1) Động cơ điện; 2) biến áp đánh lửa; 3) bƣớm gió; 4) quạt gió; 5) hộp gió; 6) loa gió; 7) thân nồi; 8) lớp cách nhiệt; 9) ống nƣớc; 10) khoang khí lị; 11) trống nƣớc; 12 trống hơi; 13) hộp ống khói; 14) nắp trên; 15) nắp dƣới; 16) buồng lửa; 17) mặt
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 16
Chọn hệ thống đốt nhiên liệu
Buồng lửa là hệ thống thiết bị và không gian để tiến hành đốt cháy nhiên liệu. Để đảm bảo hiệu suất làm việc tốt, cần phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau:
o Có khả năng đốt cháy các loại nhiên liệu khác nhau với hệ số khơng khí thừa thấp; tổn thất nhiệt ít nhất khi phụ tải thay đổi lớn.
o Kích thƣớc nhỏ, tiết kiệm nhiên liệu. Nâng cao cƣờng độ cháy và cƣờng độ truyền nhiệt. Tăng cƣờng độ cháy, phải tạo hỗn hợp nhiên liệu và oxy hợp lý. Muốn tăng khả năng truyền nhiệt, phải tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt bức xạ, lựa chọn phƣơng pháp chuyển động của mơi chất thích hợp.
o Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, tiết kiệm. o Vận hành và bảo dƣỡng dễ dàng.
Ta chọn buồng lửa đốt nhiên liệu khí. Buồng lửa đốt nhiên liệu khí đơn giản nhất về cả mặt thiết bị lẫn vận hành, vì khơng cần chuẩn bị những trang bị phức tạp và đắt tiền để chuẩn bị nhiên liệu, khơng có thiết bị để thu tro và thải xỉ. Phần tử chính của buồng lửa đốt nhiên liệu khí là vịi phun khí. Có nhiều kiểu vịi phun khí vì ngƣời ta dùng những biện pháp khác nhau để pha trộn khí đốt với khơng khí.
Q trình cháy nhiên liệu khí đơn giản hơn, thƣờng chỉ gồm 3 giai đoạn: giai đoạn hỗn hợp nhiên liệu với khơng khí, sấy nóng và giai đoạn cháy.
Ở đây giai đoạn hỗn hợp nhiên liệu với khơng khí là rất quan trọng, nó quyết định tốc độ và độ hồn thiện q trình cháy, hình dạng ngọn lửa dài hay ngắn, nhiệt độ ngọn lửa cao hay thấp. Dựa vào phƣơng pháp hỗn hợp có thể chia thành 3 cách đốt:
+ Đốt có ngọn lửa sáng còn gọi là đốt khuếch tán. + Đốt ngọn lửa khơng sáng.
+ Đốt khơng có ngọn lửa.
Ta chọn kiểu đốt có ngọn lửa khơng sáng.
Vì trong cách đốt này, nhiên liệu đƣợc hỗn hợp một phần khơng khí gọi là gió cấp 1, chiếm khoảng 30 – 60%, sau đó mới thêm gió cấp 2 để hồn thiện q trình cháy. Ngọn lửa ngắn, màu xanh tím có lõi hình viên trụ màu xanh lam, nhiệt độ đạt khá cao. Ngọn lửa cũng có thể chia thành ba vùng (hình 2.2). Vùng (1) cũng là vùng sấy nóng khơng cần màu sắc. Vùng (2) màu xanh lam là vùng cháy, nhƣng vì khơng đủ oxy nên cịn có CO và một ít H2… chƣa cháy hết. Vùng (3) là có màu xanh tím, là vùng cháy kiệt các chất khí cịn lại nhờ gió cấp 2 đƣa thêm vào. Nếu khơng đủ khơng khí, ngọn lửa có màu sẩm tím, đầu ngọn lửa vẫn phát sáng màu vàng hoặc đỏ, đầu ngọn lửa co ngắn lại, thậm chí có thể hút lửa vào miệng vòi
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 17
phun. Nếu khơng khí q nhiều, ngọn lửa nhỏ lại mất màu, phát ra tiếng ồn, thậm chí có thể tuột lửa, ngọn lửa rời khỏi miệng phun.
Hình 2.3 Ngọn lửa khơng sáng
Vịi phun đốt ngọn lửa khơng sáng
Với loại vịi phun này, một phần khơng khí hỗn hợp với nhiên liệu trƣớc khi phun vào buồng lửa tạo thành gió cấp một, gió cấp hai đƣợc đƣa thêm để cháy hồn tồn tạo thành ngọn lửa khơng sáng.
Ta đặt vòi phun ở đỉnh lị. Trong buồng lửa khơng có dịng xốy và dịng ngƣợc. Trƣờng nhiệt độ đồng đều, dịng khói nhẹ chuyển động đi xuống.
2.2 / Đặc điểm của nhiên liệu
Đặc tính của nhiên liệu
Khí biogas nhẹ gần bằng 1/2 khơng khí và có nhiệt độ bốc cháy khoảng 700oC. Khối lƣợng riêng = 0,94 kg/m3. Khí biogas trộn với khơng khí với tỉ lệ 1/20 sẽ trở thành khí nổ mạnh. Vì vậy, để lọt khí từ đƣờng ống ở trong khơng gian hẹp là rất nguy hiểm.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 18
Thành phần các chất của khí biogas [2 - 7]
CH4 C2H6 CO2 N2 H2O H2S O2
57.5% 2,5524% 35.5% 0.327% 4% 0,099% 0,0216%
Thành phần có hàm lƣợng lớn nhất trong biogas là khí CH4 chiếm 55% đến 70%, đây là thành phần khí chủ yếu tạo ra năng lƣợng khi đốt. Trong đó bản thân metan là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị nhẹ bằng 1/2 khơng khí và rất ít tan trong nƣớc. Ở 20o
C, 1at, chỉ có 3% thể tích metan tan trong nƣớc. Lƣợng CH4 chịu ảnh hƣởng bởi quá trình sinh học và loại phân nhà máy sử dụng nhƣ phân heo, phân trâu bị …. Trong biogas có chứa một ít H2S, nên làm cho nó có mùi hăng trứng thối khó chịu. Nhờ vậy ta cũng dễ dàng nhận thấy sự có mặt của khí biogas.
Các tạp chất trong biogas Carbon dioxide (COx)
COx là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị. COx sinh ra do quá trình cháy khơng hồn tồn của các nhiên liệu có chứa cacbon.
C + O2 → COx [COx bao gồm CO, CO2].
Khí CO tiếp xúc với con ngƣời sẽ gây ra các triệu chứng nhức đầu, ù tai, chóng mặt, buồn nơn, mệt mỏi. Nếu bị nặng sẽ bị hơn mê, co giật, mặt xanh tím, chân tay mềm nhũ, phù phổi cấp.
Khí CO2 có lợi cho cây cối, nhƣng gây ra hiệu ứng nhà kính. Hydro sunfur (H2S)
H2S là khí khơng màu, có mùi trứng thối. H2S sinh ra do quá trình rác hữu cơ phân hủy các chất hữu cơ, các xác chết động thực vật, đặc biệt là ở các bãi rác, khu chợ, cống rãnh thốt nƣớc, sơng hồ ơ nhiễm, hầm biogas.
Khí H2S có trong biogas khi sử dụng sẽ tạo thành SOx làm ăn mòn các thiết bị trong nồi hơi và cịn gây ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí. Do vậy trƣớc khi sử dụng nhiên liệu biogas ngƣời ta thƣờng lọc trƣớc để giảm bớt lƣợng H2S gây hại cho thiết bị và con ngƣời.
Với con ngƣời, khi tiếp xúc với H2S sẽ cảm thấy khó chịu, nhức đầu, buồn nơn và mệt mỏi. H2S là khí gây ngạt vì chúng tƣớc đoạt oxy rất mạnh, khi hít phải nạn nhân có thể bị ngạt, bị các bệnh về phổi vì hệ thống hơ hấp bị kích thích mạnh do thiếu oxy, có thể gây thở gấp và ngừng thở. H2S ở nồng độ cao có thể gây tê liệt hô hấp và nạn nhân bị chết ngạt.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 19
Bảng 2.1 Các tính chất của các khí thành phần trong biogas
[http://luanvan.co/luan-van/nghien-cuu-trien-khai-thi-diem-mo-hinh-xu-ly-rac- thai-huu-co-tai-bai-rac-khanh-son-bang-cong-nghe-ham-biogas-va-su-dung- 29956/] Các tính chất vật lý Metan CH4 Carbon Dioxide CO2 Trọng lƣợng phân tử 16,04 44,01 Tỷ trọng 0,554 1,52 Điểm sôi 144oC 60,8oC Điểm đông -164,8oC -38,83oC Khối lƣợng riêng 0,94 kg/m3 1,82 kg/m3
Nhiệt độ nguy hiểm 64,44oC 48,89oC
Áp suất nguy hiểm 45,8 at 72,97 at
Nhiệt dung Cp (1atm) 6,92.10-4 J/kg oC
Tỷ lệ Cp/Cv 1,307 1,303 Nhiệt cháy 55,403 J/kg Giới hạn cháy 5 – 15% thể tích Tỷ lệ cháy hồn tồn trong khơng khí 0,0947 thể tích 0,0581 khối lƣợng
Nhiệt trị của nhiên liệu
Khí metan tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8555 kcal/m3
). Do biogas chứa 57,5% khí metan nên nhiệt trị của khí biogas nằm trong khoảng 4919,125 kcal/m3.
Ƣu thế của nhiên liệu biogas
Ngoại trừ năng lƣợng thủy điện và năng lƣợng hạt nhân, phần lớn năng lƣợng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí. Tất cả các nguồn năng lƣợng này đều có hạn và nếu tốc độ sử dụng chúng nhƣ hiện nay sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối thế kỷ 21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trƣờng ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lƣợng mới thay thế cho năng lƣợng dầu mỏ. Nhiên liệu biogas là một sự thay thế đầy tiềm năng cho nhiên liệu chính là dầu mỏ, đang cạn kiệt trong vòng khoảng 30 – 40 năm nữa. Những ƣu điểm vƣợt trội của nhiên liệu biogas:
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 20
Về mặt mơi trƣờng:
o Giảm lƣợng khí phát thải CO2 là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh đƣợc các thảm họa về mơi trƣờng.
o Khơng có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lƣu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu dissel).
o Có khả năng tự phân hủy và không độc (phân hủy nhanh hơn Dissel 4 lần, phân hủy từ 85 – 88% trong nƣớc sau 28 ngày).
o Khí biogas khơng chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con ngƣời, gây ô nhiễm không khí và mơi trƣờng.
o Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ. Về mặt kinh tế:
o Sử dụng nhiên liệu biogas ngoài vấn đề giải quyết ơ nhiễm mơi trƣờng nó cịn thúc đẩy ngành nơng nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nơng nghiệp nhƣ thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dùng nguồn rác thải sẵn có.
o Đa dạng hóa nền nơng nghiệp và tăng thu nhập ở vùng nông thôn. o Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu từ dầu mỏ, góp phần tiết kiệm cho quốc
gia một khoản ngoại tệ lớn.
2.3 / Tính tốn q trình cháy nhiên liệu
2.3.1. Các phƣơng trình của phản ứng cháy
Quá trình cháy là q trình phản ứng hóa học xảy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng và tỏa ra một lƣợng nhiệt rất lớn, đồng thời kèm theo một loạt các biến hóa vật chất khác, đó là tổng hợp các hiện tƣợng của q trình giải phóng năng lƣợng, truyền nhiệt và chuyển hóa năng lƣợng.
Trong q trình cháy xảy ra những biến đổi hóa học rất phức tạp khơng thể mơ tả bằng những phƣơng trình hóa học đơn giản đƣợc. Những phƣơng trình hóa học thơng thƣờng của riêng từng thành phần cháy nhiên liệu chỉ thể hiện cân bằng vật chất của phản ứng chứ không thể hiện cơ cấu xảy ra của quá trình phản ứng cháy. Có rất nhiều chất có thể oxy hóa nhiên liệu. Song trong thực tế các quá trình cháy nhiên liệu ngƣời ta đều dùng oxy trong khơng khí. Các chất khí sinh ra trong q trình phản ứng gọi là sản phẩm cháy hay khói.
Q trình cháy có thể xảy ra hồn tồn hay khơng hồn tồn.
Q trình cháy hồn tồn là q trình cháy trong đó các thành phần cháy đƣợc của nhiên liệu đều đƣợc oxy hóa hồn tồn và sản phẩm của nó gồm các khí: N2, O2, CO2, SO2 và H2O.
Quá trình cháy khơng hồn tồn là q trình cháy trong đó cịn những chất có thể cháy đƣợc chƣa đƣợc oxy hóa tồn tồn. Khi cháy khơng
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 21
hoàn toàn, ngồi những sản phẩm của q trình cháy hồn tồn trong khói cịn có những sản phẩm khác: CO, H2, CH4…
Khi tính nhiệt độ cần phải tiến hành xác định thể tích lƣợng khơng khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy, thành phần và số lƣợng sản phẩm cháy trong nhiên liệu cũng tiến hành oxy hóa theo các phản ứng hóa học sau, với đơn vị đo lƣờng là m3
tiêu chuẩn.
Các phản ứng cháy xảy ra
Cháy metan: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
1m3tc CH4 + 2m3tc O2 → 1m3tc CO2 + 2m3tc H2O Cháy etan: C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3H2O
1m3tc C2H6 + 3,5m3tc O2 → 2m3tc CO2 + 3m3tc H2O Cháy hydrosunfua: H2S + 1,5O2 → SO2 + H2O
1m3tc H2S + 1,5m3tc O2 → 1m3tc SO2 + 1m3tc H2O Thông số ban đầu
Sản lƣợng hơi: D = 200 kg/h Áp suất làm việc p = 5 bar
Nhiệt độ khơng khí vào lị tkk = 30oC Nhiệt độ nƣớc cấp tnc = 25oC
Thành phần nhiên liệu biogas theo thể tích
CH4 C2H6 CO2 N2 H2O H2S O2
57.5% 2,5524% 35.5% 0.327% 4% 0,099% 0,0216%
2.3.2. Thể tích khơng khí lý thuyết cần thiết cho q trình cháy.
Lƣợng khơng khí tƣơng ứng với lƣợng oxy cần thiết cho q trình cháy hồn toàn 1 m3tc nhiên liệu biogas xác định theo phƣơng trình phản ứng hóa học ở trên gọi là lƣợng khơng khí lý thuyết cần thiết cho q trình cháy.
Vì trong khơng khí oxy chiếm 21% thể tích nên thể tích khơng khí cần thiết để cháy hồn tồn 1m3
tiêu chuẩn nhiên liệu biogas là:
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 22
Thay số liệu ban đầu vào ta đƣợc
[ ]
Trong thực tế, vì giữa khơng khí và nhiên liệu không thể tiếp xúc với nhau một cách lý tƣởng nên bắt buộc thể tích khơng khí thực cung cấp cho nồi hơi phải lớn hơn thể tích xác định theo cơng thức ở trên. Tỷ số giữa thể tích thực tế cung cấp cho q trình cháy và thể tích khơng khí lý thuyết gọi là hệ số khơng khí thừa.
Hệ số khơng khí thừa là một trị số rất quan trọng trong thiết kế nồi hơi, nó đặc trƣng cho mức độ làm việc kinh tế của buồng lửa. Hệ số khơng khí thừa đƣợc chọn tùy thuộc vào loại nhiên liệu đốt, loại thiết bị buồng lửa và điều kiện vận hành. Thơng thƣờng hệ số khơng khí thừa nằm trong khoảng [1 - 30]
Vì ta dùng nhiên liệu khí nên khi đốt rất dễ cháy, lƣợng khơng khí thừa thấp và đồng thể. Cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học thấp và cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học là khơng có. Ta chọn
2.3.3. Thể tích và thành phần của sản phẩm cháy
Tùy thuộc vào điều kiện cháy hồn tồn hay khơng hồn toàn các thành phần cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần các sản phẩm cháy sẽ khác nhau. Song thực tế khi vận hành nồi hơi, hầu nhƣ trong sản phẩm cháy ln ln có những sản phẩm cháy khơng hồn tồn và những sản phẩm cháy hồn tồn.
Khi đốt nhiên liệu, giả sử rằng q trình cháy xảy ra hồn tồn ( . Ở trạng thái lý thuyết khi cháy hoàn toàn nhiên liệu thì trong khói gồm có
CO2, SO2, N2 và H2O.
Thể tích CO2 và SO2
Thể tích CO2 và SO2 phụ thuộc vào hàm lƣợng cacbon và lƣu huỳnh có trong nhiên liệu nên thể tích chính bằng thể tích lý thuyết.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 23 Thể tích N2
Nitơ có trong nhiên liệu khi cháy đã chuyển vào khói dƣới dạng tự do, nó khơng tham gia q trình cháy. Khi khơng khí đi vào nồi hơi thì nó cũng mang vào một lƣợng nitơ nhất định.
Thể tích của nitơ tƣơng ứng với lƣợng khơng khí lý thuyết đƣa vào bằng 0,79. và nitơ có trong thành phần nhiên liệu biogas.
= 0,00327 + 0,79.5,9029 = 4,666 Vậy thể tích N2 thực tế là = 4,666 + 0,79.(1,1 – 1).5,9029 = 5,1323 Thể tích hơi nƣớc H2O
Lƣợng hơi nƣớc có trong khói lị do các nguồn sau:
- Do oxy hóa các khí và H2O có sẳn trong biogas: + H2O
= 2.0,575 + 3. 0,025524 + 9,9.10-4 + 0,04 = 1,2667
- Do độ ẩm của khơng khí đƣa vào:
Với: - khối lƣợng riêng của khơng khí (kg/m3tc).
- độ chứa hơi trong khơng khí (g/kg). Thƣờng lấy = 10 g/kg [1 - 32]
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 24 Thay số vào ta đƣợc: Thể tích hơi nƣớc lý thuyết: = 1,2667 + 0,095 = 1,3617 Thể tích hơi nƣớc thực tế: = 1,3617 + 0,0161.(1,1 – 1).5,9029 = 1,3712 Thể tích khói khơ thực tế: Thay số vào ta đƣợc: = 0,981 + 9,9.10-4 + 5,1323 + 1,3712 = 7,48549
Vậy thành phần phần trăm của khói lị theo thể tích là: %CO2 = %SO2 = %H20 = %N2 = Vậy ∑
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 25
Enthalpy của khơng khí và của sản phẩm cháy
Enthalpy của khói Ith, chọn nhiệt độ sản phẩm cháy khi ra khỏi buồng đốt là tth = 1000oC, ta có:
Ith = Itho + (α – 1).Ikko
Trong đó: α - hệ số khơng khí thừa trong buồng lửa α = 1,1.