Giáo trình Lò hơi

Nội dung text: Giáo trình Lò hơi

1. GIÁO TRèNH Lề HƠI 1
2. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NGUYấN Lí LÀM VIỆC CỦA Lề HƠI 3 CHƯƠNG 2: NGUYấN LIỆU VÀ QUÁ TRèNH CHÁY 10 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NHIỆT VÀ HIỆU SUẤT Lề HƠI 55 CHƯƠNG 4: BUỒNG LỬA Lề HƠI VÀ THIẾT BỊ ĐỐT NHIấN LIỆU 65 CHƯƠNG 5: TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG Lề HƠI 181 CHƯƠNG 6: QUÁ TRèNH THỦY ĐỘNG TRONG Lề HƠI 198 CHƯƠNG 7: CHẾ ĐỘ NƯỚC CỦA Lề HƠI 122 CHƯƠNG 8: BỘ QUÁ NHIỆT 162 CHƯƠNG 9: BỘ HÂM NƯỚC VÀ BỘ SẤY KHễNG KHÍ 182 CHƯƠNG 10: KẾT CẤU XÂY DỰNG VÀ TRANG BỊ PHỤ 209 CHƯƠNG 11: KIM LOẠI CHẾ TẠO Lề HƠI VÀ TÍNH SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA Lề HƠI 234 CHƯƠNG 12: VẬN HÀNH Lề HƠI 245 2
3. Ch−ơng 1 NGUYÊN Lý LàM VIệC CủA Lò HƠI 1.1. Vai trò của lò hơi và phân loại 1.1.1. Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế Lò hơi là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt l−ợng tỏa ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho n−ớc trong lò để biến n−ớc thành hơi. Nghĩa là thực hiện quá trình biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi. Lò hơi là thiết bị có mặt gần nh− trong tất cả các xí nghiệp, nhà máy. Trong các nhà máy công nghiệp nh− nhà máy hóa chất, đ−ờng, r−ợu, bia, n−ớc giải khát, thuốc lá, dệt, chế biến thực phẩm . . . , hơi n−ớc phục vụ cho các quá trình công nghệ nh− đun nấu, ch−ng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm . . . Hơi ở đây th−ờng là hơi bão hòa, có áp suất hơi t−ơng ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ. Loại lò hơi này đ−ợc gọi là lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản l−ợng nhỏ. Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Loại này đ−ợc gọi là lò hơi để sản xuất điện năng. Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn nh− than, gỗ, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng nh− dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc nhiên liệu khí. 1.1.2. Phân loại lò hơi Ta có thể phân loại lò hơi theo nhiều cách: * Theo nhiệm vụ của lò hơi: Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất ta có: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất điện năng. Lò hơi công nghiệp phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản xuất công nghiệp (th−ờng sản xuất hơi bão hoà, áp suất hơi không v−ợt quá 2,0Mpa, nhiệt độ t = 2500C). Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện sản xuất hơi quá nhiệt, có công suất lớn, áp suất và nhiệt độ hơi cao, th−ờng lớn hơn 2,0Mpa và trên 3500C. + Theo chế độ đót nhiên liệu trong buồng lửa ta có: Lò ghi thủ công; lò ghi nửa cơ khí; lò ghi cơ khí (ghi xich); lò phun nhiên liệu lỏng, lò phun nhiên liệu khí; lò phun bột than thải xỉ khô hay thải xỉ lỏng; lò buồng đốt xoáy; lò buồng lửa tầng sôi. + Theo chế độ tuần hoàn của n−ớc trong lò ta có: Lò tuần hoàn tự nhiên; lò tuần hoàn c−ỡng bức; lò trực l−u. Tuy nhiên cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi nên thực tế khi gọi tên lò hơi th−ờng ng−ời ta kết hợp nhiều kiểu phân loại. 3
4. 1.2. Nguyên lý làm việc của lò hơi trong nhà máy điện Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi đ−ợc sản xuất ra là hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt nhận đ−ợc nhờ các quá trình: đun nóng n−ớc đến sôi, sôi để biến n−ớc thành hơi bão hòa và quá nhiệt hơi để biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao trong các bộ phận của lò. Công suất nhiệt của lò hơi phụ thuộc vào l−u l−ợng, nhiệt độ và áp suất hơi. Các giá trị này càng cao thì công suất lò hơi càng lớn. Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa và khói với môi chất trong lò hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của sản phẩm cháy và của môi chất tham gia quá trình (n−ớc hoặc hơi trong lò) và phụ thuộc vào hình dáng, đặc tính cấu tạo của các phần tử lò hơi. Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý cấu tạo của lò hơi buồng lửa phun tuần hoàn tự nhiên hiện đại trong nhà máy điện. Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo của lò hơi 1- buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí; 4- ống n−ớc xuống; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi; 8- bộ quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm n−ớc; 10- khoảng trống để vệ sinh và sữa chữa; 11- bộ sấy không khí; Nhiên liệu và không khí đ−ợc phun qua vòi phun số 3 vào buồng lửa số 1, tạo thành hỗn hợp cháy và đ−ợc đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới 4
5. 1.900 0C. Nhiệt l−ợng tỏa ra khi nhiên liệu cháy trong buồng lửa truyền cho n−ớc trong các ống của dàn ống sinh hơi 2 làm cho n−ớc tăng dần nhiệt độ đến sôi, trong ống sẽ là hỗn hợp hơi n−ớc. Hỗn hợp hơi n−ớc trong ống sinh hơi 2 sẽ chuyển động đi lên, tập trung vào bao hơi số 5. Trong bao hơi số 5, hơi bão hoà sẽ tách ra khỏi n−ớc, n−ớc tiếp tục đi xuống theo ống xuống 4 đặt ngoài t−ờng lò. ống xuống đ−ợc nối với ống lên bằng ống góp d−ới, nên n−ớc lại sang ống sinh hơi số 2 để tiếp tục nhận nhiệt. Hơi bão hòa từ bao hơi số 5 sẽ đi theo các ỗng dẫn hơi 6 vào các ống xoắn của bộ quá nhiệt số 7. ở bộ quá nhiệt hơi bão hòa chuyển động trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phía ngoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tua bin hơi. ở sơ đồ có quá nhiệt trung gian, hơi từ tuốc bin về bộ quá nhiệt trung gian 8 để quá nhiệt lại rồi lại quay trở lại tuốc bin; ở đây, ống sinh hơi số 2 đặt phía trong t−ờng lò nên môi chất trong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống ống sinh hơi 2 là hỗn hợp hơi và n−ớc, còn ống xuống 4 đặt ngoài t−ờng lò nên môi chất trong ống 4 không nhận nhiệt do đó trong ống 4 là n−ớc. Khối l−ợng riêng của hỗn hợp hơi và n−ớc trong ống 2 nhỏ hơn khối l−ợng riêng của n−ớc trong ống xuống 4 nên hỗn hợp trong ống 2 đi lên, còn n−ớc trong ống 4 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi loại này đ−ợc gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên. Buồng lửa trình bày trên hình 1.1 là buồng lửa phun, nhiên liệu đ−ợc phun vào và cháy lơ lửng trong buồng lửa. Quá trình cháy nhiên liệu xẩy ra trong buồng lứa và đạt đến nhiệt độ rất cao, từ 1300 0C đến 1900 0C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và dàn ống sinh hơi rất cao và l−ợng nhiệt dàn ống sinh hơi thu đ−ợc từ ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ. Để hấp thu có hiệu quả nhiệt l−ợng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ t−ờng lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và những ảnh h−ởng xấu của tro nóng chảy, ng−ời ta bố trí các dàn ống sinh hơi 2 xung quanh t−ờng buồng lửa. Khói ra khỏi buồng lửa, tr−ớc khi vào bộ quá nhiệt đã đi qua cụm phecston, thực chất cụm feston chính là dãy ống t−ờng sau (đoạn đi qua cửa ra của buồng lửa) đ−ợc chia thành nhiều dãy (từ 3 đến 5 dãy) để khói đi qua dễ dàng và giảm bởt hiện t−ợng mài mòn mặt ngoài ống. ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi n−ớc chuyển động trong ống. Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tận dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần sau nó ng−ời ta đặt thêm bộ hâm n−ớc 9 và bộ sấy không khí 11. Bộ hâm n−ớc có nhiệm vụ gia nhiệt cho n−ớc để nâng nhiệt độ của n−ớc từ nhiệt độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi 5. Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho n−ớc để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp n−ớc trong lò. Sự có mặt của bộ hâm n−ớc sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để hơn nhiệt l−ợng tỏa ra khi cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói thoát khỏi lò giảm xuống, làm tăng hiệu suất của lò. Không khí lạnh từ ngoài trời đ−ợc quạt gió hút vào và thổi qua bộ sấy không khí 11. ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ đ−ợc nâng từ nhiệt độ môi tr−ờng đến nhiệt độ yêu cầu và đ−ợc đ−a vào vòi phun số 1 để cung cấp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu. Khói sẽ đ−ợc quạt khói hút ra khỏi lò tr−ớc khi đi qua khử bụi để 5
6. thải ra ngoài qua ống khói. Nh− vậy bộ hâm n−ớc và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phần nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài. Chính vì vậy ng−ời ta còn gọi bộ hâm n−ớc và bộ sấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt. Nh− vậy, từ khi vào bộ hâm n−ớc đến khi ra khỏi bộ quá nhiệt của lò hơi, môi chất (n−ớc và hơi) trải qua các giai đoạn hấp thụ nhiệt trong các bộ phận sau: Nhận nhiệt trong bộ hâm n−ớc đến sôi, sôi trong dàn ống sinh hơi, quá nhiệt trong bộ quá nhiệt. Nhiệt l−ợng môi chất hấp thu đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình: Qmc = [i''hn - i'hn ]+ [is - i''hn + rx] + [r(1-x) + (i''qn - i'qn)], (1-1a) Trong đó: Qmc là nhiệt l−ợng 1kg môi chất nhận đ−ợc trong lò hơi, kj/kg; i'hn, i''hn : Entanpi của n−ớc vào và ra khỏi bộ hâm n−ớc, kj/kg; is, : Entanpi của n−ớc sôi trong bao hơi, kj/kg; r : Nhiệt ẩn hóa hơi của n−ớc, kj/kg; x : độ khô của hơi ra khỏi bao hơi, i'qn, i''qn : Entanpi hơi vào và ra khỏi bộ quá nhiệt, kj/kg; [i''hn - i'hn ] nhiệt l−ợng n−ớc nhận đ−ợc trong bộ hâm n−ớc, kj/kg; [is - i''hn + rx] nhiệt l−ợng n−ớc và hơi nhận đ−ợc trong dàn ống sinh hơi, kj/kg; [r(1-x) + (i''qn - i'qn)] nhiệt l−ợng hơi nhận đ−ợc trong bộ quá nhiệt, kj/kg; Tỉ lệ nhiệt l−ợng hấp thu đ−ợc trong bộ hâm n−ơc, dàn ống sinh hơi, bộ quá nhiệt phụ thuộc vào thông số hơi của lò. áp suất của hơi càng lớn thì l−ợng nhiệt để bốc hơi càng nhỏ và l−ợng nhiệt để đun n−ớc đến sôi càng lớn. Từ áp suất tơi hạn trở lên (22,3Mpa) thì l−ợng nhiệt để bốc hơi bằng không (r = 0), l−ợng nhiệt môi chất hấp thu đ−ợc trong lò hơi chỉ để đun n−ớc đến sôi và quá nhiệt hơi. Chính vì thế nên lò có áp suất trên tới hạn chỉ áp dụng cho kiểu lò trực l−u (lò bao hơi n−ớc luôn ở trạng thái sôi). Biến đổi (1-1) ta đ−ợc: Qmc = [is + r] + (i''qn - i'qn)] - i'hn (1-1b) Vì (is + r) là entanpi của hơi khô ra khỏi bao hơi cũng chính là entanpi i'qn của hơi vào bộ quá nhiệt, do đó từ (1-1b) ta có nhiệt l−ợng cần thiết để sinh hơi 1kg n−ớc là: Qmc = i''qn - i'hn (1-1c) 6
7. 1.3. Các đặc tính kỹ thuật của Lò hơi Để xác định một lò hơi, ng−ời ta th−ờng dùng các đặc tính kỹ thuật chính của lò nh− sau: 1- Thông số hơi của lò: Đối với lò hơi của nhà máy điện, hơi sản xuất ra là quá nhiệt nên thông hơi của 0 lò đ−ợc biểu thị bằng áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt: Pqn (Mpa), tqn ( C). áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt đ−ợc chọn trên cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật của chu trình nhiệt. Đối với lò hơi công nghiệp trong các nhà máy công nghiệp, hơi n−ớc ở đây th−ờng là hơi bão hòa, áp suất hơi t−ơng ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ, do đó thông số của loại lò hơi này là áp suất P (Mpa). 2- Sản l−ợng hơi của lò: Sản l−ợng hơi của lò là l−ợng hơi mà lò sản xuất ra đ−ợc trong một đơn vị thời gian (kg/h hoặc t/h hoặc kg/s). Th−ờng dùng 3 khái niệm sản l−ợng. - Sản l−ợng hơi định mức (Dđm): là sản l−ợng hơi lớn nhất lò có thể đạt đ−ợc, đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã cho mà không phá hủy hoặc gây ảnh h−ởng xấu đến chế độ làm việc của lò. - Sản l−ợng hơi cực đại (Dmax): là sản l−ợng hơi lớn nhất mà lò có thể đạt đ−ợc, nh−ng chỉ trong một thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài với sản l−ợng hơi cực đại đ−ợc. Sản l−ợng hơi cực đại bằng: Dmax = (1,1 - 1,2) Dđm (1-2) - Sản l−ợng hơi kinh tế là sản l−ợng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế cao nhất. Sản l−ợng hơi kinh tế bằng: Dkt = (0,8 - 0,9) Dđm (1-3) 3- Hiệu suất của lò: Hiệu suất của lò là tỉ số giữa l−ợng nhiệt mà môi chất hấp thụ đ−ợc (hay còn gọi là l−ợng nhiệt có ích) với l−ợng nhiệt cung cấp vào cho lò (sinh ra trong buồng lửa). Hiệu suất của lò ký hiệu bằng η, đ−ợc xác định: ' D(i qn − i hn ) η = lv (1-4) BQ t Trong đó: D là sản l−ợng hơi, (kg/h); iqn là entanpi của hơi quá nhiệt, (Kj/kg); i’hn là entanpi của n−ớc đi vào bộ hâm nứơc, (Kj/kg); B là l−ợng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ, (kg/h); lv Qt : Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, (Kj/kg). 4- Nhiệt thế thể tích của buồng lửa: Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là l−ợng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thời 7
8. gian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa. lv BQ t 3 q v = , (W/m ) (1-5) Vbl Trong đó: 3 Vbl: Thể tích buồng lửa, (m ); B, (kg/s), Đối với các lò hơi nhỏ, ng−ời ta còn chú ý đến các đặc tính sau đây 5- Nhiệt thế diện tích trên ghi: Nhiệt thế diện tích trên ghi là nhiệt l−ợng sinh ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt của ghi: BQ lv q = t , (W/m2) (1-6) r R R: diện tích mặt ghi, (m2). 6- Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi: Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện tích bề mặt đốt (bề mặt sinh hơi) trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là S, th−ờng dùng cho các lò hơi công nghiệp công suất nhỏ. D S = , (kg/m2h) (1-7) H D: Sản l−ợng hơi của lò, (kg/h); H: diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đốt), (m2). 8
9. Ch−ơng 2 Nhiên liệu và quá trình cháy 2.1. Nhiên liệu 2.1.1. Khái niệm về nhiên liệu Nhiên liệu là những vật chất khi cháy phát ra ánh sáng và nhiệt năng. Trong công nghiệp thì nhiên liệu phải đạt các yêu cầu: Có sẵn trong tự nhiên với trữ l−ợng lớn, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra các chất gây nguy hiểm. Nhiên liệu có thể phân thành hai nhóm chính: nhiên liệu vô cơ và nhiên liệu hữu cơ. 2.1.1.1. Nhiên liệu hữu cơ: Nhiên liệu hữu cơ là nhiên liệu có sẵn trong thiên nhiên do quá trình phân hủy hữu cơ tạo thành. Nhiên liệu hữu cơ th−ờng dùng trong lò hơi công nghiệp và năng l−ợng có 3 loại: + Khí thiên nhiên. + Nhiên liệu lỏng: dầu nhẹ (Diezen DO), dầu nặng (dầu đen FO). + Nhiên liệu rắn: theo tuổi hình thành nhiên liệu ta có gỗ, than bùn, than nâu, than mỡ, than đá, nửa antraxit và antraxit (cám). 2.1.1.2. Nhiên liệu vô cơ: Nhiên liệu vô cơ là nhiên liệu hạt nhân, đ−ợc dùng trong các lò hơi của nhà máy điện nguyên tử. Nó sinh nhiệt do phản ứng phân hủy hạt nhân của một số đồng vị các nguyên tố nặng nh−: đồng vị của uran U235 ; đồng vị của uran U238 tạo ra prôtn P238. Khả năng toả nhiệt của nhiên liệu hạt nhân rất lơn, có thể đạt 8.1010 kj/kg. Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu nhiên liệu hữu cơ. 2.1.2. Thành phần nhiên liệu Nhiên liệu bao gồm những chất có khả năng bị oxy hóa gọi là chất cháy và những chất không thể bị oxy hóa gọi là chất trơ. Nhiên liệu th−ờng đ−ợc phân tích theo thành phần các chất tạo nên chúng. Thành phần của một chất nào đó trong nhiên liệu là tỷ số giữa khối l−ợng hoặc thể tích của chất đó với tổng khối l−ợng hoặc thể tích nhiên liệu ta đang khảo sát. Thành phần của tất cả các loại nhiên liệu bao gồm: Cacbon (C), Hyđro (H2), L−u huỳnh (S), Hyđrôcarbua (CmHn), Nitơ (N2), Oxy (O2), Độ tro (A), Độ ẩm (W). Tuỳ thuộc loại nhiên liệu và tuổi hình thành mà tỷ lệ các thành phần của nhiên liệu sẽ khác nhau. 10
10. 2.1.2.1. Thành phần của nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí là hỗn hợp của các khí cháy và không cháy. Thành phần chủ yếu của nhiên liệu khí bao gồm: hydro H2, metan CH4, hydrocacbua CnHm, sunphua hydro H2S, oxyt cabon CO, l−u huỳnh S, . . . . . Nhiên liệu khí có nhiều −u điểm mh−: dễ vân chuyển, dễ đốt, dễ điều chỉnh quá trình cháy, gần nh− không có tro nên sạch, không mài mòn, không bám bẩn. v . v . v . Khí hay hỗn hợp khí có thể sử dụng để đốt với mức độ lớn trong công nghiệp đ−ợc gọi là khí đốt (không kể các khí để sinh nhiệt cho những mục đích đặc biệt nh− để hàn axetylenhydro, ). Tuỳ theo hàm l−ợng t−ơng đối của các thành phần khí mà các khí có nhiệt trị và những tính chất khác nhau. Hyđrocacbon là thành phần chủ yếu của khí dầu, có công thức tổng quát là CnH2n+2, với n là số nguyên tử có trong mạch. Các hydrocacbua này là loại hydrocacbon no và tên gọi tận cùng bằng -an: mêtan CH4, êtan C2H6, Propan C3H8, butan C4H10, hexan C6H14, heptan C7H16, các hydrocacbua parafin ở thể khí. * Cách biểu thị thành phần nhiên liệu khí: Thành phần nhiên liệu khí đ−ợc xác định theo phần trăm thể tích của từng chất khí thành phần, ở đây có mặt tất cả các thành phần của nhiên liệu: [CO] + [H2] + [CmHn] + [CO2] + [N2] + [O2] = 100% (2-1) Cần chú ý rằng hàm l−ợng hơi n−ớc trong khí đốt không đ−ợc đ−a ra d−ới dạng thành phần thể tích mà đ−ợc biểu thị qua độ ẩm t−ơng đối nh− đối với không khí ẩm, ϕ = ph / ph.max 2.1.2.2. Thành phần của nhiên liệu lỏng Thành phần chủ yếu của dầu là: Cacbon(C = 82-87%), Hyđro (H2 = 11-14%). Ngoài ra còn có các nguyên tố khác nh−: S = 1ữ4% ; N2 = 0,001-1,8%; 02= 0,05-1,0%; và một l−ợng rất nhỏ tính bằng ppm các nguyên tố nh− halogen (clo, Iod), các kim loại (vanadi, Niken, Volfram, . . .). * Đặc điểm dầu thô Việt Nam (đại diện là mỏ Bạch hổ, mỏ đại Hùng): Dầu thô Việt Nam thuộc loại nhẹ vừa phải, có tỷ trọng khoảng 0,83 ữ 0,85, trong đó: dầu ở mỏ Bạch hổ là 0,8319 (36,6 0API); ở mỏ Đại hùng là 0,8403 (36,9 0API), trong khi đó Dầu thô Angieri d = 0,830; Venêzuêla d = 0,948) Dầu thô Việt nam là loại dầu sạch, chứa ít các chất độc tố, rất ít l−u huỳnh, nitơ và kim loại nặng. 2.1.2.3. Thành phần của nhiên liệu rắn Trong nhiên liệu rắn có: Cacbon(C), Hyđro (H), Ôxi (O), Nitơ (N), L−u huỳnh (S), độ tro (A) và độ ẩm (W). Các nguyên tố hóa học trong nhiên liệu đều ở dạng liên kết các phân tử hữu cơ rất phức tạp nên khó cháy. * Cacbon: Các bon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, có thể chiếm tới 95% khối l−ợng nhiên liệu. Khi cháy 1kg các bon tỏa ra một nhiệt l−ợng khá lớn, khoảng 34150 KJ/Kg, gọi là nhiệt trị của các bon, do vậy nhiên liệu càng nhiều các bon thì nhiệt trị càng cao. Tuổi hình thành than càng cao thì l−ợng các bon 11
11. chứa ở than càng nhiều nghĩa là nhiệt trị càng cao. * Hyđro: Hyđro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn. Tuy l−ợng hyđro trong nhiên liệu rất it, tối đa chỉ đến 10% khối l−ợng nhiên liệu, nh−ng nhiệt trị của Hyđrô rất lớn. Khi cháy, 1kg Hyđro tỏa ra một nhiệt l−ợng khoảng 144.500 KJ/Kg . * L−u huỳnh: Tuy là một thành phần cháy, nh−ng l−u huỳnh là một chất có hại trong nhiên liệu vì khi cháy tạo thành SO2 thải ra môi tr−ờng rất độc và SO3 gây ăn mòn kim loại rất mạnh, đặc biệt SO2 tác dụng với n−ớc tạo thành axít H2SO4. Đồng thời sự có mặt của các chất này sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ đọng s−ơng của khói. Ví dụ khi đốt dầu với hệ số không khí thừa 1,25, nếu không có l−u huỳnh thì nhiệt độ đọng s−ơng khoảng 500C, nếu có 1% l−u huỳnh thì nhiệt độ đọng s−ơng tăng lên đến khoảng 1300C sẽ làm tăng nguy cơ ăn mòn ở nhiệt độ thấp bộ sấy không khí. Muốn tránh nó thì buộc phải tăng nhiệt độ khói thoát, làm tăng tổn thất nhiệt do khói thải và làm giảm hiệu suất lò. Tỷ lệ l−u huỳnh trong nhiên liệu rắn khoảng 7-8%, trong nhiên liệu lỏng khoảng 1-3%, trong nhiên liệu khí gần nh− không có l−u huỳnh. L−u huỳnh tồn tại d−ới 3 dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk và liên kết Sunfat SSP. S = Shc + Sk + Ssp L−u huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là l−u huỳnh cháy, còn l−u huỳnh Sunfat th−ờng nằm d−ới dạng CaSO4, MgSO4 không tham gia quá trình cháy mà tạo thành tro của nhiên liệu. * Nitơ: Nitơ là thành phần vô ích trong nhiên liệu vì sự có mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu. ậ nhiệt độ thấp hơn 10000C thì nitơ không tham gia phản ứng mà giải phóng ra ở dạng tự do, khi nhiệt độ trên 10000C thì nitơ cháy đ−ợc tạo thành oxynitơ NOx gây nguy hại cho môi tr−ờng. Trong nhiên liệu nitơ chiếm khoảng 0,5 đến 2,5%. * Ôxi: Tuy là thành phần cháy, nh−ng có rất nhiều trong không khí, nên sự có mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu, do đó làm giảm nhiệt trị chung của nhiên liệu, do đó sự có nặt của oxy trong nhiên liệu là không cần thiết. Nhiên liệu càng non thì l−ợng oxy càng nhiều. * Cách biểu thị thành phần nhiên liệu rắn hoặc lỏng: Trong thực tế, ng−ời ta th−ờng phân tích nhiên liệu theo thành phần khối l−ợng ở các dạng mẫu khác nhau nh−: mẫu làm việc, mẫu khô, mẫu cháy, dựa vào đó có thể đánh giá ảnh h−ởng của các quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản đến thành phần nhiên liệu. Bảng 2.3. Bảng tính đổi các mẫu nhiên liệu Mộu Mẫu cần tìm đã biết Làm việc Khô Cháy Hữu cơ Làm 100 100 100 việc 1 lv lv lv lv lv lv 100− W 100−− A W 100−− Sk A − W 12
12. Khô lv 1 100 100 100− W 100− Ak 100−+ (Skk A ) 100 k Cháy 100−− Alv W lv 100− Ak 100 1 100− Sc 100 100 k Hữu cơ 100−− Alv W lv − S lv 100− Akk− S 100− Sc k k k 1 100 100 100 Đối với nhiên liệu rắn hoặc lỏng, thành phần nhiên liệu đ−ợc xác định theo phần trăm khối l−ợng, có thể biểu thị theo các loại mẫu nhiên liệu sau: Mẫu làm việc: là mẫu ở trạng thái thực tế, lấy tại bãi chứa nhiên liệu tr−ớc khi cấp vào lò, ở mẫu này có mặt tất cả các thành phần của nhiên liệu: lv lv lv lv lv lv lv C + H + Sc + N + O + A + W = 100% (2-2) Mẫu khô: Sấy mẫu làm việc ở nhiệt độ 105 0C, thành phần ẩm sẽ tách khỏi nhiên liệu (W= 0), khi đó ta có mẫu nhiên liệu khô: k k k k k k C + H + Sc + N + O + A = 100% (2-3) Mẫu cháy: là mẫu trong đó chỉ có mặt các thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu: ch ch ch ch C + H + Sc + N + O = 100% (2-4) Mẫu hữu cơ: là mẫu trong đó chỉ có mặt các thành phần hữu cơ của nhiên liệu: ch ch ch ch ch C + H + Sc + N + O = 100% (2-5) Có thể tính đổi từ mẫu nhiên liệu này sang mẫu khác theo các công thức từ (2- 3) đến (2-5), đ−ợc biểu thị trên bảng 2.3. 100 100− Ak 100− Akk− S ví dụ: Ck = Clv. = Cch. = Chc. k 100− Wlv 100 100 2.1.3. Đặc tính công nghệ của nhiên liệu Việc lựa chọn ph−ơng pháp đốt và sử dụng nhiệt l−ợng giải phóng từ quá trình cháy nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào các đặc tính công nghệ của nhiên liệu. Trong công nghiệp, ng−ời ta coi các đặc tính sau đây là đặc tính công nghệ của nhiên liệu: độ ẩm, chất bốc, cốc, tro và nhiệt trị. 2.1.3.1. Độ ẩm: Độ ẩm ký hiệu là W, là l−ợng n−ớc chứa trong nhiên liệu, vì l−ợng n−ớc này nên nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống. Mặt khác khi nhiên liệu cháy cần cung cấp một nhiệt l−ợng để bốc ẩm thành hơi n−ớc. Độ ẩm của nhiên liệu đ−ợc chia ra 2 loại: Độ ẩm trong và độ ẩm ngoài. 13
13. Độ ẩm trong có sẵn trong quá trình hình thành nhiên liệu, th−ờng ở dạng tinh thể ngậm n−ớc và chỉ tách ra khỏi nhiên liệu khi nung nhiên liệu ở nhiệt độ khoảng 8000C Độ ẩm ngoài xuất hiện trong quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản nhiên liệu. Độ ẩm ngoài tách ra khỏi nhiên liệu khi sấy ở nhiệt độ khoảng 1050C 2.1.3.2. Chất bốc và cốc: Khi đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện không có ôxi ở nhiệt độ từ 3000C trở lên thì có chất khí thoát ra do sự phân hủy nhiệt các liên kết hữu cơ của nhiên liệu. Nó là thành phần cháy ở thể khí gồm: hyđrô, cacbuahyđrô, cacbon, oxitcacbon, oxi và nitơ . . . . đ−ợc gọi là chất bốc, ký hiệu là Vc. Nhiên liệu càng già thì l−ợng chất bốc càng ít, nh−ng nhiệt trị của chất bốc càng cao, l−ợng chất bốc của nhiên liệu thay đổi trong phạm vi: than Anfratxit 2-8%, than đá 10-45%, than bùn 70%, gỗ 80%. Nhiên liệu càng nhiều chất bốc càng dễ cháy. Sau khi chất bốc bốc ra, phần rắn còn lại của nhiên liệu có thể tham gia quá trình cháy gọi là cốc. Nhiên liệu càng nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, nhiên liệu càng có khả năng phản ứng cao. Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc nh− than antraxit, cần thiết phải duy trì nhiệt độ ở vùng bốc cháy cao, đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo cho cốc cháy hết tr−ớc khi ra khỏi buồng lửa. 2.1.3.3. Độ tro: Độ tro ký hiệu là A, tro của nhiên liệu là phần rắn ở dạng chất khoáng còn lại sau khi nhiên liệu cháy. Thành phần của nó gồm một số hỗn hợp khoáng nh− đất sét, cát, pyrit sắt, oxit sắt, . . . Sự có mặt của nó làm giảm thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu, do đó giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Trong qúa trình cháy, d−ới tác dụng của nhiệt độ cao một phần bị biến đổi cấu trúc, một phần bị phân hủy nhiệt, bị oxy hóa nh−ng chủ yếu biến thành tro. Độ tro của một số loại nhiên liệu trong khoảng: Than 15-30%, gỗ 0,5 đến 1,0%, mazut 0,2 đến 0,3%, khí 0%, đ−ợc xác định bằng cách đốt nhiên liệu ở nhiệt độ 8500C với nhiên liệu rắn, ở 5000C với nhiên liệu lỏng cho đến khi khối l−ợng còn lại hoàn toàn không thay đổi. Tác hại của tro: sự có mặt của tro trong nhiên liệu làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, cản trở quá trình cháy. Khi bay theo khói qua các bề mặt đốt, tro sẽ mài mòn các bề mặt đốt của lò hơi. Một trong những đặc tính quan trọng của tro ảnh h−ởng đến điều kiện làm việc của lò là nhiệt độ nóng chảy của tro. ở nhiệt độ này tro sẽ chảy lỏng nên rất dễ bám lên vách ống, ngăn cản sự trao đổi nhiệt giữa khói với môi chất trong ống và làm tăng nhiệt độ vách ống gây nguy hiểm cho ống. Nhiệt độ nóng chảy của tro trong khoảng từ 12000C đến 14250C. Tro có nhiệt độ chảy càng thấp thì càng có nhiều khả năng tạo xỉ bám lên các bề mặt ống của lò. 14
14. Nhiệt độ nóng chảy của tro đ−ợc xác định trong phòng thí nghiệm bằng cách nung mẫu tro đ−ợc ép thành hình tháp cao 20mm, có đáy vuông mỗi cạnh đáy bằng 7mm. Nhiệt độ mà tháp bắt đầu biến dạng gọi là nhiệt độ bắt Hình 2.1. đặc tính chảy của tro. đầu biến dạng t . Khi tháp tro bắt đầu 1. bắt đầu biến dạng; 2. bắt đầu mềm; 1 mềm gọi là nhiệt độ bắt đầu mềm t1. 3. bắt đầu chảy. Khi tháp tro bắt đầu chảy biến thành lỏng gọi là nhiệt độ bắt đầu chảy t3. 0 Khi nhiệt độ bắt đầu chảy t3 14250 C là tro khó chảy. 2.1.3.4. Nhiệt trị của nhiên liệu. Nhiệt trị của nhiên liệu là l−ợng nhiệt toả ra khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu 3 3 rắn hoặc lỏng hay 1m tiêu chuẩn nhiên liệu khí (kj/kg, kj/m tc). Tuỳ thuộc vào cách đốt và làm nguội sản phẩm cháy, ng−ời ta phân biệt nhiệt trị của nhiên liệu thành niệt trị cao và nhiệt trị thấp. Để so sánh các loại nhiên liệu với nhau, ng−ời ta th−ờng dùng khái niệm nhiên liệu tiêu chuẩn, là nhiên liệu có nhiệt trị Qt = 7000 Kcal/kg (29330 Kj/kg). lv 3 *. Nhiệt trị thấp Qt [kJ/kg hay kJ/m ] Nhiệt trị thấp là nhiệt trị không kể đến l−ợng nhiệt ng−ng tụ hơi n−ớc trong sản phẩm cháy. Trong các buồng lửa thực tế thông th−ờng nhiệt độ của khói ra khỏi lò cao hơn nhiệt độ ng−ng tụ hơi n−ớc, vì không cho phép làm nguội sản phẩm cháy xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng s−ơng để tránh hiện t−ợng ăn mòn thiết bị ở nhiệt độ thấp, tức là trong các thiết bị công nghiệp không có quá trình ng−ng tụ hơi n−ớc trong khói. Nghĩa là nhiệt trị của nhiên liệu khi cháy trong thiết bị thực tế là nhiệt trị thấp. lv 3 *. Nhiệt trị cao Qc [kJ/kg hay kJ/m ], Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu khi có kể đến l−ợng nhiệt toả ra do ng−ng tụ hơi n−ớc trong sản phẩm cháy khi sản phẩm cháy đ−ợc làm nguội tới nhiệt độ gốc (hay còn gọi là nhiệt độ cân bằng, là nhiệt độ môi tr−ờng th−ờng lấy bằng 250C). Thông th−ờng trong sản phẩm cháy có hơi n−ớc, nếu hơi n−ớc đó ng−ng tụ thành n−ớc sẽ tỏa ra một l−ợng nhiệt. Khi xác định nhiệt trị cao, ng−ời ta đã tính đến nhiệt l−ợng ng−ng tụ của toàn bộ l−ợng hơi n−ớc có nguồn gốc từ nhiên liệu có trong sản phẩm cháy, vì ở nhiệt độ gốc, phần lớn l−ợng n−ớc này đã ng−ng tụ. Nhiệt trị cao đ−ợc dùng khi tính toán trong điều kiện phòng thí nghiệm. Nhiệt trị thấp chỉ khác nhiệt trị cao ở chỗ là khi xác định nó, ng−ời ta không tính đến nhiệt ng−ng tụ của hơi n−ớc trong sản phẩm cháy, mặc dù có thể đ−ợc làm nguội tới nhiệt độ gốc nh−ng vẫn giả thiết là trong sản phẩm cháy không xảy ra quá trình ng−ng tụ hơi n−ớc. 15
15. Nếu gọi l−ợng n−ớc đ−ợc hình thành khi cháy một đơn vị nhiên liệu là m H2O 0 và nhiệt ẩn hoá hơi của n−ớc ở 25 C là r = 2442,5 kJ/kg, thì quan hệ giữa Qt và Qc có dạng: Qlv = Q lv + 2442,5. m ,kj/kg; (2-6a) c t H2O lv lv lv lv ⎛⎞wH Hoặc: Qc = Qt + 2442,5. ⎜⎟+ 9 ,kj/kg; (2-6b) ⎝⎠100 100 *. Xác định nhiệt trị của nhiên liệu Có thể xác định nhiệt trị theo hai cách: Thực nghiệm và tính toán. Khi xác định bằng thực nghiêm, ng−ời ta đo trực tiếp l−ợng nhiệt toả ra khi cháy nhiên liệu bom nhiệt l−ợng kế (calorimet). Hình 2.2 trình bày cấu tạo bom nhiệt l−ợng kế. Một l−ợng nhiên liệu xác định hay một dòng nhiên liệu có l−u l−ợng ổn định đ−ợc đốt cháy hoàn toàn bằng O2 ở áp suất từ 2,5 đến 3,0Mpa trong bình bằng thép gọi là “bom nhiệt l−ợng kế”. Bom đ−ợc đặt trong thùng nhiệt l−ợng kế chứa đầy n−ớc (ngập bom). Để giảm khả năng toả nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh, thùng nhiệt l−ợng kế đ−ợc đặt trong một bình cách nhiệt hai vỏ. Sản phẩm cháy đ−ợc làm nguội tới nhiệt độ gốc nên l−ợng hơi n−ớc trong sản phẩm cháy cũng ng−ng tụ và toả nhiệt. Nhiệt l−ợng toả ra khi nhiên liệu cháy bằng nhiệt l−ợng nung nóng thiết bị và n−ớc trong đó. Nếu xác định l−ợng n−ớc làm mát và độ chênh nhiệt độ của n−ớc khi vào và ra khỏi áo n−ớc, ta dễ dàng xác định đ−ợc nhiệt trị cao Qc. Nhiệt trị thấp Qt đ−ợc tính theo (2-6a) khi đo l−ợng n−ớc ng−ng tụ từ sản phẩm cháy hoặc (2-6b) khi tính theo thành phần nhiên liệu. Do nhiệt trị cao không có ý nghĩa trong các thiết bị kỹ thuật nên để đơn giản, trong giáo trình này ta nói nhiệt trị nghĩa là nhiệt trị thấp. Chúng ta biết quá trình cháy nhiên liệu là cháy các thành phần có thể cháy đ−ợc của nhiên liệu, nghĩa là nhiệt l−ợng toả ra sẽ phụ thuộc vào nhiệt trị nhiên liệu. Hay nói cách khác, nhiệt trị nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt trị và tỷ lệ thành phần các chất cấu thành nhiên liệu. Bởi vậy trong tr−ờng hợp không có điều kiện xác định bằng thực nghiệm các loại nhiệt trị của nhiên liệu, có thể sử dụng các công thức kinh nghiệm sau đây để tính toán: + Nhiên liệu rắn và lỏng, [kJ/kg] QC = 418,6.[81,3C + 297H + 15N + 45,6S - 23,5.O], (2-7a) Qt = 418,6.[81,3C + 243H + 15N + 45,6S - 23,5.O – 6W], (2-7b) + Nhiên liệu khí, [kJ/m3] QC = 418,6.{30,2[CO] + 30,5[H2] + 95[CH4] + 166[C2H6] + 237[C3H8] + + 307[C4H10] + 377[C5H12] + 150[C2H4] + 220[C3H6] + + 290[C4H8] + 360[C5H10] + 350[C6H6] + 61[H2S]}, (2-8a) Qt = 418,6.{30,2[CO] + 25,8[H2] + 85,5[CH4] + 155[C2H6] + 218[C3H8] + + 283[C4H10] + 349[C5H12] + 141[C2H4] + 205[C3H6] + + 271[C4H8] + 337[C5H10] + 335[C6H6] + 56[H2S]}. (2-8b) 2.1.4.Các loại nhiên liệu th−ờng dùng trong lò hơi 16
16. 2.1.4.1.Nhiên liệu khí Có thể phân loại nhiên liệu khí theo những cách khác nhau: theo nguồn gốc, theo nhiệt trị, theo mục đích sử dụng Thực tế trong lò hơi th−ờng sử dụng khí thiên nhiên, khí dầu mỏ. a) Khí thiên nhiên: Khí thiên nhiên tạo thành từng mỏ ở trong lòng đất, thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là khí metan CH4 (93 ữ99%), còn lại là các 3 khí khác nh− etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10); Qt = 35- 45 MJ/m . b) Khí dầu mỏ: Gồm khí đồng hàn và khí ng−ng tụ: * Khí đồng hành còn gọi là khí lọc dầu: là khí lẫn trong dầu mỏ, đ−ợc hình thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí nặng nh−: propan (C3H8), butan (C4H10), Pentan(C5H12) . . . . còn đ−ợc gọi là khí dầu mỏ. * Khí ng−ng tụ (condensate): thực chất là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí (phần cuối của khí và phần đầu của dầu), bao gồm các hydrocacbon nh− propan, butan và một số hydrocacbon lỏng khác nh− pentan, hexam, thậm chí hydrocacbon naphtenic và aromic đơn giản . ở điều kiện th−ờng khí ng−ng tụ ở dạng lỏng. Khí ng−ng tụ là nguyên liệu quý để sản xuất LPG và sử dụng trong tổng hợp hóa dầu. Khi hóa lỏng thể tích của các hydrocacbon giảm, ví dụ 1 lít propan lỏng cho 270 lít hơi ở 1 at, 1 lít butan lỏng cho 238 lít hơi ở 1 at. 2.1.4.2. Nhiên liệu lỏng Dầu có thể khai thác từ 3 nguồn sau đây: Dầu khoáng chất (chế biến từ nguyên liệu dầu mỏ); Dầu tổng hợp (chế biến từ than đá hoặc than nâu); Dầu đá (khai thác từ các vỉa đá dầu). Dầu th−ờng dùng để đốt trong lò hơi thuộc nhóm dầu khoáng. Dầu khoáng đ−ợc chia thành 5 loại: dầu đặc biệt nhẹ (EL), còn gọi là dầu DO; dầu nhẹ (L); dầu nhẹ trung bình (M); dầu nặng (S) và dầu đặc biệt nặng (ES). Th−ờng dùng để đốt trong lò hơi là 2 loại: dầu đặc biệt nhẹ (EL), còn gọi là dầu DO, có khối l−ợng riêng nhỏ hơn n−ớc và dầu nặng (S) hay còn gọi là dầu FO, có khối l−ợng riêng lớn hơn n−ớc. Bảng 2.4 trình bày tính chất của hai loại dầu khoáng quan trọng nhất. Các giá trị ở đây là yêu cầu tối thiểu, trong thực tế chúng th−ờng có tính chất tốt hơn. Bảng 2.4. Tính chất của hai loại dầu quan trọng nhất. Tính chất Dầu EL (DO) Dầu S (FO) Khối l−ợng riêng ở 150C [kg/m3] 860 ≈ 940 Điểm lửa [0C] 55 65 Độ nhớt động học, max [mm2/s] ở: 200C 6 - 500C - 450 1000C - 40 Hàm l−ợng l−u huỳnh, max [%] 0,8 2,8 Hàm l−ợng n−ớc, max [%] 0,1 0,5 Chất không hoà tan, max [%] 0,05 0,5 Nhiệt trị thấp Qt [Mj/kg] ≥ 41,868 ≥ 39,775 Độ tro, max [%] 0,01 0,15 17
17. 2.1.4.3. Các loại nhiên liệu rắn Theo tuổi hình thành từ thấp lên cao ta có các loại nhiên liệu rắn theo thứ tự sau: Gỗ, than bùn, than nâu, than đá, than nửa antraxit và antraxit. Nhiên liệu càng non thì càng nhiều chất bốc, có khả năng phản ứng cao, càng dễ cháy, cốc càng xốp, nh−ng l−ợng cácbon ít nên nhiệt trị thấp. Nhiên liệu càng già (tuổi hình thành than càng cao) thì l−ợng chất bốc càng ít, càng khó cháy, nh−ng l−ợng các bon chứa ở than càng nhiều nghĩa là nhiệt trị càng cao. Khi đốt nhiên liệu ít chất bốc nh− than antraxit, cần thiết phải duy trì nhiệt độ ở vùng bốc cháy cao, đồng thời phải tăng chiều dài buồng lửa để đảm bảo cho cốc cháy hết tr−ớc khi ra khỏi buồng lửa. * Gỗ và các phụ phẩm của nông lâm sản: Đây là loại nhiên liệu có tuổi ít nhất. L−ợng chất bốc cao, khoảng 80 đến 85% nên dễ cháy. Thành phần khá ổn định gồm: 50% Cc, 43% Oc, 6% Hc, khoảng 0,5 đến 1% Nc . Trong gỗ gần nh− không có S, độ tro rất nhỏ, th−ờng Ac chiếm khoảng 0,5 đến 2% còn độ ẩm đối với gỗ khô khoảng 20- 30%, đối với gỗ t−ơi thì khoảng 50 đến 60%. Nhiệt trị thấp đối với gỗ khô khoảng 19.000kj/kg, đối với gỗ t−ơi không quá 12.000kj/kg. Bã mía đ−ợc đốt trong nhà máy đ−ờng cũng có thành phần t−ơng tự. * Than bùn: Than bùn có độ ẩm rất cao, Wlv có thể tới 90%, độ tro Alv khoảng 7-15%, là loại nhiên liệu dễ cháy vì chất bốc Vc tới 70%, nh−ng nhiệt trị không cao, lv th−ờng Qt khoảng từ 8.500 đến 12.000 kj/kg nên ít đ−ợc dùng trong công nghiệp. * Than nâu: Than nâu có độ ẩm Wlv từ khoảng 18 đến 60%, độ tro Alv khoảng 10-50%, chất bốc Vc khoảng 30 đến 50%, cũng là loại nhiên liệu dễ cháy nh−ng nhiệt lv trị không cao vì l−ợng carbon thấp, th−ờng Qt khoảng từ 8.500 đến 12.000 kj/kg nên ít đ−ợc xếp vào loại nhiên liệu địa ph−ơng. * Than đá: có tuổi hình thành t−ơnh đối cao, l−ợng carbon t−ơng đối lớn, độ ẩm thấp, còn l−ợng chất bốc thì thay đổi trong phạm vi rộng từ 9 đến 50%, nhiệt trị lv Qt thay đổi trong phạm vi từ 33.000 đến 38.000 kj/kg. Có thể chia thành 4 loại nh− sau: - Than có l−ợng chất bốc Vc trên 42% với ngọn lửa dài và xanh; - Than khí (gas) có l−ợng chất bốc Vc từ 35 đến 42% dễ cháy và cháy nhanh; - Than mỡ (luyện cốc) có l−ợng chất bốc Vc từ 18 đến 28% có ngọn lửa ngắn và sáng, th−ờng dùng để luyện cốc; - Than gầy có l−ợng chất bốc Vc d−ới 17%, có ngọn lửa ngắn và vàng; * Than Antraxit: là than có tuổi hình thành cao nhất, nhiều carbon nhất Clv có thể tới 95% và chất bốc ít nhất Vc khoảng 7 đến 8%. Tuy chứa l−ợng carbon cao nh−ng l−ợng hyđrô trong nó thấp hơn than trong đá nên nhiệt trị thấp hơn than đá. Vì l−ợng chất bốc ít nên nhiệt độ bắt lửa cao và khó cháy. Khi cháy có ngọn lửa xanh và không khói nên gọi là than không khói. Than của Việt Nam chủ yếu là loại này. 18
18. 2.2. Cơ sở lý thuyết cháy 2.2.1. Các khái niệm cơ bản 2.2.1.1. Quá trình cháy Quá trình cháy là quá trình phản ứng hoá học xẩy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng và toả ra l−ợng nhiệt rất lớn, đồng thời kèm theo một loạt các biến hóa vật chất khác, đó là tổng hợp các hiện t−ợng của quá trình giải phóng năng l−ợng, truyền nhiệt và chuyển hóa năng l−ợng. Nghiên cứu quá trình cháy tức là nghiên cứu bản chất các hiện t−ợng trên, tìm ra đ−ợc các mối liên hệ và các yếu tố ảnh h−ởng đến nó, mà trung tâm là nghiên cứu quá trình động học của phản ứng cháy. Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình phản ứng hóa học giữa các nguyên tố hóa học của nhiên liệu với oxi và sinh ra nhiệt, quá trình cháy còn là quá trình oxi hóa. Chất oxi hóa chính là oxi của không khí cấp vào cho quá trình cháy, chất bị oxy hóa là các nguyên tố cháy đ−ợc của nhiên liệu. Sản phẩm tạo thành sau quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy (khói). Quá trình cháy có thể xẩy ra hoàn toàn hoặc không hoàn toàn. Quá trình cháy hoàn toàn: Quá trình cháy hoàn toàn là quá trình cháy trong đó các thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu đều đ−ợc oxi hóa hoàn toàn và sản phẩm cháy của nó gồm các khí CO2, SO2, H2O, N2, và O2. Quá trình cháy không hoàn toàn: Quá trình cháy không hoàn toàn là quá trình cháy trong đó còn những chất có thể cháy đ−ợc ch−a đ−ợc ô xi hóa hoàn toàn. Khi cháy không hoàn toàn, ngoài những sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn trong khói còn có những sản phẩm khác: CO, H2, CH4. . . . Nguyên nhân của quá trình cháy không hoàn toàn có thể là do: - Không đủ không khí, - Đủ nh−ng phân bố không khí không đều, - Thành phần ch−a cháy bị giảm nhiệt độ xuống d−ới nhiệt độ bắt lửa. Trong các thiết bị gia nhiệt thì khi cháy không hoàn toàn sẽ lãm giảm năng suất toả nhiệt và do đó làm giảm hiệu suất thiết bị. 2.2.1.2. Vận tốc phản ứng hoá học Vận tốc phản ứng hóa học là vận tốc thay đổi nồng độ của các vật chất tham gia phản ứng: dc v = ± , mol/m3.s; (2-9) dτ C là nồng độ vật chất tham gia phản ứng, mol/m3; Vận tốc phản ứng hoá học là đạo hàm bậc nhất của nồng độ theo thời gian, vì vậy luôn luôn d−ơng. Nó mang dấu (+) khi xác định phản ứng theo biến thiên nồng độ các chất tạo thành và dấu (-) khi xác định theo chất tham gia phản ứng. 19
19. 2.2.1.3. Định luật khối l−ợng tác dụng Theo định luật khối l−ợng tác dụng thì vận tốc phản ứng tỷ lệ với tích sô nồng độ vật chất tham gia phản ứng. Vận tốc phản ứng hóa học đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Thực tế thì bất kỳ phản ứng nào cũng đều xẩy ra hai chiều: phản ứng thuận và phản ứng nghịch. + Trong tr−ờng hợp đơn giản khi số phân tử của các vật chất tham gia phản ứng bằng nhau, nghĩa là phản ứng có dạng: A + B → C + D thì vận tốc phản ứng thuận (chiều từ trái sang phải) sẽ là: v1 = k1.CA.CB , (2-10) Còn vận tốc phản ứng nghịch (chiều từ phải sang trái) sẽ là: v2 = k2.CC.CD , (2-11) trong đó CA, CB, CC, CD – nồng độ của các chất A, B , C , D; k1, k2 - hằng số vận tốc phản ứng hóa học. + Nếu các vật chất tham gia phản ứng có số mol khác nhau nh− phản ứng: a.A + b.B → c.C + d.D, trong đó a, b, c, d là số mol của các nguyên tố A, B, C, D thì vận tốc của các phản ứng thuận và nghịch sẽ là: a b v1 = k1 C A C B (2-12) c d v2 = k2 CCCD (2-13) 2.2.1.4. Cân bằng hoá học và hằng số cân bằng hoá học Khi phản ứng xẩy ra, nồng độ của vật chất ban đầu giảm dần nên vận tốc của phản ứng thuận sẽ giảm đi liên tục. Trong khi đó nồng độ các sản phẩm do phản ứng tạo ra lại tăng dần lên, do đó vận tốc phản ứng nghịch không ngừng tăng lên. Đến một thời điểm nào đó, vân tốc phản ứng thuận bằng vận tốc phản ứng nghịch (v1 = v2) tức là phản ứng đã đạt tới trạng thái cân bằng hóa học, nghĩa là: a b c d k1.C A .C B = k 2 .CC .C D (2-14) a b c d Trong đó C A ,C B ,CC ,C D - nồng độ vật chất A, B , C , D ở trạng thái cân bằng. Từ đó ta suy ra hằng số cân bằng: ab kCC2AB kC ==cd (2-15) kCC1CD Hằng số cân bằng hoá học biểu thị bằng nồng độ vật chất nên còn gọi là hằng số cân bằng nồng độ. Khi các chất tham gia phản ứng đều ở thể khí thì hằng số cân bằng có thể đ−ợc biểu thị qua các áp suất riêng phần của các chất ở trạng thái cân bằng. Từ ph−ơng trình trạng thái ta có: pi = Ci.R.T, thay vào (2-15) ta đ−ợc: ab ppAB kp = cd (2-16) ppCD 20
20. kp gọi là hằng số can bằng áp suất Giữa kC , kp có quan hệ với nhau nh− sau: ∆n kC = kp (RT) (2-17) Trong đó: R - hằng số chất khí, kJ/mol độ; T- nhiệt độ phản ứng, 0K; ∆n = (c+d) - (a+b) là hiệu số của số l−ợng mol tr−ớc và sau phản ứng. Nếu phản ứng tiến hành ở điều kiện thể tích không đổi v = const (∆n = 0) thì kC = kp. Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng: dlnk Q = , (2-18) dT RT2 Trong đó: Q- hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở trạng thái đẳng tích (Qv) hay đẳng áp (Qp), kJ/mol; Từ ph−ơng trình (2-18) ta thấy: trong phản ứng phát nhiệt (Q > 0) khi nhiệt độ tăng thì hằng số cân bằng sẽ tăng lên, còn trong phản ứng thu nhiệt (Q < 0) thì ng−ợc lại, khi nhiệt độ tăng thì hằng số cân bằng sẽ giảm xuống. Theo (2-15) thì hằng số cân bằng tăng lên có nghĩa là tăng nồng độ vật chất ban đầu và giảm nồng độ sản phẩm sinh ra. Từ đó ta có thể suy ra: ở nhiệt độ thấp có thể tiến hành hoàn toàn phản ứng phát nhiệt, còn ở nhiệt độ rất cao thì dễ tiến hành hoàn toàn phản ứng thu nhiệt. Trong đa số các tr−ờng hợp, nhiệt độ có ảnh h−ởng rất lớn đến vận tốc phản ứng, có thể là ảnh h−ởng thuận chiều, cũng có thể là ảnh h−ởng ng−ợc chiều với chiều thay đổi nhiệt độ. Tốc độ phản ứng hoá học trong quá trình cháy hầu nh− đều tăng khi tăng nhiệt độ, tức thuộc loại thứ nhất. Trong đó ảnh h−ởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng chủ yếu là ảnh h−ởng đến hệ số tốc độ phản ứng k. Quan hệ giữa nhiệt độ với hệ số tốc độ phản ứng k đã đ−ợc Arrhenius đ−a ra nh− sau: k = k0exp(-E/RT) (2-19) Trong đó: đơn vị của k có quan hệ với bậc phản ứng, k = v/Cn, v là vân tốc phản ứng, mol/cm3.s; R là hằng số chất khí, J/kg.0K ; T là nhiệt độ phản ứng, 0K ; k0 là hệ số có liên quan tới tần số va đập của các phân tử. Hệ số k0 có liên quan đến nhiệt độ, nh−ng có liên quan rất ít so với ảnh h−ởng của nhiệt độ tới exp(-E/RT) Biểu thức (2-19) là biểu thức của định luật Arrhenius. Nó không chỉ thích ứng với các phản ứng đơn giản hoặc một b−ớc của phản ứng phức tạp mà còn thích ứng với cả những pảhn ứng phức tạp có bậc phản ứng và hệ số tốc độ phản ứng đã đ−ợc xác định. Với các phản ứng phức tạp tốc độ phản ứng không tính đ−ợc theo công thức v a b = k.C A. C B . . . do không có bậc phản ứng thì hệ số tốc độ phản ứng không xác định đ−ợc bằng công thức của định luật Arrhenius này. 2.2.1.6. Năng l−ợng hoạt hoá 21
21. Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ càng tăng, các phân tử và nguyên tử chuyển động càng mạnh, khi đó lực va chạm giữa các phân tử càng mạnh nên càng dễ phá vỡ các liên kết giữa chúng để tạo nên các chất mới, nghĩa là các phản ứng hoá học giữa chúng càng dễ xẩy ra. Song không phải bất kỳ một sự va chạm nào cũng có thể gây nên phản ứng hóa học, mà chỉ lúc nào sự va chạm đó đủ sức phá vỡ liên kết nguyên tử mới có thể tạo ra phản ứng. Năng l−ợng cân thiết nhỏ nhất để gây nên phản ứng đ−ợc gọi là năng l−ợng hoạt hoá E của phản ứng. Với một phản ứng cho tr−ớc thì năng l−ợng hoạt hoá E là một trị số cố định. Từ hai chất ban đầu A và B, để tạo ra sản phẩm cuối cùng C và D thì cần phải 0 0 tạo ra một chất trung gian AB. Các chất A và B có năng l−ợng ban đầu là Za + Zb (mức năng l−ợng I, xem hình 2.3. năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng thuận và nghịch). Song để cho A và B có thể phản ứng với nhau đ−ợc cần phải cung cấp cho 0 chúng một năng l−ợng Zab (mức năng l−ợng I’) cao hơn mức I để chúng tạo thành một hợp chất AB ở trạng thái trung gian không ổn định, sau đó biến thành các sản 0 0 phẩm C và D có năng l−ợng Zc + Zd (mức năng l−ợng II). Hiệu số giữa mức năng l−ợng I’ của chất trung gian AB và mức năng l−ợng I của các chất A + B gọi là năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng thuận E1 (là năng l−ợng mà phản ứng thuận phải v−ợt qua để tiến hành phản ứng). Lý luận t−ơng tự, để cho C và D tác dụng đ−ợc với nhau tạo thành A và B thì phải cung cấp cho nó một năng l−ợng mức I’ cao hơn mức II của C+D để tạo thành hợp chất AB sau đó biến thành A và B. Hiệu số giữa mức năng l−ợng I’ của hợp chất AB và mức năng l−ơng II của các chất C+D gọi là năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng nghịch E2 (là năng l−ợng mà phản ứng nghịch phải v−ợt qua để tiến hành phản ứng). Hiệu số giữa năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng thuận E1 với năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng nghịch E2 chính là biến đổi tổng năng l−ợng của toàn hệ thống ở điều kiện đẳng tích đ−ợc gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng. Từ trạng thái đầu A, B biến thành trạng thái cuối C và D, nội năng đã biến thiên một l−ợng là: 0 0 0 0 Q = U1 - U2 = ( Za + Zb ) - ( Zc + Zd ), (2-20a) 0 0 0 0 0 0 Q = ( Zab - ( Zc + Zd )) - ( Zab -( Za + Zb )), (2-20b) Q = E2 - E1 (2-20c) Từ các công thức trên ta thấy: khi tổng năng l−ợng của các chất ban đầu 0 0 0 0 ( Za + Zb ) cao hơn tổng năng l−ợng của các chất tạo thành sau phản ứng ( Zc + Zd ), có nghĩa là năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng thuận E1 thấp hơn năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng nghịch E2 thì phản ứng là sinh nhiệt, còn ng−ợc lại là phản ứng thu nhiệt. 22
22. Thật vậy, Quá trình phản ứng thuận là từ trái sang phải, từ mức năng l−ợng I chỉ có thể xẩy ra sau khi khắc phục độ cản trở E1 nhỏ hơn sau đó phản ứng tự tiến hành dẫn hệ thống khảo sát đến mức mới II thấp hơn và đồng thời giải phóng một l−ợng nhiệt t−ơng ứng bằng Q = E1 - E2. Quá trình phản ứng nghịch từ phải sang trái chỉ có thể xẩy ra khi khắc phục đ−ợc cản trở E2 lớn hơn và sau đó phản ứng dẫn hệ thống đến mức I, để thực hiện quá trình ng−ợc này cần tiêu hao một năng l−ợng t−ơng ứng Q = E2 - E1. Năng l−ợng hoạt hoá đ−ợc xác định trên cơ sở định luật khối l−ợng tác dụng (Arrhenius) và đ−ợc hiển thị qua hằng số vận tốc phản ứng hóa học: E − RT k = k 0e , (2-21) Trong đó: k0 – Hằng số phản ứng với tổng số lần va chạm của phân tử; E – năng l−ợng hoạt hoá, kJ/mol; T- nhiệt độ phản ứng, 0K. R = 8,314KkJ/kmomđộ ≈ 2[kcal/kmol 0K] - hằng số phổ biến của chất khí, Đối với một phản ứng đã cho, nhiệt độ càng cao thì k sẽ càng lớn. Bởi vì khi nhiệt độ càng cao thì năng l−ợng của các phân tử càng cao do đó số l−ợng các phân tử hoạt động càng nhiều nên làm tăng vận tốc phản ứng. Khi giá trị k0 nh− nhau thì phản ứng nào có năng l−ợng hoạt hoá E càng lớn thì k càng nhỏ, nghĩa là vận tốc phản ứng càng bé. Ng−ợc lại E càng nhỏ thì k càng lớn và phản ứng xẩy ra càng nhanh. Từ ph−ơng trình trên ta thấy, năng l−ợng hoạt hoá càng bé thì l−ợng nhiệt chi phí cho việc phá vỡ các liên kết cũ càng bé, dẫn đến vận tốc phản ứng hóa học tăng lên và càng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Năng l−ợng hoạt hoá đặc tr−ng cho tính chất hoạt hoá của các chất có khả năng tham gia phản ứng với nhau. Có thể coi năng l−ợng hoạt hoá nh− một cản trở năng l−ợng nào đó mà cần phải khắc phục để có thể xẩy ra phản ứng. Vì đại l−ợng E ở một mức độ nào đó đặc tr−ng cho tiêu thụ năng l−ợng cần thiết để phá vỡ các liên kết nguyên tử trong các phân tử phản ứng, ta có thể có đ−ợc giá trị của năng l−ợng hoạt hoá từ việc khảo sát những số liệu thực nghiệm. Lấy logarit biểu thức (2-21) ta đ−ợc: E ⎛ 1 ⎞ ln k = ln k 0 − ⎜ ⎟. (2-22) R ⎝ T ⎠ Hệ số k0 tỷ lệ với số lần va chạm và với vận tốc trung bình ω của các phân tử, vận tốc này theo thuyết động học các chất khí thì tỷ lệ với T (vì ω2 ∼ T). Do vậy biểu thức đối với k0 có dạng sau: k 0 = C. T (2-23) C là hằng số. 2.2.1.7. Phản ứng dây chuyền Trong quá trình cháy, nhiều tr−ờng hợp vận tốc phản ứng xảy ra khác th−ờng, rất mãnh liệt hoặc rất chậm so với mức bình th−ờng. Khi đó không thể giải thích các tr−ờng hợp trên một cách cặn kẽ bằng định luật khối l−ợng tác dụng và năng l−ợng 23
23. hoạt hoá đ−ợc, vì rằng những phản ứng đó có thể vừa xẩy ra trực tiếp từ chất tham gia phản ứng ban đầu đến sản phẩm cuối cùng ngay hoặc cũng có thể tiến hành qua phản ứng trung gian để tạo thành sản phẩm trung gian có mức năng l−ợng thấp hơn sau đó mới tiếp tục phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng với mức năng l−ợng hoạt hoá nhỏ hơn, do vậy phản ứng xẩy ra dễ dàng hơn. Sản phẩm trung gian đ−ợc gọi là những trung tâm hoạt động (gồm nguyên tử tự do, những gốc, những vật chất có hóa trị ). Sản phẩm trung gian dễ dàng phản ứng với các phân tử bão hòa hóa trị. Sau từng giai đoạn phản ứng, ngoài những sản phẩm cuối cùng còn có rất nhiều trung tâm hoạt động mới thay thế cho những trung tâm hoạt động cũ đã mất đi, do đó phản ứng xảy ra liên tục. Phản ứng nh− vậy gọi là phản ứng dây chuyền. Quá trình sinh ra các trung tâm hoạt động gọi là quá trình tạo dây chuyền. Quá trình tiêu huỷ dần các trung tâm hoạt động gọi là quá trình đứt dây chuyền. Sau một giai đoạn tiến hành phản ứng, ngoài sản phẩm cuối cùng còn tạo ra hai hay nhiều trung tâm hoạt động mới thì phản ứng đó đ−ợc gọi là phản ứng dây chuyền phát triển, còn phản ứng mà sau một giai đoạn tiến hành chỉ tạo ra sản phẩm cuối cùng chỉ một trung tâm hoạt động mới mà thôi thì gọi là phản ứng dây chuyền không phát triển. Vận tốc phản ứng dây chuyền đ−ợc xác định theo công thức sau: fav v = 0 (eϕτ −1) (2-24) ϕ trong đó: v0 - là vận tốc tạo thành trung tâm hoạt động ban đầu (tức số l−ợng trung tâm hoạt động tạo thành trong 1 giây); f - hằng số sinh dây chuyền phát triển; a - số l−ợng phân tử sản phẩm cuối cùng; ϕ - hằng số sinh dây chuyền thực tế; ϕ = f - g, trong đó g là hằng số đứt dây chuyền. Trị số ϕ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, đ−ợc xác định bằng công thức sau: λ − ϕ = e.p m .e T (2-25) trong đó e, m và λ - các hằng số phụ thuộc vào các phản ứng. Khi f >> g nghĩa là ϕ >> 0 thì công thức (2-24) đ−ợc coi nh−: fav v = 0 e ϕτ (2-26) ϕ Khi f = g nghĩa là ϕ = 0 thì hàm số vận tốc (2-24) tiến tới một trị số tới hạn là: v = f.a.v0.τ. (2-27) Khi f << g thì v cũng sẽ tiến tới một trị số tới hạn: f.a.v V = 0 (2-28) ϕ 24
24. 2.2.2. Quá trình bốc cháy và tắt ngọn lửa Quá trình cháy nhiên liệu có thể chia thành hai giai đoạn: giai đoạn bốc cháy và giai đoạn cháy mãnh liệt. Nhiệt l−ợng sinh ra trong quá trinh cháy một phần dùng để nâng cao nhiệt độ vật chất tham gia phản ứng, một phần tỏa nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh. 2.2.2.1. Quá trình tự bốc cháy Để nghiên cứu quá trình tự bốc cháy, ta khảo sát hỗn hợp nhiên liệu + không khí đựng trong bình kín. Giả sử bình có thể tích là V, nhiệt độ thành bình là T0. Thực tế thì nhiệt l−ợng sinh ra q sr sẽ toả ra môi tr−ờng một phần qtn do đó quá trình bắt lửa là tổng hợp của sự sinh nhiệt và toả nhiệt. Theo các kết quả nghiên cứu của Viện sĩ Sêmiônốp thì trong quá trình cháy, ở giai đoạn đầu nhiệt độ thành bình T0 còn thấp, vận tốc phản ứng còn bé nên l−ợng nhiệt do phản ứng sinh ra không đáng kể, do đó l−ợng nhiệt toả ra môi tr−ờng xung quanh qua thành bình lớn hơn l−ợng nhiệt do phản ứng sinh ra, nghĩa là hỗn hợp khí tự làm lạnh. Nếu ta gia nhiệt cho hỗn hợp, nhiệt độ hỗn hợp sẽ tăng dần, vận tốc phản ứng cũng tăng lên do đó l−ợng nhiệt sinh ra cũng tăng dần và l−ợng nhiệt do phản ứng sinh ra lớn hơn l−ợng nhiệt toả ra môi tr−ờng xung quanh qua thành bình, nghĩa là hỗn hợp khí tự nung nóng. Sau một khoảng thời gian τ nhiệt độ hỗn hợp tăng lên đến một giá trị nào đó T1 > T0, thì xuất hiện ngọn lửa (τ đ−ợc gọi là thời gian cảm ứng), khi đó nhiệt độ, áp suất, nồng độ hỗn hợp khí trong bình thay đổi đột ngột. Nh− vậy thì quá trình tự bốc cháy chỉ có thể xẩy ra khi l−ợng nhiệt do phản ứng sinh ra lớn hơn l−ợng nhiệt toả ra môi tr−ờng xung quanh. Nghĩa là có thể coi: Sự gia tăng nhiệt độ cho hỗn hợp khí là nguyên nhân gây ra hiện t−ợng tự bốc cháy. 2.2.2.2. Nhiệt độ tự bốc cháy Nhiệt l−ợng toả ra môi tr−ờng là: qtn = α (T - T0) F, Kw; (2-29) Nhiệt l−ợng sinh ra trong toàn bộ thể tích bình là: qsr = V.Q.v = V.Q.k0.C (2-30) trong đó: v là vận tốc phản ứng hoá học ở trong bình, mol/m3.s; Q là hiệu ứng nhiệt của phản ứng, chính là nhiệt l−ợng sinh ra khi tạo ra 1mol sản phẩm, (kj/mol); Điều kiện để hỗn hợp tự bốc cháy là: l−ợng nhiệt sinh ra bằng l−ợng nhiệt toả cho môi tr−ờng, nghĩa là: q sr = qtn (2-31) ⎛⎞⎛⎞dqsr dq tn ⎜⎟⎜⎟= (2-32) ⎝⎠⎝⎠dT dT 26
25. Trong thời gian cảm ứng τ cũng có một số phân tử tham gia phản ứng nh−ng số l−ợng rất nhỏ nên có thể coi v = const. Khi thời gian phản ứng τ1 > τ thì quá trình tự bốc cháy xẩy ra và vận tốc phản ứng đ−ợc tính: nE/RT− v= k0 .C .e (2-33) k0 là hằng số vận tốc phản ứng khi T = :, C là nồng độ các chất tham gia phản ứng, đ−ợc tính bằng số phân tử thực của các chất tham gia phản ứng trong 1m3 thể tích bình, n là bậc phản ứng (phản ứng đơn phân tử có n = 1; phản ứng đa phân tử có n = 2), E là năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng, T là nhiệt độ hỗn hợp tham gia phản ứng. Hoặc có thể viết: nE/RT− −E / RT qsr = VQk0 C e = A e (2-34) A là hệ số phụ thuộc vào nồng độ phân tử chất phản ứng, áp suất và nhiệt trị nhiên liệu. Các ph−ơng trình (2-29) và (2-34) cho biết nhiệt l−ợng hỗn hợp khí toả ra môi tr−ờng qua thành bình có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ hỗn hợp, còn nhiệt l−ợng sinh ra trong toàn bộ thể tích bình qsr phụ thuộc vào nhiệt độ hỗn hợp khí theo qui luật hàm số mũ. Biểu diễn 2 ph−ơng trình (2-29) và (2-34) trên hệ toạ độ q-T ta thấy có 2 tr−ờng hợp có thể xẩy ra: *. Thay đổi áp suất khi nhiệt độ thành bình (môi tr−ờng) T0 không đổi 2 1 q sr 3 1 q sr q sr qsr q tn q sr q sr 2 qtn q tn qtn qtn 3 2 q tn 2 B B 1 1 T T 1 2 3 T0 TB T 0 T 0 T 0 TB Hình 2.4. Quan hệ Qsr = f(T) Hình 2.5. Quan hệ Qsr = f(T) và qtn = f(T) khi thay đổi áp suất HH và qtn = f(T) khi thay đổi nhiệt độ 1 2 3 p1 〉 p2 〉 p3 T0 〈 T0 〈 T0 Khi cho nhiệt độ thành bình T0 không thay đổi ta đ−ợc đ−ờng thẳng qtn = f(T) cắt trục hoành tại điểm T0. Cho áp suất thay đổi (tức a thay đổi) ta đ−ợc một họ 27
26. đ−ờng cong qsr = f(T) ứng với các giá trị áp suất khác nhau (Hình 2.4). Đ−ờng cong 1 q sr t−ơng ứng với áp suất lớn nhất (với số l−ợng các phân tử chất tham gia phản ứng 3 nhiều nhất a1), còn đ−ờng cong q sr t−ơng ứng với áp suất nhỏ nhất. 3 Nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đ−ờng cong q sr thì ban đầu l−ợng nhiệt sinh ra lớn hơn l−ợng nhiệt toả cho thành bình, hỗn hợp khí đ−ợc tiếp tục đốt nóng, 3 nhiệt độ hỗn hợp tiếp tục tăng dần đến T1 (điểm 1 là giao điểm của q sr và qtn). Tại giao điểm này l−ợng nhiệt sinh ra bằng l−ợng nhiệt toả cho thành bình, sau đó thì hỗn hợp khí không đ−ợc đốt nóng nữa vi khi đó l−ợng nhiệt sinh ra nhỏ hơn l−ợng nhiệt toả cho thành bình. Nếu ta tiếp tục gia nhiệt cho hỗn hợp đến nhiệt độ T2 (điểm 2) thì l−ợng nhiệt sinh ra sẽ bắt đầu ổn định, tăng dần và lớn hơn l−ợng nhiệt toả cho môi tr−ờng, khi ấy phản ứng không ngừng nâng cao nhiệt độ và dẫn đến hiện t−ợng tự bốc cháy. 1 Ta thấy đ−ờng cong q sr không cắt đ−ờng thẳng qtn nên ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào thì l−ợng nhiệt sinh ra luôn luôn lớn hơn l−ợng nhiệt toả cho môi tr−ờng, 1 nên nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đ−ờng cong q sr thì phản ứng luôn luôn nâng cao nhiệt độ và dẫn đến hiện t−ợng tự bốc cháy. 2 Nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đ−ờng cong q sr thì tại điểm B (tiếp xúc giữa hai đ−ờng) l−ợng nhiệt sinh ra bằng l−ợng nhiệt toả cho thành bình, ngoài điểm đó ra thì ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào l−ợng nhiệt sinh ra luôn luôn lớn hơn l−ợng nhiệt toả cho thành bình và quá trình sẽ tiến tới tự bốc cháy. 2 Nh− vậy áp suất p2 ứng với đ−ờng cong q sr là áp suất tới hạn của quá trình tự bốc cháy khi nhiệt độ thành bình là T0. Hỗn hợp sẽ tự bốc cháy chỉ khi áp suất p > p2, còn khi p T0 quá trình sẽ tiến tới tự bốc cháy. Nh− vậy: nhiệt độ TB t−ơng ứng với tiếp điểm của đ−ờng sinh nhiệt và đ−ờng toả nhiệt là giới hạn của sự tự bốc cháy và đ−ợc gọi là nhiệt độ tự bốc cháy. Nhiệt độ tự bốc cháy không phải là một hằng số vật lý mà là một thông số phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, nồng độ hỗn hợp và điều kiện toả nhiệt ở vùng bốc cháy. 2.2.2.3. Giới hạn tự bốc cháy 28
27. Nh− trên đã phân tích, nhiệt độ cháy của nhiên liệu T và nhiệt độ tự bốc cháy của nó là TBC không phải thuộc tính sẵn có của nhiên liệu mà nó có quan hệ với áp suất, nồng độ và điều kiện tồn tại của hỗn hợp chất cháy. Căn cứ vào điều kiện tới hạn của quá trình tự bốc cháy thay các giá trị qsr và qtn vào (2-31) và (2-32) ta đ−ợc: n ⎛⎞E Q.V.k00 C exp⎜⎟−=α− .s() T T (2-35) ⎝⎠RT EEn ⎛⎞ 2 Q.V.k0 C .exp⎜⎟− =α .S (2-36) RT⎝⎠ RT Trong quá trình phản ứng, nồng độ vật chất C đ−ợc coi nh− không đổi, chia hai ph−ơng trình trên cho nhau ta có: RT2 TT−= (2-37) 0 E Giải ph−ơng trình bậc hai này ta đ−ợc 2 nghiệm giá trị nhiệt độ tự bốc cháy: RT2 11±− 0 T = E (2-38) BC R 2 E Đối với các phản ứng cháy thì giá trị năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng hỗn hợp tr−ớc chất khí cácbuahydro và không khí vào khoảng (105 ~ 2,5.105) J/mol. Nếu 0 nhiệt độ T0 = 500 ữ 1000 K thì RTo/E ≈ 0,05, do đó nghiệm có dấu cộng (+) sẽ 0 không có ý nghĩa thực tế, vì khi đó TBC = E/R sẽ xấp xỉ bằng 10.000 C. Chỉ nghiệm có dấu trừ (-) có giá trị, khi đó Error! Not a valid link.có thể dựa vào công thức Taylor 1/2 ⎛⎞4RT0 để khai triển biểu thức ⎜⎟1− nh− sau: ⎝⎠E 1 23 2 ⎛4RT0000 ⎞ ⎛⎞⎛⎞⎛⎞ RT RT RT ⎜1−=−− ⎟ 1 2 ⎜⎟⎜⎟⎜⎟ 2 − 4 − (2-39) ⎝EEEE ⎠ ⎝⎠⎝⎠⎝⎠ Bỏ qua số hạng có T3 và thay (2-39) vào (2-40) ta đ−ợc nhiệt độ tự bốc cháy là: RT2 TT=+ 0 (2-40) BC 0 E RT2 Hiệu số nhiệt độ ∆=TT − T = 0 ,K0 BC 0 E RT2 RT2 Khi ∆≥T,0 thì hỗn hợp sẽ bốc cháy, còn ng−ợc lại ∆〈T 0 thì hỗn hợp không E E thể bốc cháy. ∆T đ−ợc gọi là giới hạn gia nhiệt tạo nên sự bốc cháy. 0 0 Ví dụ khi E = 100kj/mol, T0 = 500 K thì ∆T = T - T0 = 20 K; lúc E = 160 0 0 kj/mol, To = 1000 K thì ∆T = T - T0 = 50 K. Do vậy trong thực tế ng−ời ta th−ờng coi T0 nh− là TBC. Song cần phải chỉ rõ rằng T0 và TBC là hai khái niệm khác nhau, cho nên về giá trị chúng có thể gần giống nh−ng bản chất thì không thể coi nh− nhau đ−ợc. Từ công thức (2-36) ta có: 29
28. RT2 1 C.S.n =α 0 , (2-41) E ⎛⎞E V.Q.k.exp ⎜⎟− ⎝⎠RT0 Mặt khác theo ph−ơng trình trạng thái ta lại có: p = CRT, hay nồng độ: p C = , (2-42) RT Khi coi TBC ≈ T0. Thay (2-42) vào (2-41) và biến đổi ta có quan hệ giữa áp suất hỗn hợp và nhiệt độ phản ứng: P.S.Rnn1α + n2+ ≈ , (2-43) T0 ⎛⎞E V.Q.ko .E.exp ⎜⎟− ⎝⎠RT0 Hình 2.6 biểu diễn quan hệ giữa pC và TBC Hình 2.6 biểu diễn quan hệ giữa pC và TBC theo công thức (2-43). Phía phải của đ−ờng cong là vùng tự bốc cháy còn phía trái là khu vực không bốc cháy. Từ đồ thị ta thấy: khi áp suất hỗn hợp thấp, thì cần phải đạt đ−ợc nhiệt độ thật cao thì quá trình tự bốc cháy mới xảy ra. Ng−ợc lại khi nhiệt độ hỗn hợp chất cháy rất thấp thì cần phải nén đến áp suất cao hỗn hợp mới có thể tự bốc cháy đ−ợc. áp suất tới hạn pC và nhiệt độ tới hạn TC của quá trình bắt cháy của hỗn hợp nhiên liệu và oxy có thể xác định đ−ợc bằng thực nghiệm. Bằng thực nghiệm ta đo đạc đ−ợc các giá trị áp suất tới hạn pC và nhiệt độ tới hạn TC của quá trình bốc cháy hỗn hợp nhiên liệu và oxy, từ đó có thể xác định đ−ợc năng l−ợng hoạt hoá của phản ứng nh− sau: Ta giả sử rằng phản ứng đơn giản là phản ứng bậc 2, công thức (2-43) có thể viết: 21+ ⎛⎞E 2 αSR .exp⎜⎟ pc ⎝⎠RTc 22+ = (2-44) Tc V.Q.k0 .E Lấy logarit ph−ơng trình (2-16) ta đ−ợc: 1 3 2 ⎛⎞pc ⎛⎞αsR E ln⎜⎟2 =+ ln ⎜⎟ (2-45) ⎝⎠Tc ⎝⎠Q.V.k0 E 2RT 2 Từ các giá trị pC, TC thu đ−ợc, biểu diễn chúng lên đồ thị ln(pc/Tc )-1/Tc hình 2.10 ta sẽ đ−ợc một đ−ờng thẳng. Hệ số góc của đ−ờng thẳng chính là E/2R và từ đó tìm ra đ−ợc giá trị của năng l−ợng hoạt hoá E. Nếu nh− giá trị số E tìm đ−ợc và trị số E tính theo định luật Arrhenius t−ơng đ−ơng nhau thì chứng tỏ giả thiết tr−ớc đây coi 30
29. l−ợng tiêu hao nhiên liệu và l−ợng nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng là không đáng kể, có thể bỏ qua là chính xác. Hình 2.7. giá trị của năng l−ợng hoạt hoá E Mặt khác ta thấy rằng, điều kiện tới hạn của sự bốc cháy còn phụ thuộc vào nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp chất cháy và không khí. Giả thiết rằng trong hỗn hợp A là nhiên liệu và B là chất oxy hoá. Phản ứng là phản ứng bậc 2 của hai phân tử. Nếu dùng CA thay cho C ta có: PxP C ==AA, (2-46) A RT RT Trong đó xA là tỷ số mol chất A trong một đơn vị thể tích. Từ công thức (2-45) ta có: 1 3 2 ⎛⎞pc ⎛βsR ⎞ E ln⎜⎟22=+ ln ⎜ ⎟ (2-47) ⎝⎠Tc0A ⎝ Q.V.k x E ⎠2RT Khi cho áp suất không đổi, cho nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp thay đổi ta xác định đ−ợc sự thay đổi của nhiệt độ tự bốc cháy, quan hệ giữa nhiệt độ tự bốc cháy và nồng độ nhiên liệu đ−ợc trình bày trên hình 2.11. Hình 2.8. Quan hệ giữa nhiệt độ tự bốc cháy và nồng độ nhiên liệu Khi cho nhiệt độ không đổi, cho nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp thay đổi ta xác định đ−ợc sự thay đổi của áp suất tới hạn của quá trình tự bốc cháy, quan hệ giữa áp suất tới hạn và nồng độ nhiên liệu đ−ợc trình bày trên hình 2.9. Hình 2.9. Quan hệ giữa áp suất tới hạn tự bốc cháy và nồng độ nhiên liệu Từ các đồ thị trên ta rút ra các kết luận sau: - ở một áp suất hoặc ở một nhiệt độ nhất định, hỗn hợp sẽ tự bốc cháy khi nồng độ nhiên liệu nằm trong phạm vi giới hạn d−ới và giới hạn trên. Nếu nồng độ nhiên liệu thấp hơn giá trị giới hạn d−ới hoặc cao hơn giá trị giới hạn trên thì hỗn hợp sẽ không tự bốc cháy. - ở áp suất nhất định khi ta hạ thấp nhiệt độ hoặc ở nhiệt độ nhất định khi ta hạ thấp áp suất thì khoảng cách giữa giới hạn d−ới và giới hạn trên của nồng độ nhiên liệu của quá trình tự bốc cháy sẽ thu hẹp lại, vùng tự bốc cháy sẽ thu hẹp lại. - ở một áp suất nhất định nếu nhiệt độ quá thấp hoặc ở nhiệt độ nhất định nếu áp suất quá thấp thì sẽ không xảy ra tự bốc cháy. - Khả năng toả nhiệt của bình cũng ảnh h−ởng đến giới hạn nồng độ của sự tự bốc cháy, khả năng toả nhiệt tăng lên thì phạm vi bắt lửa sẽ thu hẹp lại. 2.2.3. Quá trình lan truyền ngọn lửa 31
30. Nếu gia nhiệt cho bình chứa hỗn hợp khí cháy, nhiệt độ hỗn hợp sẽ tăng lên và đến giá trị T1 nào đó hỗn hợp sẽ tự bốc cháy tại một điểm rồi lan truyền ra xung quanh theo mọi h−ớng. Nghĩa là từ lúc xuất hiện ngọn lửa đến khi toàn bộ hỗn hợp trong bình đều phản ứng thì cần một khoảng thời gian, thời gian đó đ−ợc xác định bằng vận tốc lan truyền ngọn lửa (cm/s). Nếu bình có dạng cầu thì ngọn lửa sẽ xuất hiện đầu tiên tại tâm bình vì đó là nơi có nhiệt độ cao nhất. Trong thực tế ng−ời ta dùng nguồn nhiệt bên ngoài để mồi lửa, làm cho cục bộ của hỗn hợp chất cháy bắt lửa, sau đó phần bắt lửa truyền năng l−ợng nhiệt và hạt hoạt tính cho phần khí ch−a bắt lửa, bề mặt ngọn lửa dịch chuyển dần về phía hỗn hợp ch−a cháy làm cho nó bắt l−ả gọi là quá trình lan truyền ngọn lửa làm cho quá trình cháy tiếp tục. Ngọn lửa có thể tồn tại trong môi tr−ờng tĩnh hoặc trong môi tr−ờng dòng chuyển động. Trong môi tr−ờng tĩnh hoặc trong dòng chảy tầng ta có quá trình lan truyền ngọn lửa chảy tầng. Trong dòng chảy rối ta có quá trình lan truyền ngọn lửa chảy rối. Tốc độ lan truyền ngọn lửa chảy tầng chỉ phụ thuộc vào tính chất hoá lý của vật chất tham gia phản ứng. Khi hỗn hợp khí cháy ở trạng thái chảy rối thì tốc độ lan truyền ngọn lửa chảy rối phụ thuộc nhiều vào đặc tính dòng chảy, sự truyền nhiệt và truyền hạt hoạt tính sẽ mạnh hơn rất nhiều, do vậy sẽ tăng nhanh sự lan truyền ngọn lửa. Khi hỗn hợp cháy bị nén đoạn nhiệt và mà áp suất và nhiệt độ cục bộ tăng lên rất cao, ta gọi là hiện t−ợng nổ, tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên rất cao, lan truyền ngọn lửa chủ yếu là nhờ các sóng xung kích lớn hơn nhiều so với tốc độ trtuyền nhiệt và hạt hoạt tính. Ph−ơng thức lan truyền đó gọi là lan truyền nổ. Dựa vào lý thuyết này, nếu biết ph−ơng trình vận tốc phản ứng trong điều kiện nhiệt độ, nồng độ và áp suất của hỗn hợp khí đã cho ban đầu, kích th−ớc bình và vật liệu làm bình thì chúng ta có thể tính toán tr−ớc đ−ợc quá trình tự bốc cháy có thể xẩy ra đ−ợc hay không. Vận tốc truyền lan bề mặt bắt lửa theo ph−ơng pháp tuyến của nó đ−ợc gọi là vận tốc truyền lan ngọn lửa bình th−ờng, ký hiệu bằng chữa Utl, (m/s). Nếu nh− vận tốc đi ra của dòng hỗn hợp khi cháy vx cân bằng với vận tốc truyền lan ngọn lửa đi vào Utl thì bề mặt bắt lửa sẽ ổn định. Mặt khác cũng có sự cân bằng về mặt truyền nhiệt nghĩa là l−ợng nhiệt bên ngoài dẫn vào phải bằng l−ợng nhiệt hỗn hợp chất khí hấp thụ: dT q = −λ = U ρC (T − T ), (2-48) dn t1 p ch 0 Mặt khác chiều dày mặt bắt lửa đ−ợc coi là chiều dày của vận tốc phản ứng hóa học nên. dT T − T = 0 ch dn δ b1 Do đó ta có: Tch − T0 λ = U t1ρC p (Tch − T0 ). δ b1 32
31. δbl: chiều dày mặt bắt lửa, Hình 2.10. chiều dày các vùng cháy δt: chiều dày bề mặt ngọn lửa khuyếch tán, δk: chiều dày vùng cháy kiệt, Từ đó rút ra λ 1 a U t1 = . = (2-49) ρC p δ b1 δ b1 Trong các công thức trên thì: ρ - mật độ của hỗn hợ khí cháy; Cp - Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí cháy; T0 – nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp khí cháy; Tch – nhiệt độ cháy của hỗn hợp. Nếu τh là thời gian phản ứng hóa học trong quá trình cháy (đ−ợc coi là thời gian bắt lửa) thì δ b1 = U t1 ì τh a a 2 a thay: δb1 = vào ta đ−ợc: = U t1.τh , hay U tl = U t1 U t1 τh Nh− vậy a U t1 = (2-50) τh Rõ ràng vận tốc chuyền lan ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ vật chất tham gia phản ứng, vào nhiệt độ và tạp chất nằm trong hỗn hợp khí. Còn áp suất thì ảnh h−ởng rất ít đến vận tốc truyền lan mặt bắt lửa. Vận tốc truyền lan ngọn lửa bình th−ờng của một số chất khí: Hyđrô hỗn hợp với không khí: v = 2,5m/s; hỗn hợp với oxy: v = 9,0m/s Mê tan hỗn hợp với không khí: v = 0,37m/s; hỗn hợp với oxy: v = 4,5m/s 2.2.4. Các đặc điểm của quá trình cháy 33
32. 2.2.4.1. Cháy động học và cháy khuếch tán. Quá trình cháy là một tổ hợp các hiện t−ợng vật lý và hoá học. Tuỳ thuộc khả năng pha trộn giữa chất cháy và chất oxy hoá, có thể chia quá trình cháy thành cháy động học và cháy khuếch tán. - Quá trình cháy động học: Quá trình cháy động học là quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí đã đ−ợc pha trộn tr−ớc, khi đó quá trình cháy bị giới hạn bởi vận tốc phản ứng hoá học. - Quá trình cháy khuyếch tán: Quá trình cháy khuyếch tán là quá trình cháy xẩy ra đồng thời với quá trình pha trộn để tạo thành hỗn hợp cháy, nghĩa là nhiên liệu và không khí ch−a đ−ợc pha trộn tr−ớc. Trong tr−ờng hợp này quá trình cháy đ−ợc quyết định bởi quá trình vật lý đảm bảo sự tiếp xúc của các thành phần nhiên liệu với ôxy. Trong tr−ờng hợp tổng quát, tổng thời gian cháy gồm hai phần: thời gian cần thiết để sinh ra các hằng số vật lý τv (thời gian tạo hỗn hợp) và thời gian để xẩy ra các phản ứng hóa học τh.: τ t =τ v + τ h , (2-51) Khi cả hai chất tham gia phản ứng đều ở trạng thái thể khí (phản ứng đồng thể) thì τv là thời gian tạo nên hỗn hợp tr−ớc khi cháy. Khi các chất tham gia phản ứng là không đồng nhất (cháy nhiên liệu lỏng hoặc rắn) thì τv là thời gian vận chuyển vật chất oxyhoá thể khí từ môi tr−ờng có nồng độ ban đầu đến bề mặt hạt nhiên liệu đang cháy. ở giai đoạn đầu của phản ứng khi nhiệt độ còn thấp thì tốc độ phản ứng nhỏ, phản ứng không sử dụng hết l−ợng oxy mang tới, bởi vậy quá trình phản ứng bị kìm hãm bởi yếu tố động học là nhiệt độ. (Thời gian cháy chủ yếu là thời gian pha trộn để tạo ra hỗn hợp). Lúc này nếu tăng tốc độ thổi oxy tới bề mặt vật cháy (tăng nồng độ oxy cho phản ứng) hoặc là tăng bề mặt phản ứng (nh− tăng độ mịn hạt nhiên liệu) thì tốc độ phản ứng vẫn hầu nh− không thay đổi. Tốc độ này chỉ phụ thuộc vào những yếu tố động học nh− năng l−ợng hoạt hoá, áp suất trong không gian phản ứng và nồng độ vật chất phản ứng. Trong tr−ờng hợp này ta nói rằng quá trình phản ứng xảy ra trong vùng động học. τh >> τv ặ τt ≈ τh Nh− vậy trong vùng động học quá trình phản ứng không bị kìm hãm bởi các yếu tố thuỷ động và khuếch tán. Khi nhiệt độ tăng lên, tốc độ phản ứng tăng lên và yêu cầu oxy tăng lên. Nếu yêu cầu này không thỏa mãn thì quá trình này sẽ chuyển vào vùng khuếch tán. Trong vùng này tốc độ phản ứng đ−ợc quyết định bởi các yếu tố thủy động và khuyếch tán, rất ít phụ thuộc vào các yếu tố động học. Lúc này dù nhiệt độ có tăng lên rất cao thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên rất ít. Thời gian cháy chủ yếu là thực hiện các phản ứng hóa học, nghĩa là: τv >> τh ặ τt ≈ τv Vùng động học và vùng khuyếch tán của quá trình cháy là những vùng giới hạn. Giữa hai vùng này là vùng trung gian, đ−ợc đặc tr−ng bởi tác dụng đồng thời của cả hai giai đoạn (τv ≈ τh). Đa số quá trình phản ứng xẩy xa trong vùng này. 34
33. 4.2.2.2. Đặc điểm cháy nhiên liệu khí Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là CH4 và một ít hyđrôcacbua ổn định. Quá trình cháy có thể xẩy ra trong vùng động học hoặc trong vùng khuếch tán tuỳ thuộc vào thành phần hỗn hợp cháy giữa nhiên liệu và không khí. Việc tạo thành hỗn hợp cháy phụ thuộc rất nhiều vào kiểu vòi phun và kiểu buồng đốt. Có thể không khí và nhiên liệu pha trộn tr−ớc hoàn toàn, có thể pha trộn tr−ớc một phần hoặc có thể không pha trộn tr−ớc khi ra khỏi vòi phun. Thành phần và cấu trúc của hỗn hợp có ảnh h−ởng rất lớn đến quá trình cháy hỗn hợp đồng thể đã sinh ra. * Khi không khí và nhiên liệu đã đ−ợc pha trộn tr−ớc thì quá trình cháy xẩy ra trong vùng động học. Nếu hỗn hợp cháy đ−ợc đốt nóng nhanh và v−ợt qua nhiệt độ bớc cháy thì quá trình cháy gần nh− loại trừ đ−ợc sự phân huỷ hyđrôcacbua. Khi đó không có các hạt “mồ hóng” trong khói do đó ngon lửa là ngọn lửa không sáng. * Khi không khí và nhiên liệu không pha trộn tr−ớc hoặc có thể pha trộn tr−ớc một phần rất nhỏ. Sự pha trộn t−ơng hỗ giữa dòng nhiên liệu và dòng khí xảy ra chỉ do khuếch tán phân tử từ dòng không khí bao quanh vào. Quá trình cháy xẩy ra trong vùng khuếch tán. Phải có thời gian để tạo thành hỗn hợp cháy nên toàn bộ thời gian cháy lớn hơn khi quá trình cháy xẩy ra trong vùng khuyếch tán, các hạt hyđrôcacbua cũng bị phân hủy nhiều hơn và tạo thành nhiều hạt “mồ hóng” trong ngọn lửa nên ngọn lửa trong tr−ờng hợp này là ngọn lửa sáng. Khi nhiệt độ cao hơn 6000C thì hyđrôcacbua có thể bị phân hủy thành những các hạt “mồ hóng” rất khó cháy. Vì vậy, để tăng nhanh quá trình oxy hóa và tránh sự phân hủy nhiệt hyđrôcacbua ở nhiệt độ cao thì cần phải cấp gió nóng vào gốc ngọn lửa. 4.2.2.3. Đặc điểm cháy nhiên liệu lỏng. Quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong dòng là một tổ hợp của nhiều hiện t−ợng phức tạp nh− quá trình phun s−ơng, đốt nóng, bốc hơi nhiên liệu, tạo thành hỗn hợp giữa hơi của nhiên liệu với chất oxy hoá, bốc cháy và cháy các hyđrôcacbua và cuối cùng là sự cháy kiệt hạt “mồ hóng”. Đối với mazut thì nhiệt l−ợng cần thiết để hoạt hóa ngọn lửa th−ờng từ 2500 ữ 3700kj/kg, nghĩa là đến gần 10% nhiệt trị của nhiên liệu. Khi nhiên liệu lỏng đ−ợc phun thành dòng các hạt s−ơng mịn, để đơn giản có thể coi một cách gần đúng quá trình cháy của nhiên liệu lỏng t−ơng tự quá trình cháy nhiên liệu khí, vì oxy phản ứng với hơi của nhiên liệu có trạng thái gần nh− thể khí, tất nhiên quá trình này có một số đặc điểm riêng sau đây: Dòng nhiên liệu lỏng đ−ợc phun thành bụi là hệ không đồng nhất, gồm các hạt nhiên liệu lỏng, hơi nhiên liệu, oxy, nitơ của không khí và các sản phẩm cháy. 35
34. Cũng giống nh− tr−ờng hợp đốt nhiên liệu khí không có sự pha trộn sơ bộ khí với không khí, ở đây hơi bốc ra từ các giọt nhiên liệu lỏng đ−ợc phun s−ơng tạo nên những khối hơi nhiên liệu. Tuy nhiên khác với quá trình cháy kiệt các khối nhiên liệu khí, khi đốt nhiên liệu lỏng phun thành s−ơng trong tr−ờng hợp tổng quát thì ngoài pha hơi còn có cả pha lỏng tồn tại xung quanh pha hơi. Quá trình cháy nhiên liệu lỏng thực chất là quá trình cháy hơi bốc ra từ giọt nhiên liệu lỏng, nên tốc độ cháy sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ bốc hơi các giọt lỏng. Vì vậy quá trình cháy nhiên liệu lỏng, một mặt là quá trình cháy l−ợng hơi bốc ra từ nó, có nghĩa nó là quá trình hoá học đồng thể, mặt khác tốc độ của quá trình cháy đ−ợc xác định bởi tốc độ của quá trình trao đổi nhiệt kèm theo sự bốc hơi trên bề mặt chất lỏng, nghĩa là quá trình vật lý dị thể. Không khí cần thiết cho quá trình cháy đ−ợc dẫn vào ống lót của vòi phun, dòng không khí sẽ pha trộn với các giọt nhiên liệu lỏng đã đ−ợc phun thành s−ơng, tạo ra trong buồng lửa một dòng tràn ngập không đẳng nhiệt. Dòng hỗn hợp đ−ợc sấy nóng do hút sản phẩm cháy có nhiệt độ cao từ xung quanh vào, từ đó các giọt nhỏ nhiên liệu lỏng sẽ đ−ợc sấy nóng và bốc hơi khi nhận nhiệt nhờ trao đổi nhiệt đối l−u trong dòng khuếch tán rối giữa các giọt nhiên liệu, không khí và khói nóng đồng thời nhờ bức xạ nhiệt của ngọn lửa, của khói buồng lửa và của t−ờng lò nóng đỏ. Khi đốt nhiên liệu lỏng theo kiểu phun s−ơng, nhiên liệu sẽ đ−ợc các thiết bị phun vào buồng lửa thành các hạt s−ơng rất nhỏ (kích th−ớc khoảng 50 đến 200àm), nhờ nhận đ−ợc nhiệt của khói nóng trong buồng lửa mà các giọt dầu sẽ bốc hơi, phân hủy nhiệt và hỗn hợp với không khí ở trong dòng. Hơi bốc ra từ dầu sẽ hỗn hợp với oxy đã đ−ợc gia nhiệt đầy đủ và bắt lửa. L−ợng nhiệt sinh ra ở đây sẽ làm tăng nhanh quá trình bốc hơi và quá trình cháy nó. Hơi dầu đã đ−ợc sấy nóng và phân hủy nhiệt thì khuyếch tán từ trong ra ngoài môi tr−ờng, còn oxy thì lại khuyếh tán từ môi tr−ờng ngoài vào mặt giọt nhiên liệu. Cách bề mặt giọt dầu một khoảng nhất định hỗn hợp đạt tới tỷ lệ nhất định (t−ơng ứng với tỷ lệ trong phản ứng cháy) thì hỗn hợp sẽ bốc cháy. Quá trình sấy nóng dòng xảy ra mạnh nhất trên chu vi dòng, do đó tạo điều kiện bốc hơi rất mạnh các giọt nằm trên biên dòng. Các giọt nhiên liệu nằm trong phần giữa của dòng đ−ợc đốt nóng và bốc hơi chậm hơn, chúng sẽ bốc hơi hoàn toàn khi đã chuyển động đ−ợc một khoảng cách nhất định dọc theo trục của dòng, vì vậy ngọn lửa th−ờng có dạng hình côn. Để tăng nhanh quá trình cháy thì cần tăng tốc độ bốc hơi các giọt dầu. Muốn vậy cần phải tăng bề mặt bốc hơi, nghĩa là phải phun ma dút thành các hạt càng mịn càng tốt. Khi các giọt ma dút đ−ợc phun càng mịn thì khả năng hỗn hợp với khói và khí nóng càng tốt, do đó càng tăng nhanh mức độ gia nhiệt cho giọt nhiên liệu. Độ mịn của giọt dầu tăng lên khi đ−ờng kính các lỗ phun nhỏ, tốc độ chuyển động của giọt lớn, mật độ môi tr−ờng tăng lên. Để giảm sức căng bề mặt của dầu, thông th−ờng phải gia nhiệt tr−ớc cho dầu tới 90-1000C. 36
35. Nh− đã phân tích ở trên, Kích th−ớc hạt nhiên liêụ là yếu tố ảnh h−ởng lớn nhất đến quá trình cháy nhiên liệu lỏng, hạt càng nhỏ cháy càng nhanh và dễ cháy kiệt. Khi ra khỏi miệng phun, dòng hỗn hợp khuyếch tán vào môi tr−ờng, do có sự ma sát giữa các giọt dầu và chất khí xung quanh làm cho các giọt dầu càng đ−ợc tách ra nhỏ hơn. Quá trình cháy nhiên liệu lỏng xẩy ra trong vùng khuyếch tán, cho nên tốc độ quá trình cháy cũng phụ thuộc nhiều vào tốc độ bốc hơi của giọt dầu. Các hydrocacbon của nhiên liệu lỏng là không bền vững về nhiệt, vì vậy khi đốt nóng nhiên liệu lỏng mà không đủ không khí các hydrocacbon sẽ bốc hơi và kèm theo quá trình phân hủy của chúng. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt các hydrocacbua trong nhiên liệu lỏng sẽ bị phân hủy nhiệt và tạo thành các hợp chất khác nhau. ở nhiệt độ 6000C thì cacbuahyđrô phức tạp phân hủy thành hợp chất đơn giản, 0 những hợp chất này dễ bị oxy hóa thành CO2 và H2O. Khi nhiệt độ cao hơn 600 C thì lại phân hủy thành những cacbuahyđrô nặng, cao phân tử hoặc các hạt “mồ hóng” rất khó cháy. Mức độ phân hủy các hydrocacbon đặc tr−ng bởi biểu thức sau: n C H → mC + H hoặc (2-52) m n 2 2 CmHn → xC + yH2 + Cm - x Hn - 2y (2-53) Trong thực tế th−ờng sự phân hủy bị hạn chế do có sự tạo thành các hydrocacbon nhẹ và nặng. Cac hydrocacbon nhẹ dể cháy, còn hydrocacbon nặng cao phẩn tử và cacbon dạng mồ hóng rất khó cháy, do đó hoặc bị mang ra khỏi buồng cháy trong dạng ch−a cháy hoặc tạo ra các nấm cốc trong buồng đốt. Khi đủ oxy thì các hydrocacbon ở thể hơi bị oxy hóa để tạo ra các khí cháy (CO và H2): 2CmHn + mO2 = 2m CO + nH2 (2-54) Vì vậy, để tăng nhanh quá trình oxy hóa và tránh sự phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao thì cần phải cấp gió nóng vào gốc ngọn lửa. 2.2.4.4. Đặc điểm của quá trình cháy nhiên liệu rắn Quá trình cháy nhiên liệu rắn xẩy ra theo các giai đoạn là: sấy ẩm, bốc chất bốc, cháy chất bốc, cháy cốc còn lại và tạo xỉ, trong đó giai đoạn cháy cốc là chủ yếu. Lúc đầu chất bốc thoát ra và bắt lửa tạo thành lớp học xung quanh hạt nhiên liệu, lớp này sẽ hạn chế sự khuyếch tán trực tiếp của oxy từ ngoài tơi bề mặt hạt than. Sau đó chuyển sang cháy cốc còn lại, tr−ớc hết quá trình cháy xẩy ra trên bề mặt sau đó phát triển vào sâu trong hạt nhiên liệu. Quá trình cháy càng tốt thì nhiệt sinh ra sẽ càng nhiều. Các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình cháy rất nhiều nh−: l−ợng không khí tham gia quá trình cháy, nhiệt độ của buồng lửa, tính chất hỗn hợp. 37
36. Hình 2.11. ảnh h−ởng của nhiệt độ đến l−ợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa Đối với quá trình cháy nhiên liệu rắn thì nhiệt độ là yếu tố ảnh h−ởng có tính chất quyết định. Trên hình 2.14 trình bày quan hệ giữa nhiệt độ trong buồng lửa và l−ợng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy ứng với 1kg nhiên liệu. Từ đồ thị trên ta thấy có 3 vùng nhiệt độ. Vùng thứ nhất (nhiệt độ thấp d−ới 10000C) là vùng cháy ch−a mạnh, làm cho tốc độ phản ứng hóa học chậm lại, kéo dài thời gian cháy kiệt hạt than trong buồng lửa. Vùng thứ hai (nhiệt độ từ 10000C đến 20000C) tốc độ phản ứng rất cao, nhiên liệu cháy t−ơng đối hoàn toàn. Bởi vậy l−ợng nhiệt sinh ra trong quá trình này đạt tới trị số cực đại (khi α = 1 thi q là cực đại con khi α 1 nếu tăng hệ số không khí thừa thì q giảm nhanh hơn vì không khí lạnh mang vào làm giảm nhiệt độ buồng cháy dẫn đến làm giảm tốc độ phản ứng cháy. Trong điều kiện thực tế, l−ợng nhiệt phát ra trong quá trình cháy nhiên liệu sẽ nhỏ hơn (trong đồ thị trên ch−a kể đến tổn thất cháy không hoàn toàn). 2.2.5. Cơ sở khí động để phân loại buồng lửa Quá trình cháy trong các lò hơi theo ba nguyên lý cơ bản sau: cháy theo lớp, cháy theo ngọn lửa , cháy xoáy. Buồng lửa cháy theo lớp chặt: Sơ đồ biều thị nguyên lý cháy theo lớp đ−ợc trình bày trên hình 2.16a. ở loại buồng lửa này các giai đoạn của quá trình cháy cháy đều xẩy trong chiều dày lớp 38
37. nhiên liệu và trên bề mặt lớp nhiên liệu vẫn còn tiếp tục quá trình cháy các chất khí cháy còn lại. Bởi vậy quá trình khí động phải bảo đảm sao cho không khí có thể xuyên thấu lớp nhiên liệu để cung cấp không khí, đồng thời không đ−ợc thổi bay lớp nhiên liệu, khi đó trong l−ợng hạt than phải lớn hơn áp lực động của dòng không khí, nghĩa là: πδ3 π ω2 (ρ ρ ) > C δ2 ρ , (2-55) 6 nl kk 4 2 kk Trong đó: δ - đ−ờng kính quy dẫn của hạt nhiên liệu, m; 3 ρnl, ρkk – khối l−ợng riêng của nhiên liệu và không khí, kg/m , ω - Tốc độ t−ơng đối của không khí và nhiên liệu, m/s. C – hệ số trở lực, phụ thuộc vào trị số râynôn. Tốc độ cho phép của dòng không khí phải thoả mãn điều kiện. ρ - ρ δ ω δρ22d (2-57) 42kk 6 nl kk 42 kk Buồng lửa cháy theo ngọn lửa: Khi tiếp tục tăng tốc độ dòng lên thì các hạt sẽ bị cuốn bay theo dòng. Khi đó hạt bột than cùng chuyển động với không khí, và quá trình cháy hạt bột than cũng xảy ra trong suốt quá trình chuyển động. Sơ đồ nguyên lý quá trình cháy theo ngọn lửa trình bày trên hình 2.16c. Để đảm bảo cho hạt nhiên liệu cháy ở trạng thái lơ lửng, những hạt lớn không bị tách ra khỏi dòng thì các hạt bột than phải tuân theo định luật Stốc, nghĩa là: πδ3 3πàδω (ρ -ρ )= , (2-58) 6 nl kk g trong đó : à - độ nhớt động lực của mỗi chất, Ns/m2. Bởi vậy tốc độ t−ơng đối giữa bột than và không khí phải đạt yêu cầu sau: δ2g(ρ - ρ ) ω = nl kk ; m/s, (2-59) 18à Buồng lửa cháy theo dòng xoáy: Trong buồng lửa này, nhiên liệu và không khí đ−a vào theo ph−ơng tiếp tuyến với dòng tròn tiết diện ngang buồng lửa. Sơ đồ quá trình cháy theo dòng xoáy đ−ợc trình bày trên hình 2.16d. 39
38. D−ới tác dụng của lực ly tâm hạt nhiên liệu và không khí chuyển động xoáy rất mạnh, luôn luôn ở trạng thái chảy rối. Trong buồng lửa xoáy, quá trình cháy nh− ở trạng thái ngọn lửa nh−ng thời gian dừng lại của dòng trong buồng lửa không hạn chế. Để đảm bảo hạt nhiên liệu xoáy đ−ợc theo dòng không khí thì trọng l−ợng của nhiên liệu phải bé hơn áp lực động do dòng không khí tạo nên, nghĩa là: πδ3 π ω2 (ρ -ρ ) < C. .δ2 . .ρ (2-60) 6 nl kk 4 2 kk Nh− vậy tốc độ của dòng khí phải bảo đảm yêu cầu: ρ - ρ δ ω ≥ 3,62 nl kk . , m/s (2-61) ρkk C Hình 2.13.Phân loại buồng lửa. a- cháy theo lớp; b- cháy trong tầng sôi; c- cháy theo ngọn lửa; d- cháy theo dòng xoáy. * Những yêu cầu chung đối với buồng lửa: 1. Có thể cháy hoàn toàn nhiên liệu ứng với hệ số không khí thừa tối thiểu. 2. ít đóng xỉ buồng lửa và các bề mặt đốt và xỉ dễ dàng khử đ−ợc, 3. Đảm bảo đ−ợc những điều kiện thuận lợi nhất cho việc hấp thu nhiệt của các bề mặt đốt. 4. Có độ tin cậy cao, thuận tiện và đơn giản trong vận hành, 5. Có khả năng điều chỉnh nhanh phụ tải trong phạm vi rộng. Yêu cầu đầu tiên là quan trọng nhất và khó thực hiện nhất. Yêu cầu này dễ thực hiện nhất ở buồng lửa đốt nhiên liệu khí. Những tính chất quan trọng của nhiên liệu có ảnh h−ởng đến việc chọn thiết bị buồng lửa và cấu tạo của nó là: chất bốc V0 (%), thành phần nhiên liệu, độ tro, đặc tính nhiệt độ của tro và tính thiêu kết của cốc, độ ẩm của nhiên liệu. Những yếu tố có tính chất quyết định đến việc chọn thiết bị buồng lửa là sản l−ợng lò hơi và chất l−ợng của nhiên liệu đốt. 40
39. 2.3. Tính toán quá trình cháy nhiên liệu 2.3.1. Khai niệm chung 2.3.1.1. Mục đích, nội dung và các giả thiết khi tính toán Tính toán quá trình cháy nhằm mục đích cung cấp các số liệu cần thiết cho việc thiết kế, vận hành, nghiên cứu và kiểm tra buồng lửa. Các đại l−ợng cần xác định bao gồm: Thể tích không khí lí thuyết và thực tế cần thiết; Thành phần và thể tích sản phẩm chảy (khô, ẩm, lí thuyết, thực tế) sinh ra khi đốt cháy một đơn vị (1 kg hay 1m3) nhiên liệu. Nhiệt độ đọng s−ơng của sản phẩm cháy. Việc tính toán quá trình cháy dựa trên định luật bảo toàn năng l−ợng và khối l−ợng. Vì vậy tính toán quá trình cháy còn đ−ợc gọi là cân bằng chất của quá trình cháy. Để đơn giản trong tính toán ta giả thiết: - Quá trình cháy là đẳng áp. - Chất ôxy hoá là oxy của không khí có thành phần thể tích: 21% O2 và 79% N2. - Các chất khí và hơi tham gia và xuất hiện trong quá trình cháy đều đ−ợc xem là khí lí t−ởng, ở điều kiện tiêu chuẩn thể tích một kmol của chúng bằng 22,4 m3/kmol. 2.3.1.2. Khái niệm về thể tích không lí thuyết, thực tế và hệ số không khí thừa * Thể tích không khí lý thuyết: Thể tích không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy là l−ợng không khí t−ơng ứng với l−ợng O2 tối thiểu cần thiết để đốt cháy 3 hoàn toàn 1kg nhiên liệu rắn hoặc lỏng hay 1 m tc tiêu chuẩn nhiên liệu khí. *Thể tích không khí thực tế: Thể tích không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy đ−ợc xác định theo các ph−ơng trình phản ứng hóa học xảy ra khi cháy các nguyên tố cháy đ−ợc của nhiên liệu. Nghĩa là đ−ợc tính toán với điều kiện lí t−ởng, trong đó từng phân tử các chất oxi hóa và bị oxi hóa tiếp xúc và phản ứng với nhau. Trong thực tế không khí và nhiên liệu không thể tiếp xúc lý t−ởng với nhau đ−ợc nh− vậy. Do vậy để qúa trình cháy có thể xẩy ra hoàn toàn thì l−ợng không khí thực tế cần phải cung cấp vào bao giờ cũng lớn hơn l−ợng không khí lý thuyết cần cấp cho quá trình cháy. Việc tăng l−ợng không khí thực tế nhằm: - Tăng nhanh quá trình cháy - Đề phòng tr−ờng hợp thiếu không khí do biến động dòng, do thay đổi tính chất của nhiên liệu và của không khí (thay đổi nhiệt trị, khối l−ợng riêng, độ ẩm). - Tránh thiếu không khí cục bộ và tức thời trong buồng lửa do trở lực dòng lẫn thành phần hoá học của nhiên liệu thay đổi theo vị trí và thời gian. * Hệ số không khí thừa: Tỉ số giữa l−ợng không khí thực tế cấp vào Vkk với 0 l−ợng không khí lý thuyết tính toán đ−ợc V kk gọi là hệ số không khí thừa, ký hiệu là α: V α = kk > 1 (2-61) 0 Vkk 41
40. Bảng 2.5. Các giá trị phổ biến của hệ số không khí thừa Nhiên liệu α Khí thiên nhiên, khí lò cao, lò cốc 1,02 - 1,05 Dỗu 1,05 - 1,15 Bột than 1,1 - 1,3 Than, ghi cơ khí 1,3 - 1,5 Than, ghi thủ công 1,4 - 2,0 Lò hơi không thể kín tuyệt đối đ−ợc vì có các chỗ ghép nối t−ờng lò, trên t−ờng lò phải có cửa vệ sinh, cửa quan sát, của phòng nổ. Khi lò làm việc, áp suất đ−ờng khói luôn thấp hơn áp suất khí quyển và áp suất khói giảm dần theo chiều khói đi, do đó không khí lạnh từ ngoài sẽ lọt vào đ−ờng khói làm tăng dần hệ số không khí thừa trong đ−ờng khói theo chiều đi của khói. Tuy nhiên khi cháy với l−ợng không khí thừa α quá lớn thì nhiệt độ buồng lửa giảm xuống tức là quá trình truyền nhiệt giảm xuống, nhiệt thừa của khói tăng lên tức là l−ợng nhiệt do khói mang ra khỏi lò (q2) tăng lên, hiệu suất lò giảm xuống và tăng tiêu hao năng l−ợng của các loại quạt. Vì vậy, khi vận hành cần phải phấn đấu giữ cho α ở giá trị tối thiểu. 2.3.2. Tính toán quá trình cháy nhiên liệu rắn và lỏng. 2.3.2.1. Các ph−ơng trình phản ứng cháy nhiên liệu lỏng hoặc rắn Để tính toán quá trình cháy, căn cứ vào thành phần của nhiên liệu ta viết đ−ợc các ph−ơng trình phản ứng cháy các nguyên tố cháy đ−ợc của nhiên liệu, dựa vào đó ta viết đ−ợc ph−ơng trình bảo toàn khối l−ợng của từng thành phần tham gia quá trình cháy, từ đó xác định đ−ợc thể tích không khí lí thuyết, thể tích sản phẩm chảy sinh ra khi đốt cháy một đơn vị (1 kg hay 1m3) nhiên liệu. * Phản ứng cháy hoàn toàn: - Cháy cacbon: C + O2 = CO2 (2-62a) 12kgC + 32kgO2 = 44kgCO2 1kgC + 2,67 O2 = 3,67kgCO2. (2-62b) Nh− vậy, về mặt lý thuyết khi muốn đốt cháy hoàn toàn 1kg carbon thì cần tiêu tốn 2,67kg oxy và tạo ra 3,67kg khí carbonic. Trong thực tế các chất khí th−ờng đo bằng m3 nên ta đổi l−ợng khí thành thể tích: 3 Khi thay khối l−ợng riêng của Oxi ρo2 = 1,428kg/ m tc và cacbonnic ρCO2 = 1,964kg/ 3 m tc vào (2-62b), ta đ−ợc: 3 3 1KgC + 1,866 m tc O2 = 1,866 m tc CO2. (2-62c) 42
41. Khi cháy không hoàn toàn nhiên liệu rắn hoặc lỏng, thành phần chủ yếu còn có thể cháy đ−ợc trong sản phẩm cháy là CO và H2 do cacbon và hydro cháy không hoàn toàn. T−ơng tự, ta có thể tính l−ợng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn các thành phần khác. - Cháy hyđro: 2H2 + O2 = 2H2O (2-63a) 3 3 1kgH2 + 5,6 m tc O2 = 11,2 m tc H2O (2-63b) - Cháy l−u huỳnh: S + O2 = SO2 (2-64a) 3 3 1kgS + 0,7 m tc O2 = 0,7m tc SO2 (2-64b) * Phản ứng cháy không hoàn toàn carbon: 2C + O2 = 2CO (2-65a) 24kgC + 32kg O2 = 56kg CO 3 3 1kgC + 0,933 m tc O2 = 1,866 m tc CO (2-65b) Từ hai phản ứng cháy hoàn toàn và không hoàn toàn của cacbon: C + O2 = CO2 (2-66a) C + 1/2O2 = CO (2-66b) ta thấy l−ợng sản phẩm cháy tạo thành bất kể là cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn từ một đơn vị cacbon là nh− nhau, sự khác nhau chỉ ở l−ợng ôxy tiêu tốn. Khi cháy không hoàn toàn tiêu tốn ôxy chỉ bằng một nửa so với khi cháy hoàn toàn. Nếu gọi phần cháy hoàn toàn của cacbon là a, phần cháy không hoàn toàn là (1 - a) thì tiêu tốn ôxy cho 1kg nhiên liệu có hàm l−ợng cacbon C sẽ là: C V O2 = 1,866 aC + 1,866(1 - a)C/2 0 3 = 1,866 C(1 + a)/2 = V O2 (1 + a)/2 , m /kg, (2-67) T−ơng tự, khi cháy không hoàn toàn H2 với hệ số cháy hoàn toàn b, tiêu tốn ôxy sẽ là: H VO2 = 5,6H.b (2-68) Tổng tiêu tốn ôxy và không khí cho quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu rắn hoặc lỏng: * VO2 = 1,867C()1+ a / 2 + 5,6Hb + 0,7S − 0,7O (2-69) * * VKK = 4,762VO2 (2-70) Hệ số không khí đối với tr−ờng hợp cháy không hoàn toàn này sẽ là: V* α = KK (2-71) 0 VKK 2.3.2.2. Xác định thể tích không khí cấp cho quá trình cháy 43
42. * Thể tích không khí lý thuyết: Trong nhiên liệu rắn, các thành phần C, H, S có thể cháy đ−ợc và sinh nhiệt. L−ợng oxi cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu bằng tổng l−ợng oxi cần thiết để đốt cháy hoàn toàn l−ợng C, H, S có trong 1kg nhiên liệu. Vậy có thể tính l−ợng oxi cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu theo các ph−ơng trình phản ứng (2-62), (2-63), (2-64) và l−u ý phải trừ đi l−ợng oxy đã có sẵn trong nhiên liệu Olv: V 0 = 1,866 .C lv + 5,6.H lv + 0,7.S lv - 0,7.O lv (2-72) O 2 Oxi cấp cho quá trình cháy trong lò hơi lấy từ không khí, mà trong không khí oxi chiếm 21%, do đó có thể tính đ−ợc l−ợng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu: V 0 V 0 = O2 kk 0,21 1 V 0 = V 0 = 8,89.C lv + 26,67.H lv + 3,33.Slv - 3,33.O lv , (2-73) kk 0,21 O2 Từ ph−ơng trình (2-73) ta thấy: l−ợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu chỉ phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu mà thành phần nhiên liệu sẽ quyết định nhiệt trị, do đó l−ợng không khí lý thuyết và nhiệt trị có liên quan với nhau và có quan hệ: aQ lv + 25.W lv . V 0 = t (2-74) KK 1000 trong đó: a là hệ số phụ thuộcvào loại nhiên liệu. Gỗ a = 0,251 Than bùn a = 0,251 Than đá, gầy, antraxit a = 0,251 Mat zut a = 0,251 * Thể tích không khí thực tế: 0 Vkk = αVkk (2-75) 2.3.2.3. Thể tích sản phẩm cháy tạo thành khi cháy nhiên liệu Sản phẩm cháy (gọi là khói thực) gồm có khói khô và hơi n−ớc. Tùy thuộc vào điều kiện cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn các nguyên tố cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần các chất sinh ra trong sản phẩm cháy khác nhau. ở trạng thái lý thuyết, khi cháy hoàn toàn (với α = 1) sẽ tạo thành trong khói các chất: CO2, SO2, N2 và H2O. Thể tích khói bằng: 0 0 0 3 VKhoi = VCO2 + VSO2 + V N2 + V H2O, m tc/kg; (2-76a) 0 0 0 3 VKhoi = V Khoi.K + V H2O , m tc/kg; (2-76b) 0 0 trong đó thể tích khói khô: V Khoi.K = VCO2 + VSO2 + V N2 , (2-77) Trong thực tế, khi phân tích khói ng−ời ta th−ờng xác định chung giá trị thể tích của khí 3 nguyên tử có trong khói CO2 và SO2, ký hiệu là VRO2 = VCO2 + VSO2. Theo các ph−ơng trình từ (2-62) đến (2-66) ta tính đ−ợc thể tích RO2: 44
43. lv lv 3 VRO2 = 1,866.C + 0,7.S , m tc/kg; (2-78) Nitơ có mặt trong khói xuất phát từ 2 nguồn: do nitơ có sẵn trong nhiên liệu đ−ợc chuyển vào trong khói d−ới dạng tự do khi nhiên liệu cháy và nitơ do không khí mang vào. Thể tích nitơ lý thuyết trong khói: 0 lv 0 3 VN2 = 0,8.N + 0,79.V KK, m tc/kg; (2-79a) Thông th−ờng l−ợng nitơ có trong nhiên liệu rất ít nên cố thể bỏ qua, khi đó l−ợng nitơ đ−ợc tính: 0 0 3 V N2 = 0,79.V KK, m tc/kg. (2-79b) Vậy thể tích khói khô lý thuyết là: 0 lv lv 0 3 VKhoi.K = 1,866.C + 0,7.S + 0,79.V KK, m tc/kg, (2-80) L−ợng n−ớc có trong khói do các nguồn sau đây: H2 lv 3 1. Do oxy hoá hyđrô của nhiên liệu: V H2O = 11,2.H , m tc/kg, W 1 lv 1 lv lv 3 2. Do độ ẩm của nhiên liệu:V H2O= W = W = 1,24.W , m tc/kg, ρH2O 0,804 KK 0 ρ KK d 3. Do độ ẩm của không khí đ−a vào: V H2O = VKK ρ H2O 1000 trong đó d là độ chứa hơi của không khí th−ờng lấy d = 10g/kg không khí, 1,293 10 vậy: VKK = V 0 = 1,611.V0 , m3tc/kg, H2O KK 0,804 1000 KK ph ph 3 4. Do hơi n−ớc phun dầu madut khi đốt dầu: V H2O = 1,24.G , m tc/kg, Trong đó Gph là l−u l−ợng hơi n−ớc để phun madut thành s−ơng, th−ờng lấy bằng 0,3-0,35 kghơi/kg dầu. Vậy thể tích lý thuyết hơi n−ớc là: 0 lv lv 0 ph 3 VH2O = 11,2.H + 1,24.W + 1,611.V KK + 1,24.G , m tc/kg, (2-81) Thực tế hệ số không khí thừa luôn lớn hơn 1 nên thể tích khói thực tế lớn hơn thể tích khói lý thuyết do l−ợng nitơ và hơi n−ớc trong không khí tăng lên theo l−ợng không khí thừa. Thể tích nitơ thực tế: 0 0 0 3 V N2 = V N2 + 0,79.(α-1).V KK = 0,79. α.V KK, m tc/kg; (2-82) Thể tích hơi n−ớc thực tế: 0 0 VH2O = V H2O + 1,611.(α-1).V KK, lv lv ph 0 3 VH2O = 11,2.H + 1,24.W + 1,24.G + 1,611.α.V KK, m tc/kg, (2-83) Thể tích khói thực là: 3 VKhoi = VKhoi.K + VH2O = VRO2 + VN2 + VH2O, m tc/kg; (2-84) 2.3.3. Tính toán quá trình cháy nhiên liệu khí 2.3.3.1. Các ph−ơng trình phản ứng cháy nhiên liệu khí Tính toán quá trình cháy nhiên liệu khí đơn giản so với tính cháy nhiên liệu rắn và lỏng vì tất cả các thành phần tham gia phản ứng đều ở pha khí. Các ph−ơng trình phản ứng cháy gồm: * Cháy hoàn toàn: 45
44. - Cháy hyđrô: 2H2 + O2 = 2H2O (2-85a) 3 3 3 22,4 m H2 + 11,2 m O2 = 22,4 m H2O 3 3 3 1 m H2 + 0,5 m O2 = 1 m H2O (2-85b) t−ơng tự nh− vậy ta có các ph−ơng trình cháy các khí khác: 2CO + O2 = 2CO2 (2-86a) 3 3 3 1 m CO + 0,5 m O2 = 1 m CO2 (2-86b) CmHn + (m + n/4)O2 = mCO2 + (n/2) H2O, (2-87a) 3 3 3 3 1 m CmHn + (m + n/4) m O2 = m m CO2 + (n/2) m H2O; (2-87b) H2S + 3/2 O2 = SO2 + H2O, (2-88a) 3 3 3 3 1 m H2S + 1,5 m O2 = 1 m SO2 + 1 m H2O, (2-88b) * Cháy không hoàn toàn: Khi CO, H2, CH4 cháy không hoàn toàn, nghĩa là chỉ một phần các thành phần này của nhiên liệu phản ứng với ôxy để tạo thành CO2 và H2O, phần còn lại không cháy và chuyển vào sản phẩm cháy d−ới dạng tự do. Nếu kí hiệu a là các hệ số cháy hoàn toàn của từng thành phần thì ta có các công thức sau đây: - Khi cháy không hoàn toàn CO: * VO2,CO = 0,5.aCO.[CO] (2-75) * VKhoi,CO = []CO (1+1,811.a CO ) (2-76) 0* 0 VKK,CO = 4,762.VO2,CO = 2,381.a CO [CO] (2-77) 0 VKK,CO = 2,381[]CO (2-78) V 0* α* = KK,CO = a (2-79) CO4 0 CO VKK,CO - Khi cháy không hoàn toàn H2: Khi cháy không hoàn toàn H2 công thức giống nh− tr−ờng hợp cháy CO, nếu thay bằng các kí hiệu t−ơng ứng cho H2. - Cháy không hoàn toàn CH4: Một phần (a1) CH4 phản ứng với ôxy theo ph−ơng trình: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Phần khác (a2) bị phân huỷ thành muội than và hydro: CH4 = C + 2H2 Phần còn lại (1 - a1 - a2) không tham gia bất kỳ phản ứng nào mà chuyển vào sản phẩm cháy d−ới dạng tự do. Khi cháy không hoàn toàn CH4 , nếu bỏ qua phản ứng phân huỷ CH4, tức là a2 = 0 thì ta có: * VO2,CH4 = 2a1[]CH 4 (2-80) * VKhoi,CH4 = 9,524a1 [CH 4 ] (2-81) 0 VKhoiA,CH4 = []CH 4 (1+ 9,524a1 ) (2-82) 46
45. V 0* α* = KK,CH4 = a (2-83) CH4 0 1 VKK,CH4 Từ các quá trình không hoàn toàn đơn lẻ trên đây ta có thể thiết lập công thức cho tr−ờng hợp tổng quát khi đồng thời có 2, 3 hoặc nhiều thành phần cháy không hoàn toàn. Dựa vào các ph−ơng trình phản ứng này có thể tính các thể tích ôxy, sản phẩm cháy lý thuyết và thực tế khi đốt cháy hoàn toàn 1m3 khí 2.3.3.2. Thể tích ôxy lí thuyết cần thiết cho quá trình cháy Tổng tất cả l−ợng ôxy đ−ợc tính toán theo các phản ứng cháy trừ đi l−ợng ôxy có sẵn trong nhiên liệu chính là l−ợng ôxy lí thuyết cần cung cấp cho quá trình cháy: 0 3 3 VO2 = 0,5[CO] + 0,5[H2] + (m + n/4) [CmHn] + 1,5[H2S]- [O2], [m /m ]; (2-85) Trong đó: [CO], [H2], [CmHn], [H2S], [S] và [O2] là nồng độ các khí có trong nhiên liệu khí, đo bằng % thể tích. 2.3.3.3. Thể tích không khí lí thuyết cần thiết cho quá trình cháy * Không khí khô 0 0 0 3 3 VKK = (100/21). VO2 = 4,762. VO2 , [m /m ] (2-86) * Không khí ẩm Khối l−ợng hơi n−ớc chứa trong 1 kg không khí khô chính là độ chứa hơi d: .P d = 0,622 s , [kg/kg k] (2-87a) p .ps nên l−ợng hơi n−ớc [m3] chứa trong 1m3 không khí khô d’ đ−ợc tính theo: d’ = (29/18)d = 1,611 d, [m3/m3 k] (2-87b) Trong đó: ϕ - độ ẩm t−ơng đối của không khí ps - áp suất bão hoà của hơi n−ớc [Pa] ở nhiệt độ của không khí [Pa], tra theo bảng hơi n−ớc hoặc tính theo ph−ơng trình Antoin [30]: 3978,205 p = exp 23,462 (2-88) s 233,394 + t Trong đó: ps - áp suất tuyệt đối của không khí ẩm, Pa. Tiêu hao không khí ẩm: 0 0 3 3 VkkA = (1 + 1,611 d). VKK , [m /m ] (2-89) Thể tích sản phẩm cháy lí thuyết đ−ợc tính: 0 0 3 3 V=Khoi [CO]+[H2]+(m+n/2)[CmHn]+[CO2]+[H2S]+ V,N2 [m /m ], (2-90) ở đây [CO], [H2], (m+n/2)[CmHn], [CO2], [H2S] là thể tích sản phẩm cháy tạo thành 0 khi cháy các khí này, còn VN2 là thành phần của nitơ trong không khí. 0 0 VKhoi = [CO]+[H2]+(m+n/2)[CmHn]+[CO2]+[H2S]+[N2]+0,79. VKK , (2-91) 47
46. Thể tích sản phẩm cháy thực tế: 0 0 3 3 VKhoi = VKhoi + (α-1). VKK , [m /m ] (2-92) 2.3.5. Xác định hệ số không khí thừa Trong quá trình vận hành lò hơi, th−ờng phải kiểm tra các mẫu khói định kỳ để phát hiện trong khói có thành phần CO không. Nếu có CO chứng tỏ quá trình cháy xẩy ra không hoàn toàn, nhiên liệu ch−a bị oxi hóa hoàn toàn, cần thiết phải tìm nguyên nhân để khắc phục và điều chỉnh quá trình cháy. Đồng thời việc phân tích khói còn cho phép xác định hệ số không khí thừa xem có đúng tiêu chuẩn không. Nếu α nhỏ hơn tiêu chuẩn thì quá trình cháy sẽ thiếu O2 cháy không hết nhiên liệu. Nếu α lớn thì tổn thất nhiệt q2 tăng, hiệu suất của lò giảm xuống. Trong thực tế vận hành hệ số không khí thừa đ−ợc xác định bằng việc phân tích khói, từ định nghiã: V α = KK (2-93) 0 VKK V N 2 0,79.V VN V N ta có: α = KK = 2 = Khoi.K = 2 (2-94) 0,79.V 0 V 0 V 0 N 0 KK N2 N2 2 VKhoi.K L−ợng nitơ thực tế bao gồm l−ợng nitơ lý thuyết và nitơ thừa: 0 α N2 = N 2 + N 2 (2-95) α trong đó N 2 là tỷ lệ phần trăm thể tích nitơ thừa so với thể tích khói khô. Vậy: N 2 α = α (2-96) N 2 − N 2 L−ợng oxy và nitơ thừa trong khói do chính không khí thừa mang vào nên chúng sẽ tỷ lệ với nhau, nghĩa là: O2 21 α = N2 79 Thay vào công thức (2-96) ta có: N 1 α = 2 = (2-97) 79 79 O 2 N 2 − O 2 1− . 21 21 N 2 2.3.5.1. Khi cháy hoàn toàn: Khi cháy hoàn toàn trong khói chỉ còn: RO2, N2, O2 nên với khói khô ta có: RO2 + N2 + O2 = 100%, và N2 = 100 - (RO2 + O2) ,%, Từ đó ta có: 48
47. 1 α= (2-98) 79 O 1.− 2 21 100−+ (RO22 O ) 2.3.5.2. Khi cháy không hoàn toàn: Khi cháy không hoàn toàn, ngoài 3 thành phần trên trong khói còn có cả những chất còn có thể cháy đ−ợc nh−: CO, H2, CH4 . . . , khi đó khói khô gồm: RO2 + N2 + O2 + CO + H2 + CH4 + . . . = 100%, hay N2 = 100 - (RO2 + O2 + CO + H2 + CH4 + . . . ),%, (2-99) Khi trong khói chứa các khí ch−a cháy hoàn toàn thì nó có thể tiếp tục cháy nữa nên l−ợng oxy trong (2-99) không phải là l−ợng oxy thừa trong khói do không khí thừa mang vào mà phải trừ đi l−ợng oxy còn lại do ch−a cháy hết CO, H2, CH4, . . . nghĩa là: O’2 = O2 - (0,5.CO + 0,5.H2 + 2.CH4 + . . . ) Vì vậy tr−ờng hợp tổng quát ta có: 1 α = , (2-100) 79 O−+++ (0,5CO 0,5H 2CH ) 1.− 224 21 100−+++++ (RO22 O CO H 2 CH 4 ) Đối với nhiên liệu rắn hoặc lỏng ta có: 1 α= (2-101) 79 O− 0,5CO 1.− 2 21 100−++ (RO22 O CO) 2.3.6. Ph−ơng trình đặc tr−ng cho quá trình cháy Theo thành phần phân tích mẫu khói, nếu trong khói có CO thì quá trình cháy là không hoàn toàn, khi đó: 3 VKhoi.K = VRO2 + VCO + VN2 + VO2, m tc/kg; (2-102) 79 Vì: V= V dv (2-103) N2 21 O2 Trong đó: O lv V dv = V RO2 + V CO + V H2O + V − 2 O2 O2 O2 O2 O2 100.ρ O2 ở đây: VRO2 , V CO , V H2O , V là thể tích oxy cần thiết để cháy cacbon, hyđrô, l−u O2 O2 O2 O2 huỳnh và thể tích oxy thừa. V RO2 = V , V CO = 0,5V , V H2O = 5,6H lv , O2 RO2 O2 CO O2 nên : V dv = V + 0,5V + V + 5,6H lv − 0,7O lv O2 RO2 CO O2 thay vào (2-103) ta có: 79 lv lv V = (VRO + 0,5VCO + V + 5,6H − 0,7O ) , (2-104) N2 21 2 O2 49
48. Thể tích khói khô: VVVV=+++ Khoi.K RO22 CO O 79 ++++−(V 0,5V V 5,6Hlv 0,7O lv ), (2-105) 21 RO22 CO O Giải đồng thời hai ph−ơng trình (2-103) và (2-105) ta đ−ợc: RO2 (1+β) + CO(β+0,605) + O2 = 21% (2-106) Trong đó β là hệ số đặc tính nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng: H lv - 0,125O lv β = 2,37 (2-107a) Clv + 0,375Slv Đối với nhiên liệu khí: 0,01N + 0,79V 0 β = 0,21 2 KK − 0,79 , (2-107b) V RO2 Từ đó ta thấy hệ số đặc tr−ng β chỉ phụ thuộc vào các thành phần cháy đ−ợc của nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn, lỏng và khí thiên nhiên thì β luôn có giá trị 0 1 thì sẽ có O2 thừa nên max l−ợng RO2 trong khói sẽ nhỏ hơn trị số RO2 do đó phải phấn đấu điều chỉnh sao cho max RO2 tiến tới RO2 nhằm cho α đạt giá trị nhỏ nhất. Từ công thức (2-97) ta có hệ số không khí thừa: 50
49. 1 1 α = = 79 O 79 O 1− . 2 1− . 2 21 N 2 21 []100 − ()RO 2 + O 2 mà theo (2-108) thì: RO2 + O2 = 21 - β.RO2, do đó: 21 21 α = = 79.O 79.O 21 − 2 21 − 2 100 − ()21 − βRO 2 79 + βRO 2 coi gần đúng: 79 + β.RO2 = 79, ta có: 21 α = 21− O 2 thay trị số 21 - O2 bởi RO2(1+ β), ta đ−ợc: 21 RO max α = = 2 (2-112) ()1+ β RO 2 RO 2 2.3.7. Công thức thực nghiệm tính toán quá trình cháy Trong tr−ờng hợp không biết thành phần của nhiên liệu, ta có thể tính thể tích không khí và thể tích sản phẩm cháy lý thuyết qua nhiệt trị Qt theo các công thức gần đúng của Rosin và Fehling cho trong bảng 1.8. 3 Đối với nhiên liệu có nhiệt trị Qt nằm trong khoảng 13 ữ 17 MJ/m không thể sử dụng các công thức gần đúng này. Khi đó có thể tính t−ơng đối theo tỷ lệ cứ mỗi 1 MJ cần 1m3 không khí. Trong thực tế có ít loại khí đốt nằm trong khoảng này. Bảng 1.8. Công thức gần đúng của Rosin và Fehling 0 0 Loại nhiên liệu V kk V k Đơn vị 3 Rắn 0,2416 Qt + 0,5 0,2129 Qt + 1,65 m /kg 3 Lỏng O,2033 Qt + 2,0 0,2656 Qt m/kg Khí nhiệt trị thấp Q t 0,2093 Q 0,1734 Q + 1,0 m3/m3 t 0,2608 Q – 0,25 0,2727 Q + 0,25 m3/m3 17 MJ/m3 t t 3 Qt đ−ợc tính bằng MJ/kg đối với nhiên liệu rắn và lỏng, MJ/m đối với nhiên liệu khí. 2.3.8. Nhiệt độ đọng s−ơng Nhiệt độ đọng s−ơng là nhiệt độ bão hoà ứng với phân áp suất của hơi thành phần chứa trong hỗn hợp khí. Trong sản phẩm cháy của các thiết bị thực tế có hai loại hơi có thể ng−ng tụ đó là hơi n−ớc và hơi H2SO4, khi ng−ng tụ chúng đều làm tăng khả năng ăn mòn đ−ợc gọi 51