CHƢƠNG II : LỰA CHỌN NỒI HƠI VÀ TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
2.3. Tính tốn q trình cháy nhiên liệu
2.3.1. Các phƣơng trình của phản ứng cháy
Q 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 thông 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 quá trình cháy.
Vì trong khơng khí oxy chiếm 21% thể tích nên thể tích khơng khí cần thiết để cháy hoàn toàn 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. Thông 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 luôn luôn 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.
Itho - enthalpy của khói khi đốt cháy hoàn toàn 1m3 nhiên liệu với α = 1.
Ikko - enthalpy của khơng khí khi đốt cháy hoàn toàn với α = 1.
(ct) - enthalpy theo thể tích của từng loại khí ở nhiệt độ t, kJ/m3tc.
Với nhiệt độ khói tth = 1000oC, tra bảng 2.2 đƣợc giá trị (ct) của khói và khơng khí. Ta có:
Từ đó tính đƣợc enthalpy của khói khi α = 1 và enthalpy của khơng khí lý thuyết nhƣ sau: Itho = = 0,98199.(2203,5) + 4,666.(1391,7) + 1,3217.(1722,9) = 10935,48 kJ/m3 Ikko= .(ct)kk = 5,9029.(1408,7) = 8315,42 kJ/m3
Enthalpy của khói Ith: Ith = Itho + (α – 1).Ikko
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 26
Bảng 2.2 Enthalpy của khí và khơng khí [3 – 21]
Nhiệt độ o C. kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3 100 129,95 170,03 129,58 151,02 81,0 200 261,24 357,46 259,92 304,46 169,8 300 394,89 558,81 392,01 462,72 264 400 531,20 771,88 526,52 626,16 360 500 670,90 994,35 683,80 794,85 458 600 813,36 1224,66 804,12 968,88 560 700 958,86 1431,07 947,52 1148,84 662,5 800 1090,56 1704,88 1093,60 1334,40 768 900 1256,94 1952,28 1239,84 1526,13 825 1000 1408,70 2203,39 1391,70 1722,90 985 1100 1562,55 2458,39 1543,74 1925,11 1092 1200 1718,16 2716,56 1697,16 2132,28 1212 1300 1874,86 2976,74 1852,76 2343,64 1360 1400 2032,52 3239,04 2028,72 2559,20 1585 1500 2191,50 3503,1 2166,00 2779,05 1758 1600 2351,08 3768,80 2324,48 3001,76 1880 1700 2512,26 4035,31 2484,04 3229,32 2065 1800 2674,26 4304,70 2643,66 3458,34 2185 1900 2836,32 4573,98 2804,02 3690,57 2385 2000 3000,00 4844,20 2965,00 3925,60 2514
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 27
2.4 /Cân bằng nhiệt của nồi hơi
2.4.1. Phƣơng trình cân bằng nhiệt tổng quát
Lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy nhiên liệu đƣợc chia thành hai phần: một phần dùng để cung cấp cho nƣớc sinh thành hơi với thông số đã cho gọi là nhiệt hữu ích. Cịn một phần nhiệt mất đi trong q trình làm việc của nồi hơi gọi là tổn thất nhiệt. Ứng với 1 m3tc nhiên liệu biogas cháy trong nồi hơi ở điều kiện vận hành ổn định có phƣơng trình cân bằng nhiệt tổng quát nhƣ sau:
Qdv = Q1 + Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6, kJ/m3 Trong đó:
Qdv - lƣợng nhiệt đƣa vào ứng với 1m3 nhiên liệu biogas, kJ/m3. Q1 - lƣợng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, kJ/m3.
Q2 - tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngồi, kJ/m3.
Q3 - tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học, kJ/m3. Q4 - tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học, kJ/m3. Q5 - tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng, kJ/m3.
Q6 - tổn thất nhiệt do tro xỉ, kJ/m3.
Nếu biểu diễn dƣới dạng phần trăm ta có: Hay: q1 + q2 + q3+ q4+ q5+ q6 =100% Trong đó: q1= ; q2 = ; ….
Trong trƣờng hợp tổng qt thì lƣợng nhiệt đƣa vào gồm có:
Với: - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/m3. - nhiệt vật lý của nhiên liệu, kJ/m3.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 28
- nhiệt dung riêng của nhiên liệu, kJ/m3tc oC. - nhiệt độ của nhiên liệu, oC.
Nhiệt lƣợng nhiên liệu chỉ tính trong trƣờng hợp nhiên liệu đƣợc sơ bộ sấy nóng từ nguồn nhiệt bên ngoài (sấy dầu FO bằng hơi nƣớc, sấy bột than bằng hơi…), hoặc sấy nhiên liệu theo sơ đồ hở khi nhiệt độ và độ ẩm của nhiên liệu đƣợc chọn theo trạng thái của nhiên liệu trƣớc khi vào buồng lửa. Nếu không sấy bằng nguồn nhiệt bên ngồi thì nhiệt lƣợng của nhiên liệu chỉ đƣợc tính khi nhiên liệu có độ ẩm.
Ở đây ta không dùng bộ sấy khơng khí nên khơng khí cấp cho nồi hơi khơng sấy bằng nguồn nhiệt bên ngồi. Ta sử dụng nhiên liệu khí nên khơng cần phải sơ bộ sấy nóng từ nguồn nhiệt bên ngồi. Do đó ta khơng tính đến Qnl.
- nhiệt do khơng khí mang vào, kJ/m3.
- nhiệt do hơi phun vào nồi hơi, kJ/m3. Vì nhiên liệu là nhiên liệu khí nên khơng có Qp.
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu biogas -
Trong đó:
- nhiệt trị cháy của các thành phần tƣơng ứng, kJ/m3tc.
- thành phần khí trong nhiên liệu, %
Nhiệt trị cháy của các thành phần khí [Tra bảng 2.3]: = 8555 kcal/m3 = 15226 kcal/m3 = 5585 kcal/m3 Thay số vào ta có : = 5313,28 kcal/m3 = 22241,4 kJ/m3.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 29
Bảng 2.3 Đặc tính thành phần có trong khí đốt [4 – 15]
Tên gọi Ký hiệu Tỷ khối riêng
kg/m3 Nhiệt cháy QCH kcal/m3 Hydro H2 0,09 2579 Nitơ N2 1,251 Oxy O2 1,428 Oxit cacbon CO 1,250 3018 Cacbonic CO2 1,964 Hydro sunfur H2S 1,520 5585 Metan CH4 0,716 8555 Etan C2H6 1,342 15226 Propan C3H8 1,967 21795 Butan C4H10 2,593 28338 Pentan C6H12 3,218 34890 Etylen C2H4 1,251 14107 Propylene C3H6 1,877 20541 Bulyten C4H8 2,503 27111 Benzen C6H6 3,485 33528
Nhiệt lƣợng do khơng khí mang vào
Trong đó:
- nhiệt dung riêng của khơng khí, . - nhiệt độ khơng khí vào nồi hơi, .
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 30
2.4.1. Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngồi Q2
Khơng khí đƣa vào nồi hơi ở nhiệt độ 30oC trong khi đó nhiệt độ khói thải ra nồi hơi, ta chọn là 170oC. Nhƣ vậy cần phải chi phí một lƣợng nhiệt để đốt nóng khơng khí từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ khí thải. Tổn thất này gọi là tổn thất nhiệt do khí thải mang ra ngồi.
Trong đó:
- enthalpy của khói thải, kJ/m3. (ở 170oC)
Ith
o
+ (αth – 1).Ikklo
Itho - enthalpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ khói thải tƣơng ứng với α = 1. Tra bảng 2.2, ta đƣợc: Thay số vào ta đƣợc: Itho = = 0,98199.(301,231) + 4,666.(220,811) + 1,3217.(258,428) = 1667,674 kJ/m3
Ikklo - enthalpy của khơng khí ở nhiệt độ khói thải tƣơng ứng α = 1 Ikklo = .(ct)kk = 5,9029.(222,168) = 1311,44 kJ/m3. → Itho
+ (αth – 1).Ikklo
= 1667,674 + (1,1 – 1).1311,44 = 1798,82 kJ/m3 - enthalpy của khơng khí lạnh đƣa vào nồi hơi, kJ/m3.
- hệ số khơng khí thừa ở vị trí khói thải,
- nhiệt độ khơng khí mơi trƣờng,
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 31
là tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học, %. Vì nhiên liệu là nhiên liệu khí thì khơng có tro, nên q4 = 0% Thay số vào ta đƣợc: → kJ/m3 Ta có:
2.4.1. Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học Q3
Khi nhiên liệu cháy khơng hồn tồn thì trong khói cịn các chất khí chƣa cháy hết nhƣ: CO, H2, CH4. Những khí này cịn có thể cháy và sinh ra nhiệt lƣợng
đƣợc nhƣng chƣa cháy đả bị thải ra ngoài, làm mất đi một lƣợng nhiệt gây nên tổn thất nhiệt gọi là tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học.
Muốn kiểm tra cháy hoàn toàn hay khơng hồn tồn thì ta phải phân tích khói lị về hàm lƣợng các loại khí. Theo kinh nghiệm ngƣời ta thƣờng chọn số liệu thực tế với nhiên liệu khí là: q3 = 1,5%. [5 – 37]
2.4.2. Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học Q4
Nhiên liệu đƣa vào nồi hơi có một phần chƣa tham gia vào sự cháy đã bị thải ra gây tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn toàn về mặt cơ học. Với nhiên liệu là nhiên liệu khí thì khơng có tro nên q4 = 0% [5 - 39].
2.4.3. Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng Q5
Bề mặt xung quanh nồi hơi ln ln có nhiệt độ cao hơn mơi trƣờng xung quanh, gây nên sự tỏa nhiệt từ nồi hơi đến không khí lạnh, nghĩa là gây nên tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng Q5.
Tổn thất nhiệt Q5 phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích xung quanh nồi hơi. Nhiệt độ càng cao thì Q5 càng lớn do vậy cần phải bảo ôn nồi hơi để nhiệt độ mặt ngồi thấp xuống. Diện tích tiếp xúc của nồi càng lớn thì Q5 càng lớn.
Theo thực nghiệm q5 = 0,5 3,5% [1 – 43]. Vì nồi hơi cơng suất nhỏ (D = 200kg/h), nên ta không cần thiết kế phần đi lị (bộ sấy khơng khí, bộ hâm nƣớc). Ta lấy q5 = 1,8% .
2.4.4. Tổn thất nhiệt do tro xỉ Q6
Vì nhiên liệu ta sử dụng là nhiên liệu khí nên trong q trình cháy khơng tạo xỉ. Do đó ta có q6 = 0%.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 32
2.5 / Tính hiệu suất sơ bộ nồi hơi.
Hiệu suất của nồi hơi là tỷ số giữa nhiệt lƣợng hữu ích và nhiệt lƣợng đƣa vào nồi.
Hay: = q1 = 100 – (q2 + q3+ q4+ q5+ q6)
→ = q1 = 100 – (6,87 + 1,5 + 0 + 1,8 + 0) = 89,83%
2.6 / Lƣợng tiêu hao nhiên liệu.
Vì đây là nồi hơi sản xuất hơi bão hịa nên Dqn = 0, khơng có q nhiệt trung gian Dqt = 0, nhiệt lƣợng do khơng khí hấp thụ bên ngồi bằng 0.
Vậy nhiệt hữu ích cấp cho nồi:
Trong đó:
Dbh - lƣợng hơi bão hịa dẫn đi cung cấp trực tiếp khơng qua bộ quá nhiệt, Dbh = 200 kg/h.
ibh - enthalpy của hơi bão hòa, xác định theo áp suất trong bao hơi, kcal/kg. Với áp suất hơi bão hòa p = 5 bar, tra bảng nƣớc và hơi nƣớc trên đƣờng bão hòa [1 – 290]:
ibh = 657,7 kcal/kg
- enthalpy của nƣớc cấp cho nồi hơi, kcal/kg.
Nhiệt độ nƣớc cấp là 25oC, với p = 5 bar, tra bảng nƣớc chƣa sôi và hơi quá nhiệt ta đƣợc[1 – 297]:
inc = 25,11 kcal/kg