Giáo trình lò luyện kim P4

Chia sẻ: Hoang Nhan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

110
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình lò luyện kim P4

Ch−¬ng 4 Nhiªn liÖu vµ sù ch¸y cña nhiªn liÖu 4.1. Nhiªn liÖu 4.1.1. Kh¸i niÖm chung Nhiªn liÖu lµ lo¹i vËt chÊt mµ khi ch¸y táa ra mét l−îng nhiÖt lín, l−îng nhiÖt nµy cã thÓ sö dông mét c¸ch cã hiÖu qu¶ trong c«ng nghÖ còng nh− trong ®êi sèng. Nhiªn liÖu ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu chung sau ®©y: + S¶n phÈm ch¸y cña nhiªn liÖu ph¶i ë thÓ khÝ. Khi ®ã, s¶n vËt ch¸y míi cã thÓ chuyÓn ®éng thuËn lîi trong lß, truyÒn nhiÖt cho vËt nung vµ tho¸t ra ngoµi dÔ dµng ®Ó ph¶n øng ch¸y cña nhiªn liÖu tiÕp tôc xÈy ra. + S¶n phÈm ch¸y kh«ng g©y t¸c ®éng cã h¹i ®èi víi vËt liÖu gia c«ng, kh«ng ph¸ hñy thiÕt bÞ, kh«ng ®éc h¹i ®èi víi ng−êi vµ sinh vËt xung quanh. + Cã thÓ khèng chÕ ®−îc qu¸ tr×nh ch¸y. + Tr÷ l−îng lín vµ gi¸ thµnh khai th¸c, chÕ biÕn thÊp. Tõ c¸c yªu cÇu chung ë trªn, ta thÊy chØ nh÷ng chÊt cã nguån gèc h÷u c¬, gåm c¸c bon vµ hy®r« t¹o thµnh, míi cã thÓ tho¶ m·n ®ång thêi c¸c yªu cÇu ®ã. C¸c bon vµ hy®r« khi bÞ oxy ho¸ ®Òu cã hiÖu øng nhiÖt lín, s¶n phÈm ch¸y ë thÓ khÝ vµ víi nång ®é kh«ng lín lµ lo¹i khÝ kh«ng ®éc h¹i. 4.1.2. C¸c lo¹i nhiªn liÖu a) Ph©n lo¹i - C¨n cø vµo nguån gèc h×nh thµnh, nhiªn liÖu ®−îc ph©n ra: thiªn nhiªn, nh©n t¹o. - C¨n cø vµo tr¹ng th¸i, nhiªn liÖu ®−îc ph©n ra: nhiªn liÖu r¾n, nhiªn liÖu láng, nhiªn liÖu khÝ. C¸c lo¹i nhiªn liÖu ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp tr×nh bµy ë b¶ng 4.1. B¶ng 4.1 Ph©n lo¹i nhiªn liÖu sö dông trong c«ng nghiÖp Tr¹ng th¸i Nguån gèc Thiªn nhiªn Nh©n t¹o R¾n Cñi, gç, than bïn, than n©u, than Than cñi, than cèc, than bôi,.. khãi, than ¨ngtraxit, ... Láng DÇu má Ðt x¨ng, dÇu ho¶, mazut,... KhÝ KhÝ ®èt thiªn nhiªn KhÝ ®èt lß cèc, khÝ lß cao, khÝ lß sinh khÝ,... - 57 -
b) Nhiªn liÖu r¾n - Nhiªn liÖu r¾n thiªn nhiªn: gåm c¸c lo¹i gç, than bïn, than n©u, than khãi, than antraxit. Gç: Thµnh phÇn chñ yÕu cña gç lµ xen-luy-l«, n−íc vµ mét sè oxyt kim lo¹i kiÒm. Thµnh phÇn nguyªn tè cña gç nh− sau: %C = 49,4 ÷ 50,4; %H = 5,9 ÷ 6,1; %O = 42,7 ÷ 43,9; %N = 0,7 ÷ 1. NhiÖt trÞ Qd = 1.878 ÷ 4.460 Kcal/kg. Gç cã hµm l−îng chÊt bèc cao (kho¶ng 80 %) dÔ ch¸y, kh«ng chøa l−u huúnh, hµm l−îng tro nhá (A = 0,7 ÷ 1,2 %), nh−îc ®iÓm cña gç lµ chøa nhiÒu n−íc (gç t−¬i W = 40 ÷ 60 %, gç kh« W = 30%), nhiÖt trÞ cña gç thÊp ( khi w = 50 %, Qd =1878 Kcal/kg), khèi l−îng thÓ tÝch nhá nªn chi phÝ vËn chuyÓn cao. Gç lµ lo¹i nhiªn liÖu ®−îc dïng nhiÒu tr−íc ®©y, song hiÖn nay gç lµ nguån nguyªn liÖu cã gi¸ trÞ cña nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c nªn rÊt h¹n chÕ dïng ®Ó lµm nhiªn liÖu. Than bïn: lµ lo¹i than trÎ tuæi nhÊt võa chuyÓn tõ thùc vËt sang, chøa nhiÒu n−íc, míi khai th¸c W = 85 ÷ 91 %, ph¬i kh« kü vÉn cßn W = 30 ÷ 40 %, khèi l−îng thÓ tÝch nhá 325 ÷ 425 kg/m3. Thµnh phÇn nguyªn tè trung b×nh cña than: %Cc = 57,8; %Hd =6,0; %O = 33,4; %Nc = 2,5; %Sc =0,3; %Ak = 9,7. NhiÖt trÞ Qd = 2.660 ÷ 2.940 Kcal/kg. Than bïn cã −u ®iÓm: dÔ bèc ch¸y, chøa Ýt l−u huúnh, dÔ khÝ hãa. Nh−îc ®iÓm: khèi l−îng thÓ tÝch nhá, ®é bÒn c¬ häc thÊp, nhiÖt trÞ thÊp, ®iÓm ch¶y cña tro thÊp. Than bïn chñ yÕu dïng trong c«ng nghiÖp ®Þa ph−¬ng, gÇn n¬i khai th¸c. Than n©u: than n©u do than bïn tr¶i qua mét thêi kú biÕn ®æi t¹o thµnh, qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn tõ thùc vËt sang kho¸ng vËt ®· hoµn thµnh. Thµnh phÇn nguyªn tè cña than n©u: %Cc = 72 ÷ 78 ; %Hd = 4,4÷ 5,6; %O = 15 ÷ 21; %Nc = 1,3 ÷ 1,5; %Sc = 0,4; %Ak = 11 ÷ 30; %Wd = 35 - 50. NhiÖt trÞ Qd = 2.660 ÷ 4.100 Kcal/kg. So víi than bïn, than n©u cã thµnh phÇn c¸c bon cao h¬n, khèi l−îng thÓ tÝch tõ 800 ÷ 900 kg/m3, ®é bÒn c¬ häc cao h¬n, hót n−íc Ýt h¬n, thµnh phÇn chÊt bèc thÊp h¬n. Than n©u cã thÓ ®−îc dïng lµm nhiªn liÖu cho c¸c lß nhiÖt ®é kh«ng cao, khÝ ho¸ ®Ó s¶n xuÊt khÝ ®èt. - 58 -
Than khãi: Qu¸ tr×nh c¸c bon ho¸ cña than hoµn thiÖn h¬n, ®é hót n−íc cña than bÐ, l−îng chÊt bèc gi¶m, ®é bÒn c¬ häc cao h¬n. Theo c«ng dông than khãi ®−îc ph©n ra: than löa dµi, than khÝ ®èt, than bÐo, than luyÖn cèc, than gÇy. Than löa dµi vµ than khÝ ®èt cã hµm l−îng chÊt bèc cßn kh¸ cao, khi ch¸y sinh ra ngän löa dµi, ®−îc dïng ®èt trùc tiÕp hoÆc chÕ t¹o khÝ ®èt. Than bÐo mét phÇn ®èt trùc tiÕp, mét phÇn ®Ó luyÖn cèc. Than luyÖn cèc lµ lo¹i than quý dïng ®Ó luyÖn than cèc, lo¹i nhiªn liÖu quan träng trong c¸c lß luyÖn vµ nÊu gang. Than gÇy chñ yÕu dïng ®Ó ®èt trùc tiÕp. - Than kh«ng khãi ( than antraxit): than kh«ng khãi lµ lo¹i than giµ tuæi nhÊt, ®é bÒn lín, hót Èm Ýt, hµm l−îng c¸c bon cao, l−îng chÊt bèc thÊp, khi ch¸y kh«ng sinh khãi. Hµm l−îng tro vµ l−u huúnh trong than biÕn ®æi trong ph¹m vi réng. Than kh«ng khãi ®−îc dïng ®èt trùc tiÕp, mét phÇn ®−îc nhiÖt luyÖn ®Ó thay thÕ mét phÇn than cèc trong nÊu gang. - Nhiªn liÖu r¾n nh©n t¹o: than gç, than cèc, than antraxit nhiÖt luyÖn. Than gç: than gç ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch ch−ng kh« cñi gç theo ph−¬ng ph¸p thñ c«ng hoÆc dïng lß kÝn vµ nung b»ng kh«ng khÝ nãng 350 - 400 oC. Thµnh phÇn h÷u c¬ cña than gç: %C = 79,81 ÷ 88,87 ; %H = 4,33 ÷ 3,23; % (O+N) = 15,86 ÷ 7,90. Than gç chøa Ýt l−u huúnh, tr−íc ®©y ®−îc sö dông lµm nhiªn liÖu cho lß ®óc, lß cao cë nhá nh−ng hiÖn nay Ýt dïng. Than cèc: Than cèc ®−îc luyÖn b»ng c¸ch nung bét than cã tÝnh dÝnh kÕt tèt (than luyÖn cèc, than bÐo) trong m«i tr−êng c¸ch biÖt víi kh«ng khÝ tíi nhiÖt ®é 850 - 1000oC sau ®ã lµm nguéi. Qu¸ tr×nh luyÖn cèc nh− sau: nghiÒn than ®Õn ®é h¹t kho¶ng 3 mm, chÊt vµo lß vµ nung. D−íi t¸c dông cña nhiÖt, than ®−îc sÊy kh« vµ ch−ng, trong than xÈy ra c¸c ph¶n øng ph©n hãa nhiÖt. Giai ®o¹n quan träng nhÊt ®èi víi sù t¹o thµnh than cèc lµ ë nhiÖt ®é 400 - 500 oC, than bÞ biÕn mÒm vµ tiÕt ra chÊt bèc lµm cho khèi than trë nªn xèp. TiÕp tôc n©ng nhiÖt ®é, khèi than sÏ chuyÓn sang tr¹ng th¸i r¾n ta thu ®−îc than cèc. Than cèc ®−îc lÊy ra khái lß vµ lµm nguéi b»ng n−íc sau ®ã sµng ph©n lo¹i theo cì h¹t. Than cèc cã ®Æc ®iÓm: ®é bÒn c¬ vµ bÒn nhiÖt cao, ®é xèp than lín, hµm l−îng chÊt bèc thÊp, hµm l−îng tro tõ 8 - 14%. Than cèc chñ yÕu dïng cho c¸c lß cao luyÖn gang vµ c¸c lß ®øng nÊu gang. - 59 -
Than antraxit nhiÖt luyÖn: Than antraxit cã ®é xèp bÐ, khi bÞ nung nãng ®ét ngét, n−íc vµ chÊt bèc tho¸t ra m¹nh lµm cho than bÞ vì vôn nhiÒu g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh ch¹y lß. §Ó t¨ng ®é bÒn nhiÖt cña than antraxit ng−êi ta tiÕn hµnh nhiÖt luyÖn. Qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn than tiÕn hµnh nh− sau: ®em than nung nãng chËm ®Õn 1000 - 1100oC, gi÷ nhiÖt trong mét thêi gian sau ®ã lµm nguéi, thu ®−îc than nhiÖt luyÖn. Khi nung nãng chËm, n−íc vµ chÊt bèc trong than tho¸t ra ngoµi, hµm l−îng n−íc vµ chÊt bèc trong than gi¶m, ®ång thêi ®é xèp cña than t¨ng lªn lµm t¨ng ®¸ng kÓ ®é bÒn nhiÖt cña than khi ch¹y lß. Than gÇy nhiÖt luyÖn ®−îc sö dông thay thÕ mét phÇn than cèc ®Ó nÊu gang trong lß ®øng vµ luyÖn gang trong c¸c lß cao cì nhá. c) Nhiªn liÖu láng Nhiªn liÖu láng dïng trong lß c«ng nghiÖp chñ yÕu lµ dÇu mazut vµ dÇu ®iªzen lµ c¸c s¶n phÈm thu ®−îc khi gia c«ng dÇu má. DÇu má nguyªn khai lµ hçn hîp cña nhiÒu lo¹i cacbua hy®r« vµ mét l−îng nhá c¸c t¹p chÊt cña oxy, nit¬ vµ l−u huúnh. C¸c cacbua hy®r« trong dÇu má ®−îc chia ra ba nhãm: mª-tan (CnH2n+2), n¸p-ten (CnH2n) vµ cacbua th¬m (CnH2n-6). DÇu má cã khèi l−îng riªng 750 - 1.000 kg/m3, nhiÖt trÞ 9.800 - 10.500 kcal/kg. MÆc dï dÇu má cã nhiÖt trÞ cao nh−ng ng−êi ta kh«ng dïng nã trùc tiÕp lµm nhiªn liÖu v× trong nã chøa nhiÒu s¶n vËt quý. DÇu má ®−îc gia c«ng b»ng hai ph−¬ng ph¸p: ch−ng ph©n trùc tiÕp vµ cr¨c- kinh. Khi ch−ng ph©n trùc tiÕp, dùa vµo nhiÖt ®é s«i kh¸c nhau cña c¸c s¶n phÈm trong dÇu má, ng−êi ta ch−ng dÇu má ë nh÷ng nhiÖt ®é cÇn thiÕt ®Ó t¸ch riªng tõng lo¹i. C¸c s¶n phÈm thu ®−îc khi ch−ng ph©n trùc tiÕp gåm: Ðt-x¨ng nhÑ, Ðt-x¨ng nÆng, dÇu ho¶, ligrain, gaj«in vµ mazut. §em mazut ch−ng trong ch©n kh«ng, tiÕp tôc thu ®−îc c¸c lo¹i dÇu nhên vµ h¾c-Ýn. Cr¨c-king dÇu má lµ qu¸ tr×nh lµm ph©n hãa nhiÖt dÇu má ë 450 - 460oC ®Ó biÕn nh÷ng cacbuahy®r« nÆng thµnh nh÷ng cacbuahy®r« nhÑ h¬n. Nhê ph−¬ng ph¸p cr¨c- king ng−êi ta t¨ng thªm ®−îc l−îng dÇu nhÑ thu håi khi gia c«ng dÇu má. d) Nhiªn liÖu khÝ So víi nhiªn liÖu r¾n vµ láng, nhiªn liÖu khÝ cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n: + DÔ hoµ trén víi kh«ng khÝ nªn chØ cÇn hÖ sè d− kh«ng khÝ nhá còng ®¶m b¶o ®èt ch¸y hoµn toµn, gi¶m tæn thÊt nhiÖt do khãi lß mang ra ngoµi. - 60 -
+ Cã thÓ ®¹t d−îc nhiÖt ®é ch¸y cao nhê nung nãng tr−íc kh«ng khÝ vµ nhiªn liÖu. + ThiÕt bÞ ®èt ®¬n gi¶n, dÔ khèng chÕ nhiÖt ®é, chiÒu dµi ngän löa vµ ¸p suÊt trong lß. + DÔ vËn chuyÓn tõ n¬i s¶n xuÊt ®Õn n¬i tiªu thô. - KhÝ ®èt thiªn nhiªn: KhÝ ®èt thiªn nhiªn cã ë c¸c má riªng hoÆc ë c¸c má dÇu. Thµnh phÇn cã thÓ ch¸y trong nã chñ yÕu lµ mª tan(CH4), chiÕm kho¶ng 75 - 98%, mét Ýt cacbuahy®r« nÆng, hy®r« vµ CO, thµnh phÇn kh«ng thÓ ch¸y lµ CO2 vµ N2. KhÝ ®èt thiªn nhiªn cã n¨ng suÊt to¶ nhiÖt cao, Qd ≈ 8.600 Kcal/m3. - KhÝ ®èt nh©n t¹o: KhÝ ®èt nh©n t¹o gåm nhiÒu lo¹i (b¶ng 4.2). B¶ng 4.2 Thµnh phÇn vµ nhiÖt trÞ cña khÝ nh©n t¹o Lo¹i khÝ Thµnh phÇn theo thÓ tÝch (%) Qd ®èt CO2+H2 S O2 CO H2 CH4 C mH n N2 kcal/m3 KhÝ ®èt 5.300 12 -15 0,2-0,5 7 - 12 8 - 12 45 - 62 5-8 2 - 10 -7.000 b¸n cèc KhÝ ®èt 3.700 2-3 0,7 - 1,2 4-8 53 - 60 19 - 25 1,6 - 2,3 7 - 15 - 4.000 lß cèc KhÝ ®èt 2.400 5-7 0,1 - 0,2 35 - 40 47 - 52 0,3 - 0,6 - 2-6 - 2.500 h¬i n−íc KhÝ ®èt 1.150 5-7 0,1 - 0,3 24 - 30 12 - 15 0,5 - 3 0,2 - 0,4 46 - 55 - 1.550 hçn hîp KhÝ ®èt 900 0,5 - 15 - 32 - 33 0, 5 -0,9 - - 64 - 66 - 1.030 kh«ng khÝ KhÝ ®èt 900 8 - 14 - 23 - 31 10 -15 0,1 - 2,6 - 48 - 60 - 1.265 lß cao KhÝ ®èt lß cao: lµ s¶n phÈm phô khi luyÖn gang b»ng lß cao, luyÖn 1 tÊn gang thu ®−îc 3.600 - 4.000 m3 khÝ lß cao. Thµnh phÇn khÝ ch¸y chñ yÕu cña khÝ lß cao lµ CO (hµm l−îng 23 - 31%) vµ hy®r« (hµm l−îng 10 - 15%). NhiÖt trÞ khÝ lß cao thÊp (Qd= 900 - 1265 Kcal/m3), ®Ó n©ng cao nhiÖt ®é ch¸y ng−êi ta th−êng nung nãng tr−íc hoÆc hçn hîp víi khÝ lß cèc. - 61 -
KhÝ lß cèc: lµ s¶n phÈm phô thu ®−îc khi luyÖn than cèc, luyÖn 1 tÊn than cèc thu ®−îc 230 - 270 m3 khÝ lß cèc. Thµnh phÇn cã thÓ ch¸y cña khÝ lß cèc chñ yÕu lµ H2 (53 - 60%) vµ CH4 (19 - 225%), Qd = 3700 - 4000Kcal/kg. KhÝ ®èt kh«ng khÝ lµ s¶n phÈm thu ®−îc khi khÝ hãa than mµ khÝ thæi lµ kh«ng khÝ. Thµnh phÇn ch¸y chñ yÕu lµ CO (32 - 33%). NhiÖt trÞ khÝ ®èt kh«ng khÝ thÊp, Qd = 3780 - 4600 Kcal/kg. KhÝ ®èt h¬i n−íc lµ s¶n phÈm thu ®−îc khi khÝ hãa than b»ng h¬i n−íc. Thµnh phÇn ch¸y chñ yÕu lµ CO ( 35 - 40%) vµ H2 (47 - 52 %). NhiÖt trÞ khÝ ®èt h¬i n−íc thÊp Qd = 2400 - 2500 Kcal/kg vµ gi¸ thµnh cao nªn Ýt dïng trong luyÖn kim. 4.1.3. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu Thµnh phÇn nhiªn liÖu lµ mét chØ tiªu quan träng ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt l−îng cña nhiªn liÖu. a) Thµnh phÇn nhiªn liÖu r¾n vµ láng §èi víi c¸c nhiªn liÖu r¾n vµ láng, thµnh phÇn cña chóng rÊt phøc t¹p, c¸c nguyªn tè t¹o thµnh chóng th−êng kh«ng tån t¹i mét c¸ch ®éc lËp, mµ ho¸ hîp víi nhau t¹o thµnh c¸c hîp chÊt. ViÖc ph©n tÝch chÝnh x¸c thµnh phÇn nhiªn liÖu theo c¸c hîp chÊt t¹o thµnh chóng rÊt khã kh¨n, bëi vËy trong tÝnh to¸n nhiÖt th−êng ng−êi ta coi nhiªn liÖu r¾n vµ láng bao gåm c¸c chÊt tån t¹i ®éc lËp: - C¸c bon (C): lµ thµnh phÇn ch¸y chÝnh cña nhiªn liÖu r¾n vµ láng. Ph¶n øng ch¸y hoµn toµn cña c¸cbon víi oxy cã hiÖu øng nhiÖt lín. C +O2 = CO2 + 8.137 Kcal/kg - Hy®r« (H): d¹ng ch¸y ®−îc gåm hy®r« tù do vµ hy®r« hãa hîp víi c¸c chÊt ch¸y ®−îc, d¹ng kh«ng ch¸y ®−îc lµ hîp chÊt víi oxy. Ph¶n øng ch¸y cña hy®r« víi oxy: 1 H2 + O2 = H2O + 34.180 Kcal/ kg 2 - Nit¬ (N): lµ thµnh phÇn kh«ng ch¸y ®−îc, trong nhiªn liÖu r¾n vµ láng nit¬ chØ chiÕm 1 - 2 % nªn Ýt ¶nh h−ëng. - L−u huúnh (S): cã ba d¹ng lµ l−u huúnh h÷u c¬, l−u huúnh sunphit vµ l−u huúnh d¹ng muèi. Hai d¹ng ®Çu cã thÓ ch¸y cßn l−u huúnh d¹ng muèi kh«ng thÓ ch¸y. L−u huúnh lµ t¹p chÊt cã h¹i trong nhiªn liÖu cÇn h¹n chÕ. - Tro (A): gåm c¸c kho¸ng chÊt SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3... lµ c¸c thµnh phÇn kh«ng ch¸y ®−îc. Hµm l−îng tro trong nhiªn liÖu cµng cao th× chÊt l−îng nhiªn liÖu cµng - 62 -
gi¶m do gi¶m hµm l−îng chÊt ch¸y ®−îc, tæn hao nhiÖt do nung nãng tro, t¨ng l−îng bôi trong s¶n phÈm ch¸y, g©y khã kh¨n cho viÖc khèng chÕ qu¸ tr×nh ch¸y. - N−íc (W): gåm n−íc hÊp phô bÒ mÆt, n−íc hÊp thô qua c¸c lç xèp cña nhiªn liÖu vµ n−íc kÕt tinh. Khi sÊy nhiªn liÖu chØ hai d¹ng ®Çu lµ cã kh¶ n¨ng bèc h¬i cßn d¹ng n−íc kÕt tinh vÉn cßn trong nhiªn liÖu. §èi víi nhiªn liÖu r¾n vµ láng, thµnh phÇn cña chóng ®−îc biÓu diÔn b»ng bèn c¸ch: + ChÊt h÷u c¬ : Ch + Hh + Oh + Nh = 100 %. (4.1) + ChÊt cã thÓ ch¸y : Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 %. (4.2) + ChÊt kh« : Ck + Hk + Ok + Nk + Sk +Ak = 100 %. (4.3) + Th«ng dông: %Cd + %Hd + %Od + %Nd + %Sd +%Ad + %Wd = 100 % (4.4) §Ó chuyÓn ®æi tõ thµnh phÇn nµy qua thµnh phÇn kh¸c ng−êi ta dïng c¸c hÖ sè thÕ ho¸n cho ë b¶ng 4.3. B¶ng 4.3. HÖ sè chuyÓn ®æi thµnh phÇn nhiªn liÖu r¾n vµ láng Thµnh Thµnh phÇn muèn chuyÓn ®æi phÇn ®· biÕt ChÊt h÷u c¬ Cã thÓ ch¸y ChÊt kh« Th«ng dông ChÊt h÷u 1 100 − S c 100 − (S k + A k ) 100 − (S d + A d + W d ) c¬ 100 100 100 Cã thÓ 100 1 100 − A k 100 − (A d + W d ) ch¸y 100 − S c 100 100 ChÊt kh« 100 100 1 100 − W d 100 − (S + A ) k k 100 − A k 100 Th«ng 100 100 100 1 dông 100 − (S + A + W ) d d d 100 − (A + W ) d d 100 − W d b) Thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ Nhiªn liÖu khÝ th−êng lµ hçn hîp c¬ häc cña mét sè khÝ, cã thÓ ph©n tÝch chÝnh x¸c tõng thµnh phÇn cña chóng. C¸c thµnh phÇn cã thÓ ch¸y trong nhiªn liÖu khÝ gåm: CO, H2, CH4, CmHn, H2S. C¸c thµnh phÇn kh«ng thÓ ch¸y gåm CO2, N2, SO2, H2O, O2. Trong c¸c thµnh phÇn cã thÓ ch¸y th× c¸c cacbuahy®r« nh− CH4, CmHn cã n¨ng suÊt to¶ nhiÖt cao, sau ®ã lµ H2 vµ CO, cßn H2S lµ thµnh phÇn cã h¹i cÇn h¹n chÕ. Thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ ®−îc biÓu thÞ b»ng hai c¸ch: + Thµnh phÇn kh«: CO2k + COk + H2k + CH4k + C2H2k + H2Sk + ...+ N2k = 100 % (4.5) - 63 -
+ Thµnh phÇn −ít: CO2u + COu + H2u + CH4u + C2H2u + H2Su +...+ N2u + H2Ou= 100% (4.6) C«ng thøc chuyÓn ®æi gi÷a c¸c thµnh phÇn nh− sau: 100 − H 2 O u Xu = Xk. (4.7) 100 100 Xk = Xu. (4.8) 100 − H 2 O u 100ω Trong ®ã: H2Ou = (4.9) 806,3 + ω Víi ω lµ ®é Èm cña nhiªn liÖu, tÝnh b»ng l−îng n−íc chøa trong mét mÐt khèi khÝ kh« [ g/m3]. 4.1.4. NhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu N¨ng suÊt to¶ nhiÖt hay nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu lµ l−îng nhiÖt to¶ ra khi ®èt ch¸y hoµn toµn mét ®¬n vÞ khèi l−îng nhiªn liÖu (nÕu lµ nhiªn liÖu r¾n vµ láng) hay mét ®¬n vÞ thÓ tÝch nhiªn liÖu ( nÕu lµ nhiªn liÖu khÝ), ®−îc ký hiÖu lµ Q [kcal/kg hoÆc kj/kg vµ kcal/ m3 hoÆc kj/m3]. Trong thùc tÕ, ng−êi ta dïng hai kh¸i niÖm vÒ nhiÖt trÞ lµ nhiÖt trÞ cao vµ nhiÖt trÞ thÊp. - NhiÖt trÞ cao lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu x¸c ®Þnh víi ®iÒu kiÖn c¸c s¶n vËt ch¸y nguéi ®Õn nhiÖt ®é ban ®Çu, n−íc ë trong s¶n vËt ch¸y ë thÓ láng vµ nguéi ®Õn 0oC, ký hiÖu lµ Qc. - NhiÖt trÞ thÊp lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu x¸c ®Þnh víi ®iÒu kiÖn c¸c s¶n vËt ch¸y nguéi ®Õn nhiÖt ®é ban ®Çu, n−íc ë trong s¶n vËt ch¸y ë thÓ h¬i vµ nguéi ®Õn 20oC, ký hiÖu lµ Qd. §Ó x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu cã hai ph−¬ng ph¸p: x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm vµ tÝnh to¸n. §èi víi nhiªn liÖu r¾n vµ nhiªn liÖu láng, v× kh«ng biÕt thµnh phÇn cÊu t¹o chÊt, nªn ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ th−êng tiÕn hµnh b»ng thùc nghiÖm. Ngoµi ra, cã thÓ tÝnh to¸n gÇn ®óng theo thµnh phÇn nguyªn tè b»ng c¸c c«ng thøc thùc nghiÖm, trong ®ã c«ng thøc ®−îc dïng nhiÒu lµ c«ng thøc cña Men-®ª-lª-Ðp: Qc = 4,18 [81Cd + 300Hd - 26( Od - Sd)] [Kj/kg] (4.10) Qd = 4,18 [81Cd + 246Hd - 26( Od - Sd) - 6Wd] [Kj/kg] (4.11) - 64 -
§èi víi nhiªn liÖu khÝ cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm hoÆc tÝnh to¸n theo thµnh phÇn nhiªn liÖu. C«ng thøc tÝnh nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu khÝ khi biÕt thµnh phÇn khÝ nh− sau: Qc = 4,18(30,2CO + 30,5H2 + 95CH4 +152C2H4 + . . . +61H2S)[Kj/m3] (4.12) Qd = 4,18(30,2CO + 25,7H2 + 85,5CH4 +141C2H4 + . . . +56H2S) [Kj/m3] (4.13) 4.2. Sù ch¸y cña nhiªn liÖu 4.2.1. Sù ch¸y cña nhiªn liÖu r¾n Qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu r¾n (chñ yÕu lµ than) lµ qu¸ tr×nh ch¸y dÞ thÓ gi÷a mét chÊt lµ thÓ r¾n (nhiªn liÖu) vµ mét chÊt lµ thÓ khÝ (oxy cña kh«ng khÝ). Tuy nhiªn, trong qu¸ tr×nh ch¸y còng xÈy ra mét phÇn qu¸ tr×nh ch¸y ®ång thÓ ®ã lµ qu¸ tr×nh ch¸y chÊt bèc. Qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu r¾n cã thÓ chia ra c¸c giai ®o¹n sau: + Nung nãng vµ bèc h¬i n−íc. + Ph©n hãa nhiÖt nhiªn liÖu, tho¸t chÊt bèc vµ t¹o thµnh cèc. + Ch¸y chÊt bèc. + Ch¸y c¸c bon. Khi ch¸y, sù ch¸y chÊt bèc xÈy ra tr−íc, tuy thêi thêi gian ch¸y chÊt bèc ng¾n, nh−ng nã cã ý nghÜa quan träng lµm t¨ng nhiÖt ®é cña nhiªn liÖu, thóc ®Èy qu¸ tr×nh ch¸y tiÕp theo. Sù ch¸y cña c¸c bon lµ qu¸ tr×nh ch¸y chñ yÕu cña nhiªn liÖu r¾n. Qu¸ tr×nh ch¸y cac bon ®−îc ®Æc tr−ng bëi c¸c ph¶n øng sau: - Ch¸y cac bon: C + O2 = CO2 + 399 254 kj/kmol 2C + O2 = 2CO + 246 623 kj/kmol. - Ph©n hñy khÝ CO2 vµ h¬i n−íc: C + CO2 = 2CO - 162 530 kj/kmol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 65 294 kj/kmol - Ch¸y tiÕp khÝ CO: 2CO + O2 = 2CO2 + 571 684 kj/kmol Trong qu¸ tr×nh ch¸y, c¸c ph¶n øng ch¸y cac bon xÈy ra tr−íc, c¸c ph¶n øng ph©n hñy khÝ CO2, h¬i n−íc vµ ch¸y CO lµ c¸c ph¶n øng tiÕp theo (ph¶n øng thø cÊp). Qu¸ tr×nh ch¸y cña c¸c bon lµ qu¸ tr×nh ch¸y dÞ thÓ, do ®ã tèc ®é khhuÕch t¸n oxy tíi bÒ mÆt c¸c - 65 -
bon ¶nh h−ëng lín tíi qu¸ tr×nh ch¸y. L−îng khÝ khuÕch t¸n ®Õn bÒ mÆt vËt r¾n x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: V= D (C 0 − C n ).τ.F [g] (4.14) δ Trong ®ã: V - l−îng khÝ khuÕch t¸n [gam]. D - hÖ sè khuÕch t¸n ph©n tö [cm2/s]. δ - chiÒu dµy líp ch¶y tÇng bao quanh vËt r¾n [cm]. C0, Cn - nång ®é chÊt khuÕch t¸n trong dßng khÝ vµ ë gÇn mÆt vËt r¾n [g/cm3]. F - bÒ mÆt vËt r¾n [cm2]. τ - thêi gian [s]. Tèc ®é khuÕch t¸n cña oxy ®Õn mÆt than phô thuéc vµo tiªu chuÈn Re vµ tèc ®é dßng khÝ (ω): 0,031.ω β kt = [cm/s] (4.15) R 0, 2 e L−îng oxy khuÕch t¸n ®Õn bÒ mÆt than, mét phÇn ch¸y cßn mét phÇn ®−îc bÒ mÆt vËt r¾n hÊp thô. Sù hÊp thô oxy cña mÆt than chñ yÕu phô thuéc vµo bÒ mÆt than vµ ¸p suÊt khÝ, khi ¸p suÊt khÝ t¨ng l−îng oxy ®−îc hÊp thô t¨ng. Nghiªn cøu tèc ®é ch¸y c¸c bon trong líp nhiªn liÖu r¾n gåm nh÷ng h¹t h×nh cÇu, ng−êi ta thÊy tèc ®é biÕn ®æi bÒ mÆt than phô thuéc ¸p suÊt khÝ vµ tèc ®é dßng khÝ nh− sau: K = A(ωp ) +B 0, 4 (4.16) Trong ®ã: K - tèc ®é biÕn ®æi bÒ mÆt cÇu [cm2/s]. ω, p - tèc ®é vµ ¸p suÊt dßng khÝ, [m/s] vµ [at]. A, B: c¸c hÖ sè thùc nghiÖm. Tõ ph−¬ng tr×nh (4.16), ta nhËn thÊy khi t¨ng tèc ®é hay ¸p suÊt dßng khÝ dÉn ®Õn tèc ®é ch¸y c¸c bon t¨ng. 4.2.2. Sù ch¸y cña nhiªn liÖu láng Qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu láng (chñ yÕu lµ c¸c lo¹i dÇu) võa lµ qu¸ tr×nh ch¸y dÞ thÓ (sù ch¸y c¸c h¹t r¾n sinh ra khi ph©n huû nhiªn liÖu) võa lµ qu¸ tr×nh ch¸y ®ång thÓ (ch¸y h¬i dÇu). - 66 -
§Ó ®èt ch¸y nhiªn liÖu láng cÇn ph¶i t¸ch nhiªn liÖu thµnh h¹t nhá ®Ó t¨ng bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ, qu¸ tr×nh ®ã ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh biÕn bôi. ChÊt ®Ó biÕn bôi dÇu gäi lµ chÊt biÕn bôi. HiÖn nay ng−êi ta dïng chÊt biÕn bôi lµ kh«ng khÝ nÐn, h¬i n−íc vµ kh«ng khÝ ¸p suÊt cao. Khi chÊt biÕn bôi va ch¹m vµo dßng nhiªn liÖu, ®éng n¨ng chÊt biÕn bôi gi¶m, ®é gi¶m ®éng n¨ng ∆U0 cña chÊt biÕn bôi mét phÇn sinh c«ng c¬ häc lµm biÕn bôi nhiªn liÖu cßn phÇn lín n¨ng l−îng nµy biÕn thµnh nhiÖt lµm t¨ng nhiÖt hµm cña hçn hîp. PhÇn ®éng n¨ng lµm biÕn bôi nhiªn liÖu ( ∆U) phô thuéc vµo tØ sè gi÷a khèi l−îng riªng cña chÊt biÕn bôi (ρ2) vµ khèi l−îng riªng cña nhiªn liÖu (ρ1). NÕu bá qua t¸c ®éng cña ®é nhít th× tØ sè gi÷a ∆U vµ ∆U0 cã thÓ tÝnh gÇn ®óng: ∆U ρ 2 ≈ ∆U 0 ρ1 NÕu khèi l−îng riªng cña nhiªn liÖu kh«ng ®æi th× khèi l−îng riªng cña chÊt biÕn bôi cµng lín th× tØ sè nµy cµng lín vµ hiÖu qu¶ biÕn bôi cµng cao. NÕu gäi ∆E lµ n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó ph¸ vë bÒ mÆt tù do giät nhiªn liÖu th× ∆E = ∆U, do ®ã x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh cña c¸c h¹t bôi dÇu: 12.σ 1+ ϕ d= . [ω2 (1 + E u ) − ω1 ] 2 .ρ 2 ϕ 12.σ 1+ ϕ Hay: d= . [m] (4.17) (∆ω)2 .ρ 2 ϕ Trong ®ã: σ - hÖ sè søc c¨ng bÒ mÆt cña nhiªn liÖu [N/m2]. G2 ϕ= - suÊt tiªu hao ®¬n vÞ cña chÊt biÕn bôi (G1 vµ G2 lµ l−u l−îng nhiªn liÖu G1 vµ chÊt biÕn bôi) [kg/kg]. ∆ω = ω2 (1 + E u ) − ω1 . KÝch th−íc h¹t dÇu sau khi biÕn bôi dao ®éng trong kho¶ng 0,05 - 0,5 mm. Qu¸ tr×nh ch¸y cña c¸c h¹t bôi dÇu xÈy ra theo c¸c giai ®o¹n sau: - Hoµ trén gi÷a bôi dÇu vµ kh«ng khÝ. - Hçn hîp ®−îc sÊy nãng vµ bôi dÇu bèc h¬i. - Ph©n huû c¸c hîp chÊt cacbua hy®r«. - 67 -
- XÈy ra c¸c ph¶n øng ch¸y. Trªn thùc tÕ c¸c giai ®o¹n trªn cã quan hÖ mËt thiÕt víi nhau vµ kh«ng t¸ch rêi nhau. 3 2 1 H×nh 4.1 Qu¸ tr×nh ch¸y bôi dÇu 1) H¹t dÇu 2) Vïng h¬i dÇu 3) Vïng xÈy ra c¸c ph¶n øng ch¸y XÐt c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi sù ch¸y cña nhiªn liÖu láng ta nhËn thÊy, nÕu kÝch th−íc h¹t dÇu cµng nhá vµ qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr−êng víi hçn hîp chÊt biÕn bôi vµ nhiªn liÖu tèt th× hçn hîp ®−îc sÊy nãng nhanh, dÇu bèc h¬i tèt vµ qu¸ tr×nh ch¸y xÈy ra nhanh. Qu¸ tr×nh ch¸y cßn phô thuéc vµo sù khuÕch t¸n cña oxy vµo vïng ch¸y vµ sù khuÕch t¸n cña s¶n phÈm ch¸y ra khái vïng nµy nªn sù x¸o trén hçn hîp tèt còng lµm cho qu¸ tr×nh ch¸y xÈy ra nhanh h¬n. 4.2.3. Sù ch¸y cña nhiªn liÖu khÝ Qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu khÝ lµ qu¸ tr×nh ch¸y ®ång thÓ gi÷a khÝ ch¸y vµ oxy cña kh«ng khÝ. Qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu khÝ cã thÓ chia ra: + Giai ®o¹n hoµ trén nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ t¹o thµnh hçn hîp ch¸y. + Giai ®o¹n ch¸y cña hçn hîp ch¸y. Tèc ®é vµ chÊt l−îng ch¸y cña nhiªn liÖu khÝ, nhiÖt ®é vµ chiÒu dµi cña ngän löa trªn thùc tÕ chñ yÕu phô thuéc vµo tèc ®é vµ chÊt l−îng cña qu¸ tr×nh hoµ trén. Nguyªn nh©n t¹o thµnh hçn hîp lµ do sù khuÕch t¸n cña c¸c ph©n tö khÝ do chªnh lÖch nång ®é (khuÕch t¸n ph©n tö) hoÆc do sù va ®Ëp cña c¸c dßng khÝ chuyÓn ®éng (khuÕch t¸n x¸o trén). Khi sù hßa trén xÈy ra cµng tèt th× qu¸ tr×nh ch¸y xÈy ra cµng nhanh, ch¸y cµng hoµn toµn, chiÒu dµi ngän löa ng¾n h¬n vµ nhiÖt ®é ngän löa còng cao h¬n. Mét yÕu tè quan träng kh¸c ¶nh h−ëng tíi sù ch¸y cña nhiªn liÖu khÝ vµ nhiÖt ®é ngän löa lµ tØ lÖ gi÷a kh«ng khÝ vµ khÝ ®èt trong hçn hîp. NÕu l−îng kh«ng khÝ ®−a vµo kh«ng ®ñ th× khÝ ®èt ch¸y kh«ng hoµn toµn, nhiÖt ®é ngän löa thÊp. Ng−îc l¹i, nÕu l−îng kh«ng khÝ ®−a vµo d−, nhiªn liÖu ch¸y hoµn toµn, tuy nhiªn nhiÖt ®é ngän löa còng kh«ng cao do tèn nhiÖt nung kh«ng khÝ d−. - 68 -
4.2.4. Kh¸i niÖm ch¸y hoµn toµn, ch¸y kh«ng hoµn toµn vµ hÖ sè kh«ng khÝ d− a) Kh¸i niÖm ch¸y hoµn toµn vµ ch¸y kh«ng hoµn toµn Sù ch¸y cña nhiªn liÖu thùc chÊt lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng hãa häc gi÷a nh÷ng thµnh phÇn cã thÓ ch¸y cña nhiªn liÖu víi oxy: C + O 2 = CO 2 1 H2 + O2 = H2O 2 S + O 2 = SO 2 NÕu nh÷ng thµnh phÇn cã thÓ ch¸y trong nhiªn liÖu ®Òu tham gia ph¶n øng ch¸y vµ s¶n vËt ch¸y t¹o thµnh chØ gåm nh÷ng chÊt khÝ kh«ng thÓ ch¸y nh− ®−îc nh− CO2, H2O, SO2 ... th× gäi lµ qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn. Ng−îc l¹i, trong qu¸ tr×nh ch¸y, mét phÇn nhiªn liÖu kh«ng tham gia ph¶n øng hay trong s¶n vËt ch¸y cßn cã c¶ nh÷ng khÝ ch¸y ®−îc nh− CO, H2 ... th× gäi lµ qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn. Dùa vµo nguyªn nh©n g©y ra ch¸y kh«ng hoµn toµn ng−êi ta chia ra: - Ch¸y kh«ng hoµn toµn ho¸ häc: xÈy ra khi mét phÇn nh÷ng chÊt cã thÓ ch¸y trong nhiªn liÖu tham gia ph¶n øng ch¸y, v× mét ®iÒu kiÖn nµo ®ã kh«ng thÓ ch¸y ®−îc vµ bÞ cuèn ra ngoµi theo s¶n vËt ch¸y. Nguyªn nh©n g©y ra ch¸y kh«ng hoµn toµn hãa häc cã thÓ lµ: + Cung cÊp kh«ng khÝ kh«ng ®ñ. + Kh«ng khÝ vµ nhiªn liÖu hçn hîp kh«ng tèt. + Ph©n hãa nhiÖt. Trong c¸c nguyªn nh©n trªn, hai nguyªn nh©n ®Çu cã thÓ h¹n chÕ ®−îc, nguyªn nh©n thø ba kh«ng thÓ h¹n chÕ ®−îc, vÝ dô ph¶n øng ph©n ho¸ cña CO2: 2CO 2 → 2CO + O 2 Møc ®é ph©n hãa cña CO2 phô thuéc ¸p suÊt riªng phÇn vµ nhiÖt ®é cña khÝ. - Ch¸y kh«ng hoµn toµn c¬ häc: do nhiªn liÖu bÞ r¬i v·i, rß rØ trong qu¸ tr×nh ®èt, lµm cho mét phÇn kh«ng thÓ tham gia ph¶n øng ch¸y. Ch¸y kh«ng hoµn toµn c¬ häc phô thuéc nhiªn liÖu vµ thiÕt bÞ ®èt, vÝ dô than lät qua m¾t ghi, khÝ rß rØ trªn ®−êng èng tr−íc má ®èt ... - 69 -
b) HÖ sè kh«ng khÝ d− Th«ng th−êng khi ®èt nhiªn liÖu, nÕu l−îng kh«ng khÝ sö dông lÊy ®óng theo tØ lÖ c¸c ph¶n øng hãa häc th× g©y ra ch¸y kh«ng hoµn toµn, do ®ã ng−êi ta th−êng lÊy d− so víi yªu cÇu lý thuyÕt. §Ó ®¸nh gi¸ møc ®é d− kh«ng khÝ, ng−êi ta dïng kh¸i niÖm hÖ sè d− kh«ng khÝ x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc sau: Ln n= (4.18) L0 Trong ®ã: L0 - thÓ tÝch kh«ng khÝ cÇn thiÕt theo lý thuyÕt ®Ó ®èt ch¸y hÕt mét ®¬n vÞ khèi l−îng hay thÓ tÝch nhiªn liÖu [m3/kg hoÆc m3/m3]. Ln - thÓ tÝch kh«ng khÝ ®−îc sö dông ®Ó ®èt ch¸y mét ®¬n vÞ khèi l−îng hay thÓ tÝch nhiªn liÖu[m3/kg hoÆc m3/m3]. HÖ sè kh«ng khÝ d− ®−îc chän c¨n cø vµo nhiªn liÖu, cÊu t¹o cña thiÕt bÞ ®èt, ®iÒu kiÖn vËn hµnh. B¶ng 4.4 cho gi¸ trÞ hÖ sè kh«ng khÝ d− th−êng dïng trong thùc tÕ. B¶ng 4.4 HÖ sè kh«ng khÝ d− Nhiªn liÖu vµ kiÓu thiÕt bÞ ®èt HÖ sè d− kh«ng khÝ, n Buång ®èt than ®¸ thao t¸c thñ c«ng 1,30 - 1,70 Buång ®èt than ®¸ c¬ khÝ hãa 1,20 - 1,40 §èt than bôi 1,20 - 1,25 §èt khÝ ®èt, má ®èt kh«ng cã ngän löa 1,03 - 1,05 §èt khÝ ®èt, má ®èt cã ngän löa 1,10 - 1,15 4.3. TÝnh to¸n sù ch¸y cña nhiªn liÖu TÝnh to¸n sù ch¸y cña nhiªn liÖu nh»m môc ®Ých x¸c ®Þnh l−îng kh«ng khÝ cÇn thiÕt ®Ó ®èt ch¸y nhiªn liÖu, l−îng s¶n vËt ch¸y, thµnh phÇn, khèi l−îng riªng cña s¶n vËt ch¸y vµ nhiÖt ®é ch¸y. §Ó tÝnh to¸n ng−êi ta dùa vµo c¸c gi¶ thiÕt sau: - C¸c chÊt khÝ ®−îc coi lµ khÝ lý t−ëng. - Kh«ng tÝnh ®Õn thÓ tÝch s¶n vËt ch¸y do ph©n hãa nhiÖt. - ThÓ tÝch khÝ ®Òu ®æi vÒ ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn. - Trong kh«ng khÝ chØ chøa oxy vµ nit¬ víi tØ lÖ thÓ tÝch: 21% O2 vµ 79%N2. - 70 -
4.3.1. TÝnh to¸n sù ch¸y cña nhiªn liÖu r¾n vµ láng §Ó d¬n gi¶n trong tÝnh to¸n, mäi tÝnh to¸n ®−îc tiÕn hµnh víi 100 kg nhiªn liÖu. a) TÝnh l−îng kh«ng khÝ lý thuyÕt cÇn dïng ®Ó ®èt nhiªn liÖu : - ChuyÓn ®æi thµnh phÇn nhiªn liÖu vÒ thµnh phÇn th«ng dông: Cd + Hd + Od + Nd + Sd +Ad + Wd = 100 % - TÝnh sè kmol c¸c chÊt cã trong 100 kg nhiªn liÖu: C d Hd Od N d S d Wd ; ; ; ; vµ (kmol) 12 2 32 28 32 18 Riªng thµnh phÇn tro (A) kh«ng tham gia ph¶n øng ch¸y vµ kh«ng biÕn thµnh khÝ lß nªn kh«ng tÝnh ®Õn. - Dùa vµo ph−¬ng tr×nh ph¶n øng ch¸y cña c¸c chÊt, tÝnh l−îng oxy cÇn ®Ó ®èt ch¸y nhiªn liÖu: C d Hd Sd N ' O2 = + + (kmol) 12 4 32 Od Do trong nhiªn liÖu ®· cã kmol oxy nªn l−îng oxy cÇn cung cÊp: 32 C d H d S d Od N O2 = + + − (kmol) (4.19) 12 4 32 32 VËy thÓ tÝch oxy cÇn cung cÊp ®Ó ®èt ch¸y 100 kg nhiªn liÖu lµ: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ VO2 =⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟.22,4 ⎟ (m3) (4.20) ⎝ ⎠ L−îng nit¬ ®−a vµo theo kh«ng khÝ tÝnh theo kmol lµ: 79 ⎛ C d H d S d O d ⎞ N N2 = ⎜ + + − ⎟ (kmol) (4.21) 21 ⎜ 12 ⎝ 4 32 32 ⎟ ⎠ ⎛ C d Hd S d Od ⎞ N N 2 = 3,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟ ⎟ (kmol) (4.22) ⎝ ⎠ L−îng nit¬ ®−a vµo theo kh«ng khÝ tÝnh theo thÓ tÝch lµ: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ VO2 = 3,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟.22,4 ⎟ (4.23) ⎝ ⎠ VËy thÓ tÝch kh«ng khÝ cÇn cung cÊp ®Ó ®èt ch¸y 100 kg nhiªn liÖu lµ: - 71 -
⎛ C d Hd S d Od ⎞ Vkk = VO2 + VN 2 = 4,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟.22,4 ⎟ (4.24) ⎝ ⎠ b) TÝnh l−îng s¶n vËt ch¸y lý thuyÕt: L−îng s¶n vËt ch¸y lý thuyÕt gåm hai phÇn: + L−îng s¶n vËt ch¸y do nhiªn liÖu ch¸y sinh ra: ⎛ C d Hd S d Nd Wd ⎞ N nl SVC =⎜ ⎜ 12 + 2 + 32 + 32 + 18 ⎟ ⎟ (kmol) (4.25) ⎝ ⎠ + L−îng khÝ do kh«ng khÝ mang vµo: ⎛ C d H d S d Od ⎞ N kk svc = VN 2 = 3,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟ (kmol) ⎟ (4.26) ⎝ ⎠ VËy l−îng s¶n vËt ch¸y tæng céng khi ®èt 100 kg nhiªn liÖu lµ: ⎛ C d Hd Sd Nd Wd ⎞ ⎛ C d H d S d Od ⎞ N SVC = ⎜ ⎜ 12 + + + + ⎟ + 3,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟ (kmol) (4.27) ⎝ 2 32 32 18 ⎟ ⎠ ⎝ ⎟ ⎠ ⎡⎛ C d H d S d N d W d ⎞ ⎛ C d H d S d O d ⎞⎤ VSVC ⎜ = ⎢⎜ + + + + ⎟ + 3,762.⎜ ⎟ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟⎥.22,4 (m ) ⎟ 3 ⎢⎝ 12 ⎣ 2 32 32 18 ⎠ ⎝ ⎠⎥⎦ (4.28) c) TÝnh l−îng kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y lý thuyÕt vµ thùc tÕ khi ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu: - Tõ c«ng thøc (4.24) tÝnh ®−îc l−îng kh«ng khÝ lý thuyÕt cÇn ®Ó ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu: ⎛ C d H d S d O d ⎞ 22,4 L 0 = 4,762.⎜ ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟. 100 ⎟ [m3/kg] (4.29) ⎝ ⎠ - Tõ c«ng thøc (4.28) tÝnh ®−îc l−îng s¶n vËt ch¸y lý thuyÕt khi ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu: ⎡⎛ C d H d S d N d W d ⎞ ⎛ C d H d S d O d ⎞⎤ 22,4 V0 = ⎢⎜ ⎜ + + + + ⎜ 12 + 4 + 32 − 32 ⎟⎥. 100 ⎟ + 3,762.⎜ [m3/kg] ⎢⎝ 12 ⎣ 2 32 32 18 ⎟ ⎠ ⎝ ⎟ ⎠⎥⎦ (4.30) - L−îng kh«ng khÝ thùc tÕ cÇn ®Ó ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu: L n = n.L 0 [m3/kg] (4.31) - L−îng s¶n vËt ch¸y thùc tÕ sinh ra khi ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu: Vn = V0 + (n − 1)).L 0 [m3/kg] (4.32) - 72 -
C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n th−êng ®−îc biÓu diÔn theo b¶ng (xem b¶ng 4.6). d) TÝnh thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y: N Xi %X i = n .100 [%] (4.33) ∑N i =1 Xi Trong ®ã: NXi lµ sè kmol cña thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y Xi. e) TÝnh khèi l−îng riªng cña s¶n vËt ch¸y: Khèi l−îng riªng cña s¶n vËt ch¸y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: n ∑N Xi .M Xi ρ= i =1 n [kg/m3] (4.34) ∑V i =1 Xi Trong ®ã NXi, MXi, VXi lµ sè kmol, khèi l−îng kmol vµ thÓ tÝch cña thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y Xi. e) TÝnh nhiÖt ®é ch¸y cña nhiªn liÖu: NhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt cña nhiªn liÖu lµ nhiÖt ®é mµ s¶n vËt ch¸y ë thÓ khÝ cã thÓ ®¹t tíi khi ®èt ch¸y nhiªn liÖu trong ®iÒu kiÖn lý t−ëng, tøc lµ ch¸y hoµn toµn, kh«ng cã tæn thÊt, kh«ng cã ph©n hãa nhiÖt còng nh− kh«ng cã kh«ng khÝ d−. §Ó tÝnh to¸n, ng−êi ta gi¶ thiÕt nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt t®o cÇn t×m n»m trong kho¶ng t1 ®Õn t2 vµ: ⎧t 1 < t do < t 2 ⎨ (4.35) ⎩t 2 − t 1 = 100 C o Khi ®ã, nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: i tæng − i 1 t do = (t 2 − t 1 ) + t 1 (4.36) i 2 − i1 Trong ®ã: n %X i i1 = ∑ .i Xi ,t1 - nhiÖt hµm cña s¶n vËt ch¸y ë nhiÖt ®é t1, iXi,t1 lµ nhiÖt hµm cña i =1 100 thµnh phÇn Xi ë nhiÖt ®é t1. n %X i i2 = ∑ .i Xi ,t 2 - nhiÖt hµm cña s¶n vËt ch¸y ë nhiÖt ®é t2, iXi,t2 lµ nhiÖt hµm i =1 100 cña thµnh phÇn Xi ë nhiÖt ®é t2. itæng lµ nhiÖt hµm tæng céng cña s¶n vËt ch¸y: - 73 -
Q H + i nl + i kk L n i tæng = [kcal/m3] hay [kj/m3] (4.37) Vn ë ®©y inl = cnl.tnl lµ nhiÖt hµm cña nhiªn liÖu vµ ikk = ckk.tkk lµ nhiÖt hµm cña kh«ng khÝ. Khi kh«ng nung nãng nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ th× inl, ikk b»ng kh«ng. Trong c¸c tÝnh to¸n trªn nhiÖt hµm cña c¸c chÊt ®−îc tra theo b¶ng cho s½n. NhiÖt ®é ch¸y thùc tÕ cña nhiªn liÖu tÝnh theo c«ng thøc sau: t tt = η.t do Trong ®ã η lµ hÖ sè nhiÖt ®é, phô thuéc lo¹i lß vµ d¹ng nhiªn liÖu, tra theo b¶ng. B¶ng 4.5 B¶ng tra hÖ sè nhiÖt ®é Lo¹i lß D¹ng nhiªn liÖu η Lß buång KhÝ lß sinh khÝ 0,73 - 0,78 Lß buång R¾n 0,66 - 0,70 Lß liªn tôc R¾n 0,70 - 0,75 D−íi ®©y kh¶o s¸t mét vÝ dô tÝnh to¸n sù ch¸y víi nhiªn liÖu lµ than cã thµnh phÇn ch¸y nh− sau: 85,32%Cc, 4,56%Hc, 4,07%Oc, 1,80%Nc, 4,25%Sc, 7,78%Ak, 3,00%Wd. Vµ hÖ sè d− kh«ng khÝ n = 1,25. - §æi thµnh phÇn ch¸y sang thµnh phÇn th«ng dông: §æi thµnh phÇn tro Ak sang Ad: 100 − W d 100 − 3 Ad = Ak = 7,78. = 7,55 [%] 100 100 HÖ sè thÕ ho¸n tõ thµnh phÇn ch¸y sang thµnh phÇn th«ng dông: K= ( = ) 100 − A d + W d 100 − (7,55 + 3) = 0,8945 100 100 Thµnh phÇn th«ng dông cña nhiªn liÖu: 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 -
B¶ng 4.6 B¶ng kÕt qu¶ tÝnh l−îng kh«ng khÝ, l−îng vµ thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y cho 100 kg nhiªn liÖu Nhiªn liÖu Kh«ng khÝ S¶n vËt ch¸y Hµm Khèi Sè kmol O2 N2 Céng CO2 H2O SO2 O2 N2 Céng Thµnh l−îng l−îng l−îng phÇn % kg kg kmol kmol kmol kmol m3 kmol kmol kmol kmol kmol kmol m3 C 76,32 76,32 12 6,36 6,360 6,36 27,782 H 4,08 4,08 2 2,04 1,020 2,04 Tõ kh«ng S 3,8 3,8 32 0,119 0,119 0,119 khÝ vµo O 3,64 3,64 32 0,114 -0,114 nhiªn liÖu (kÕt qu¶ tr×nh bµy ë b¶ng 4.6). 22,4 x 36,53 3,762 x 7,385 35,167 x 22,4 - 75 - 7,385 + 27,782 N 1,61 1,61 28 0,059 - 0,059 W 3 3 18 0,167 - 0,167 A 7,55 7,55 - - Σ= 100 100 7,385 27,78 35,67 787,8 6,36 2,207 0,119 27,84 36,53 818,2 n=1 Thµnh phÇn (%) 21,0% 79,0 100 17,41 6,04 0,33 76,22 100 n = 1,25 9,23 34,73 43,96 984,7 6,36 2,21 0,12 1,85 34,80 45,34 1016 Thµnh phÇn (%) 21,00 79,00 100 14,03 4,87 0,26 4,09 76,75 100 - TÝnh to¸n x¸c ®Þnh l−îng kh«ng khÝ l−îng vµ thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y cho 100 kg
- L−îng kh«ng khÝ lý thuyÕt: 787,8 L0 = = 7,878 [m3/kg] 100 - L−îng kh«ng khÝ thùc tÕ: 984,7 Ln = = 9,847 [m3/kg] 100 - L−îng s¶n vËt ch¸y lý thuyÕt: 818,2 V0 = = 8,182 [m3/kg] 100 - L−îng s¶n vËt ch¸y thùc tÕ: 1016 Ln = = 10,16 [m3/kg] 100 - Thµnh phÇn s¶n vËt ch¸y: CO2 14,03 % H2O 4,87 % SO2 0,26 % O2 4,08 % N2 76,75 % Σ= 100 % - TÝnh khèi l−îng riªng cña s¶n vËt ch¸y: Khèi l−îng cña s¶n vËt ch¸y: CO2 → 6,36 . 44 = 279,84 H2O → 2,21 . 18 = 39,73 SO2 → 0,12 . 64 = 7,62 O2 → 1,85 . 32 = 59,32 N2 → 76,75 . 28 = 974,44 Σ= 1360,9 kg Khèi l−îng riªng cña s¶n vËt ch¸y: 1360,9 ρ= = 1,34 [kg/m3] 1016 - NhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt cña nhiªn liÖu: Nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ kh«ng ®−îc nung nãng tr−íc nªn ta cã: - 76 -