Nhiên liệu dầu khí

Chia sẻ: 123968574 123968574 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

144
lượt xem 38
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiên liệu là những vật liệu có khả năng cung cấp nhiệt lượng. Các vật liệu này có thể là cây, cỏ trên lớp vỏ Trái Đất, nhiên liệu hoá thạch trong lớp vỏ Trái Đất hay được sản xuất ra từ các ngành công nghiệp khác nhau. Trước khi bước vào kỉ nguyên công nghiệp, nhiên liệu chủ yếu sử dụng cho các mục đích dân dụng như: sưởi ấm, thắp sáng, nấu nướng. Khi nền công nghiệp thế giới phát triển, việc sử dụng nhiên liệu đã thay đổi hoàn toàn mặc dù tỉ lệ sử dụng cho các mục đích dân dụng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nhiên liệu dầu khí

Nhiên liệu dầu khí Hoa Hữu Thu NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007. 120 tr. Từ khoá: nhiên liệu dầu khí, tính chất của nhiên liệu, cháy hợp thức, cháy không hoàn toàn, năng suất tỏa nhiệt, nhiên liệu, sản xuất nhiên liệu, lọc dầu, dầu mỏ, than đá, cát bitum, nham phiến, dầu mỏ, khí thiên nhiên, dầu madút, xăng động cơ, nhiên liệu khí, phân tích nhiên liệu, nhiệt trị, sự cháy, cơ sở vật lý của sự cháy, cơ sở hóa học của sự cháy, động học của sự cháy, tự bốc cháy, sự nổ, ngọn lửa. Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. Mục lục MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................ 4 Chương 1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU............................................... 5 1.1 Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu.............................................................................. 5 1.2 Giới hạn nổ của nhiên liệu ........................................................................................ 7 1.3 Tốc độ truyền lửa ...................................................................................................... 9 1.4 Nhiệt độ ngọn lửa.................................................................................................... 11 1.5 Sự cháy hợp thức và sự cháy không hoàn toàn....................................................... 12 1.5.1 Sự cháy hợp thức (Sự cháy hoàn toàn) ....................................................................... 12 1.5.2 Sự cháy của các ankan ................................................................................................ 13 1.5.3 Sự cháy không hoàn toàn ............................................................................................ 15 1.6 Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa ............................................................................ 18 1.7 Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị) ............................................................... 18 1.7.1 Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thô........................................................................................ 18 1.7.2 Tính toán nhiệt trị ........................................................................................................ 19 1.8 Cường độ nhiệt........................................................................................................ 20 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
Chương 2 SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU ......................................................................................... 23 2.1 Sản xuất nhiên liệu từ dầu mỏ................................................................................. 23 2.2 Sản xuất nhiên liệu từ lọc dầu................................................................................. 27 2.3 Sản xuất nhiên liệu từ cát bitum (Bituminous Sands)............................................. 31 2.4 Sản xuất nhiên liệu từ dầu nham phiến ................................................................... 32 2.5 Sản xuất nhiên liệu từ dầu than đá .......................................................................... 33 Chương 3 CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN NHIÊN ....................................... 35 3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút).................................................................. 35 3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt .................................................................................... 35 3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu ....................................................................................... 36 3.1.3 Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO).................................................................... 37 3.2 Xăng động cơ .......................................................................................................... 37 3.2.1 Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit) ............................................... 38 3.2.2 Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô....................................................... 39 3.2.3 Xăng crackinh và xăng refominh ................................................................................ 40 3.3 Nhiên liệu điezen (DO)........................................................................................... 51 3.4 Nhiên liệu khí.......................................................................................................... 56 Chương 4 PHÂN TÍCH NHIÊN LIỆU ....................................................................................... 64 4.1 Những vấn đề chung ............................................................................................... 64 4.2 Xác định nhiệt trị .................................................................................................... 66 Chương 5 .......................................................................................................................................... 71 Cơ sở vật lí và hóa học của sự cháy.................................................................................................. 71 5.1 Vài nét khái quát về sự cháy ................................................................................... 71 5.2 Nhiệt động học và động học của sự cháy ............................................................... 74 5.2.1 Cơ sở nhiệt động học của sự cháy............................................................................... 74 5.2.2 Cơ sở động học của sự cháy........................................................................................ 78 5.3 Sự tự bốc cháy. Sự nổ ............................................................................................. 83 5.3.1 Xác định nhiệt độ tự bốc cháy..................................................................................... 86 5.3.2 Giới hạn cho sự tự bốc cháy........................................................................................ 90 5.4 Sự phát quang hoá học và ion hoá hóa học............................................................. 94 5.4.1 Sự phát quang hóa học ................................................................................................ 95 5.4.2 Ion hoá hóa học ........................................................................................................... 97 Chương 6 ỨNG DỤNG CỦA NGỌN LỬA .............................................................................. 100 6.1 Sự tạo thành các hạt cacbon trong ngọn lửa ......................................................... 100 6.2 Sản xuất axit xianhiđric bằng sự đốt cháy ............................................................ 101 6.3 Sự tạo thành nitơ oxit trong ngọn lửa ................................................................... 102 6.4 Sản xuất năng lượng ............................................................................................. 104 6.4.1 Đốt cháy công nghiệp và dân dụng ........................................................................... 104 6.4.2 Sản xuất công cơ học và đẩy..................................................................................... 105 6.4.3 Vấn đề an toàn sự cháy ............................................................................................. 106 Chương 7 PHỤ GIA NHIÊN LIỆU........................................................................................... 107 7.1 Phân loại các loại phụ gia nhiên liệu .................................................................... 107 7.1.1 Các phụ gia tẩy rửa và chống đông đặc .................................................................... 107 7.1.2 Chất phụ gia tăng cường độ chảy rót ........................................................................ 107 7.1.3 Các phụ gia kìm hãm oxi hoá, ăn mòn và lão hóa .................................................... 107 7.1.4 Phụ gia khống chế phát thải, khói và giúp đỡ sự cháy .............................................. 108 7.1.5 Các phụ gia chống kích nổ ........................................................................................ 108 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
7.1.6 Các phụ gia chống tích điện, diệt khuẩn, màu và phụ gia nhũ hoá ........................... 108 7.2 Phụ gia cho xăng................................................................................................... 108 7.3 Nhiên liệu sạch...................................................................................................... 109 PHỤ LỤC 1.................................................................................................................... 112 PHỤ LỤC 2.................................................................................................................... 114 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
4 MỞ ĐẦU Nhiên liệu là những vật liệu có khả năng cung cấp nhiệt lượng. Các vật liệu này có thể là cây, cỏ trên lớp vỏ Trái Đất, nhiên liệu hoá thạch trong lớp vỏ Trái Đất hay được sản xuất ra từ các ngành công nghiệp khác nhau. Trước khi bước vào kỉ nguyên công nghiệp, nhiên liệu chủ yếu sử dụng cho các mục đích dân dụng như: sưởi ấm, thắp sáng, nấu nướng. Khi nền công nghiệp thế giới phát triển, việc sử dụng nhiên liệu đã thay đổi hoàn toàn mặc dù tỉ lệ sử dụng cho các mục đích dân dụng vẫn cao và nhu cầu về nhiên liệu cho công nghiệp ngày càng tăng lên. Ngày nay, năng lượng nguyên tử được sử dụng rộng rãi, song vai trò của các nhiên liệu đã nói ở trên vẫn rất quan trọng trong đời sống nhân sinh và hoạt động sản xuất công nghiệp. Trong tự nhiên, nhiên liệu tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng và rắn. Nhiên liệu khí gồm: khí thiên nhiên; khí được sản xuất từ công nghiệp như: khí than, khí cốc, khí tổng hợp, khí than ướt, khí lò, khí metan từ bùn ao và từ sinh khối, khí hóa lỏng (LPG). Nhiên liệu lỏng gồm: dầu mỏ, các phân đoạn dầu đã được tinh luyện, xăng động cơ các loại, nhiên liệu điezen (DO), dầu nhiên liệu (FO), các phân đoạn chưng cất lỏng thu được từ cát dầu, đá dầu,... Nhiên liệu rắn gồm: thực vật phế thải, gỗ và than gỗ, than ở các dạng khác nhau như: than bùn, than nâu, than bitum, than bán bitum, than antraxit, cốc,... Trong tài liệu này đề cập đến các nhiên liệu thu được từ dầu mỏ và khí thiên nhiên. Đó là khí thiên nhiên, khí hoá lỏng (LPG), nhiên liệu cho động cơ xăng, nhiên liệu cho máy bay cánh quạt, nhiên liệu cho máy bay phản lực, dầu hoả, nhiên liệu cho động cơ điezen (DO), nhiên liệu cho đốt lò (FO). Đây là những nhiên liệu không thể thiếu trong đời sống và hoạt động sản xuất của đất nước đang trên đường hiện đại hoá. Trong tài liệu này cũng đề cập tới cơ sở vật lí và hóa học của sự cháy - một tính chất đặc trưng của nhiên liệu - đây là một lĩnh vực phức tạp liên quan tới nhiều khoa học khác nhau. Vì thế, việc đi sâu vào các lĩnh vực này vượt ra khỏi khuôn khổ nội dung của tài liệu. Ngoài ra tài liệu cũng giới thiệu một số ứng dụng của ngọn lửa trong công nghiệp và các phụ gia cho nhiên liệu. Tổng hợp nội dung của tài liệu nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về nhiên liệu cho các sinh viên trong chuyên ngành hóa học dầu mỏ. Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
5 Chương 1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU Trước khi nghiên cứu các nhiên liệu dầu khí và các tính chất của chúng, chúng ta hãy nghiên cứu những tính chất cơ bản chung của các loại nhiên liệu. Về mặt kinh tế, việc lựa chọn nhiên liệu cho một mục đích công nghiệp hay một mục đích nào đó phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nhiên liệu, hay sự phổ dụng của nhiên liệu ở khu vực phát triển công nghiệp cũng là một yếu tố quyết định. 1.1 Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu Nhiệt độ của nhiên liệu cần phải được nâng lên đến khi xảy ra sự cháy được gọi là nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu. Nhiệt độ bốc cháy là đặc trưng cho mỗi loại nhiên liệu. Nhiệt độ bốc cháy của các nhiên liệu có thể xác định được nhưng phải hết sức cẩn thận, vì nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu không những phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu mà còn phụ thuộc vào môi trường trong đó tiến hành xác định nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu. Nhiệt độ bốc cháy của các nhiên liệu rắn và lỏng rất khó xác định được chính xác vì chúng phụ thuộc vào các điều kiện trong đó nhiên liệu được đốt nóng. Với các nhiên liệu khí và hơi, nhiệt độ bốc cháy của chúng cũng là nhiệt độ tự bốc cháy và phụ thuộc vào điều kiện của các phương tiện được sử dụng để xác định nhiệt độ bốc cháy. Dù vậy, các giá trị nhiệt độ bốc cháy này vẫn chính xác hơn nhiều so với các nhiên liệu rắn. Có bốn phương pháp thường được sử dụng để xác định nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu lỏng và khí. 1. Nhỏ một giọt nhiên liệu lỏng vào một chén nung được đốt nóng có điều khiển (phương pháp Moore - Holm). 2. Nén đoạn nhiệt đến bốc cháy (phương pháp Dixon - Tizard). 3. Phương pháp cho nổ trong một bình được đốt nóng và hút chân không (phương pháp Mallard và Le Chatelier). 4. Phương pháp ống đồng tâm (phương pháp Dixon và Coward). Dùng các phương pháp này để xác định nhiệt độ bốc cháy của hiđrocacbon thì kết quả khác nhau đáng kể. Theo phương pháp 3, các giá trị về nhiệt độ bốc cháy trong không khí khi dùng hỗn hợp hợp thức đối với metan là 600°C, pentan là 510°C, octan là 250°C, benzen là 700°C, xiclohexan là 510°C, propan là 493°C. Trong quyển oxi các giá trị thu được sẽ thấp hơn. Ví dụ minh hoạ được cho trong bảng 1. Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
6 Bảng 1. Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu và khí Nhiên liệu Trong không khí Trong quyển oxi Metan 580 506 Etan 472 432 n-Pentan 218 208 Toluen 552 516 Xăng (OC73) 300 290 Dầu điezen (chỉ số xetan 60) 247 242 Hiđrosunfua 292 220 Hình 1 trình bày mối liên quan giữa áp suất và nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu hiđrocacbon. Ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, một số khí có nhiệt độ tự bốc cháy ở trong vùng B. Nhưng ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, các khí đơn giản như: CH4, C2H4, ... có nhiệt độ tự bốc cháy giảm đi khi áp suất tăng (đường C). Với các hiđrocacbon lớn hơn C3 thì tồn tại một vùng nhiệt độ tương đối thấp (từ 300°C đến 400°C, vùng A) mà trong vùng này sự cháy cho hiện tượng “ngọn lửa lạnh”. Nhưng từ trên 400°C, sự cháy có thể xảy ra hoàn toàn và nhiệt độ bốc cháy lại biến đổi theo đường cong C. Hình 1. Ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt độ bốc cháy của khí và hơi Đối với các nhiên liệu dùng cho động cơ điezen, việc xác định nhiệt độ bốc cháy của chúng được tiến hành trong các động cơ chuẩn ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định theo phương pháp của Foord. Theo phương pháp này, người ta có thể đo được chính xác thời gian trễ giữa thời điểm tiêm nhiên liệu vào động cơ và thời gian xảy ra sự cháy. Thông thường, nhiệt độ tiêu chuẩn ban đầu được lấy là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó nhiên liệu sau một thời gian phân hủy sẽ bùng cháy, thời gian này có thể tới hàng giây. Như vậy thời gian trễ cháy là quan trọng. Đương nhiên thời gian này có thể rút ngắn bằng cách nâng nhiệt độ và sẽ không lớn hơn 1/5 ÷ 2/5 giây đối với động cơ điezen tốc độ cao. Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
7 Từ các đường cong thực nghiệm, Foord đã rút ra thời gian phân hủy và nhiệt độ bốc cháy (trong không khí) của một số nhiên liệu như sau: Thời gian (giây) 3 2 1 1/2 340°C 350°C 375°C 500°C Gazoin (chủ yếu là parafin) Dầu điezen (chủ yếu là naphten) 390°C 412°C 450°C 575°C 485°C 505°C 533°C 620°C Creosote Đối với các nhiên liệu khí, nhiệt độ bốc cháy của chúng thay đổi theo nồng độ nhưng trong các khoảng tỉ lệ hợp thức, nhiệt độ bốc cháy của chúng thay đổi không nhiều. Khi xác định nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu khí, phương pháp thứ 4 được sử dụng thích hợp với dòng hơi nước đốt nóng sơ bộ khí, không khí hoặc oxi. Các giá trị về khoảng nhiệt độ bốc cháy của một số khí đơn giản được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu khí ở áp suất thường Khí Trong không khí Trong khí quyển oxi Hiđro 580 - 590 580 - 590 CO 637 - 658 644 - 658 Metan 556 - 700 650 - 750 Etan 520 - 630 520 - 630 Etilen 500 - 519 542 - 547 Axetilen 400 - 440 406 - 440 Như vậy, đối với các khí đơn giản như hiđro, CO sự thay đổi nhiệt độ bốc cháy là nhỏ; đối với các hiđrocacbon khí nhiệt độ bốc cháy có thể chênh lệch đến trên 100°C. Hơn nữa, với một số nhiên liệu, nhiệt độ bốc cháy trong oxi và trong không khí là tương tự nhau; trong khi đó với một số nhiên liệu khác giá trị này lại khác nhau rất nhiều. 1.2 Giới hạn nổ của nhiên liệu Các nhiên liệu khí hay hơi có khả năng cháy trong không khí hay trong oxi chỉ trong các giới hạn về nồng độ hoàn toàn xác định. Các điều kiện cần thiết để đảm bảo sự cháy gồm: (1) nhiệt phải được phát triển đầy đủ để nâng nhiệt độ của khí lên gần nhiệt độ cháy, (2) nhiệt sinh ra từ quá trình cháy của khí phải tiếp tục nâng nhiệt độ của khí lên đến nhiệt độ bốc cháy. Hai giới hạn về nồng độ cao và nồng độ thấp của nhiên liệu được gọi là giới hạn trên và giới hạn dưới của sự cháy. Giới hạn thấp hơn là tỉ lệ nhỏ nhất của nhiên liệu có khả năng truyền sự cháy tiếp tục. Giới hạn trên là hỗn hợp có chứa một lượng tối thiểu không khí để giải phóng một lượng nhiệt đủ để đốt cháy liên tục. Khoảng nồng độ này đôi khi người ta gọi là khoảng nổ, khoảng này rất quan trọng vì nó liên quan đến những sự cố tai Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
8 nạn do sự rò rỉ của khí dễ cháy hay hơi dễ cháy trong không khí. Điều này cũng rất quan trọng đối với việc sử dụng thực tế các hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ đốt trong. Các yếu tố ảnh hưởng tới các giới hạn cháy là: (1) nhiệt trị, (2) thể tích tương đối và nhiệt dung riêng của các khí, (3) nhiệt độ bốc cháy. Cả hai giới hạn này còn bị ảnh hưởng bởi dạng của bình chứa khí, hướng truyền, áp suất và nhiệt độ. Sự truyền hướng lên trong một ống có đường kính 7,5 cm cho những điều kiện tối ưu nhất. Các giới hạn của tính dễ cháy của một số nhiên liệu được trình bày trong bảng 3. Bảng 3. Các giới hạn của tính dễ cháy của các nhiên liệu khí và lỏng ở nhiệt độ và áp suất khí quyển (theo % thể tích) trong không khí Loại khí Giới hạn thấp Giới hạn cao Khí lò 35 74 Khí than 5,3 31,5 Khí thiên nhiên 4,8 13,5 Khí ướt 6,0 55 Dầu mỏ 1,4 6,0 Benzen 1,4 7,4 Cồn etylic 3,6 18 Ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính ống và hướng của dòng nhiên liệu được trình bày trong bảng 4 (ở đây L hướng lên trên, X là hướng xuống dưới, N là hướng nằm ngang của dòng). Bảng 4. Ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính ống và hướng của dòng nhiên liệu trong quá trình cháy Đường kính ống (cm) 7,5 5 2,5 Hướng dòng nhiên liệu L N X L N X L N X Giới hạn thấp 2,60 2,68 2,78 2,60 2,68 2,80 2,73 2,78 2,90 Giới hạn cao > 80,5 78,5 71,0 78,0 68,5 63,5 70,0 59,5 65,5 Với những hiđrocacbon lớn hơn C3 các giới hạn trở nên phức tạp do hiện tượng lửa lạnh. Vùng lửa bình thường tập trung gần hỗn hợp lý thuyết cho sự cháy hoàn toàn, còn vùng lửa lạnh tập trung gần thành phần hoạt động nhất trong sự cháy chậm. Bảng 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên giới hạn tính dễ cháy trong không khí của một số nhiên liệu và khí CH4 CH4 (HT Nhiệt độ (°C) H2 CO (HT lên)* xuống)* 17 9,4 - 71,5 16,3 - 70,0 6,3 - 1,9 6,0 - 13,4 100 8,8 - 73,5 14,8 - 71,5 6,0 - 13,7 5,4 - 13,5 200 7,9 - 76,0 13,5 - 73,0 5,5 - 1,6 5,0 - 13,8 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
9 400 6,3 - 81,5 11,4 - 77,5 4,8 - 16,0 4,0 - 14,7 Áp suất (atm) 20 10,2 - 68,5 17,8 - 62,8 6,0 - 17,1 50 10,0 - 73,3 20,6 - 56,8 5,4 - 29,0 125 0,9 - 74,8 20,7 - 51,6 5,7 - 45,6 (* Ảnh hưởng của hướng truyền xuống của metan được đưa vào để so sánh, HT lên - hướng truyền lên, HT xuống - hướng truyền xuống) Sự tăng nhiệt độ sẽ mở rộng vùng lửa bình thường một cách đáng kể. Việc tăng áp suất cũng mở rộng vùng lửa trừ trường hợp của cacbon monoxit, vùng lửa bị hẹp lại. Những ảnh hưởng này đối với hiđro, metan và CO trong không khí được minh họa ở bảng 5. Trong những trường hợp này, áp suất có ảnh hưởng rõ ràng hơn lên các giới hạn. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên các giới hạn là rất quan trọng đối với động cơ đốt trong, bởi vì nhiên liệu luôn luôn bị nén ở thời điểm cháy và cũng bị đốt nóng bởi thành xilanh nóng. Với hỗn hợp hiđrocacbon/không khí, áp suất làm tăng giới hạn dưới, đầu tiên bị giảm tới 50 atm và sau đó lại tăng lên. Tuy nhiên, những ảnh hưởng sau này nhỏ và ảnh hưởng tổng cộng là sự mở rộng đáng kể các giới hạn. Giới hạn cháy đối với một hỗn hợp các nhiên liệu khí có thể tính toán được từ quy tắc của Le Chatelier. Quy tắc này có giá trị trong một số quá trình công nghiệp mà ở đó sự nổ gây nguy hiểm có thể được giảm thiểu bằng cách đưa vào các thành phần nhiên liệu khác có giới hạn trên thấp. Quy tắc Le Chatelier như sau: Labc =++ L=a+b+c… XABC Ở đây a, b, c là các thành phần của các cấu tử. A, B, C là giới hạn tính dễ bốc cháy của chúng. Quy tắc này áp dụng đúng hơn cho các giới hạn thấp. 1.3 Tốc độ truyền lửa Tốc độ truyền lửa qua hỗn hợp nhiên liệu khí/không khí có một vai trò quan trọng trong dự án xây dựng lò đốt và không gian cháy. Tốc độ quá cao có thể gây nên sự quá nóng của lò hay sự quá nóng cục bộ, nếu tốc độ thấp sẽ dẫn đến tắt lửa. Tốc độ truyền lửa bị ảnh hưởng bởi tỉ lệ các cấu tử và dạng của buồng đốt. Phương pháp thông thường để xác định tốc độ truyền lửa là cho hỗn hợp nhiên liệu qua một ống với một tốc độ sao cho ngọn lửa bắt đầu ở phía đầu ra của ống bị tắt và bắt lửa ngay trở lại. Những điều kiện như thế tái hiện lại sự cháy của khí nhưng không giống sự cháy xảy ra trong động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt trong luôn luôn có chuyển động rối của hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Trừ những trường hợp hỗn hợp có nồng độ rất nhỏ thì sự chuyển động rối làm tăng tốc độ truyền lửa rất lớn. Sự tăng tốc độ truyền lửa của các hỗn hợp có nồng độ thấp là lớn hơn so với các hỗn hợp cháy nhanh và tốc độ cao nhất không phải là đúng tỉ lệ lý thuyết nhiên liệu và không khí để đốt cháy hoàn toàn mà nó nằm gần như giữa các giới hạn trên và dưới của sự cháy. Ở những giới hạn này người ta thấy rằng Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
10 đối với 5 hiđrocacbon đầu trong dãy ankan có tốc độ truyền lửa vào khoảng 6,1 m trong 1 giây. Khi sự truyền lửa được nghiên cứu bằng phương pháp ống như ở trên, người ta thấy rằng tốc độ truyền lửa giảm đi theo đường kính ống tới một giá trị nhất định. Tốc độ truyền lửa trong ống đường kính 2,54 cm giảm đi một nửa so với trong ống 30,5 cm. Khi nghiên cứu tốc độ truyền lửa của các nhiên liệu, người ta thấy rằng ở phần trăm khí thấp thì tốc độ cũng thấp. Khi phần trăm khí tăng lên thì tốc độ truyền cũng tăng lên tới một cực đại và sau đó lại giảm đi khi đạt tới giới hạn trên của tính dễ bắt lửa. Các tốc độ thấp nhất, tốc độ của các hỗn hợp giới hạn là như nhau đối với tất cả các khí, vào khoảng 19,8 cm/s (xem hình 2). Hình 2. Tốc độ chuyển động đều của ngọn lửa các nhiên liệu khí trong không khí Tốc độ truyền lửa cũng bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của hơi nước. Ví dụ, đối với CO tốc độ truyền lửa giảm đi đáng kể khi có mặt nước. Những giá trị thu được trong một ống 6,35 cm được trình bày trong bảng 6 sau đây. Bảng 6. Tốc độ truyền lửa cực đại của hỗn hợp nhiên liệu khí với không khí trong ống nằm ngang % nhiên liệu Tốc độ (cm/s) với đường kính Nhiên liệu khí khí trong hỗn ống hợ p 2,5 (cm) 5,0 (cm) Hiđro 35 490 - Metan 9,5 66 91 Etan 6,5 86 130 Propan 4,6 80 120 Butan 3,7 83 113 Pentan 3,0 82 115 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
11 Etilen 7,2 142 - Axetilen 8,9 282 - 1.4 Nhiệt độ ngọn lửa Nhiệt độ ngọn lửa rất quan trọng trong sự đốt nóng khí bởi vì nhiệt độ ngọn lửa càng cao thì tốc độ đốt nóng càng nhanh và khi nhiệt độ ngọn lửa càng cao thì hiệu quả nhiệt của quá trình càng lớn. Nhiệt độ ngọn lửa rất khó đo và các giá trị sử dụng bình thường là các giá trị của nhiệt độ lí thuyết, nghĩa là những giá trị ngọn lửa được tính toán nếu coi nhiệt độ đốt cháy chỉ đốt nóng sản phẩm cháy. Bởi vậy, nhiệt độ ngọn lửa lí thuyết có thể tính toán từ nhiệt đốt cháy, nhiệt dung riêng và thể tích các khí. Dĩ nhiên, những giá trị này là cao hơn những giá trị thực tế, nhưng chúng quan trọng để so sánh và dùng để tính toán các hiệu ứng đốt nóng sơ bộ, lượng dư không khí... Một số nhiệt độ ngọn lửa của các nhiên liệu khí được trình bày trong bảng 7. Bảng 7 Nhiệt độ ngọn lửa của một số nhiên liệu khí Nhiệt độ ngọn lửa (°C) Nhiên liệu khí Nhiệt trị (cal/l) Khí than 4983 2160 Khí ướt 2758 2300 Khí máy phát 1139 1680 Khí lò 818 1460 Khí hiđro 2847 2045 Metan 8854 1880 CO 2830 1950 Trong việc tính toán các giá trị nhiệt độ ngọn lửa, người ta sử dụng nhiệt đốt cháy thấp nhất của khí bởi vì ẩn nhiệt không có giá trị ở nhiệt độ lớn hơn 100°C. Nhiệt độ ngọn lửa của các khí được trộn với nhau có thể tính toán được từ các bảng hay các đồ thị cho sẵn, từ các lượng nhiệt tổng cộng của các sản phẩm cháy. Sản phẩm cháy chủ yếu là CO2, N2, H2O. Các nhiệt độ lý thuyết là tính cho khí lạnh và lượng không khí lạnh theo lý thuyết. Các giá trị này bị giảm đi bởi lượng dư không khí và tăng lên bằng cách đốt nóng sơ bộ không khí hoặc nhiên liệu khí. Trong thực tế, nhiệt độ ngọn lửa lý Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
12 thuyết tính toán được không thật chính xác vì: 1 - Các dữ kiện, đặc biệt nhiệt dung riêng của khí cháy, không thật chính xác; 2 - Xảy ra sự phân ly sản phẩm CO2 và H2O; 3 - Lửa bức xạ nhiệt ra ngoài từ 5 - 20%; và 4 - Nhiệt bị mất đi do đối lưu, dẫn nhiệt vì sự cháy kéo dài trong một thời gian đáng kể. Các nguyên nhân mất nhiệt (3) và (4) phụ thuộc vào các điều kiện đặc biệt. Nhưng nguyên nhân (2) có thể được tính toán từ các dữ liệu đã biết và cần được hiệu chỉnh bằng cách trừ đi nhiệt phân ly từ nhiệt đốt cháy khí. Vì nhiệt bị hấp thụ khi phân ly sản phẩm cháy, nên nhiệt độ được điều chỉnh là thấp hơn đáng kể so với nhiệt không được điều chỉnh. Ví dụ đối với CO nhiệt độ bị sai lệch đến 400°C. Trong thực tế, nhiệt độ ngọn lửa cao có thể đạt được bằng (1) cháy nhanh, (2) giảm lượng dư không khí đến tối thiểu và (3) đốt nóng sơ bộ nhiên liệu. Tăng lượng dư không khí từ 0 ÷ 100% sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa của khí cháy lên khoảng 30%. Cùng khí này được đốt nóng sơ bộ đến 500°C và đốt cháy với không khí cũng ở 500°C (nghĩa là đã đốt nóng sơ bộ hỗn hợp nhiên liệu và không khí) thì nhiệt độ ngọn lửa tăng lên thêm đến ~ 20%. 1.5 Sự cháy hợp thức và sự cháy không hoàn toàn Theo quan điểm hoá học, sự cháy là do tác dụng hoá học của oxi trong không khí với các nguyên tố của nhiên liệu có khả năng phản ứng với nó. Nói chung sự cháy được thực hiện ở áp suất không đổi, gần với áp suất khí quyển nghĩa là nó thấp hơn hay cao hơn một chút tuỳ theo từng thiết bị. 1.5.1 Sự cháy hợp thức (Sự cháy hoàn toàn) Sự cháy hợp thức hay sự cháy lý thuyết là sự cháy hoàn toàn và không dư không khí. Khói sinh ra từ sự cháy này là những chất sau: CO2, H2O, SO2 và N2, với điều kiện là nhiệt độ cháy không gây nên sự phân ly của các phân tử này. Những khí khác chỉ tồn tại dưới dạng vết. Thể tích oxi hay không khí cần thiết để đốt cháy một khối lượng đã cho của nhiên liệu chứa: C% cacbon, H% hiđro, O% oxi, S% lưu huỳnh, tất cả theo khối lượng, cho CO2, H2O và SO2 được xác định theo các biểu thức sau: ⎡C H S O⎤ - Thể tích oxi: Voxi = 0,0224 ⎢ + + − ⎥ m3/ kg nhiên liệu ⎣12 4 32 32 ⎦ ⎡C H S O⎤ - Thể tích không khí: Vkhông khí = 1.067 ⎢ + + − ⎥ m3/ kg nhiên liệu ⎣12 4 32 32 ⎦ Ví dụ, để đốt cháy 1 kg metan thì cần một thể tích lý thuyết oxi là 2,80 m3 hay thể tích không khí là 13,34 m3. Để đốt cháy hợp thức một nhiên liệu mà thành phần của nó được biểu thị theo phần trăm khối lượng là như sau: 84,7%C; 11,2%H; 3,5%S; 0,6%N thì phải cần một thể tích oxi lý thuyết là 2,23 m3/kg hay một thể tích không khí là 10,64 m3/kg. Trong trường hợp, nếu người ta kể đến các thể tích khí được sinh ra bởi sự cháy và thể tích khí nitơ có nguồn gốc từ nhiên liệu và không khí thì lượng khói là 11,28 m3/kg. Thể tích của khói khô thu được bằng Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
13 cách bỏ đi thể tích hơi nước được hình thành sẽ là 9,909 m3/kg, hàm lượng CO2 là 15,45%, hàm lượng SO2 là 0,25%. Trong sự gần đúng đầu tiên, hàm lượng CO2 của khói hợp thức được xác định bằng tỉ số thể tích CO2 với thể tích khói khô hợp thức (αo), đủ để quyết định sự cháy. Đối với các nhiên liệu khác nhau, αo có các giá trị gần đúng như sau: Khí thiên nhiên và khí sản xuất : 11 < αo < 12 - Butan và propen thương mại : αo ≥ 14 - Dầu FO (fuel oils) : 15 < αo < 16 - Than : 18 < αo < 20 - Trong đại đa số các ứng dụng công nghiệp, sự cháy hoàn toàn được thực hiện với một lượng dư không khí. Sự cháy như thế được gọi là sự cháy oxi hóa, sự cháy khử được thực hiện khi thiếu không khí và được sử dụng trong một số quá trình luyện kim hay gốm sứ. Việc dư không khí phải được giới hạn đến cực tiểu cần thiết cho sự cháy hoàn toàn. Sự dư này thay đổi từ 5 ÷ 10% đối với các thiết bị công nghiệp có công suất lớn dùng khí hay các nhiên liệu lỏng và từ 10 ÷ 50% đối với các thiết bị dùng than. Khi sự cháy là không hoàn toàn thì những chất không bị cháy ở dạng khí sẽ nằm trong khí cháy dưới dạng CO và CH4. Sự cháy không hoàn toàn cũng tạo thành những chất không bị cháy dạng rắn như than bám vào thiết bị hoặc bị kéo đi cùng với khói. Người ta nhận thấy rằng việc phân tích các khí cháy cho ta một dữ kiện quan trọng để điều chỉnh sự cháy. Thật vậy, có những mối quan hệ giữa lượng dư không khí và hàm lượng oxi trong khói khô cũng như lượng dư không khí và hàm lượng CO2. Nói chung, người ta thấy lượng dư oxi trong khói khô tăng lên nghĩa là lượng dư không khí tăng lên thì lượng CO2 trong khói giảm đi gần như tuyến tính. Hình 3. Sự biến đổi thành phần khí cháy khi đốt nhiên liệu theo sự thay đổi lượng không khí 1.5.2 Sự cháy của các ankan Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
14 Sự cháy hợp thức của các ankan xảy ra theo phương trình phản ứng sau: 3n + 1 O2 → nCO2 + (n+1)H2O CnH2n+2 + 2 Phản ứng này là phát nhiệt. Nó được sử dụng trong các động cơ, nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu dầu và khí thiên nhiên, các nồi đốt nóng. Nhiệt toả ra khi đốt cháy ankan được xác định theo công thức chung sau đây: Δ H o (CnH2n+2) = − (609n + 193) kJ. mol−1 298,15 n là số nguyên tử cacbon trong ankan Trong trường hợp đơn giản của metan: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O với Δ H o = − 802,3 kJ.mol−1 298,15 Rất khó xác định nhiệt độ cháy hay nhiệt độ ngọn lửa nghĩa là nhiệt độ cực đại mà các khí cháy tỏa ra. Nhiệt độ này càng cao thì sự cháy càng hoàn toàn. Trong trường hợp cháy hoàn toàn, trạng thái cuối cùng là hoàn toàn xác định và việc tính toán nhiệt độ cuối cùng là đơn giản, nếu như ta chấp nhận rằng không có bất kỳ sự trao đổi nhiệt nào hay sự trao đổi công nào được thực hiện với bên ngoài. Nghĩa là nhiệt sinh ra chỉ dùng để đốt nóng các khí bị cháy (hay sự cháy trong chế độ đoạn nhiệt). Vậy ta có: ΔQ = −ΔHo Với nhiên liệu là khí CH4 ta có: 802303 = (2 Co (H2O) + Co (CO2)) (T − 298)= (2 × 51,103 + 60,35) (T − 298) P P T = 5233 K = 4960°C Tính toán này đã được đơn giản hóa rất nhiều. Ở đây người ta đã sử dụng các giá trị o C ở 2000 K của các sản phẩm cháy được cho là độc lập với nhiệt độ T, không để ý đến sự P pha loãng bởi các khí trơ và các chất không bị cháy có mặt ở trong khí cháy, nhưng trước hết là không để ý đến hiện tượng phân ly sản phẩm cháy như CO2, H2O, ... Thật vậy, phản ứng cháy của metan không tính đến sự phân ly nhiệt của các phân tử này tham gia vào sự cháy, nhưng đối với CO2, H2O thậm chí ngay ở 2000 K có thể xuất hiện sự phân ly kiểu: 1 −1 CO2 → CO + Δ Ho O2 ; 298,15 = 283 kJ.mol 2 H2O → •H + •OH Sự phân ly này sinh ra những phân tử CO và các loại gốc hay nguyên tử như •OH, •O, • H. Sự phân ly này khi trở lên lớn sẽ làm giảm đáng kể nhiệt độ cháy cuối cùng đạt được. Ảnh hưởng này được minh họa trong trường hợp cháy của metan được trình bày dưới đây (các giá trị được tính toán từ thành phần của khí bị cháy theo %). H2O O2 H2 OH CO CO2 H O Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
15 37,2 6,9 6,9 14,4 15,1 11,7 4,6 3,3 Chỉ có 49% nước và CO2 được hình thành khi sự cháy không bị phân ly. Từ đó rút ra sự giảm đáng kể nhiệt độ đạt được (khoảng 2750°C) trong khi giá trị tính toán được ở trên là 4960°C. Bởi vậy khái niệm về nhiệt trị của một nhiên liệu gắn liền với entanpi phản ứng không đủ để xác định nhiệt độ thực của khí cháy và độ bền vững ngọn lửa. Cần phải chú ý đến thành phần thực của khí cháy và độ bền vững nhiệt của chúng. Ví dụ, xianogen (CN)2 mà sự cháy của nó dẫn đến những phân tử rất bền vững CO và N2 theo tỉ lệ 98% so với chỉ 2% gốc cho phép đạt được nhiệt độ khoảng 4000°C. Đây là một trong những nhiệt độ cao nhất mà ta có thể thu được bằng cách đốt cháy. Trong thực tế, qua phân tích các sản phẩm cháy người ta luôn luôn phát hiện thấy CO nghĩa là sự cháy thực tế rất khó đạt được sự cháy hợp thức. 1.5.3 Sự cháy không hoàn toàn Với nhiên liệu là các sản phẩm dầu và khí, công thức tổng quát của phản ứng cháy như sau: mr m − )O2 → nCO2 + CnHmOr + (n + H2O 42 2 Như đã nói sự cháy hợp thức trong không khí, khói gồm có CO2, H2O, N2 và SO2; còn sự cháy không hợp thức trong khói còn có thành phần CO nghĩa là sản phẩm khói gồm CO2, CO, H2O, N2 và SO2. Nếu coi các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy nhiên liệu như là các phản ứng của các thành phần nguyên tố của nhiên liệu với oxi thì sự tạo thành CO có thể viết như sau: K cb CO2 + H2 CO + H2O (1) Trong trường hợp ở nhiệt độ cao có thể xảy ra quá trình phân ly: 1 CO2 → CO + O2 2 1 O2 → H2O và phản ứng sinh ra nước: H2 + 2 Như vậy sự cháy không hoàn toàn được quyết định bởi cân bằng (1). Từ cân bằng này ta có hằng số cân bằng: VCO2 VH2O [CO][H 2 O] Kcb = = [CO 2 ][H 2 ] VCO2 VH2 ở đây: VCO , VCO2 là thể tích CO và CO2 trong một đơn vị thể tích chung của khói. Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
16 [CO] =ρ Đặt: (2) [CO 2 ] và Kcb có thể viết: VH2O VH2O K cb Kcb = ρ ⇒ = (3) ρ VH2 VH2 Nếu gọi CT là lượng cacbon tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, HT là lượng hiđro tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, thì: CT = VCO + VCO2 HT = VH2 + VH2O VCO Từ (2) ta có: VCO = ρVCO2 hay VCO2 = ρ 1 Vậy CT = ρVCO2 + VCO2 ⇒ VCO2 = CT (4) (ρ + 1) ρ VCO = và CT (5) ρ +1 ρ Từ (3) có thể rút ra: VH2 = HT (ρ + K cb ) K cb VH2O = và HT (6) (ρ + K cb ) Theo cân bằng vật chất: = VO2 tiêu tốn cho sự cháy + VO2 dư trong khói VO2 cung cấp = (0,5 VCO + VCO2 + 0,5VH2O ) + OT (7) Nếu gọi hệ số dư lượng không khí là α và coi oxi chiếm 20% thể tích không khí thì: VO2 cung cấp = 0,2.α.A A là thể tích không khí tương ứng đưa vào để đốt cháy nhiên liệu một cách hợp thức, nghĩa là α = 1 hay: ρ K ch 1 0,2.α.A = CT + CT + HT + OT 2(ρ + 1) (ρ + 1) 2(ρ + K ch ) 2+ρ K ch ⇒ 0,2.α.A = CT + HT + OT (8) 2(ρ + 1) 2(ρ + K ch ) Ta biết rằng sự cháy lý thuyết (α = 1) thì ρ = 0, lúc đó phương trình (8) có dạng: Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
17 1 0,2.α.A = CT + HT + OT (9) 2 Nếu lấy (9) − (8) ta có: ρ ρ 0,2.A(α − 1) = CT + HT 2(ρ + K ch ) 2(ρ + 1) ⎛ CT ⎞ HT 0,4.A(α − 1) = ρ ⎜ hay: (10) + ⎟ ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠ Nếu gọi F là thể tích khói khô (đã loại bỏ nước): F = VCO + VCO2 + VH2 + VN2 ρ HT + 0,8.α.A + NT F = CT + (11) (ρ + K ch ) trong đó: NT - nitơ trong nhiên liệu, 0,8.α.A - thể tích nitơ đưa vào từ không khí. Như đã nói ở trên, nếu sự cháy là sự cháy hợp thức thì: ρ = 0 → H.ρ = 0 và α = 1 Khi đó phương trình (11) có dạng: Fo = CT + NT + 0,8.A (12) Sự khác giữa cháy lý thuyết và cháy thực là: ρ HT + 0,8 (α − 1).A F – Fo = (13) (ρ + K ch ) Mặt khác từ phương trình (10), ta có thể viết: ρ ⎛ CT HT ⎞ (α − 1).A = − + ⎜ ⎟ 0,4 ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠ Thay biểu thức này vào (13), ta được: 0,8.ρ ⎛ CT HT ⎞ ρ HT − F – Fo = + ⎜ ⎟ 0,4 ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠ (ρ + K ch ) ⎛ 2CT HT ⎞ F = Fo − ρ ⎜ (14) + ⎟ ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠ Vậy thành phần về thể tích khói khô sẽ là: VCO2 CT %CO2 = = (ρ + 1)F F ρCT VCO %CO = = (ρ + 1)F F Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
18 VH2 ρH T %H2 = = (ρ + K cb )F F %N2 = 100 – (%CO2 + %CO + %H2) 1.6 Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa Ở nhiệt độ cao do sự cháy khí xảy ra thì cũng xảy ra sự phân ly của CO2 và hơi nước. Sự phân ly này có cùng hiệu ứng vì nếu hiđro, CO không bị cháy hoàn toàn thì nhiệt độ ngọn lửa đạt được phải thấp hơn ngọn lửa lý thuyết. Việc hiệu chỉnh đối với các hiệu ứng khuếch tán nhiệt là rất khó khăn, vì thế sự hiệu chỉnh này thường được đơn giản hóa bằng phương pháp đồ thị. Các dữ kiện cần thiết cho việc tính toán là: 1. Thành phần của khí thải không có sự phân ly. 2. Nhiệt bắt nguồn từ nhiệt đốt cháy của nhiên liệu và bất kỳ nhiệt đốt nóng sơ bộ nào đã dùng (được biểu diễn bằng kcal/m3 khí thải ở 0°C và 760 mmHg). Việc sử dụng đồ thị cho phép có thể tính toán được nhiệt độ ngọn lửa đã được hiệu chỉnh. Đối với bức xạ ngọn lửa, một hiệu chỉnh xa hơn có thể được tiến hành và cho phép bình thường đạt độ sai lệch 10%. Ở nhiệt độ 2000°C, CO2 phân ly khoảng 6% và hơi nước 1,9% ở áp suất khí quyển. 1.7 Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị) Một tính chất cơ bản của nhiên liệu là năng suất tỏa nhiệt (hay nhiệt trị) của nó. Cùng với các tính chất khác, nhiệt trị có tầm quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị nhiệt có khả năng dễ dàng chuyển hóa nhiên liệu thành công có ích một cách hiệu quả. Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt được giải phóng ra khi nó cháy hoàn toàn với oxi và ngưng tụ các sản phẩm tới một nhiệt độ xác định. Các giá trị có thể được biểu thị bằng các đơn vị nhiệt tiêu chuẩn (cal/g, J/g) đối với các nhiên liệu rắn và lỏng. Nhiệt trị của một khí được biểu thị bằng số đơn vị nhiệt được giải phóng khi đốt cháy một đơn vị thể tích khí đó ở áp suất không đổi. Đơn vị nhiệt tiêu chuẩn là kcal/m3. Nhiệt trị của một khí được xác định tại một nhiệt độ chuẩn, cả không khí và khí đều được đưa về nhiệt độ chuẩn, sản phẩm cháy cũng được làm lạnh tới nhiệt độ này, quá trình cháy phải xảy ra hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm chỉ có CO2, SO2, H2O và N2. Nhiệt trị của một nhiên liệu rắn hay lỏng được xác định bình thường ở thể tích không đổi trong một nhiệt lượng kế có khả năng chịu được áp lực tăng lên. Vì các sản phẩm được làm lạnh tới nhiệt độ của nhiệt lượng kế nên giá trị thu được là giá trị thô. 1.7.1 Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thô Khi một nhiên liệu có chứa hiđro bị đốt cháy, nước được sinh ra và nếu lượng nước này được ngưng tụ, nó sẽ giải phóng nhiệt ẩn cùng với nhiệt giải phóng khi làm lạnh từ nhiệt độ cháy đến nhiệt độ của nhiệt lượng kế. Vậy tổng nhiệt trị (NSTN thô) của một nhiên liệu là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị trọng lượng của nhiên liệu (hay một đơn vị thể tích nếu nhiên liệu là khí) bị đốt cháy và sản phẩm cháy được đưa về Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
19 15°C. Trong trường hợp này, hơi nước bản thân nó bị ngưng tụ. Tuy nhiên trong thực tế, nhiều trường hợp nhiệt này được tải bởi nước sinh ra khi H2 bị cháy hay nước có sẵn trong nhiên liệu không chuyển thành công và nó không góp phần nâng nhiệt độ của ngọn lửa hay phát năng lượng trong động cơ khí. Khi loại trừ tất cả các yếu tố trên thì nhiệt trị thu được gọi là nhiệt trị tinh. Vậy nhiệt trị tinh là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị trọng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy và sản phẩm cháy được ngưng tụ ở 15°C và hơi nước không bị ngưng tụ. Khi phải so sánh giữa các mẫu than hoặc các mẫu dầu khác nhau thì nhiệt trị tinh cũng không cho thêm nhiều khác biệt, vì than cùng loại hay dầu cùng đặc trưng thường có hàm lượng hiđro rất tương tự nhau nên sự khác nhau khi so sánh giữa nhiệt trị tinh và khi so sánh giữa nhiệt trị thô gần như không đáng kể. 1.7.2 Tính toán nhiệt trị Nói chung, người ta hay dùng nhiệt lượng kế để xác định nhiệt trị của một nhiên liệu. Trong việc tính toán nhiệt trị người ta giả sử rằng: – Giá trị nhiệt của các nguyên tố trong nhiên liệu bằng giá trị nhiệt của nguyên tố đó ở trạng thái tự do. – Không có nhiệt nào khác ngoài giá trị nhiệt này hay nói cách khác là nhiệt không được sử dụng để giải phóng các nguyên tố trong khi cháy với oxi. Khi cacbon bị cháy trong oxi với sự tạo thành CO2 thì lượng vật chất tham gia vào phản ứng và nhiệt được giải phóng có thể được biểu thị bằng phương trình sau: → C+ O2 CO2 + 97.644 cal 12g C 32g O2 44g CO2 Khi hiđro bị cháy tạo thành nước ở áp suất không đổi, ta có: 1 → H2O H2 + + 69.000 cal O2 2 2g H2 16g O2 18g nước (dạng lỏng) 18g nước (dạng hơi) + 58.100 cal Vậy 1 g cacbon cho 8137 cal (14646 BTU/pound) và 1 gam hiđro cho 34500 cal (62100 BTU/pound) nếu hơi nước được làm lạnh tới 0°C. Nếu hơi nước được giữ ở 100°C thì nhiệt sinh ra là 29050 cal (52290 BTU/pound). Vậy nhiệt trị thô cho bất kỳ nhiên liệu nào chỉ chứa hai nguyên tố này sẽ được tính theo phương trình sau: %C × 8137 + %H × 34500 NSTNCH = (1) 100 Nếu nhiên liệu có chứa sẵn oxi, lượng nhỏ oxi này sẽ cung cấp cho sự cháy của nhiên liệu và người ta không kể lượng nhiệt này vào nhiệt trị của nhiên liệu. Giả sử rằng lượng oxi có mặt trong nhiên liệu chỉ kết hợp với hiđro. Chúng ta biết rằng trong nước cứ 8 phần trọng lượng oxi kết hợp với một phần hiđro thì lượng hiđro sẽ giảm đi 1/8 so với lượng oxi Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn
20 trong nhiên liệu và lượng hiđro này được gọi là lượng hiđro có giá trị, và công thức tính toán trở thành dạng: ⎛ O⎞ %C × 8137 + % ⎜ H − ⎟ × 34500 8⎠ ⎝ Nhiệt trị (thô) cho 1 gam = (2) 100 Với nhiên liệu là than, công thức tính nhiệt trị (NT) đầy đủ là: O + N −1 ⎞ ⎛ %C × 8137 + % ⎜ H − ⎟ × 34500 + S × 2220 − 600 × H2 O 8 ⎝ ⎠ NTthan= cal (3) 100 Nếu nhiên liệu là hỗn hợp các khí thì nhiệt trị của nhiên liệu là tổng các nhiệt trị của các khí thành phần. Khi nhiên liệu chỉ chứa C và H mà ta áp dụng công thức (1) cho hỗn hợp các khí như CH4 và CH≡CH thì thấy rằng trong trường hợp của metan, giá trị nhiệt trị tính toán được lại cao hơn nhiều so với các giá trị đo được bằng nhiệt lượng kế, trong khi đó đối với axetilen thì nhiệt trị của nó lại thấp hơn nhiều. Như vậy có một lượng nhiệt cần thiết để phá vỡ metan trong hỗn hợp metan và axetilen trước khi cháy, trong trường hợp này nhiệt đó lấy từ sự cháy axetilen. Điều này có thể được giải thích dựa vào nhiệt hình thành của hai khí. Khi metan được hình thành từ các nguyên tố C và H thì nhiệt được giải phóng và vì thế để tách các nguyên tố này ra khỏi metan để chúng có thể tham gia vào phản ứng với oxi trong khi cháy thì cần nhiều nhiệt hơn. Như vậy, những hợp chất mà chúng giải phóng nhiệt khi hình thành được gọi là các hợp chất phát nhiệt (exothermic). Ngược lại, axetilen hấp thụ nhiệt khi hình thành, nhiệt này được giải phóng khi phân hủy và cộng với nhiệt sinh ra do sự cháy của các nguyên tố thành phần của nó. Những hợp chất mà sự hình thành của chúng đòi hỏi cung cấp nhiệt được gọi là các chất thu nhiệt. Do đó, về lý thuyết, tất cả công thức để tính toán các nhiệt trị là không chính xác trừ khi nhiệt hình thành của nhiên liệu là rất thấp hay âm. Công thức tính có thể áp dụng rất tốt cho hầu hết các loại than, đơn giản là vì than là nhiên liệu thu nhiệt rất nhẹ nhàng và đặc trưng thu nhiệt của nó tăng lên với lượng oxi có mặt. Đối với các nhiên liệu khí, do nhiệt hình thành của chúng từ các nguyên tố có thể là dương hay âm rất lớn nên các kết quả tính thường bị sai lệch. Đối với các nhiên liệu khí thì các kết quả tính toán được từ các giá trị của các khí thành phần ở thể tích không đổi là phù hợp tốt với việc xác định bằng phương pháp nhiệt lượng kế. Một điều quan trọng cần thiết phải biết rằng nhiệt trị của một nhiên liệu là cao hơn khi nó bị đốt cháy ở áp suất không đổi so với khi nó bị đốt cháy ở thể tích không đổi. Ví dụ sản phẩm cuối cùng của sự cháy chiếm một thể tích nhỏ hơn thể tích của các khí ban đầu (ví dụ như hiđro), ở đây hơi nước chỉ chiếm 2/3 thể tích các khí ban đầu và nước có thể ngưng tụ tiếp dẫn tới thể tích không đáng kể. Việc xác định nhiệt trị của các nhiên liệu rắn và lỏng bằng nhiệt lượng kế bom thu được các kết quả khác nhau không đáng kể, ví dụ với than chỉ vài cal/g. 1.8 Cường độ nhiệt Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn