CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY THAN
2.1. Đặc tính của than
2.1.1. Thành phần hóa học của than.
Trong nhiên liệu rắn “than” và lỏng gồm có: Carbon, Hyđrô, Lưu huỳnh, Oxy, Nitơ, Tro (các khoáng chất) và ẩm.
Carbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1kg carbon gọi là nhiệt trị của carbon, khoảng 34.150 kJ/kg. Vì vậy lượng carbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao. Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần carbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy.
Hyđrô là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kJ/kg. Nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất ít. Trong nhiên liệu lỏng hyđrô có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn.
Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu. Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss. Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá tŕnh cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc. Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4.., những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu.
Vì vậy: S = Shc + Sk + Ss (%) = Sc + Ss (%)
Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của carbon. Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2 hoặc SO3. Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hoà tan tạo ra axit H2SO4 gây ăn mòn kim loại. Khí SO2 thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu.
Oxy và Nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng. Sự có mặt của Oxy và Nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên
19
liệu giảm xuống. Nhiên liệu càng non thì Oxy càng nhiều. Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy, chủ yếu chuyển thành dạng tự do ở trong khói.
Tóm lại trong nhiên liệu than có các thành phần C, H, O, S, N, A, M, Trong đó:
A (tiếng anh là Ash) là độ tro, M (tiếng anh là Moisture) - độ ẩm.
C + H + S + O + N + A + M = 100%
2.1.2. Đặc tính công nghệ của than
Để phù hợp hơn với nhu cầu thực tế trong đánh giá chất lượng than, người ta còn đánh giá, phân loại than theo các đặc tính công nghệ mà những đặc tính đó phản ánh khả năng cháy của than. Gồm có các thành phần sau: Độ ẩm (moisture) hoặc (M); Chất bốc (volatile matter) (V); Cốc (fixed carbon) (FC); Độ tro (ash) (A).
M+ V+ FC + A = 100 %
• Độ ẩm trong than và dầu “M”
(M-Moisture): Bất kỳ một loại nhiên liệu rắn nào cũng chứa một lượng nước gọi là độ ẩm của nhiên liệu. Nó là thành phần không tham gia quá trình cháy của nhiên liệu. Sự có mặt của độ ẩm làm cho thành phần cháy giảm đi, giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Ngoài ra khi nhiên liệu cháy cần phải tiêu hao một số lượng nhiệt để làm độ ẩm bốc thành hơi nước.
Phần độ ẩm duy trì trên bề mặt than và có thể thoát ra khỏi bề mặt than khi để trong không khí khô 300C gọi là độ ẩm ngoài. Trong nhiên liệu còn có độ ẩm trong là độ ẩm bền vững không tách khỏi nhiên liệu ở điều kiện không khí khô.
Độ ẩm toàn phần của than được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 1050C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi. Phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên liệu. Thực ra ở nhiệt độ 1050C chưa đủ để thải hoàn toàn độ ẩm ra khỏi nhiên liệu với một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt độ 500- 8000C mới thoát ra ngoài được.
20
• Độ tro trong than “A” (A- Ash mineral matter).
Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của than. Tỉ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than như: giảm nhiệt trị của than, gây nên mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt, bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống,... Ngoài ra một đặc tính quan trọng nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro.
• Chất Bốc của than (Volatile matter V)
Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có Oxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ. Quá trình đó gọi là quá trình phân huỷ nhiệt.
Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc" và kí hiệu là VC%, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, CarbonOxyt, Carbonic.
Bảng 2.1: Đặc tính chất bốc và cốc của một số loại than [10]
Nhiên liệu Nhiệt độ bắt đầu
sinh chất bốc Chất bốc Tính chất của cốc
Than nâu 130 – 170 oC 45 – 65% Bột
Than đá (mỡ) 260 oC 25 – 35% Thiêu kết
Than đá (gầy) 390 oC < 17% Bột
Anthraxit 380 - 400 oC 2 – 3% Bột
• Thành phần cốc trong than (Fixed Carbon FC):
Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi là cốc của than. Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than. Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần cháy. Nếu cốc ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết (than mỡ, than béo), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá, than Anthraxit). Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp,
than càng có khả năng phản ứng cao, carbon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ
21
bị hoàn nguyên khí CO2thành khí CO. Than gầy và than Anthraxit không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó cháy. Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc khác nhau. Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại.
Độ bền của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng bé than càng dễ nghiền.
• Nhiệt trị của than (HHV/LHV):
Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg than, kí hiệu bằng chữ Q (kJ/kg). Nhiệt trị của than được phân thành nhiệt trị cao (Higher Heating Value) và nhiệt trị thấp (Lower Heating Value).
Than Anthraxit ở việt nam là than có thành phần cốc lớn nhiệt trị cao, tuy nhiên hàm lượng chất bốc lại thấp nên rất khó bắt cháy.