Tài liệu Giáo trình lò luyện kim - chương 4 docx

Chơng 4 Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu 4.1. Nhiên liệu 4.1.1. Khái niệm chung Nhiên liệu là loại vật chất mà khi cháy tỏa ra một lợng nhiệt lớn, lợng nhiệt này có thể sử dụng một cách có hiệu quả trong công nghệ cũng nh trong đời sống. Nhiên liệu phải thoả mãn các yêu cầu chung sau đây: + Sản phẩm cháy của nhiên liệu phải ở thể khí. Khi đó, sản vật cháy mới có thể chuyển động thuận lợi trong lò, truyền nhiệt cho vật nung và thoát ra ngoài dễ dàng để phản ứng cháy của nhiên liệu tiếp tục xẩy ra. + Sản phẩm cháy không gây tác động có hại đối với vật liệu gia công, không phá hủy thiết bị, không độc hại đối với ngời và sinh vật xung quanh. + Có thể khống chế đợc quá trình cháy. + Trữ lợng lớn và giá thành khai thác, chế biến thấp. Từ các yêu cầu chung ở trên, ta thấy chỉ những chất có nguồn gốc hữu cơ, gồm các bon và hyđrô tạo thành, mới có thể thoả mãn đồng thời các yêu cầu đó. Các bon và hyđrô khi bị oxy hoá đều có hiệu ứng nhiệt lớn, sản phẩm cháy ở thể khí và với nồng độ không lớn là loại khí không độc hại. 4.1.2. Các loại nhiên liệu a) Phân loại - Căn cứ vào nguồn gốc hình thành, nhiên liệu đợc phân ra: thiên nhiên, nhân tạo. - Căn cứ vào trạng thái, nhiên liệu đợc phân ra: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí. Các loại nhiên liệu đợc sử dụng trong công nghiệp trình bày ở bảng 4.1. Bảng 4.1 Phân loại nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp Trạng thái Nguồn gốc Thiên nhiên Nhân tạo Rắn Củi, gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than ăngtraxit, 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 khí, -57- b) Nhiên liệu rắn - Nhiên liệu rắn thiên nhiên: gồm các loại gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than antraxit. Gỗ: Thành phần chủ yếu của gỗ là xen-luy-lô, nớc và một số oxyt kim loại kiềm. Thành phần nguyên tố của gỗ nh sau: %C = 49,4 ữ 50,4; %H = 5,9 ữ 6,1; %O = 42,7 ữ 43,9; %N = 0,7 ữ 1. Nhiệt trị Q d = 1.878 ữ 4.460 Kcal/kg. Gỗ có hàm lợng chất bốc cao (khoảng 80 %) dễ cháy, không chứa lu huỳnh, hàm lợng tro nhỏ (A = 0,7 ữ 1,2 %), nhợc điểm của gỗ là chứa nhiều nớc (gỗ tơi W = 40 ữ 60 %, gỗ khô W = 30%), nhiệt trị của gỗ thấp ( khi w = 50 %, Q d =1878 Kcal/kg), khối lợng thể tích nhỏ nên chi phí vận chuyển cao. Gỗ là loại nhiên liệu đợc dùng nhiều trớc đây, song hiện nay gỗ là nguồn nguyên liệu có giá trị của nhiều ngành công nghiệp khác nên rất hạn chế dùng để làm nhiên liệu. Than bùn: là loại than trẻ tuổi nhất vừa chuyển từ thực vật sang, chứa nhiều nớc, mới khai thác W = 85 ữ 91 %, phơi khô kỹ vẫn còn W = 30 ữ 40 %, khối lợng thể tích nhỏ 325 ữ 425 kg/m 3 . Thành phần nguyên tố trung bình của than: %C c = 57,8; %H d =6,0; %O = 33,4; %N c = 2,5; %S c =0,3; %A k = 9,7. Nhiệt trị Q d = 2.660 ữ 2.940 Kcal/kg. Than bùn có u điểm: dễ bốc cháy, chứa ít lu huỳnh, dễ khí hóa. Nhợc điểm: khối lợng thể tích nhỏ, độ bền cơ học thấp, nhiệt trị thấp, điểm chảy của tro thấp. Than bùn chủ yếu dùng trong công nghiệp địa phơng, gần nơi khai thác. Than nâu: than nâu do than bùn trải qua một thời kỳ biến đổi tạo thành, quá trình chuyển biến từ thực vật sang khoáng vật đã hoàn thành. Thành phần nguyên tố của than nâu: %C c = 72 ữ 78 ; %H d = 4,4ữ 5,6; %O = 15 ữ 21; %N c = 1,3 ữ 1,5; %S c = 0,4; %A k = 11 ữ 30; %W d = 35 - 50. Nhiệt trị Q d = 2.660 ữ 4.100 Kcal/kg. So với than bùn, than nâu có thành phần các bon cao hơn, khối lợng thể tích từ 800 ữ 900 kg/m 3 , độ bền cơ học cao hơn, hút nớc ít hơn, thành phần chất bốc thấp hơn. Than nâu có thể đợc dùng làm nhiên liệu cho các lò nhiệt độ không cao, khí hoá để sản xuất khí đốt. -58- Than khói: Quá trình các bon hoá của than hoàn thiện hơn, độ hút nớc của than bé, lợng chất bốc giảm, độ bền cơ học cao hơn. Theo công dụng than khói đợc phân ra: than lửa dài, than khí đốt, than béo, than luyện cốc, than gầy. Than lửa dài và than khí đốt có hàm lợng chất bốc còn khá cao, khi cháy sinh ra ngọn lửa dài, đợc dùng đốt trực tiếp hoặc chế tạo khí đốt. Than béo một phần đốt trực tiếp, một phần để luyện cốc. Than luyện cốc là loại than quý dùng để luyện than cốc, loại nhiên liệu quan trọng trong các lò luyện và nấu gang. Than gầy chủ yếu dùng để đốt trực tiếp. - Than không khói ( than antraxit): than không khói là loại than già tuổi nhất, độ bền lớn, hút ẩm ít, hàm lợng các bon cao, lợng chất bốc thấp, khi cháy không sinh khói. Hàm lợng tro và lu huỳnh trong than biến đổi trong phạm vi rộng. Than không khói đợc dùng đốt trực tiếp, một phần đợc nhiệt luyện để thay thế một phần than cốc trong nấu gang. - Nhiên liệu rắn nhân tạo: than gỗ, than cốc, than antraxit nhiệt luyện. Than gỗ: than gỗ đợc chế tạo bằng cách chng khô củi gỗ theo phơng pháp thủ công hoặc dùng lò kín và nung bằng không khí nóng 350 - 400 o C. Thành phần hữu cơ của than gỗ: %C = 79,81 ữ 88,87 ; %H = 4,33 ữ 3,23; % (O+N) = 15,86 ữ 7,90. Than gỗ chứa ít lu huỳnh, trớc đây đợc sử dụng làm nhiên liệu cho lò đúc, lò cao cở nhỏ nhng hiện nay ít dùng. Than cốc: Than cốc đợc luyện bằng cách nung bột than có tính dính kết tốt (than luyện cốc, than béo) trong môi trờng cách biệt với không khí tới nhiệt độ 850 - 1000 o C sau đó làm nguội. Quá trình luyện cốc nh sau: nghiền than đến độ hạt khoảng 3 mm, chất vào lò và nung. Dới tác dụng của nhiệt, than đợc sấy khô và chng, trong than xẩy ra các phản ứng phân hóa nhiệt. Giai đoạn quan trọng nhất đối với sự tạo thành than cốc là ở nhiệt độ 400 - 500 o C, than bị biến mềm và tiết ra chất bốc làm cho khối than trở nên xốp. Tiếp tục nâng nhiệt độ, khối than sẽ chuyển sang trạng thái rắn ta thu đợc than cốc. Than cốc đợc lấy ra khỏi lò và làm nguội bằng nớc sau đó sàng phân loại theo cỡ hạt. Than cốc có đặc điểm: độ bền cơ và bền nhiệt cao, độ xốp than lớn, hàm lợng chất bốc thấp, hàm lợng tro từ 8 - 14%. Than cốc chủ yếu dùng cho các lò cao luyện gang và các lò đứng nấu gang. -59- Than antraxit nhiệt luyện: Than antraxit có độ xốp bé, khi bị nung nóng đột ngột, nớc và chất bốc thoát ra mạnh làm cho than bị vỡ vụn nhiều gây khó khăn cho quá trình chạy lò. Để tăng độ bền nhiệt của than antraxit ngời ta tiến hành nhiệt luyện. Quá trình nhiệt luyện than tiến hành nh sau: đem than nung nóng chậm đến 1000 - 1100 o C, giữ nhiệt trong một thời gian sau đó làm nguội, thu đợc than nhiệt luyện. Khi nung nóng chậm, nớc và chất bốc trong than thoát ra ngoài, hàm lợng nớc và chất bốc trong than giảm, đồng thời độ xốp của than tăng lên làm tăng đáng kể độ bền nhiệt của than khi chạy lò. Than gầy nhiệt luyện đợc sử dụng thay thế một phần than cốc để nấu gang trong lò đứng và luyện gang trong các lò cao cỡ nhỏ. c) Nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng dùng trong lò công nghiệp chủ yếu là dầu mazut và dầu điêzen là các sản phẩm thu đợc khi gia công dầu mỏ. Dầu mỏ nguyên khai là hỗn hợp của nhiều loại cacbua hyđrô và một lợng nhỏ các tạp chất của oxy, nitơ và lu huỳnh. Các cacbua hyđrô trong dầu mỏ đợc chia ra ba nhóm: mê-tan (C n H 2n+2 ), náp-ten (C n H 2n ) và cacbua thơm (C n H 2n-6 ). Dầu mỏ có khối lợng riêng 750 - 1.000 kg/m 3 , nhiệt trị 9.800 - 10.500 kcal/kg. Mặc dù dầu mỏ có nhiệt trị cao nhng ngời ta không dùng nó trực tiếp làm nhiên liệu vì trong nó chứa nhiều sản vật quý. Dầu mỏ đợc gia công bằng hai phơng pháp: chng phân trực tiếp và crăc- kinh. Khi chng phân trực tiếp, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các sản phẩm trong dầu mỏ, ngời ta chng dầu mỏ ở những nhiệt độ cần thiết để tách riêng từng loại. Các sản phẩm thu đợc khi chng phân trực tiếp gồm: ét-xăng nhẹ, ét-xăng nặng, dầu hoả, ligrain, gajôin và mazut. Đem mazut chng trong chân không, tiếp tục thu đợc các loại dầu nhờn và hắc-ín. Crăc-king dầu mỏ là quá trình làm phân hóa nhiệt dầu mỏ ở 450 - 460 o C để biến những cacbuahyđrô nặng thành những cacbuahyđrô nhẹ hơn. Nhờ phơng pháp crăc- king ngời ta tăng thêm đợc lợng dầu nhẹ thu hồi khi gia công dầu mỏ. d) Nhiên liệu khí So với nhiên liệu rắn và lỏng, nhiên liệu khí có nhiều u điểm hơn: + Dễ hoà trộn với không khí nên chỉ cần hệ số d không khí nhỏ cũng đảm bảo đốt cháy hoàn toàn, giảm tổn thất nhiệt do khói lò mang ra ngoài. -60- + Có thể đạt dợc nhiệt độ cháy cao nhờ nung nóng trớc không khí và nhiên liệu. + Thiết bị đốt đơn giản, dễ khống chế nhiệt độ, chiều dài ngọn lửa và áp suất trong lò. + Dễ vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. - Khí đốt thiên nhiên: Khí đốt thiên nhiên có ở các mỏ riêng hoặc ở các mỏ dầu. Thành phần có thể cháy trong nó chủ yếu là mê tan(CH 4 ), chiếm khoảng 75 - 98%, một ít cacbuahyđrô nặng, hyđrô và CO, thành phần không thể cháy là CO 2 và N 2 . Khí đốt thiên nhiên có năng suất toả nhiệt cao, Q d 8.600 Kcal/m 3 . - Khí đốt nhân tạo: Khí đốt nhân tạo gồm nhiều loại (bảng 4.2). Bảng 4.2 Thành phần và nhiệt trị của khí nhân tạo Thành phần theo thể tích (%) Q d Loại khí đốt CO 2 +H 2 S O 2 CO H 2 CH 4 C m H n N 2 kcal/m 3 Khí đốt bán cốc 12 -15 0,2-0,5 7 - 12 8 - 12 45 - 62 5 - 8 2 - 10 5.300 -7.000 Khí đốt lò cốc 2 - 3 0,7 - 1,2 4 - 8 53 - 60 19 - 25 1,6 - 2,3 7 - 15 3.700 - 4.000 Khí đốt hơi nớc 5 - 7 0,1 - 0,2 35 - 40 47 - 52 0,3 - 0,6 - 2 - 6 2.400 - 2.500 Khí đốt hỗn hợp 5 - 7 0,1 - 0,3 24 - 30 12 - 15 0,5 - 3 0,2 - 0,4 46 - 55 1.150 - 1.550 Khí đốt không khí 0,5 - 15 - 32 - 33 0, 5 -0,9 - - 64 - 66 900 - 1.030 Khí đốt lò cao 8 - 14 - 23 - 31 10 -15 0,1 - 2,6 - 48 - 60 900 - 1.265 Khí đốt lò cao: là sản phẩm phụ khi luyện gang bằng lò cao, luyện 1 tấn gang thu đợc 3.600 - 4.000 m 3 khí lò cao. Thành phần khí cháy chủ yếu của khí lò cao là CO (hàm lợng 23 - 31%) và hyđrô (hàm lợng 10 - 15%). Nhiệt trị khí lò cao thấp (Q d = 900 - 1265 Kcal/m 3 ), để nâng cao nhiệt độ cháy ngời ta thờng nung nóng trớc hoặc hỗn hợp với khí lò cốc. -61- Khí lò cốc: là sản phẩm phụ thu đợc khi luyện than cốc, luyện 1 tấn than cốc thu đợc 230 - 270 m 3 khí lò cốc. Thành phần có thể cháy của khí lò cốc chủ yếu là H 2 (53 - 60%) và CH 4 (19 - 225%), Q d = 3700 - 4000Kcal/kg. Khí đốt không khí là sản phẩm thu đợc khi khí hóa than mà khí thổi là không khí. Thành phần cháy chủ yếu là CO (32 - 33%). Nhiệt trị khí đốt không khí thấp, Q d = 3780 - 4600 Kcal/kg. Khí đốt hơi nớc là sản phẩm thu đợc khi khí hóa than bằng hơi nớc. Thành phần cháy chủ yếu là CO ( 35 - 40%) và H 2 (47 - 52 %). Nhiệt trị khí đốt hơi nớc thấp Q d = 2400 - 2500 Kcal/kg và giá thành cao nên ít dùng trong luyện kim. 4.1.3. Thành phần của nhiên liệu Thành phần nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng của nhiên liệu. a) Thành phần nhiên liệu rắn và lỏng Đối với các nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng rất phức tạp, các nguyên tố tạo thành chúng thờng không tồn tại một cách độc lập, mà hoá hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Việc phân tích chính xác thành phần nhiên liệu theo các hợp chất tạo thành chúng rất khó khăn, bởi vậy trong tính toán nhiệt thờng ngời ta coi nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm các chất tồn tại 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. C +O 2 = CO 2 + 8.137 Kcal/kg - Hyđrô (H): dạng cháy đợc gồm hyđrô tự do và hyđrô hóa hợp với các chất cháy đợc, dạng không cháy đợc là hợp chất với oxy. Phản ứng cháy của hyđrô với oxy: H 2 + 2 1 O 2 = H 2 O + 34.180 Kcal/ kg - Nitơ (N): là thành phần không cháy đợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh hởng. - Lu huỳnh (S): có ba dạng là lu huỳnh hữu cơ, lu huỳnh sunphit và lu huỳnh dạng muối. Hai dạng đầu có thể cháy còn lu huỳnh dạng muối không thể cháy. Lu huỳnh là tạp chất có hại trong nhiên liệu cần hạn chế. - Tro (A): gồm các khoáng chất SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, Fe 2 O 3 là các thành phần không cháy đợc. Hàm lợng tro trong nhiên liệu càng cao thì chất lợng nhiên liệu càng -62- giảm do giảm hàm lợng chất cháy đợc, tổn hao nhiệt do nung nóng tro, tăng lợng bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn cho việc khống chế quá trình cháy. - Nớc (W): gồm nớc hấp phụ bề mặt, nớc hấp thụ qua các lỗ xốp của nhiên liệu và nớc kết tinh. Khi sấy nhiên liệu chỉ hai dạng đầu là có khả năng bốc hơi còn dạng nớc kết tinh vẫn còn trong nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng đợc biểu diễn bằng bốn cách: + Chất hữu cơ : C h + H h + O h + N h = 100 %. (4.1) + Chất có thể cháy : C c + H c + O c + N c + S c = 100 %. (4.2) + Chất khô : C k + H k + O k + N k + S k +A k = 100 %. (4.3) + 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 ngời 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 Chất hữu cơ 1 100 S100 c 100 )AS(100 kk + 100 )WAS(100 ddd ++ Có thể cháy c S100 100 1 100 A100 k 100 )WA(100 dd + Chất khô )AS(100 100 kk + k A100 100 1 100 W100 d Thông dụng )WAS(100 100 ddd ++ )WA(100 100 dd + d W100 100 1 b) Thành phần nhiên liệu khí Nhiên liệu khí thờng là hỗn hợp cơ học của một số khí, có thể phân tích chính xác từng thành phần của chúng. Các thành phần có thể cháy trong nhiên liệu khí gồm: CO, H 2 , CH 4 , C m H n , H 2 S. Các thành phần không thể cháy gồm CO 2 , N 2 , SO 2 , H 2 O, O 2 . Trong các thành phần có thể cháy thì các cacbuahyđrô nh CH 4 , C m H n có năng suất toả nhiệt cao, sau đó là H 2 và CO, còn H 2 S là thành phần có hại cần hạn chế. Thành phần nhiên liệu khí đợc biểu thị bằng hai cách: + Thành phần khô: CO 2 k + CO k + H 2 k + CH 4 k + C 2 H 2 k + H 2 S k + + N 2 k = 100 % (4.5) -63- + Thành phần ớt: CO 2 u + CO u + H 2 u + CH 4 u + C 2 H 2 u + H 2 S u + + N 2 u + H 2 O u = 100% (4.6) Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh sau: 100 OH100 .XX u 2 ku = (4.7) u 2 uk OH100 100 .XX = (4.8) Trong đó: + = 3,806 100 OH u 2 (4.9) Với là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng lợng nớc chứa trong một mét khối khí khô [ g/m 3 ]. 4.1.4. Nhiệt trị của nhiên liệu Năng suất toả nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là lợng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lợng nhiên liệu (nếu là nhiên liệu rắn và lỏng) hay một đơn vị thể tích nhiên liệu ( nếu là nhiên liệu khí), đợc ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và kcal/ m 3 hoặc kj/m 3 ]. Trong thực tế, ngời ta dùng hai khái niệm về nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. - Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, nớc ở trong sản vật cháy ở thể lỏng và nguội đến 0 o C, ký hiệu là Q c . - Nhiệt trị thấp là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, nớc ở trong sản vật cháy ở thể hơi và nguội đến 20 o C, ký hiệu là Q d . Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai phơng pháp: xác định bằng thực nghiệm và tính toán. Đối với nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng, vì không biết thành phần cấu tạo chất, nên để xác định nhiệt trị thờng tiến hành bằng thực nghiệm. Ngoài ra, có thể tính toán gần đúng theo thành phần nguyên tố bằng các công thức thực nghiệm, trong đó công thức đợc dùng nhiều là công thức của Men-đê-lê-ép: Q c = 4,18 [81C d + 300H d - 26( O d - S d )] [Kj/kg] (4.10) Q d = 4,18 [81C d + 246H d - 26( O d - S d ) - 6W d ] [Kj/kg] (4.11) -64- Đối với nhiên liệu khí có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán theo thành phần nhiên liệu. Công thức tính nhiệt trị của nhiên liệu khí khi biết thành phần khí nh sau: Q c = 4,18(30,2CO + 30,5H 2 + 95CH 4 +152C 2 H 4 + . . . +61H 2 S)[Kj/m 3 ] (4.12) Q d = 4,18(30,2CO + 25,7H 2 + 85,5CH 4 +141C 2 H 4 + . . . +56H 2 S) [Kj/m 3 ] (4.13) 4.2. Sự cháy của nhiên liệu 4.2.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn Quá trình cháy của nhiên liệu rắn (chủ yếu là than) là quá trình cháy dị thể giữa một chất là thể rắn (nhiên liệu) và một chất là thể khí (oxy của không khí). Tuy nhiên, trong quá trình cháy cũng xẩy ra một phần quá trình cháy đồng thể đó là quá trình cháy chất bốc. Quá trình cháy của nhiên liệu rắn có thể chia ra các giai đoạn sau: + Nung nóng và bốc hơi nớc. + Phân hóa nhiệt nhiên liệu, thoát chất bốc và tạo thành cốc. + Cháy chất bốc. + Cháy các bon. Khi cháy, sự cháy chất bốc xẩy ra trớc, tuy thời thời gian cháy chất bốc ngắn, nhng nó có ý nghĩa quan trọng làm tăng nhiệt độ của nhiên liệu, thúc đẩy quá trình cháy tiếp theo. Sự cháy của các bon là quá trình cháy chủ yếu của nhiên liệu rắn. Quá trình cháy cac bon đợc đặc trng bởi các phản ứng sau: - Cháy cac bon: C + O 2 = CO 2 + 399 254 kj/kmol 2C + O 2 = 2CO + 246 623 kj/kmol. - Phân hủy khí CO 2 và hơi nớc: C + CO 2 = 2CO - 162 530 kj/kmol C + 2H 2 O = CO 2 + 2H 2 - 65 294 kj/kmol - Cháy tiếp khí CO: 2CO + O 2 = 2CO 2 + 571 684 kj/kmol Trong quá trình cháy, các phản ứng cháy cac bon xẩy ra trớc, các phản ứng phân hủy khí CO 2 , hơi nớc và cháy CO là các phản ứng tiếp theo (phản ứng thứ cấp). Quá trình cháy của các bon là quá trình cháy dị thể, do đó tốc độ khhuếch tán oxy tới bề mặt các -65- bon ảnh hởng lớn tới quá trình cháy. Lợng khí khuếch tán đến bề mặt vật rắn xác định bởi công thức: () F CC D V n0 = [g] (4.14) Trong đó: V - lợng khí khuếch tán [gam]. D - hệ số khuếch tán phân tử [cm 2 /s]. - 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 ]. - thời gian [s]. Tốc độ khuếch tán của oxy đến mặt than phụ thuộc vào tiêu chuẩn Re và tốc độ dòng khí (): 2,0 e kt R .031,0 = [cm/s] (4.15) Lợng oxy khuếch tán đến bề mặt than, một phần cháy còn một phần đợc bề mặt vật rắn hấp thụ. Sự hấp thụ oxy của mặt than chủ yếu phụ thuộc vào bề mặt than và áp suất khí, khi áp suất khí tăng lợng oxy đợc hấp thụ tăng. Nghiên cứu tốc độ cháy các bon trong lớp nhiên liệu rắn gồm những hạt hình cầu, ngời ta thấy tốc độ biến đổi bề mặt than phụ thuộc áp suất khí và tốc độ dòng khí nh sau: (4.16) () BpAK 4,0 += Trong đó: K - tốc độ biến đổi bề mặt cầu [cm 2 /s]. , p - tốc độ và áp suất dòng khí, [m/s] và [at]. A, B: các hệ số thực nghiệm. Từ phơng trình (4.16), ta nhận thấy khi tăng tốc độ hay áp suất dòng khí dẫn đến tốc độ cháy các bon tăng. 4.2.2. Sự cháy của nhiên liệu lỏng Quá trình cháy của nhiên liệu lỏng (chủ yếu là các loại dầu) vừa là quá trình cháy dị thể (sự cháy các hạt rắn sinh ra khi phân huỷ nhiên liệu) vừa là quá trình cháy đồng thể (cháy hơi dầu). -66- [...]... 0,8 945 100 100 Thành phần thông dụng của nhiên liệu: Ad = 7,55 % Wd = 3,00 % Cd = 0,895 x 85,32 = 76,32 % Hd = 0,895 x 4, 56 = 4, 08 % Od = 0,895 x 4, 07 = 3, 64 % Nd = 0,895 x 1,80 = 3, 64 % Sd = 0,895 x 4, 25 = 3,80 % - 74 - kg 76,32 4, 08 3,8 3, 64 % 76,32 4, 08 3,8 3, 64 C H S O 1,61 7,55 100 A = 0,119 0,1 14 32 32 - 75 - - Thành phần (%) 21,00 9,23 21,0% 7,385 - m3 Cộng kmol kmol 100 79,00 100 34, 73 43 ,96... 59,32 = 1360,9 kg Khối lợng riêng của sản vật cháy: = 1360,9 = 1, 34 1016 [kg/m3] - Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu: Nhiên liệu và không khí không đợc nung nóng trớc nên ta có: - 76 - i tổng = Qd Vn Theo công thức Men-đê-lê-ep: Od + 25S d + 6 9H d + W d Q d = 80,8C d + 344 ,6 H d 8 ( Qd = 81.76,32 + 246 .4, 08 - 26.( 3, 64 - 3,8) - 6.3 Qd = 7171 [kcal/kg] Khi n = 1,25 có Vn = 10,16 m3/kg, ta... 79,00 100 34, 73 43 ,96 9 84, 7 79,0 27,78 35,67 787,8 3,762 x 7,385 Thành phần (%) 0,167 18 - -0 ,1 14 0,119 1,020 6,360 kmol N2 7,385 + 27,782 n = 1,25 2, 04 2 0,059 6,36 12 28 kmol kg O2 35,167 x 22 ,4 n=1 7,55 3 W Số lợng kmol Không khí SO2 O2 N2 kmol H2O 1,85 0,059 kmol 0,26 14, 03 4, 87 4, 09 0,12 2,21 6,36 0,33 17 ,41 6, 04 76,75 100 34, 80 45 , 34 100 76,22 6,36 2,207 0,119 m3 Cộng 27, 84 36,53 0,167 0,119 Từ... 12 + 4 + 32 32 .22 ,4 (m ) 2 32 32 18 12 (4. 28) c) Tính lợng không khí và sản vật cháy lý thuyết và thực tế khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: - Từ công thức (4. 24) tính đợc lợng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: C d H d S d O d 22 ,4 L 0 = 4, 762. 12 + 4 + 32 32 100 [m3/kg] (4. 29) - Từ công thức (4. 28) tính đợc lợng sản vật cháy lý thuyết khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: ... V0 = - [m3/kg] Lợng không khí thực tế: Ln = - 787,8 = 7,878 100 818,2 = 8,182 100 [m3/kg] Lợng sản vật cháy thực tế: Ln = 1016 = 10,16 100 [m3/kg] - Thành phần sản vật cháy: CO2 14, 03 % H2O 4, 87 % SO2 0,26 % O2 4, 08 % N2 76,75 % = 100 % - Tính khối lợng riêng của sản vật cháy: Khối lợng của sản vật cháy: CO2 6,36 44 = 279, 84 H2O 2,21 18 = 39,73 SO2 0,12 64 = 7,62 O2 N2 76,75 28 = 9 74, 44 1,85... = 79 C d H d S d O d + + 21 12 4 32 32 C d Hd S d Od N N 2 = 3,762. 12 + 4 + 32 32 Lợng nitơ đa vào theo không khí tính theo thể tích là: VO2 C d Hd S d Od = 3,762. 12 + 4 + 32 32 .22 ,4 Vậy thể tích không khí cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là: - 71 - (4. 23) Vkk = VO2 + VN 2 C d Hd S d Od = 4, 762. 12 + 4 + 32 32 .22 ,4 (4. 24) b) Tính lợng sản vật cháy lý thuyết:... 6,36 2, 04 27,782 kmol kmol kmol kmol CO2 Sản vật cháy 1016 818,2 22 ,4 x 36,53 100 3 1,61 N Thành phần Khối lợng Hàm lợng Nhiên liệu Bảng 4. 6 Bảng kết quả tính lợng không khí, lợng và thành phần sản vật cháy cho 100 kg nhiên liệu - Tính toán xác định lợng không khí lợng và thành phần sản vật cháy cho 100 kg nhiên liệu (kết quả trình bày ở bảng 4. 6) - Lợng không khí lý thuyết: L0 = - 9 84, 7 = 9, 847 100... bảng Bảng 4. 5 Bảng tra hệ số nhiệt độ Dạng nhiên liệu Lò buồng Khí lò sinh khí 0,73 - 0,78 Lò buồng Rắn 0,66 - 0,70 Lò liên tục Rắn 0,70 - 0,75 Loại lò Dới đây khảo sát một ví dụ tính toán sự cháy với nhiên liệu là than có thành phần cháy nh sau: 85,32%Cc, 4, 56%Hc, 4, 07%Oc, 1,80%Nc, 4, 25%Sc, 7,78%Ak, 3,00%Wd Và hệ số d không khí n = 1,25 - Đổi thành phần cháy sang thành phần thông dụng: Đổi thành phần... thờng dùng 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 Đốt than bụi 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 4. 3 Tính toán sự cháy của nhiên liệu Tính toán sự cháy của nhiên liệu nhằm mục đích xác định... N d W d C d H d S d O d 22 ,4 + 3,762. V0 = + + + + 12 + 4 + 32 32 100 2 32 32 18 12 [m3/kg] (4. 30) - Lợng không khí thực tế cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: L n = n.L 0 [m3/kg] (4. 31) - Lợng sản vật cháy thực tế sinh ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: Vn = V0 + (n 1)).L 0 [m3/kg] - 72 - (4. 32) Các kết quả tính toán thờng đợc biểu diễn theo bảng (xem bảng 4. 6) d) Tính thành phần sản vật . 0,5 - 15 - 32 - 33 0, 5 -0 ,9 - - 64 - 66 900 - 1.030 Khí đốt lò cao 8 - 14 - 23 - 31 10 -1 5 0,1 - 2,6 - 48 -. 0,3 - 0,6 - 2 - 6 2 .40 0 - 2.500 Khí đốt hỗn hợp 5 - 7 0,1 - 0,3 24 - 30 12 - 15 0,5 - 3 0,2 - 0 ,4 46 - 55 1.150 - 1.550