nhiệt độ vật nung phụ thuộc toạ độ điểm khảo sát và thời gian:
Trong quá trình nung, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của vật liệu là yếu tố quan trọng không thể bỏ qua Để xác định giới hạn giữa vật mỏng và vật dày, người ta thường áp dụng tiêu chuẩn Bi (tiêu chuẩn Bi-ô), với tham số λ là yếu tố quyết định.
Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt [W/m 2 độ] λ - hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ] x - tọa độ điểm khảo sát [m]
Khi giá trị Bi < 0,25, vật nung được gọi là vật mỏng; Bi > 0,5 thì gọi là vật dày, còn Bi = 0,25 - 0,5 được coi là vật trung bình, nhưng trong tính toán thường áp dụng theo vật dày Để tính thời gian nung cho các vật mỏng với điều kiện biên loại 3, người ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, trong đó mỗi giai đoạn coi nhiệt độ lò và nhiệt độ vật là không đổi và lấy giá trị trung bình Tổng thời gian nung được xác định theo công thức cụ thể.
Khi đó thời gian nung với mỗi giai đoạn tính theo công thức:
Trong bài viết này, các yếu tố quan trọng liên quan đến tính toán nhiệt của vật liệu được nêu rõ, bao gồm: x - chiều dày quy dẫn (m), ρ - khối lượng riêng của vật liệu (kg/m³), c - nhiệt dung của vật liệu (Kcal/kg °C), k - hệ số hình dạng (với k = 1 cho dạng tấm và k = 2 cho dạng trụ), và α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt (Kcal/m².h °K) Những thông số này là cần thiết để hiểu và áp dụng trong các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến nhiệt học vật liệu.
Ftđ, Ftc - thông số nhiệt độ, tra theo biểu đồ (hình 3.2 và 3.3) ứng với nhiệt độ đầu và cuối giai đoạn
Các thông số vật lý trong biểu thức chọn theo nhiệt độ trung bình
Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi t k Bi th , vật nung coi là vật dày
- Tính nhiệt độ tương đối của mặt tấm:
- Tính thời gian nung giai đoạn 1:
Biết Bi 1 = 0,57, φ m1 = 0,15 tra biểu đồ Fo m =(Bi 1 ,φ m 1 ) xác định đ−ợc và tính đ−ợc thời gian nung:
- Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn:
Biết Bi, Fo tra biểu đồ ⎟⎟
Bi xác định đ−ợc φ t 1 =0,2 và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn:
- Nhiệt độ trung bình của khí lò:
- Nhiệt độ trung bình của kim loại:
Tra bảng ta có: ρ 2 v96 [kg/m 3 ], λ 2 $,5 [Kcal/m.h o C], c 2 =0,165 [Kcal/kg o C] và tính đ−ợc a 2 = 0,02 [m 2 /h]
- Hệ số truyền nhiệt bức xạ:
Lấy α 2 , dl =0,05.α 1 , bx , ta tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng:
- Tính nhiệt độ tương đối của mặt tấm:
- Tính thời gian nung giai đoạn:
Biết Bi 2 = 1,49, φ m2 = 0,43 tra biểu đồ Fo m =(Bi 2 ,φ m 2 ) xác định đ−ợc Fo 2 =0,5 và tính đ−ợc thời gian nung:
- Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn:
Biết Bi 2 , Fo 2 tra biểu đồ φ t =(Bi 2 ,Fo 2 ) xác định đ−ợc φ t 2 =0,6 và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn:
944 1350 ( 1350 ). t t ( t tt 2 = k 2 − k 2 − t 1 φ t 2 = − − = [ o C] c) Tính thời gian giữ nhiệt
- Nhiệt độ trung bình của khí lò:
1250 tk 3 = [ o C] Độ chênh nhiệt độ giữa mặt và tâm cho phép 3 o C/cm:
∆ , tra biểu đồ (3.8) nhận đ−ợc Fo = 0,5, tính đ−ợc:
Vậy thời gian nung tổng cộng:
Nhiên liệu 57
Khái niệm chung 57
Nhiên liệu là chất liệu khi cháy sinh ra nhiệt lượng lớn, có thể được sử dụng hiệu quả trong công nghệ và đời sống Để được coi là nhiên liệu, chất liệu này cần đáp ứng một số yêu cầu chung nhất định.
Sản phẩm cháy của nhiên liệu cần ở dạng khí để di chuyển hiệu quả trong lò, truyền nhiệt cho vật nung và thoát ra dễ dàng, từ đó đảm bảo phản ứng cháy của nhiên liệu tiếp tục diễn ra.
Sản phẩm cháy an toàn, không gây hại cho vật liệu gia công và thiết bị, đồng thời không độc hại đối với con người và các sinh vật xung quanh.
+ Có thể khống chế đ−ợc quá trình cháy
+ Trữ l−ợng lớn và giá thành khai thác, chế biến thấp
Chỉ những chất hữu cơ, bao gồm carbon và hydro, mới đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất nhiệt và sản phẩm cháy Khi carbon và hydro bị oxy hóa, chúng tạo ra nhiệt lượng lớn và sản phẩm cháy ở dạng khí, với nồng độ thấp, là khí không độc hại.
Các loại nhiên liệu 57
- Căn cứ vào nguồn gốc hình thành, nhiên liệu đ−ợc phân ra: thiên nhiên, nhân tạo
Nhiên liệu được phân loại dựa trên trạng thái của chúng thành ba loại chính: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí Các loại nhiên liệu này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp, như được trình bày trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 Phân loại nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp
Rắn Củi, gỗ, than bùn, than nâu, than khãi, than ¨ngtraxit,
Than củi, than cốc, than bụi,
Lỏng Dầu mỏ ét xăng, dầu hoả, mazut,
Khí Khí đốt thiên nhiên Khí đốt lò cốc, khí lò cao, khí lò sinh khÝ, b) Nhiên liệu rắn
- Nhiên liệu rắn thiên nhiên: gồm các loại gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than antraxit
Gỗ chủ yếu được cấu thành từ xen-luy-lô, nước và một số oxyt kim loại kiềm Thành phần nguyên tố trong gỗ bao gồm: 49,4-50,4% carbon (C), 5,9-6,1% hydro (H), 42,7-43,9% oxy (O) và 0,7-1% nitơ (N) Nhiệt trị của gỗ dao động từ 1.878 đến 4.460 Kcal/kg.
Gỗ có hàm lượng chất bốc cao (khoảng 80 %) dễ cháy, không chứa lưu huỳnh, hàm l−ợng tro nhỏ (A = 0,7 ữ 1,2 %), nh−ợc điểm của gỗ là chứa nhiều n−ớc (gỗ t−ơi
W = 40 ữ 60 %, gỗ khô W = 30%), nhiệt trị của gỗ thấp ( khi w = 50 %, Q d 78 Kcal/kg), khối l−ợng thể tích nhỏ nên chi phí vận chuyển cao
Gỗ từng là nguồn nhiên liệu phổ biến trong quá khứ, nhưng hiện nay, nó đã trở thành nguyên liệu quý giá cho nhiều ngành công nghiệp khác, dẫn đến việc hạn chế sử dụng gỗ làm nhiên liệu.
Than bùn là loại than trẻ tuổi nhất, được hình thành từ thực vật và có hàm lượng nước cao, với độ ẩm từ 85% đến 91% khi mới khai thác Sau khi phơi khô kỹ, than bùn vẫn giữ lại từ 30% đến 40% độ ẩm Khối lượng thể tích của loại than này dao động từ 325 đến 425 kg/m³ Thành phần nguyên tố trung bình của than bùn gồm 57,8% carbon (C) và một tỷ lệ hydrogen (H) nhất định.
Than bùn có nhiều ưu điểm như dễ bốc cháy, chứa ít lưu huỳnh và dễ khí hóa Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như khối lượng thể tích nhỏ, độ bền cơ học thấp, nhiệt trị không cao và điểm chảy của tro thấp Loại than này thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp địa phương, gần khu vực khai thác.
Than nâu là loại than được hình thành từ than bùn trải qua quá trình biến đổi hoàn tất, chuyển từ thực vật sang khoáng vật Thành phần nguyên tố của than nâu bao gồm: %C từ 72 đến 78, %H từ 4,4 đến 5,6, %O từ 15 đến 21, %N từ 1,3 đến 1,5 và %S là 0,4.
So với than bùn, than nâu có thành phần các bon cao hơn, khối l−ợng thể tích từ
800 ữ 900 kg/m 3 , độ bền cơ học cao hơn, hút nước ít hơn, thành phần chất bốc thấp hơn
Than nâu có thể đ−ợc dùng làm nhiên liệu cho các lò nhiệt độ không cao, khí hoá để sản xuất khí đốt
Than khói là loại than có quá trình các bon hoá hoàn thiện hơn, với độ hút nước thấp, lượng chất bốc giảm và độ bền cơ học cao Than khói được phân loại thành các loại như than lửa dài, than khí đốt, than béo, than luyện cốc và than gầy Trong đó, than lửa dài và than khí đốt có hàm lượng chất bốc cao, tạo ra ngọn lửa dài khi cháy, thường được sử dụng để đốt trực tiếp hoặc chế tạo khí đốt Than béo được sử dụng một phần để đốt trực tiếp và một phần để luyện cốc Than luyện cốc là loại than quý, cần thiết cho quá trình luyện than cốc, một nhiên liệu quan trọng trong các lò luyện và nấu gang Cuối cùng, than gầy chủ yếu được dùng để đốt trực tiếp.
Than không khói, hay còn gọi là than antraxit, là loại than lâu đời nhất với độ bền cao, khả năng hút ẩm thấp, hàm lượng carbon cao và lượng chất bay hơi thấp, khi cháy không tạo ra khói Hàm lượng tro và lưu huỳnh trong than này có sự biến đổi lớn Than không khói được sử dụng để đốt trực tiếp, và một phần được nhiệt luyện nhằm thay thế một phần than cốc trong quá trình sản xuất gang.
- Nhiên liệu rắn nhân tạo: than gỗ, than cốc, than antraxit nhiệt luyện
Than gỗ được sản xuất bằng cách chưng khô củi gỗ thông qua phương pháp thủ công hoặc sử dụng lò kín, với nhiệt độ nung đạt từ 350 đến 400 độ C.
Thành phần hữu cơ của than gỗ: %C = 79,81 ữ 88,87 ; %H = 4,33 ữ 3,23; % (O+N) = 15,86 ÷ 7,90
Than gỗ chứa ít lưu huỳnh, trước đây được sử dụng làm nhiên liệu cho lò đúc, lò cao cở nhỏ nh−ng hiện nay ít dùng
Than cốc là loại than được sản xuất bằng cách nung bột than có tính dính kết cao, như than luyện cốc hoặc than béo, trong môi trường không có không khí ở nhiệt độ khoảng 850 độ C.
Quá trình luyện cốc bắt đầu bằng việc nghiền than đến độ hạt khoảng 3 mm, sau đó cho vào lò nung Dưới tác dụng của nhiệt, than được sấy khô và trải qua các phản ứng phân hóa nhiệt Giai đoạn quan trọng nhất là khi nhiệt độ đạt 400 - 500 °C, than bị biến mềm và tiết ra chất bốc, làm cho khối than trở nên xốp Khi tiếp tục nâng nhiệt độ, khối than chuyển sang trạng thái rắn và thu được than cốc Sau khi lấy ra khỏi lò, than cốc được làm nguội bằng nước và sàng phân loại theo kích thước Than cốc có độ bền cơ và bền nhiệt cao, độ xốp lớn, hàm lượng chất bốc thấp và hàm lượng tro từ 8 - 14% Sản phẩm này chủ yếu được sử dụng trong các lò cao để luyện gang và các lò đứng nấu gang.
Than antraxit nhiệt luyện có độ xốp thấp, dễ bị vỡ vụn khi nung nóng đột ngột do nước và chất bốc thoát ra mạnh, gây khó khăn cho quá trình vận hành lò Để cải thiện độ bền nhiệt, than antraxit cần được tiến hành nhiệt luyện, trong đó quá trình này bao gồm việc nung nóng than từ từ đến 1000 độ C.
Nhiệt độ 1100 °C được duy trì trong một thời gian, sau đó làm nguội để thu được than nhiệt luyện Quá trình nung nóng chậm giúp nước và chất bốc trong than thoát ra, làm giảm hàm lượng nước và chất bốc, đồng thời tăng độ xốp của than, từ đó nâng cao đáng kể độ bền nhiệt của than khi hoạt động trong lò Than gầy nhiệt luyện có thể thay thế một phần than cốc trong quá trình nấu gang tại lò đứng và luyện gang trong các lò cao cỡ nhỏ.
Nhiên liệu lỏng dùng trong lò công nghiệp chủ yếu là dầu mazut và dầu điêzen là các sản phẩm thu đ−ợc khi gia công dầu mỏ
Dầu mỏ nguyên khai là hỗn hợp cacbua hyđrô và một lượng nhỏ tạp chất như oxy, nitơ và lưu huỳnh Các loại cacbua hyđrô trong dầu mỏ được phân thành ba nhóm chính: mê-tan, náp-ten và cacbua thơm Dầu mỏ có khối lượng riêng từ 750 đến 1.000 kg/m³ và nhiệt trị đạt từ 9.800 đến 10.500 kcal/kg Mặc dù dầu mỏ có nhiệt trị cao, nó không được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu do chứa nhiều sản phẩm quý giá.
Dầu mỏ đ−ợc gia công bằng hai ph−ơng pháp: ch−ng phân trực tiếp và crăc- kinh
Trong quá trình chưng phân trực tiếp dầu mỏ, người ta sử dụng nhiệt độ sôi khác nhau để tách riêng các sản phẩm Các sản phẩm thu được bao gồm ét-xăng nhẹ, ét-xăng nặng, dầu hoả, ligrain, gajôin và mazut Tiếp theo, mazut được chưng trong chân không để thu hồi các loại dầu nhờn và hắc-ín.
Thành phần của nhiên liệu 62
Thành phần nhiên liệu là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nhiên liệu Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng thường rất phức tạp, với các nguyên tố không tồn tại độc lập mà kết hợp với nhau để tạo thành các hợp chất Việc phân tích chính xác thành phần nhiên liệu theo từng hợp chất là một thách thức lớn, do đó trong các tính toán nhiệt, người ta thường coi nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm các chất độc lập.
- Các bon (C): là thành phần cháy chính của nhiên liệu rắn và lỏng Phản ứng cháy hoàn toàn của cácbon với oxy có hiệu ứng nhiệt lớn
Hyđrô (H) có hai dạng: dạng cháy được, bao gồm hyđrô tự do và hyđrô kết hợp với các chất cháy, và dạng không cháy được, đó là hợp chất với oxy Phản ứng cháy của hyđrô với oxy tạo ra năng lượng và sản phẩm là nước.
- Nitơ (N): là thành phần không cháy đ−ợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh h−ởng
Lưu huỳnh (S) tồn tại dưới ba dạng: lưu huỳnh hữu cơ, lưu huỳnh sunphit và lưu huỳnh dạng muối Trong đó, lưu huỳnh hữu cơ và lưu huỳnh sunphit có khả năng cháy, trong khi lưu huỳnh dạng muối không cháy Để giảm thiểu tác động tiêu cực, cần hạn chế sự hiện diện của lưu huỳnh như một tạp chất có hại trong nhiên liệu.
Tro (A) chứa các khoáng chất như SiO2, Al2O3, MgO và Fe2O3, là những thành phần không cháy được Khi hàm lượng tro trong nhiên liệu tăng cao, chất lượng nhiên liệu giảm do giảm hàm lượng chất cháy, đồng thời gây tổn hao nhiệt trong quá trình nung nóng tro Điều này cũng dẫn đến việc tăng lượng bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn trong việc kiểm soát quá trình cháy.
Nước (W) trong nhiên liệu bao gồm nước hấp phụ bề mặt, nước hấp thụ qua các lỗ xốp và nước kết tinh Khi sấy nhiên liệu, chỉ hai dạng nước đầu có khả năng bốc hơi, trong khi nước kết tinh vẫn tồn tại trong nhiên liệu Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng được biểu diễn bằng bốn cách khác nhau.
+ Thông dụng: %C d + %H d + %O d + %N d + %S d +%A d + %W d = 100 % (4.4) Để chuyển đổi từ thành phần này qua thành phần khác người ta dùng các hệ số thế hoán cho ở bảng 4.3
Bảng 4.3 Hệ số chuyển đổi thành phần nhiên liệu rắn và lỏng
Thành phần muốn chuyển đổi
Thành phần đã biết Chất hữu cơ Có thể cháy Chất khô Thông dụng
1 b) Thành phần nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí thường là hỗn hợp cơ học của nhiều loại khí, có thể phân tích chính xác từng thành phần Các thành phần có khả năng cháy trong nhiên liệu khí bao gồm:
Các thành phần có thể cháy bao gồm CO, H2, CH4 và CmHn, trong đó CH4 và CmHn có năng suất tỏa nhiệt cao nhất, tiếp theo là H2 và CO H2S là thành phần có hại cần được hạn chế Ngược lại, các thành phần không thể cháy bao gồm CO2, N2, SO2, H2O và O2.
Thành phần nhiên liệu khí đ−ợc biểu thị bằng hai cách:
Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh− sau:
Với ω là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng lượng nước chứa trong một mét khối khí khô [ g/m 3 ].
Nhiệt trị của nhiên liệu 64
Năng suất tỏa nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng (đối với nhiên liệu rắn và lỏng) hoặc một đơn vị thể tích (đối với nhiên liệu khí), được ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và kcal/m³ hoặc kj/m³] Trong thực tế, có hai khái niệm chính về nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
Nhiệt trị cao, ký hiệu là Qc, là nhiệt trị của nhiên liệu được xác định khi các sản phẩm cháy nguội về nhiệt độ ban đầu, với nước trong sản phẩm cháy ở trạng thái lỏng và giảm xuống 0 °C.
Nhiệt trị thấp, ký hiệu là Q d, là nhiệt trị của nhiên liệu được xác định khi các sản phẩm cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, với nước trong sản phẩm cháy ở thể hơi và nguội đến 20 o C Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu, có hai phương pháp chính: thực nghiệm và tính toán Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, do không biết thành phần cấu tạo, thường sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định nhiệt trị Ngoài ra, có thể tính toán gần đúng theo thành phần nguyên tố bằng các công thức thực nghiệm, trong đó công thức của Men-đê-lê-ép được sử dụng phổ biến.
Công thức tính nhiệt trị của nhiên liệu khí được xác định qua thành phần của nhiên liệu, với Q d = 4,18 [81C d + 246H d - 26( O d - S d ) - 6W d ] [Kj/kg] Nhiệt trị có thể được xác định bằng thực nghiệm hoặc thông qua tính toán dựa trên thành phần hóa học của nhiên liệu khí.
Sự cháy của nhiên liệu 65
Sự cháy của nhiên liệu rắn 65
Quá trình cháy của nhiên liệu rắn, chủ yếu là than, diễn ra giữa chất rắn (nhiên liệu) và chất khí (oxy trong không khí) Bên cạnh đó, trong quá trình này còn xảy ra một phần cháy đồng thể, cụ thể là cháy chất bốc.
Quá trình cháy của nhiên liệu rắn có thể chia ra các giai đoạn sau:
+ Nung nóng và bốc hơi n−ớc
+ Phân hóa nhiệt nhiên liệu, thoát chất bốc và tạo thành cốc
Khi xảy ra cháy, quá trình cháy chất bốc diễn ra trước, mặc dù thời gian cháy ngắn, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao nhiệt độ của nhiên liệu và thúc đẩy quá trình cháy tiếp theo Cháy carbon là quá trình cháy chính của nhiên liệu rắn.
Quá trình cháy cac bon đ−ợc đặc tr−ng bởi các phản ứng sau:
C + O 2 = CO 2 + 399 254 kj/kmol 2C + O 2 = 2CO + 246 623 kj/kmol
- Phân hủy khí CO 2 và hơi n−ớc:
Trong quá trình cháy, phản ứng chính là sự cháy của cacbon, được mô tả bằng phương trình 2CO + O2 = 2CO2 + 571 684 kj/kmol Sau đó, các phản ứng phân hủy khí CO2, hơi nước và cháy CO diễn ra như các phản ứng thứ cấp Quá trình cháy của cacbon được coi là cháy dị thể, vì vậy tốc độ khuếch tán oxy tới bề mặt cacbon có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình này Lượng khí khuếch tán đến bề mặt vật rắn được xác định theo một công thức nhất định.
V - l−ợng khí khuếch tán [gam]
D - hệ số khuếch tán phân tử [cm 2 /s] δ - chiều dày lớp chảy tầng bao quanh vật rắn [cm]
C 0 , C n - nồng độ chất khuếch tán trong dòng khí và ở gần mặt vật rắn [g/cm 3 ]
F - bề mặt vật rắn [cm 2 ] τ - thêi gian [s]
Tốc độ khuếch tán của oxy đến mặt than phụ thuộc vào tiêu chuẩn Re và tốc độ dòng khÝ (ω):
Lượng oxy khuếch tán đến bề mặt than là yếu tố quan trọng trong quá trình cháy, trong đó một phần oxy sẽ bị bề mặt vật rắn hấp thụ Sự hấp thụ oxy của than chủ yếu phụ thuộc vào diện tích bề mặt và áp suất khí, với việc tăng áp suất khí dẫn đến sự gia tăng lượng oxy được hấp thụ.
Nghiên cứu tốc độ cháy của các bon trong lớp nhiên liệu rắn hình cầu cho thấy rằng tốc độ biến đổi bề mặt than bị ảnh hưởng bởi áp suất khí và tốc độ dòng khí.
K - tốc độ biến đổi bề mặt cầu [cm 2 /s] ω, p - tốc độ và áp suất dòng khí, [m/s] và [at]
A, B: các hệ số thực nghiệm
Từ phương trình (4.16), ta nhận thấy khi tăng tốc độ hay áp suất dòng khí dẫn đến tốc độ cháy các bon tăng.
Sự cháy của nhiên liệu lỏng 66
Quá trình cháy của nhiên liệu lỏng, chủ yếu là dầu, bao gồm cả cháy dị thể và đồng thể Để tối ưu hóa quá trình cháy, nhiên liệu lỏng cần được tách thành hạt nhỏ nhằm tăng diện tích tiếp xúc với không khí, gọi là biến bụi Chất biến bụi thường sử dụng là không khí nén, hơi nước và không khí áp suất cao Khi chất biến bụi va chạm với dòng nhiên liệu, động năng giảm một phần sinh công cơ học để biến bụi nhiên liệu, trong khi phần lớn năng lượng chuyển hóa thành nhiệt, làm tăng nhiệt hàm của hỗn hợp Động năng biến bụi phụ thuộc vào tỉ số khối lượng riêng giữa chất biến bụi và nhiên liệu, và nếu bỏ qua độ nhớt, tỉ số giữa động năng có thể tính gần đúng.
Nếu khối lượng riêng của nhiên liệu không thay đổi, thì khi khối lượng riêng của chất biến bụi tăng lên, tỷ số này sẽ lớn hơn và hiệu quả biến bụi sẽ cao hơn.
Nếu gọi ∆E là năng l−ợng cần thiết để phá vở bề mặt tự do giọt nhiên liệu thì ∆E
= ∆U, do đó xác định được đường kính của các hạt bụi dầu:
Trong đó: σ - hệ số sức căng bề mặt của nhiên liệu [N/m 2 ]
= G ϕ - suất tiêu hao đơn vị của chất biến bụi (G 1 và G 2 là lưu lượng nhiên liệu và chất biến bụi) [kg/kg]
Kích thước hạt dầu sau khi biến bụi dao động trong khoảng 0,05 - 0,5 mm
Quá trình cháy của các hạt bụi dầu xẩy ra theo các giai đoạn sau:
- Hoà trộn giữa bụi dầu và không khí
- Hỗn hợp đ−ợc sấy nóng và bụi dầu bốc hơi
- Phân huỷ các hợp chất cacbua hyđrô
- Xẩy ra các phản ứng cháy
Trên thực tế các giai đoạn trên có quan hệ mật thiết với nhau và không tách rời nhau
Hình 4.1 Quá trình cháy bụi dầu
1) Hạt dầu 2) Vùng hơi dầu 3) Vùng xẩy ra các phản ứng cháy
Khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy của nhiên liệu lỏng, kích thước hạt dầu nhỏ và quá trình trao đổi nhiệt hiệu quả giữa môi trường và hỗn hợp chất sẽ giúp hỗn hợp được sấy nóng nhanh hơn, dẫn đến sự bốc hơi tốt của dầu và quá trình cháy diễn ra nhanh chóng Hơn nữa, quá trình cháy còn phụ thuộc vào sự khuếch tán oxy vào vùng cháy và sự khuếch tán sản phẩm cháy ra khỏi khu vực này; do đó, sự xáo trộn tốt của hỗn hợp cũng góp phần tăng tốc độ cháy.
Sự cháy của nhiên liệu khí 68
Quá trình cháy của nhiên liệu khí diễn ra đồng thể giữa khí cháy và oxy trong không khí, và có thể được phân chia thành nhiều giai đoạn khác nhau.
+ Giai đoạn hoà trộn nhiên liệu và không khí tạo thành hỗn hợp cháy
+ Giai đoạn cháy của hỗn hợp cháy
Tốc độ và chất lượng cháy của nhiên liệu khí phụ thuộc vào quá trình hòa trộn, được tạo thành từ sự khuếch tán của các phân tử khí do chênh lệch nồng độ hoặc va đập của các dòng khí Khi quá trình hòa trộn diễn ra hiệu quả, cháy sẽ xảy ra nhanh chóng và hoàn toàn, dẫn đến chiều dài ngọn lửa ngắn hơn và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn.
Tỉ lệ giữa không khí và khí đốt trong hỗn hợp là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự cháy và nhiệt độ ngọn lửa Khi lượng không khí cung cấp không đủ, khí đốt sẽ cháy không hoàn toàn, dẫn đến nhiệt độ ngọn lửa thấp Ngược lại, nếu lượng không khí quá dồi dào, nhiên liệu sẽ cháy hoàn toàn, nhưng nhiệt độ ngọn lửa vẫn không cao do nhiệt bị tiêu tốn để nung nóng không khí dư thừa.
4.2.4 Khái niệm cháy hoàn toàn, cháy không hoàn toàn và hệ số không khí d− a) Khái niệm cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn
Sự cháy của nhiên liệu thực chất là quá trình phản ứng hóa học giữa những thành phần có thể cháy của nhiên liệu với oxy:
Nếu tất cả các thành phần có thể cháy trong nhiên liệu đều tham gia vào phản ứng cháy, sản phẩm tạo ra sẽ chỉ bao gồm các khí không cháy như CO2.
Quá trình cháy hoàn toàn xảy ra khi nhiên liệu phản ứng hoàn toàn, tạo ra sản phẩm là H2O và SO2 Ngược lại, trong quá trình cháy không hoàn toàn, một phần nhiên liệu không tham gia phản ứng, dẫn đến sự hình thành các khí như CO và H2 trong sản phẩm cháy.
Dựa vào nguyên nhân gây ra cháy không hoàn toàn ng−ời ta chia ra:
Cháy không hoàn toàn hóa học xảy ra khi một phần các chất dễ cháy trong nhiên liệu tham gia vào phản ứng cháy nhưng không thể cháy do điều kiện không thuận lợi, dẫn đến việc chúng bị cuốn ra ngoài cùng với sản phẩm cháy Nguyên nhân của hiện tượng này có thể đa dạng và phức tạp.
+ Cung cấp không khí không đủ
+ Không khí và nhiên liệu hỗn hợp không tốt
Trong số các nguyên nhân đã nêu, hai nguyên nhân đầu có thể được kiểm soát, trong khi nguyên nhân thứ ba không thể hạn chế, chẳng hạn như phản ứng phân hủy của CO2.
Mức độ phân hóa của CO 2 phụ thuộc áp suất riêng phần và nhiệt độ của khí
Cháy không hoàn toàn cơ học xảy ra khi nhiên liệu bị rơi vãi hoặc rò rỉ trong quá trình đốt, dẫn đến một phần nhiên liệu không tham gia vào phản ứng cháy Hiện tượng này phụ thuộc vào loại nhiên liệu và thiết bị đốt, chẳng hạn như than bị lọt qua mắt ghi hoặc khí rò rỉ trên đường ống trước mỏ đốt.
Khái niệm về cháy hoàn toàn, không hoàn toàn và hệ số d− không khí 69
Khi đốt nhiên liệu, việc sử dụng lượng không khí đúng theo tỷ lệ phản ứng hóa học là rất quan trọng; nếu không, sẽ dẫn đến tình trạng cháy không hoàn toàn Do đó, thường người ta sẽ sử dụng một lượng không khí dư so với yêu cầu lý thuyết Để đánh giá mức độ dư không khí này, người ta sử dụng khái niệm hệ số d− không khí, được xác định bằng một công thức cụ thể.
L 0 - thể tích không khí cần thiết theo lý thuyết để đốt cháy hết một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu [m 3 /kg hoặc m 3 /m 3 ]
L n - thể tích không khí đ−ợc sử dụng để đốt cháy một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu[m 3 /kg hoặc m 3 /m 3 ]
Hệ số không khí d− được xác định dựa trên loại nhiên liệu, cấu trúc thiết bị đốt và điều kiện vận hành Bảng 4.4 cung cấp các giá trị hệ số không khí d− thường được áp dụng trong thực tế.
Bảng 4.4 Hệ số không khí d−
Nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt Hệ số d− không khí, n
Buồng đốt than đá thao tác thủ công 1,30 - 1,70
Buồng đốt than đá cơ khí hóa 1,20 - 1,40 §èt than bôi 1,20 - 1,25 Đốt khí đốt, mỏ đốt không có ngọn lửa 1,03 - 1,05 Đốt khí đốt, mỏ đốt có ngọn lửa 1,10 - 1,15
Tính toán sự cháy của nhiên liệu 70 1 Tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn và lỏng 71 2 Tính toán sự cháy của nhiên liệu khí 78
Tính toán sự cháy của nhiên liệu là cần thiết để xác định lượng không khí cần thiết cho quá trình đốt cháy, cũng như lượng sản phẩm cháy, thành phần, khối lượng riêng của sản phẩm cháy và nhiệt độ cháy Các tính toán này dựa trên những giả thiết cụ thể để đảm bảo độ chính xác trong quá trình phân tích.
- Các chất khí đ−ợc coi là khí lý t−ởng
- Không tính đến thể tích sản vật cháy do phân hóa nhiệt
- Thể tích khí đều đổi về điều kiện tiêu chuẩn
- Trong không khí chỉ chứa oxy và nitơ với tỉ lệ thể tích: 21% O 2 và 79%N 2
Để tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn và lỏng, mọi phép tính được thực hiện dựa trên 100 kg nhiên liệu Một trong những bước quan trọng là xác định lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy nhiên liệu một cách hiệu quả.
- Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần thông dụng:
- Tính số kmol các chất có trong 100 kg nhiên liệu:
Riêng thành phần tro (A) không tham gia phản ứng cháy và không biến thành khí lò nên không tính đến
- Dựa vào phương trình phản ứng cháy của các chất, tính lượng oxy cần để đốt cháy nhiên liệu:
Do trong nhiên liệu đã có
O d kmol oxy nên l−ợng oxy cần cung cấp:
Vậy thể tích oxy cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là:
L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo kmol là:
L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo thể tích là:
Vậy thể tích không khí cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là:
= (4.24) b) Tính l−ợng sản vật cháy lý thuyết: L−ợng sản vật cháy lý thuyết gồm hai phần: + L−ợng sản vật cháy do nhiên liệu cháy sinh ra:
+ L−ợng khí do không khí mang vào:
Vậy l−ợng sản vật cháy tổng cộng khi đốt 100 kg nhiên liệu là:
(4.28) c) Tính l−ợng không khí và sản vật cháy lý thuyết và thực tế khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
- Từ công thức (4.24) tính đ−ợc l−ợng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
- Từ công thức (4.28) tính đ−ợc l−ợng sản vật cháy lý thuyết khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
- L−ợng không khí thực tế cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
- L−ợng sản vật cháy thực tế sinh ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
Các kết quả tính toán th−ờng đ−ợc biểu diễn theo bảng (xem bảng 4.6) d) Tính thành phần sản vật cháy:
Trong đó: N Xi là số kmol của thành phần sản vật cháy X i e) Tính khối l−ợng riêng của sản vật cháy:
Khối l−ợng riêng của sản vật cháy xác định theo công thức:
Trong đó N Xi , M Xi , V Xi là số kmol, khối l−ợng kmol và thể tích của thành phần sản vật cháy X i e) Tính nhiệt độ cháy của nhiên liệu:
Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu là nhiệt độ tối đa mà sản phẩm cháy ở thể khí có thể đạt được khi được đốt cháy trong điều kiện lý tưởng, tức là cháy hoàn toàn mà không có tổn thất hay phân hóa nhiệt, cũng như không có không khí dư Để tính toán nhiệt độ cháy lý thuyết t, người ta giả định rằng nó nằm trong khoảng t1 đến t2.
Khi đó, nhiệt độ cháy lý thuyết xác định theo công thức sau:
X i % - nhiệt hàm của sản vật cháy ở nhiệt độ t 1 , i Xi,t1 là nhiệt hàm của thành phần X i ở nhiệt độ t 1
X i % - nhiệt hàm của sản vật cháy ở nhiệt độ t 2 , i Xi,t2 là nhiệt hàm của thành phần X i ở nhiệt độ t 2 i tổng là nhiệt hàm tổng cộng của sản vật cháy: n n kk nl
Nhiệt hàm của nhiên liệu được ký hiệu là i nl = c nl.t nl, trong khi nhiệt hàm của không khí là i kk = c kk.t kk Khi nhiên liệu và không khí không được nung nóng, giá trị của i nl và i kk sẽ bằng không.
Trong các tính toán trên nhiệt hàm của các chất đ−ợc tra theo bảng cho sẵn
Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu tính theo công thức sau: t tt =η.t do
Trong đó η là hệ số nhiệt độ, phụ thuộc loại lò và dạng nhiên liệu, tra theo bảng
Bảng 4.5 Bảng tra hệ số nhiệt độ
Loại lò Dạng nhiên liệu η
Lò buồng Khí lò sinh khí 0,73 - 0,78
D−ới đây khảo sát một ví dụ tính toán sự cháy với nhiên liệu là than có thành phần cháy nh− sau:
Và hệ số d− không khí n = 1,25
- Đổi thành phần cháy sang thành phần thông dụng: Đổi thành phần tro A k sang A d :
Hệ số thế hoán từ thành phần cháy sang thành phần thông dụng:
Thành phần thông dụng của nhiên liệu:
- Tính toán xác định l−ợng không khí l−ợng và thành phần sản vật cháy cho 100 kg nhiên liệu (kết quả trình bày ở bảng 4.6) m3
N2 kmol 27,782 Từ không khí vào 0,059 27,84 76,22 34,80 76,75
Sản vật cháy CO2 kmol 6,36 6,36 17,41 6,36 14,03 m3
Số l−ợng kmol 6,36 2,04 0,119 0,114 0,059 0,167 - kmol kg 12 2 32 32 28 18 -
Hàm l−ợng % 76,32 4,08 3,8 3,64 1,61 3 7,55 100 Thành phần (%) Thành phần (%)
Bảng 4.6 Bảng kết quả tính l−ợng không khí, l−ợng và thành phần sản vật cháy cho 100 kg nhiên liệu Nhiên liệu Thành phần C H S O N W A Σ = n = 1 n = 1,25
- L−ợng không khí lý thuyết:
- L−ợng không khí thực tế:
- L−ợng sản vật cháy lý thuyết:
- L−ợng sản vật cháy thực tế:
- Thành phần sản vật cháy:
- Tính khối l−ợng riêng của sản vật cháy:
Khối l−ợng của sản vật cháy:
Khối l−ợng riêng của sản vật cháy:
- Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu: Nhiên liệu và không khí không đ−ợc nung nóng tr−ớc nên ta có: n d tổng V i =Q
Theo công thức Men-đê-lê-ep:
Khi n = 1,25 cã V n = 10,16 m 3 /kg, ta cã:
Nhiệt độ cháy lý thuyết:
Thoả mãn điều kiện t 1 < t đo < t 2
Đối với nhiên liệu khí, mỗi kmol khí ở điều kiện tiêu chuẩn có thể tích 22,4 m³, do đó mối quan hệ giữa các thành phần trong phản ứng cháy tương ứng với thể tích Việc tính toán sự cháy của nhiên liệu khí được thực hiện theo phần trăm thể tích, tương tự như các bước tính toán đối với nhiên liệu rắn hoặc lỏng.
Thiết bị đốt nhiên liệu 79
Thiết bị đốt nhiên liệu rắn 79
Để đốt cháy nhiên liệu trong các lò luyện kim và lò công nghiệp, thiết bị đốt đóng vai trò quan trọng Thiết bị này cần đảm bảo hiệu quả trong quá trình đốt cháy, đồng thời phải có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa Đối với nhiên liệu rắn, chủ yếu là than dạng cục, người ta sử dụng buồng đốt Buồng đốt nhiên liệu rắn được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
+ Buồng đốt thủ công : thao tác cấp than bằng thủ công
+ Buồng đốt cơ khí: thao tác cấp than cơ khí hóa
Buồng đốt thủ công đ−ợc chia thành hai loại: buồng đốt ghi phẳng và buồng đốt ghi nghiêng
Buồng đốt ghi phẳng: Cấu trúc của buồng đốt ghi phẳng trình bày trên hình 5.1a
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc buồng đốt ghi phẳng
1) Cửa chất than 2) Than 3) Ghi lò 4) Cửa cấp gió
5) Cửa tháo xỉ 6) Buồng chứa xỉ
Trong buồng đốt ghi phẳng, than được cấp vào lò qua cửa chất than, tạo thành lớp trên mặt ghi Gió được thổi vào từ dưới ghi qua cửa cấp gió, giúp đốt cháy than và tạo ra khí lò di chuyển sang buồng làm việc Xỉ từ quá trình đốt than rơi xuống ngăn chứa xỉ và được tháo ra định kỳ qua cửa tháo xỉ.
Ghi lò được chế tạo từ gang hợp kim chịu nhiệt, có hai dạng chính là thanh ghép và tấm Ghi thanh thường được sử dụng khi than có cỡ cục lớn, ưu điểm là dễ thay thế nhưng lắp đặt lại gặp khó khăn Ngược lại, ghi tấm thích hợp cho than có cỡ cục nhỏ, dễ lắp đặt nhưng khi hỏng cần thay thế toàn bộ tấm.
Tỉ lệ giữa tổng diện tích lỗ mắt ghi và diện tích toàn bộ mặt ghi được gọi là tỉ lệ mắt ghi, thường dao động từ 15 - 30% đối với ghi phẳng, với trị số lớn hơn cho than cỡ nhỏ Buồng đốt thủ công ghi phẳng có cấu trúc đơn giản, dễ thao tác, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm.
+ Nhiệt độ trong buồng đốt không ổn định do chất than theo chu kỳ
+ Hệ số d− không khí lớn n = 1,3 - 1,7
+ Hạn chế việc dùng gió nóng
Buồng đốt ghi nghiêng được sử dụng cho các hệ thống có công suất nhiệt lớn, giúp việc cấp than và đánh xỉ trở nên thuận tiện hơn Cấu trúc của buồng đốt này được minh họa trong hình 5.2.
Hình 5.2 Sơ đồ buồng đốt ghi nghiêng
1) Bongke chứa than 2) Cơ cấu điều chỉnh 3) Ghi nghiêng
4) Ghi phẳng 5) Cửa gió trên 6) Cửa gió d−ới 7) Cửa tháo xỉ
Ghi lò bao gồm hai phần chính: phần ghi nghiêng và phần ghi phẳng Ghi nghiêng được hình thành từ các thanh ghi có độ rộng từ 200 đến 250 mm, được ghép lại thành bậc 70.
100 mm, tạo thành một mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc từ 35 -
Than được cấp từ bồn chứa rơi xuống ghi nghiêng và chủ yếu được đốt cháy trên mặt ghi này, trong khi phần than cháy chưa hết tiếp tục cháy trên phần ghi phẳng Xỉ hình thành chủ yếu tập trung trên ghi phẳng và được rơi xuống buồng chứa xỉ, định kỳ được tháo ra qua cửa tháo xỉ Lượng than cấp vào lò được điều chỉnh bằng cơ cấu quay đóng mở cửa bồn chứa thông qua cần gạt Gió được cấp qua cửa gió trên để đốt than trên ghi nghiêng và qua cửa gió dưới để đốt than trên ghi phẳng.
Buồng đốt ghi nghiêng có −u điểm:
+ Sự cháy của nhiên liêu xẩy ra liên tục và đều dặn nên nhiệt độ ít thay đổi
+ Có thể dùng đốt than cở nhỏ
+ Thao tác cấp than dễ dàng hơn
Nh−ợc điểm của buồng đốt ghi nghiêng là kết cấu cồng kênh, lắp đặt khó khăn
Trong buồng đốt cơ khí, quá trình cấp than và tháo xỉ được thực hiện hoàn toàn bằng cơ khí hóa Than được cung cấp từ dưới lên thông qua hệ thống xoắn tải hoặc từ trên xuống bằng khí nén và cơ cấu quay kiểu cánh gạt.
Trên hình 5.3 trình bày sơ đồ buồng đốt cấp than từ dưới lên bằng xoắn tải
Hình 5.3 Sơ đồ buồng đốt cơ khí cấp than từ dưới lên bằng xoắn tải
1) Bongke chứa than 2) Cơ cấu cấp than 3) Xoắn tải
4) Ghi lò hình phểu 5) Ghi chứa xỉ 6) Buồng gió 7) Buồng chứa xỉ
Than từ băng tải được cấp vào xoắn tải và đẩy lên cao hơn mặt ghi hình phểu, trong khi gió được cung cấp vào buồng gió và đi qua các lỗ mắt ghi để đốt cháy than Xỉ hình thành trong quá trình cháy sẽ lăn xuống ghi chứa xỉ và rơi vào buồng chứa.
Trong buồng đốt cơ khí, than được cấp từ phía trên thông qua cánh gạt quay Cấu trúc này cho phép than từ bồn chứa rơi vào buồng cấp, nơi các cánh gạt sẽ tung than lên mặt ghi Lượng than được cấp được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay của cánh gạt.
Trong buồng đốt cơ khí, than được cấp từ phía trên thông qua khí nén, giúp đẩy than lên mặt ghi Lượng than cấp vào được điều chỉnh bằng cách thay đổi áp suất khí nén.
Buồng đốt cơ khí nâng cao điều kiện làm việc cho người vận hành, tuy nhiên, thiết kế của nó phức tạp và chi phí đầu tư cao, nên chỉ phù hợp với các lò có công suất nhiệt lớn.
5.1.3 Tính toán buồng đốt a) Chọn kiểu buồng đốt
Khi thiết kế buồng đốt, việc lựa chọn kiểu buồng đốt phù hợp cần dựa vào đặc điểm của nhiên liệu và công suất nhiệt của lò Nguyên tắc chung là sử dụng buồng đốt thủ công cho lò có công suất nhiệt nhỏ, trong khi buồng đốt cơ khí là lựa chọn tối ưu cho lò có công suất nhiệt lớn.
Khi sử dụng than, nếu than có kích cỡ nhỏ hoặc dễ vỡ, nên chọn buồng đốt ghi tấm phẳng hoặc ghi nghiêng khi công suất nhiệt lớn Đối với than có kích cỡ trung bình và lớn, buồng đốt ghi thanh là lựa chọn phù hợp.
+ Nếu than có hàm l−ợng chất bốc lớn cần chọn chiều cao buồng đốt lớn
Khi diện tích mặt ghi lớn, việc chia buồng đốt thành nhiều buồng sẽ giúp thuận tiện hơn cho thao tác cấp than và đánh xỉ Do đó, cần tính toán các kích thước cơ bản của buồng đốt một cách hợp lý để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
- Xác định diện tích mặt ghi:
Diện tích mặt ghi đ−ợc xác định theo công thức sau:
B - l−ợng nhiên liệu đốt trong một giờ [kg/h]
Q d - nhiệt trị thấp của nhiên liệu [j/kg]
R - cường độ cháy của ghi lò [kg/m 2 h] r - cường độ nhiệt của ghi lò [W/m 2 ]
Giá trị của R, r chọn theo bảng (bảng 5.1)
Bảng 5.1 Cường độ cháy và cường độ nhiệt của ghi lò r 10 -3 Dạng nhiên liệu
R kg/m 2 h Kcal/m 2 h W/m 2 Than củi Ghi thủ công 200 - 300 400 - 1 500 465 - 1 744 Than bùn Ghi thủ công 200 - 400 600 - 1 200 697 - 1 395 Than đá Ghi thủ công 70 - 120 300 - 1 500 349 - 1 744 Than antraxit Ghi thủ công 100 - 120 400 - 1 500 465 - 1 744
Thiết bị đốt nhiên liệu lỏng 87
Để đốt nhiên liệu lỏng người ta dùng thiết bị đốt gọi là mỏ phun Theo áp suất làm việc, các mỏ phun đ−ợc chia ra:
+ Mỏ phun áp suất thấp: áp suất chất biến bụi nhỏ hơn áp suất tới hạn
+ Mỏ phun áp suất cao: áp suất chất biến bụi lớn hơn áp suất tới hạn
5.3.1 Mỏ phun áp suất thấp
Trong mỏ phun áp suất thấp, chất biến bụi là không khí có áp suất từ 300 - 800 mmH 2 O, tốc độ chất biến bụi khi ra khỏi miệng phun từ 50 - 80 m/s
Hình 5.6 mô tả cấu tạo của một số loại mỏ phun áp suất thấp Trong mỏ phun được thể hiện ở hình 5.6a, dầu được phun ra từ ống (1) kết hợp với dòng không khí trong ống (2), tạo thành bụi dầu hòa trộn với không khí và được phun ra từ miệng phun (4) để tiến hành quá trình đốt cháy.
Mỏ phun hoạt động với áp suất khoảng 500mmH2O và tốc độ từ 70 đến 80 m/s Mặc dù có cấu trúc đơn giản, việc duy trì công suất làm việc của mỏ phun là rất quan trọng.
Hình 5.6 Sơ đồ mỏ phun áp suất thấp
1) Đ−ờng dẫn dầu 2) Đ−ờng dẫn không khí
3) Vít chỉnh dầu 4) Miệng mỏ phun Trong mỏ phun hình 5.6b, dầu chuyển động trong ống (1), không khí chuyển động trong ống dẫn (2) Khi dầu phun ra khỏi miệng ống phun bị không khí đánh tơi thành bụi dầu tạo thành hỗn hợp đi ra khỏi miệng ống phun Lưu lượng dầu được điều chỉnh bởi vít điều chỉnh (3), còn l−ợng không khí đ−ợc điều chỉnh nhờ thay đổi khe hở giữa ống phun dầu và miệng mỏ phun, áp suất dầu từ 500 - 1.000 mmH 2 O, áp suất không khí từ 300 - 700 mmH 2 O Nhờ cơ cấu điều chỉnh, loại mỏ đốt này có thể làm việc với công suất giảm tới 40 - 50%
5.3.2 Mỏ phun áp suất cao
Trong mỏ phun áp suất cao, chất biến bụi được sử dụng là không khí nén với áp suất từ 4 - 6 at hoặc hơi nước có áp suất từ 5 - 15 at Tốc độ hỗn hợp phun ra khỏi miệng mỏ có thể đạt tới mức cao, giúp tối ưu hóa hiệu quả trong quá trình làm sạch và kiểm soát bụi.
Hình 5.7 Mỏ phun áp suất cao
1) Đ−ờng dẫn dầu 2) Đ−ờng dẫn chất biến bụi 3) Đ−ờng dẫn không khí
Trong mỏ đốt hình 5.7, dầu đ−ợc dẫn vào ống (1), chất biến bụi đ−ợc dẫn và ống
Không khí đốt nhiên liệu được dẫn vào qua ống, với tốc độ phun bụi đạt từ 300 - 320 m/s ở nhiệt độ thường, và có thể tăng lên 500 - 530 m/s khi nung nóng từ 200 - 300 o C Lượng chất biến bụi cần thiết là 0,6 - 0,8 m³/kg cho không khí nén và 0,4 - 0,6 kg hơi/kg cho hơi nước Đối với loại mỏ đốt này, chiều dài ngọn lửa dao động từ 2,5 - 4 m nếu kích thước nhỏ, và có thể lên tới 6 - 7 m với kích thước lớn hơn.
Hình 5.8 Sơ đồ cấu tạo mỏ phun áp suất cao
1) §−êng dÉn dÇu 2) §−êng dÉn chÊt biÕn bôi
3) ống loe La- van 4) Buồng hỗn hợp 5) Đ−ờng dẫn không khí
Với mỏ phun hình 5.8, trên phần đầu của ống phun có lắp thêm ống loe La-van
Ống loe cho phép tốc độ chất biến bụi đạt tới 750 m/s hoặc cao hơn, giúp cải thiện chất lượng biến bụi Chiều dài ngọn lửa có thể đạt từ 8 đến 10 m Loại mỏ phun này có công suất từ 250 đến 2.500 kg/h, với lượng chất biến bụi là 180 - 1.900 kg/h cho không khí nén và 25 - 1.250 kg/h cho hơi nước.
Việc tính toán mỏ phun là cần thiết để xác định kích thước các đường ống dẫn và kích thước miệng ra của dầu và không khí, từ đó giúp tính toán các thông số khác hoặc lựa chọn mỏ đốt phù hợp Đặc biệt, trong tính toán mỏ phun áp suất thấp, các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
+ L−ợng tiêu hao nhiên liệu G 1 [kg/s]
+ áp suất không khí trong ống dẫn tr−ớc mỏ phun p 0 [N/m 2 ]
+ L−ợng không khí cần để đốt cháy hoàn toàn dầu G 2 [kg/kg]
+ áp suất môi tr−ờng lò p mt [N/m 2 ] d 1 d 2
Hình 5.9 Sơ đồ tính toán mỏ phun áp suất thấp
- Tính áp suất cần thiết của không khí: p® = pmt + pt
Trong đó p t áp suất tĩnh tại miệng ra, xác định theo công thức: p t = k.p 0 Với k là hệ số tổn thất trong đ−ờng dẫn th−ờng lấy k =0,9
- Tốc độ không khí khi ra khỏi miệng phun:
R - hằng số khí, R = 288 [Nm/kg o K]
T 2 - nhiệt độ ban đầu của không khí, [ o K]
- Tiết diện miệng ra của không khí:
= ω [m 2 ] Trong đó ρ 2 là khối l−ợng riêng của không khí [kg/m 3 ] đ−ợc xác định theo công:
- Tiết diện miệng ra của ống phun dầu:
Trong đó: ω 1 - tốc độ của dầu, đối với mỏ phun áp suất thấp chọn ω 1 = 1m/s ρ 1 - khối l−ợng riêng của dầu [kg/m 3 ]
- Đ−ờng kính miệng ra của ống dẫn dầu:
- Tiết diện ngoài của miệng ống phun dầu: Khi chiều dày thành ống là δ, tiết diện ngoài của ống dẫn dầu:
- Đ−ờng kính miệng ra của ống dẫn không khí:
- Tốc độ của hỗn hợp bụi dầu và không khí đ−ợc xác định theo công thức:
= − , tiêu chuẩn ơ-le, với p 2 là áp suất tĩnh trong dòng chảy của chất biÕn bôi ϕ - suất tiêu hao chất biến bụi [kg/kg]
- Kiểm tra kích th−ớc hạt dầu:
+ σ - sức căng bề mặt của dầu [N/m 2 ], th−ờng σ = 0,032 N/m 2
Sau khi xác định các kích thước chính của mỏ phun, cần tính toán tiết diện và đường kính của đường dẫn dựa vào tốc độ cho phép của không khí (ω kk = 10 - 15 m/s) và dầu (ω d = 0,2 - 0,8 m/s) Bên cạnh đó, việc tính toán mỏ phun áp suất cao cũng là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế.
+ L−ợng tiêu hao nhiên liệu G 1 [kg/s]
+ áp suất không khí trong ống dẫn tr−ớc mỏ phun p đ [N/m 2 ]
+ L−ợng tiêu hao không khí nén ϕ[kg/kg]
+ áp suất môi tr−ờng lò p mt [N/m 2 ]
+ Chỉ số đoạn nhiệt của không khí k = c p /c v
Sơ đồ tính toán trình bày trên hình 5.10
Hình 5.10 Sơ đồ tính toán mỏ phun cao áp có lắp ống loe La-van
- Tính các thông số tại tiết diện tới hạn (0-0):
Xác định áp suất tĩnh ở tiết diện tới hạn của ống phun La-van:
=ε Trong đó ε là hệ số phụ thuộc k có thể tra theo giản đồ (hình 5.11)
+ Nhiệt độ tới hạn của không khí xác định theo công thức:
+ Khối l−ợng riêng của không khí tại tiết diện tới hạn: th th th R.T
1,05 1,15 1,25 1,35 1,45 1,5 ε k Hình 5.11 Sự phụ thuộc của hệ số ε vào k
Tốc độ không khí tại tiết diện tới hạn: d th R.T
+ Tiết diện tới hạn của ống phun La-van: th th th th 3600 .
- Tính các thông số của phần cuối ống phun La-van (1-1):
Xác định tiêu chuẩn tốc độ:
Để tính tốc độ của không khí tại miệng ra của ống, ta sử dụng công thức với ω đ là tốc độ ban đầu của không khí (m/s) và p t là áp suất tĩnh của không khí tại miệng ống (N/m²), trong đó p t có thể được xác định bằng 1,1 lần áp suất môi trường p mt.
Tính khối l−ợng riêng của không khí ở cuối ống La-van:
Tiết diện cuối của ống La-van:
TÝnh kÝch th−íc èng dÉn dÇu:
+ Tiết diện miệng ra ống phun dầu:
Trong đó ω 1 - tốc độ dầu trong đường dẫn, thường chọn ω 1 = 5 - 10 m/s
+ Đ−ờng kính trong của ống dẫn dầu tại miệng ra:
+ Đ−ờng kính ngoài của ống dẫn dầu tại miệng ra: δ +
+ Tiết diện ngoài của ống dẫn dầu tại miệng ra:
Tính đ−ờng kính trong của ống phun La-van:
Tính đ−ờng kính ống dẫn dầu tại tiết diện tới hạn:
Chiều dài ồng phun La-van: tg2
Trong đó α = 5 - 10 o là góc mở của ống phun La-van
- Tính các thông số của ống hỗn hợp:
Xác định tiêu chuẩn Ơ-le đối với không khí tại phần cuối ống phun La-van (1-1):
Tốc độ chuyển động của hỗn hợp:
Xác định nhiệt độ của hỗn hợp:
Trong đó: t 1 - nhiệt độ nung nóng trước dầu [ o C] t 2.1 - nhiệt độ không khí cuối ống La-van [ o C] c 1 , c 2 - nhiệt dung trung bình của dầu và không khí [j/kg.độ]
∆U 0 - độ giảm động năng của chất biến bụi, xác định theo công thức:
Khối l−ợng riêng không khí khi ra khỏi miệng phun: hh mt kk R.T
- Tiết diện ra của ống hỗn hợp (tiết diện 2-2):
Coi lưu lượng thể tích của dầu không đáng kể, có thể tính tiết diện miệng ra của ống hỗn hợp: hh kk 2
Trong đó V kk là lưu lượng thể tích của không khí tại miệng ra, kk
= ρ Đ−ờng kính miệng ra của ống hỗn hợp:
Chiều dài ống hỗn hợp:
Khi chọn góc mở của ống hỗn hợp cùng góc mở của ống phun La-van, chiều dài ống hỗn hợp xác định theo công thức: tg2
= − (5.23) Đ−ờng kính hạt bụi dầu:
5.4 Thiết bị đốt nhiên liệu khí Để đốt nhiên liệu khí người ta sử dụng thiết bị gọi là mỏ đốt
Theo đặc điểm hoà trộn khí đốt và không khí, người ta chia mỏ đốt thành:
+ Mỏ đốt có sự hòa trộn trước (mỏ đốt tự hút)
+ Mỏ đốt không có sự hòa trộn trước (mỏ đốt lồng ống)
Trong mỏ đốt, quá trình cháy diễn ra qua hai phương pháp khác nhau Đối với mỏ đốt có sự hòa trộn trước, khí đốt và không khí được trộn đều trước khi được phun vào buồng lò Ngược lại, trong mỏ đốt không có sự hòa trộn trước, khí đốt và không khí được phun vào buồng lò mà chưa được hòa trộn, dẫn đến việc hòa trộn chủ yếu xảy ra trong buồng lò.
Mỏ đốt tự hút là thiết bị phổ biến trong các lò công suất nhỏ và trung bình, chuyên dùng để đốt các loại khí đốt có nhiệt trị không cao Ưu điểm nổi bật của mỏ đốt này là khả năng hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
+ Hoà trộn khí đốt và không khí tốt, tạo điều kiện đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu với hệ số d− không khí nhỏ
+ Không khí ít bị rò rỉ, có thể dùng thiết bị trao đổi nhiệt gốm
Tuy nhiên loại mỏ đốt này có nh−ợc điểm:
+ Phạm vi điều chỉnh công suất hẹp
+ Khí đốt phải có áp suất lớn, nhiệt độ nung không khí có giới hạn
+ Kích thước mỏ đốt lớn
Theo cấu tạo, mỏ đốt tự hút đ−ợc chia thành hai loại:
+ Mỏ đốt tự hút một ống dẫn
+ Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn a) Mỏ đốt tự hút một ống dẫn
Sơ đồ cấu tạo mỏ đốt tự hút một ống dẫn trình bày trên hình 5.12
Trong mỏ đốt, khí đốt áp suất cao được phun ra qua miệng phun, tạo ra vùng chân không và hút không khí từ bên ngoài vào Khí đốt và không khí được hòa trộn trong ống dẫn, sau đó đi qua ống khuếch tán và vào buồng lò để thực hiện quá trình cháy Lượng không khí được điều chỉnh bằng cách thay đổi khe hở thông qua cơ cấu dịch chuyển Tốc độ hỗn hợp tại miệng ra mỏ đốt đạt từ 20 - 30 m/s.
Hình 5.12 Mỏ đốt tự hút một ống dẫn
1) Đường dẫn khí đốt 2) Cơ cấu điều chỉnh 3) Đường dẫn không khí
4) ống hỗn hợp 5) ống loe 6) Miệng mỏ đốt
Mỏ đốt tự hút là thiết bị có cấu tạo đơn giản và dễ lắp đặt, thường được sử dụng cho các lò cỡ nhỏ với công suất nhiệt không lớn Ngoài ra, còn có mỏ đốt tự hút hai ống dẫn, mang lại hiệu suất hoạt động cao hơn.
Sơ đồ cấu tạo mỏ đốt tự hút hai ống dẫn trình bày trên hình 5.13
Hình 5.13 Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn
1) Đường dẫn khí đốt 2) Đường dẫn không khí
3) ống hỗn hợp 4) ống loe 5) N−ớc làm nguội
Trong mỏ đốt tự hút hai ống dẫn, khí đốt áp suất cao từ ống dẫn (1) được phun ra với tốc độ lớn, tạo ra vùng chân không quanh miệng ống phun và hút không khí từ ống dẫn (2) vào dòng khí đốt Quá trình hòa trộn giữa khí đốt và không khí diễn ra trong ống (3), sau đó đi qua ống khuếch tán (4) và vào buồng lò để thực hiện quá trình cháy.
Mỏ đốt tự hút hai ống dẫn có công suất nhiệt lớn nhưng kết cấu phức tạp, thường dùng cho lò cỡ lớn
Mỏ đốt lồng ống là thiết bị phổ biến trong các lò đốt khí có nhiệt trị cao, đặc biệt là trong các lò cần tập trung nhiệt để thực hiện quy trình công nghệ với số lượng mỏ đốt hạn chế.
Mỏ đốt loại này có −u điểm:
+ Phạm vi điều chỉnh công suất rộng
+ Kích th−ớc nhỏ gọn
Thể xây lò 114
Lớp gạch chịu lửa trong các lò luyện kim, hay còn gọi là lớp lót, đóng vai trò quan trọng nhất trong cấu trúc lò Chất lượng xây dựng lớp này không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò mà còn tác động trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật Do đó, việc lựa chọn mức độ cẩn thận khi xây dựng lớp lót cần dựa vào thể xây và điều kiện làm việc cụ thể, dẫn đến việc phân loại theo mức độ cẩn thận trong xây dựng.
Bảng 6.1 Các cấp xây gạch chịu lửa Cấp xây Yêu cầu khi xây Chiều dày mạch xây (mm) Loại vữa xây
I Xây đặc biệt cẩn thận ≤ 1
Bột mịn khô hay v÷a láng III Xây tương đối cẩn thận ≤ 3
IV Xây thông th−ờng ≤ 4 Vữa nhão
V Xây gạch đỏ 5 - 10 Vữa đặc
Cấp xây I và II được sử dụng để xây dựng các lò nấu chảy kim loại và vật liệu phi kim Cấp xây I đặc biệt phù hợp cho các cấu trúc tiếp xúc với kim loại lỏng, xỉ hoặc yêu cầu kín khí Để đảm bảo mạch xây nhỏ, cần chọn gạch có kích thước đồng nhất và bề mặt phẳng, đôi khi cần mài gạch trước Khi sử dụng vữa lỏng, gạch cần được nhúng vào vữa trước khi đặt vào lớp xây, trong khi gạch khô như gạch manhêdit thì nên sử dụng bột mịn để lấp đầy các khe hở giữa các viên gạch.
- Cấp xây III: dùng phổ biến khi xây các thể xây của lò nung, lò sấy tiến hành với vữa nhão
Cấp xây IV được sử dụng cho việc xây dựng các bộ phận không quan trọng của lò, đặc biệt là những phần có nhiệt độ làm việc thấp Phương pháp xây đẩy hoặc xây ép với vữa nhão thường được áp dụng để lót các đường ống dẫn.
- Cấp xây V: dùng khi xây các thể xây gạch đỏ b) Mạch nhiệt
Trong quá trình thi công, các thể xây chịu tác động của sự thay đổi nhiệt độ, dẫn đến hiện tượng giản nở nhiệt Để bảo vệ thể xây khỏi sự phá hủy do giản nở, người ta thiết kế các khe giản nở nhiệt, hay còn gọi là mạch nhiệt Số lượng và kích thước của mạch nhiệt được xác định dựa trên hệ số giản nở nhiệt của gạch và kích thước của thể xây Độ dày của mạch nhiệt được tính toán cho mỗi mét chiều dài thể xây, tương ứng với các loại gạch khác nhau được trình bày trong bảng.
Bảng 6.2 Giá trị trung bình của mạch nhiệt
Thể xây gạch Chiều dày mạch nhiệt cho 1 m chiều dài thể xây (mm)
Hình 6.2 Cách đặt mạch nhiệt trong các thể xây a) T−ờng thẳng b) T−ờng nhiều lớp gạch khác loại c) Góc t−ờng thẳng d) Vòm lò e) T−ờng cong f) Đáy lò
Phương pháp bố trí mạch nhiệt trong thể xây phụ thuộc vào cấu trúc thể xây và có hai cách chính: bố trí mạch nhiệt tập trung và phân tán Đối với tường thẳng, mạch nhiệt thường được bố trí phân tán, trong khi tường nhiều lớp sử dụng các loại gạch khác nhau sẽ có mạch nhiệt như hình 6.2b Đối với nóc lò, nếu chiều dài ≤ 5 mét, mạch nhiệt sẽ tập trung ở hai đầu, còn nếu > 5 mét, sẽ có thêm một mạch nhiệt ở giữa Đối với các tường cong, mạch nhiệt được đặt tập trung phía ngoài sát vỏ lò, trong khi ở thể xây đáy, các loại gạch ít giản nở như manhêdit hay crômit sẽ có mạch nhiệt phân tán Đối với đáy lò dài dưới 3 mét, mạch nhiệt sẽ tập trung ở hai đầu, và khi chiều dài > 3 mét, mạch nhiệt sẽ được đặt trong thể xây như tường lò.
6.2.2 Cấu trúc của các thể xây
Các thể xây trong lò luyện kim có thể sử dụng nhiều loại gạch với độ dày khác nhau Gạch có thể được đặt theo ba cách: nằm, đứng hoặc nghiêng Theo quy ước, với viên gạch tiêu chuẩn kích thước 230x113x65 mm, khi xây nằm, độ dày lớp gạch là 65 mm; khi xây nghiêng, độ dày là 113 mm; và khi xây đứng, độ dày là 230 mm.
Để xây tường thẳng, cần sử dụng gạch tiêu chuẩn thông thường Tường lò thường bao gồm hai lớp: lớp lót xây bằng gạch chịu lửa và lớp cách nhiệt xây bằng gạch hoặc các vật liệu cách nhiệt khác Nếu chiều dày tường được coi bằng chiều dài viên gạch tiêu chuẩn (230 mm), thì chiều dày lớp gạch chịu nhiệt có thể chọn từ 1 đến 3 Chiều dày lớp cách nhiệt bằng gạch dao động từ 113 đến 350 mm, trong khi lớp cách nhiệt bằng vật liệu bột, vụn hoặc tấm có độ dày từ 30 đến 100 mm.
Khi xây tường thẳng, các viên gạch phải được đặt theo hàng và mạch vữa không được trùng nhau trong cùng một hàng cũng như giữa các hàng kế tiếp Nguyên tắc này cũng áp dụng cho các góc tường và những chỗ giao nhau Để xây lệch mạch, người ta thường sử dụng gạch có chiều dài bằng 1/2 hoặc 3/4 viên gạch tiêu chuẩn Đối với tường gồm hai lớp gạch khác nhau, để tăng cường liên kết giữa hai lớp, lớp trong sẽ được xây chìa ra lớp ngoài 1/2 viên gạch sau mỗi 5 đến 8 hàng gạch Đối với tường cong, tùy vào độ cong, có thể sử dụng gạch vát tiêu chuẩn hoặc kết hợp với gạch thẳng, đồng thời mạch vữa trong một hàng cũng như giữa các lớp kế tiếp phải lệch nhau Cuối cùng, với các tường có lớp cách nhiệt bằng bột hoặc vật liệu vụn, cần có vỏ kim loại bên ngoài để bảo vệ.
Hình 6.3 Thể xây t−ờng thẳng a) Hàng d−ới b) Hàng trên b) Thể xây đáy
Thể xây đáy có hai dạng chính: đáy phẳng và đáy cong Đáy phẳng được xây bằng gạch tiêu chuẩn trên móng lò hoặc trên các tấm thép có dầm đỡ Chiều dày của thể xây đáy phụ thuộc vào loại lò, với lò nung và lò sấy có chiều dày từ 1 - 4 viên gạch, trong khi lò nấu chảy có thể dày tới 4 - 8 viên gạch Thể xây đáy thường bao gồm ba lớp: lớp dưới cùng là lớp cách nhiệt bằng gạch samôt nhẹ, gạch điatômit hoặc gạch đỏ; lớp giữa là lớp đệm bằng gạch samôt mác thấp; và lớp trên cùng là lớp làm việc bằng gạch chịu lửa mác cao Các lớp này được xây dựng với các hướng khác nhau: lớp cách nhiệt nằm ngang, lớp đệm nằm hoặc nghiêng, và lớp làm việc có thể xây đứng hoặc nghiêng.
Khi xây thể xây đáy, cần tuân thủ nguyên tắc bắt chéo mạch để đảm bảo tính chắc chắn Đối với các hàng trong cùng một lớp, mạch được bắt chéo bằng cách đặt lệch nhau, trong khi đó, hai lớp kế tiếp cần bắt chéo bằng cách xoay gạch 90 độ hoặc 45 độ Khi gạch được xoay 45 độ, kỹ thuật này được gọi là xây theo kiểu nhánh thông Đối với các đáy cong, có thể sử dụng gạch hoặc áp dụng lớp đầm bằng hỗn hợp vật liệu chịu lửa kết hợp với chất dính kết.
Hình 6.4 Thể xây đáy phẳng
1) Lớp cách nhiệt 2) Lớp đệm, 3) Lớp làm việc a) b) c)
Hình 6.5 Thể xây đáy cong a) Xây bằng gạch b) Lớp đầm bằng vật liệu chịu lửa c) ThÓ x©y nãc
Nóc lò được chia thành hai dạng chính: nóc thẳng và nóc cong Nóc cong có độ cong nhất định, giúp duy trì độ ổn định cao khi gạch dãn nở nhiệt, tránh tình trạng sụp đổ Trong khi đó, nóc thẳng với mặt trong phẳng có tính ổn định thấp hơn Tùy thuộc vào điều kiện làm việc của lò, nóc có thể được xây dựng bằng gạch hoặc tấm bê tông chịu nhiệt đúc sẵn Đối với nóc thẳng ở nhiệt độ cao, gạch treo được sử dụng kết hợp với móc kim loại gắn lên các dầm phía trên Còn với các lò ở nhiệt độ thấp, nóc được tạo hình bằng các tấm bê tông chịu nhiệt ghép lại Đối với nóc cong, gạch được xây hoặc treo bằng móc để tạo thành vòm cuốn với các góc tâm quy định như 38, 45, 56, 60, 74, 106 và 180 độ.
Thể xây nóc thường bao gồm hai lớp: lớp trong được làm từ gạch chịu lửa và lớp ngoài là lớp cách nhiệt Đối với các lò luyện thép hoạt động ở nhiệt độ cao, lớp gạch chịu lửa có thể dày lên đến 400mm.
Để xây dựng một mái cong có độ cao 500 mm và không có lớp cách nhiệt, cần sử dụng khuôn mái bằng gỗ hoặc kim loại Khuôn này được tạo hình theo độ cuốn của mái, như hình 6.6.
Khi xây nóc cong, có hai phương pháp chính: xây theo vòng và xây bắt chéo mạch Phương pháp xây theo vòng yêu cầu gạch được xếp thành từng vòng theo hình cung vòm, bắt đầu từ gạch chân vòm cho đến đỉnh vòm Để đảm bảo độ ép cần thiết giữa các viên gạch, người ta sử dụng các viên gạch khóa Đối với vòm nóc có dây cung nhỏ hơn 3m, chỉ cần đặt một viên gạch khóa tại đỉnh vòm, trong khi với dây cung lớn hơn 3m, cần đặt từ 2 đến 3 viên gạch khóa.
Khi bố trí gạch khóa, cần sắp xếp 2 - 3 viên gạch sao cho khoảng cách giữa chúng đồng đều Trong phương pháp xây bắt chéo mạch, gạch được xếp theo hàng dọc với các viên gạch chân vòm, trong đó các viên gạch giữa các hàng lệch nhau 1/2 hoặc 3/4 viên Phương pháp này tạo ra sự liên kết tốt hơn giữa các viên gạch, nhưng việc thay thế hoặc sửa chữa sẽ khó khăn hơn so với xây cuốn vòng Trong quá trình xây dựng, cũng như trong xây cuốn vòng, cần đặt các viên gạch khóa để đảm bảo độ nén giữa các viên gạch.
Hình 6.6 Sơ đồ đặt khuôn xây nóc
Hệ thống cấp gió và khí đốt 137
7.2.1 Cấu trúc hệ thống cấp gió
Hệ thống cấp gió bao gồm quạt gió và các ống dẫn gió, có nhiệm vụ dẫn không khí từ thiết bị cấp gió đến thiết bị đốt nhiên liệu Khi sử dụng gió nóng, cần thêm đường dẫn không khí qua thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đến thiết bị đốt Hình 7.3 minh họa cấu trúc của hệ thống cấp gió trong một lò nung liên tục sử dụng giã nãng.
Các ống dẫn gió được chế tạo từ thép ống hàn với độ dày thành ống từ 3 đến 6 mm Đối với các ống dẫn gió nóng, nếu nhiệt độ bên ngoài thấp hơn 500 độ C, chúng sẽ được bọc cách nhiệt để đảm bảo hiệu suất và an toàn.
Khi nhiệt độ đạt 500 độ C, ống dẫn khí cần có lớp bọc cách nhiệt và bên trong được lót gạch chịu lửa mác thép Đối với các lò sử dụng nhiên liệu khí, hệ thống ống dẫn khí đốt cũng được chế tạo từ ống thép hàn, với độ dày từ 5 đến 8 mm Nếu nhiệt độ thấp hơn 500 độ C, ống sẽ chỉ cần bọc cách nhiệt bên ngoài, nhưng nếu nhiệt độ vượt quá 500 độ C, cần lót gạch bên trong và giữ lớp cách nhiệt bên ngoài.
Khi thiết kế hệ thống cấp gió cần lưu ý:
Hình 7.3 Sơ đồ cấp gió cho lò nung liên tục
1) Quạt gió 2) ống dẫn gió lạnh 3) ống dẫn gió nóng
4) ống dẫn gió pha loãng khói lò 5)Thiết bị đốt
Bố trí đường dẫn khí cần được thực hiện sao cho chiều dài tối thiểu, hạn chế các khúc gấp và trở lực cục bộ để giảm thiểu tổn thất áp suất Đồng thời, cần đảm bảo không gây cản trở cho việc di chuyển và thao tác xung quanh lò.
- Khi trong phân x−ởng có nhiều lò gần nhau thì có thể thiết kế một hệ thống cấp gió chung cho các lò
- Tính toán trở lực trên đường dẫn để chọn quạt gió cần tính cho nhánh có tổn thÊt lín nhÊt
7.2.2 Tính kích thước đường ống dẫn gió và khí đốt
- Diện tích tiết diện ống dẫn gió: i , kk i , kk i
Vkk - lưu lượng gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m 3 /h] i
Wkk - tốc độ gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m/s], chọn theo bảng 7.1
Bảng 7.1 Tốc độ gió và khí đốt trong ống dẫn
Khí đốt lạnh, áp suất thấp:
- ống có hình phức tạp
6 Khí đốt nóng, áp suất thấp: 4 - 6
7.2.3 Tính tổn thất áp suất trên đ−ờng dẫn gió
Tổng tổn thất trên đường dẫn gió được xác định bằng công thức tương tự như trong thiết kế hệ thống thoát khói, nhưng cần lưu ý rằng các thông số thiết kế như độ giảm nhiệt độ và hệ số trở lực phải được chọn theo đặc tính của không khí hoặc khí đốt.
∑htt = hms + hcb ± hhh (7.17) Tổn thất ma sát:
.W h ) (7.19) Đối với lò dùng nhiên liệu rắn, trở lực trên đường dẫn gió phải kể đến trở lực qua ghi lò h g
7.3 Thiết bị tận dụng nhiệt khói lò
7.3.1 Phân loại Để tận dụng nhiệt khói thải, trong các lò luyện kim th−ờng sử sụng các thiết bị thu hồi nhiệt để nung nóng không khí hoặc khí đốt
Theo nguyên tắc làm việc ng−ời ta chia các thiết bị thu hồi nhiệt thành hai loại:
- Thiết bị trao đổi nhiệt: hoạt động liên tục, chế độ nhiệt độ ổn định, không khí và khói cùng đi qua thiết bị
Thiết bị hoàn nhiệt hoạt động theo chu kỳ với chế độ nhiệt độ không ổn định, cho phép không khí và khói lò đi qua thiết bị trong các khoảng thời gian khác nhau.
Dưới đây chủ yếu khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt
7.3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt được chia thành hai loại chính: loại gốm làm từ vật liệu phi kim như samôt hoặc cac bô run, và loại kim loại được chế tạo từ các kim loại như gang xám, thép carbon thấp, và thép hợp kim chịu nhiệt Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt kim loại là loại phổ biến nhất.
Theo cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đ−ợc chia ra làm hai loại: loại ống kim loại nhẵn và loại ống có gai
Loại ống nhẵn đ−ợc chế tạo từ các ống thép nhẵn có đ−ờng kính trong d = 15 -
Ống có đường kính 100 mm và chiều dày thành ống từ 3 đến 5 mm được sắp xếp thành chùm ống theo kiểu bàn cờ hoặc so le Không khí di chuyển bên trong ống trong khi khói lò lưu thông bên ngoài Nhiệt độ của khói lò thường không vượt quá 500 độ C.
Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, hệ số truyền nhiệt vào khoảng
Ống mặt có gai được sản xuất từ gang chịu nhiệt với tỷ lệ crom từ 1,5% đến 30%, có thiết kế gai ở cả hai mặt hoặc gai chỉ ở mặt trong, trong khi mặt ngoài vẫn nhẵn Với bề mặt có gai, loại ống này mang lại hệ số ma sát cao hơn, giúp cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp.
Thiết bị trao đổi nhiệt kim loại bao gồm hai loại ống: ống trơn và ống có gai Ống có gai truyền nhiệt hiệu quả hơn, đạt khoảng 80 - 100 Kcal/m².h, nhưng có kết cấu phức tạp, khó lắp đặt và lượng không khí rò rỉ lớn.
7.3.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt
Mục đích tính toán thiết bị trao đổi nhiệt là xác định bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị
Khi chế độ nhiệt ổn định, l−ợng nhiệt truyền từ khói lò qua thành của thiết bị đến không khí xác định theo công thức sau:
L−ợng nhiệt Q cần truyền từ khói lò đến không khí:
Q kk c kk c kk d kk d kk k c k c k d k d k (7.21) Trong đó:
V kk - l−ợng không khí cần nung nóng [m 3 /h]
V k - l−ợng khói lò đi qua thiết bị [m 3 /h]
- hệ số sử dụng nhiệt của thiết bị 0,85 - 0,90 η
, và , là nhiệt dung riêng của không khí và khi lò tr−ớc khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị d
Ckk C c kk C d k C c k d tkk, và , là nhiệt độ của không khí và khí lò trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị c tkk t d k t c k
K - hệ số truyền nhiệt từ khói đến không khí:
Hiệu số nhiệt độ trung bình ∆t tb được xác định dựa vào nhiệt độ đầu và cuối, cùng với hướng chuyển động của khói và không khí Hình 7.3 minh họa một số trường hợp phổ biến và biểu đồ nhiệt độ hỗ trợ tính toán ∆t tb.
Hiệu số nhiệt độ trung bình trong thiết bị xác định theo nhiệt độ trung bình logarit: c d c d tb t lg t 3 , 2 t t t
- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói vào: td
- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói ra: tc
Ng−ợc dòng Thuận dòng
Chính giao thuận dòng Chính giao ng−ợc dòng tk t kk t o C
L (m) t k t kk d tk d tkk tkk d tk tkk c tkk d c tk c tk c t o C
Thuận dòng Ng−ợc dòng
Hình 7.3 Phân loại chuyển động khói lò và không khí
Sau khi tính toán giá trị F k, cần tra cứu bảng để xác định loại ống trao đổi nhiệt phù hợp Tiếp theo, xác định số lượng ống và cách bố trí số ống trong mỗi hàng, cũng như số hàng cần thiết, nhằm đảm bảo rằng bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị đạt hoặc vượt quá giá trị đã tính toán.
1 Phạm Văn Trí, D−ơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn: “Lò công nghiệp” Đại học Bách khoa Hà nội - 1996
2 Bộ môn Luyện kim: “Nguyên lý lò luyện kim” Đại học Bách khoa Hà nội - 1968
3 E.I Kazanxev: “Prôm−slenn−i petchi” NXB “Metalurghi” , Moskva - 1975
4 H.E Xentruk, H Dzmakin: “Teplôv−i ratriôt− plachenn−x petchêi dlia nagrepva i teplôôbrabôtki metala” NXB Minxk -1974
Chương 1 Khái niệm và các đặc trưng cơ bản 5
1.2.1 Phân loại theo nguồn nhiệt sử dụng 6
1.2.2 Phân loại theo đặc điểm công nghệ 6
1.2.3 Phân loại theo chế độ công tác nhiệt 7
1.2.4 Phân loại theo kết cấu 8
1.3 Các đặc tr−ng cơ bản của lò
1.3.1 Chế độ nhiệt độ của lò 8
1.3.2 Chế độ nhiệt của lò 9
1.3.3 Công suất nhiệt của lò 9
1.3.5 Các hiệu suất của lò 9
1.3.6 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn 11
Ch−ơng 2 Công tác nhiệt của lò 12
2.1 Chế độ làm việc bức xạ 12
2.1.1 Một số khái niệm và định luật cơ bản về truyền nhiệt bức xạ 12
2.1.2 Chế độ làm việc bức xạ phân bố đều 18
2.1.3 Chế độ làm việc bức xạ trực tiếp 19
2.1.4 Chế độ làm việc bức xạ gián tiếp 21
2.1.5 Tính toán trao đổi nhiệt bức xạ 22
2.2 Chế độ làm việc đối lưu 25
2.2.1 Một số khái niệm và định luật cơ bản về truyền nhiệt đối lưu 26
2.2.2 Chế độ đối lưu tự nhiên 28
2.2.3 Chế độ đối lưu cưỡng bức 29
2.2.4 Trao đổi nhiệt đối lưu trong chất lỏng 31 2.2.5 Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt 32
2.3 Chế độ làm việc theo lớp 32
2.3.1 Khái niệm và phân loại 32
2.3.4 Chế độ lớp lơ lững 40
2.3.5 Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt 41
Ch−ơng 3 Nung kim loại 43
3.1.1 Mục đích của quá trình nung 43
3.1.2 Các hiện t−ợng xẩy ra khi nung kim loại 43 3.1.3 Chế độ nung khi nung kim loại 44 3.2 Tính toán thời gian nung 45
3.2.1 Các điều kiện giới hạn khi nung 45 3.2.2 Ph−ơng pháp tính 46
3.3 VÝ dô tÝnh thêi gian nung 53
Ch−ơng 4 Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu 57
4.1.3 Thành phần của nhiên liệu 62
4.1.4 Nhiệt trị của nhiên liệu 64
4.2 Sự cháy của nhiên liệu 65
4.2.1 Sự cháy của nhiên liệu rắn 65
4.2.2 Sự cháy của nhiên liệu lỏng 66
4.2.3 Sự cháy của nhiên liệu khí 68
4.2.4 Khái niệm về cháy hoàn toàn, không hoàn toàn và hệ số d− không khí 69
4.3 Tính toán sự cháy của nhiên liệu 70 4.3.1 Tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn và lỏng 71 4.3.2 Tính toán sự cháy của nhiên liệu khí 78
Chương 5 Thiết bị đốt nhiên liệu 79
5.1 Thiết bị đốt nhiên liệu rắn 79
5.1.1 Buồng đốt thủ công 79 5.1.2 Buồng đốt cơ khí 81 5.1.3 Tính toán buồng đốt 82 5.2 Thiết bị đốt nhiên liệu bụi 85
5.2.1 Khái niệm về đốt nhiên liệu bụi 85
5.2.2 Các thiết bị đốt nhiên liệu bụi 86
5.3 Thiết bị đốt nhiên liệu lỏng 87
5.3.1 Mỏ phun áp suất thấp 87
5.3.2 Mỏ phun áp suất cao 88
5.3.3 Tính toán mỏ phun 89 5.4 Thiết bị đốt nhiên liệu khí 96 5.4.1 Mỏ đốt tự hút 96
Ch−ơng 6 Vật liệu xây, thể xây và khung lò 107 6.1 Vật liệu xây lò 107
6.1.1 Yêu cầu chung đối với vật liệu chịu lửa 107 6.1.2 Một số tính chất cơ bản của vật liệu chịu lửa 107 6.1.3 Vật liệu chịu lửa thông dụng 110
6.2.2 Cấu trúc của các thể xây 116 6.2.3 Tính toán gạch xây nóc lò 123 6.3 Khung lò 125
Ch−ơng 7 Hệ thống thoát khói, cấp gió và thiết bị tận dụng nhiệt khói lò 131 7.1 Hệ thống thoát khói 131
7.1.1 Cấu trúc của hệ thống thoát khói 131 7.1.2 Tính toán kích th−ớc hệ thống thoát khói 132 7.1.3 Tính tổn thất áp suất trên đ−ờng dẫn khói 133
7.2 Hệ thống cấp gió và khí đốt 137
7.2.1 Cấu trúc của hệ thống cấp gió 137
