by
Phần này giải thích các nguyên tắc của sự đốt cháy, cách đánh giá hoạt động của nhiên liệu thông qua phép tính hợp thức mức khí yêu cầu, khái niệm của khí dư, và hệ thống khí thải.
3.1 Các nguyên lý của quá trình cháy
3.1.1 Quá trình đốt cháy
Quá trình cháy là sự oxy hoá nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh sáng. Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn tất chỉ khi được cấp một lượng thích hợp oxy.
Oxy (O2) là một trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới 20.9% trong không khí. Oxy hoá nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn. Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hoá thành khí trước khi cháy. Thông thường, để chuyển hoá chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt. Khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ không khí.
Phần lớn trong số 79% không khí (không phải là oxy) là nitơ cùng với một ít các thành phần khác. Nitơ được xem là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạt được lượng oxy cần cho quá trình cháy.
Nitơ làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy và pha loãng khí lò.
Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt. Nó còn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sản phẩm này đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn để nhường chỗ cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung.
Nitơ có thể kết hợp với O2 (nhất là ở nhiệt độ cháy cao) để tạo ra NOx, là chất gây ô nhiễm rất độc. Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu kết hợp với oxy trong không khí tạo thành CO2, hơi nước và SO2, giải phóng 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal nhiệt. Trong các điều kiện đặc biệt, cacbon còn có thể kết hợp với oxy để tạo ra CO, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon). Cacbon cháy trong CO2 sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi CO hoặc khói tạo ra.
C + O2 → CO2 + 8.084kcal/kg Cacbon
2C + O2 → 2CO + 2.430 kcal/kg Cacbon
2H2 + O2 → 2H2O + 28.922 kcal/kg Hydro
S + O2 → SO2 + 2.224 kcal/kg lưu huỳnh
Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt (8084 – 2430).
3.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy
Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng toàn bộ nhiệt trong nhiên liệu. Có thể đạt được điều này thông qua việc kiểm soát “3 T” của quá trình đốt cháy, đó là (1) Nhiệt độ (temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (turbulence) nhiên liệu và oxy, and (3) Thời gian (time), phải đủ để hoàn tất quá trình đốt cháy.
Nhiên liệu được sử dụng phổ biến như khí tự nhiên và prôban thường bao gồm cacbon và hydro. Hơi nước là sản phẩm phụ của việc đốt cháy hydro. Hơi nước làm mất nhiệt ở khí lò, phần nhiệt này lẽ ra phải dùng để trao đổi nhiệt.
Mỗi kg khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít Cacbon hơn dầu nhiên liệu, nó tạo ra nhiều hơi nước hơn. Hậu quả là, lượng nhiệt bị mất đi trong đốt cháy khí tự nhiên sẽ nhiều hơn.
Nhiên liệu quá nhiều, hoặc quá ít với lượng không khí đốt cháy sẵn có có khả năng dẫn tới việc nhiên liệu cháy không hết hoặc sinh ra CO. Để có được quá trình đốt cháy hoàn hảo, cần thêm một lượng O2 nhất định và một lượng khí dư để hoàn tất quá trình đốt. Tuy nhiên, nhiều khí dư quá sẽ gây tổn thất nhiệt và giảm hiệu suất.
Không phải tất cả các loại nhiên liệu đều được chuyển thành nhiệt và được thiết bị tạo hơi hấp thụ. Thông thường tất cả Hydro trong nhiên liệu đều được đốt cháy và phần lớn nhiên liệu của lò hơi đều đạt mức tiêu chuẩn ô nhiễm khí cho phép, chứa ít hoặc không chứa lưu huỳnh. Vì vậy thách thức lớn nhất với hiệu suất cháy là các bon không cháy hết (trong tro xỉ hoặc gas cháy chưa hết), tạo thành CO thay vì CO2.
3.2 Tính toán hợp thức nhu cầu không khí
3.2.1 Tính toán hợp thức nhu cầu không khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt
Quá trình đốt cháy cần không khí. Khối lượng không khí cần thiết được tính theo phương pháp dưới đây.
Bước đầu tiên là xác định thành phần của dầu đốt. Các thông số dầu đốt điển hình rút ra từ các phân tích trong phòng thí nghiệm cho trong bảng dưới đây:
Nếu chúng ta sử dụng những số liệu phân tích này và xem xét 100 kg dầu đốt, sẽ có các phản
ứng hoá học như sau:
Thành phần nhiên liệu
C + O2 → CO2
12 + 32 → 44
12 kg C cần 32 kg O2 để tạo ra 44 kg CO2, vì vậy 1 kg C cần 32/12 kg, tương đương 2,67 kg O2.
(85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 → 315,25 CO2
2H2 + O2 → 2H2O
4 + 32 → 36
4 kg H2 cần 32 kg O2 để tạo ra 36 kg nước, do đó, 1 kg H2 cần 32/4 kg tương đương 8 kg O2
(12) H2 + (12 x 8) O2 → (12 x 9 ) H2O
S + O2 → SO2
32 + 32 → 64
32 kg S cần 32 kg O2 để tạo ra 64 kg SO2, vì vậy, 1kg S cần 32/32 kg, tức là 1kg O2
(0,5) S + (0,5 x 1) O2 → 1,0 SO2
Tổng cộng lượng O2 cần = 325,57 kg
(229,07+96+0,5)
O2 có trong 100 kg nhiên liệu (đưa ra) = 0,7 kg
Lượng O2 cần thêm = 325,57 – 0,7= 324,87 kg
Từ đó, lượng không khí khô cần = (324,87) / 0,23(không khí chưa 23% O2, theo trọng lượng )
3.2.3 Tính toán thành phần khí lò với khí dư
Bây giờ chúng ta đã biết lượng không khí cần dùng và nồng độ CO2 trong khói lò trên lý thuyết. Bước tiếp theo là đo % CO2 thực sự có trong khói lò. Trong phép tính dưới đây, người ta giả định là nồng độ CO2 đo được trong khói lò là 10%.
Khối lượng khí dư (thực tế – lý thuyết) = 2189,30 – 1412,45 = 776,85
3.2.4 Tính toán % CO2 trên lý thuyết trong khói lò theo thể tích
Bây giờ chúng ta đã có thành phần theo khối lượng, chúng ta có thể tính toán các thành phần này dựa trên thể tích như sau:
Mol của CO2 trong khí lò = 314,97 / 44 = 7,16
Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016
Mol của O2 trong khí lò = 178,68 / 32 = 5,58
Mol của N2 trong khí lò = 1685,75 / 28 = 60,20
% CO2 trên lý thuyết theo thể tích = (Moles of CO2 x 100) / Total moles (dry)
= (7,16 x 100) / (7,16 + 0,016 + 5,58 + 60,20) = 10%
% O2 trên lý thuyết theo thể tích = (5,58 x 100) / 72,956 = 7,5%
3.3 Khái niệm về khí dư
Để quá trình đốt cháy tối ưu, khối lượng không khí cháy thực tế phải cao hơn mức yêu cầu trên lý thuyết. Khí lò chứa một phần khí trong sạch là khí được đun nóng đến nhiệt độ khí lò và thoát ra khỏi lò hơi mà không có khói. Phân tích hoá học khí dư là một phương pháp mục tiêu giúp kiểm soát được khí ở mức độ sạch hơn. Bằng cách đo lượng CO2 or O2 in trong khí lò (bằng các thiết bị đo liên tục, thiết bị Orsat hoặc một số thiết bị khác phù hợp rẻ tiền hơn).
3.1 Các nguyên lý của quá trình cháy
3.1.1 Quá trình đốt cháy
Quá trình cháy là sự oxy hoá nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh sáng. Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn tất chỉ khi được cấp một lượng thích hợp oxy.
Oxy (O2) là một trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới 20.9% trong không khí. Oxy hoá nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn. Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hoá thành khí trước khi cháy. Thông thường, để chuyển hoá chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt. Khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ không khí.
Phần lớn trong số 79% không khí (không phải là oxy) là nitơ cùng với một ít các thành phần khác. Nitơ được xem là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạt được lượng oxy cần cho quá trình cháy.
Nitơ làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy và pha loãng khí lò.
Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt. Nó còn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sản phẩm này đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn để nhường chỗ cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung.
Nitơ có thể kết hợp với O2 (nhất là ở nhiệt độ cháy cao) để tạo ra NOx, là chất gây ô nhiễm rất độc. Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu kết hợp với oxy trong không khí tạo thành CO2, hơi nước và SO2, giải phóng 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal nhiệt. Trong các điều kiện đặc biệt, cacbon còn có thể kết hợp với oxy để tạo ra CO, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon). Cacbon cháy trong CO2 sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi CO hoặc khói tạo ra.
C + O2 → CO2 + 8.084kcal/kg Cacbon
2C + O2 → 2CO + 2.430 kcal/kg Cacbon
2H2 + O2 → 2H2O + 28.922 kcal/kg Hydro
S + O2 → SO2 + 2.224 kcal/kg lưu huỳnh
Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt (8084 – 2430).
3.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy
Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng toàn bộ nhiệt trong nhiên liệu. Có thể đạt được điều này thông qua việc kiểm soát “3 T” của quá trình đốt cháy, đó là (1) Nhiệt độ (temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (turbulence) nhiên liệu và oxy, and (3) Thời gian (time), phải đủ để hoàn tất quá trình đốt cháy.
Nhiên liệu được sử dụng phổ biến như khí tự nhiên và prôban thường bao gồm cacbon và hydro. Hơi nước là sản phẩm phụ của việc đốt cháy hydro. Hơi nước làm mất nhiệt ở khí lò, phần nhiệt này lẽ ra phải dùng để trao đổi nhiệt.
Mỗi kg khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít Cacbon hơn dầu nhiên liệu, nó tạo ra nhiều hơi nước hơn. Hậu quả là, lượng nhiệt bị mất đi trong đốt cháy khí tự nhiên sẽ nhiều hơn.
Nhiên liệu quá nhiều, hoặc quá ít với lượng không khí đốt cháy sẵn có có khả năng dẫn tới việc nhiên liệu cháy không hết hoặc sinh ra CO. Để có được quá trình đốt cháy hoàn hảo, cần thêm một lượng O2 nhất định và một lượng khí dư để hoàn tất quá trình đốt. Tuy nhiên, nhiều khí dư quá sẽ gây tổn thất nhiệt và giảm hiệu suất.
Không phải tất cả các loại nhiên liệu đều được chuyển thành nhiệt và được thiết bị tạo hơi hấp thụ. Thông thường tất cả Hydro trong nhiên liệu đều được đốt cháy và phần lớn nhiên liệu của lò hơi đều đạt mức tiêu chuẩn ô nhiễm khí cho phép, chứa ít hoặc không chứa lưu huỳnh. Vì vậy thách thức lớn nhất với hiệu suất cháy là các bon không cháy hết (trong tro xỉ hoặc gas cháy chưa hết), tạo thành CO thay vì CO2.
Quá trình đốt cháy hoàn hảo, tốt và không hoàn tất(Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, 2004)
3.2 Tính toán hợp thức nhu cầu không khí
3.2.1 Tính toán hợp thức nhu cầu không khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt
Quá trình đốt cháy cần không khí. Khối lượng không khí cần thiết được tính theo phương pháp dưới đây.
Bước đầu tiên là xác định thành phần của dầu đốt. Các thông số dầu đốt điển hình rút ra từ các phân tích trong phòng thí nghiệm cho trong bảng dưới đây:
| Thành phần | % khối lượng |
| Cacbon | 85,9 |
| Hydro | 12 |
| Oxy | 0,7 |
| Nitơ | 0,5 |
| Lưu huỳnh | 0,5 |
| H2O | 0,35 |
| Tro xỉ | 0,05 |
| GCV nhiên liệu | 10880 kcal/kg |
ứng hoá học như sau:
| Yếu tố | Khối lượng phân tử (kg/kg mole) |
| C | 12 |
| O2 | 32 |
| H2 | 2 |
| S | 32 |
| N2 | 28 |
| CO2 | 44 |
| SO2 | 64 |
| H2O | 18 |
Thành phần nhiên liệu
C + O2 → CO2
12 + 32 → 44
12 kg C cần 32 kg O2 để tạo ra 44 kg CO2, vì vậy 1 kg C cần 32/12 kg, tương đương 2,67 kg O2.
(85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 → 315,25 CO2
2H2 + O2 → 2H2O
4 + 32 → 36
4 kg H2 cần 32 kg O2 để tạo ra 36 kg nước, do đó, 1 kg H2 cần 32/4 kg tương đương 8 kg O2
(12) H2 + (12 x 8) O2 → (12 x 9 ) H2O
S + O2 → SO2
32 + 32 → 64
32 kg S cần 32 kg O2 để tạo ra 64 kg SO2, vì vậy, 1kg S cần 32/32 kg, tức là 1kg O2
(0,5) S + (0,5 x 1) O2 → 1,0 SO2
Tổng cộng lượng O2 cần = 325,57 kg
(229,07+96+0,5)
O2 có trong 100 kg nhiên liệu (đưa ra) = 0,7 kg
Lượng O2 cần thêm = 325,57 – 0,7= 324,87 kg
Từ đó, lượng không khí khô cần = (324,87) / 0,23(không khí chưa 23% O2, theo trọng lượng )
= 1412,45 kg không khí
Lượng không khí cần trên lý thuyết = (1412,45) / 100= 14,12 kg không khí / kg nhiên liệu
Vì vậy, trong ví dụ này, mỗi kg dầu đốt cần 14,12 kg không khí.
Vì vậy, trong ví dụ này, mỗi kg dầu đốt cần 14,12 kg không khí.
3.2.2 Tính toán nồng độ CO2 trên lý thuyết trong khí lòCần tính nồng độ CO2 trong khói lò để sử dụng số liệu này trong tính toán mức khí dư trong khói lò. Để quá trình cháy của dầu đốt hoàn tất, cần sử dụng một lượng khí dư nhất định. Tuy nhiên nếu nhiều khí dư quá sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt và nếu ít khí dư quá thì quá trình cháy sẽ không hoàn tất. Lượng CO2 trong khói lò có thể được tính toán như sau:
Nitơ trong khói lò = 1412,45 – 324,87 = 1087,58 kg
Trên lý thuyết, % CO2 trong khói lò khô theo thể tích có thể được tính như sau:
Mol của CO2 trong khí lò = (314,97) / 44 = 7,16
Mol của N2 trong khí lò = (1087,58) / 28 = 38,84
Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016
%CO2 theo thể tích trên lý thuyết = (Mol của CO2 x 100) / Tổng số mol (Khô)
= (7,16 x 100) / (7,16 + 38,84 + 0,016) = 15,5%
Nitơ trong khói lò = 1412,45 – 324,87 = 1087,58 kg
Trên lý thuyết, % CO2 trong khói lò khô theo thể tích có thể được tính như sau:
Mol của CO2 trong khí lò = (314,97) / 44 = 7,16
Mol của N2 trong khí lò = (1087,58) / 28 = 38,84
Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016
%CO2 theo thể tích trên lý thuyết = (Mol của CO2 x 100) / Tổng số mol (Khô)
= (7,16 x 100) / (7,16 + 38,84 + 0,016) = 15,5%
3.2.3 Tính toán thành phần khí lò với khí dư
% Khí dư = [( %CO2 trên lý thuyết/CO2 thực tế) – 1] x 100 = [(15,5/10 – 1)] x 100 = 55%
Khối lượng không khí cần thiết để đốt cháy 100kg nhiên liệu trên lý thuyết = 1412,45 kg
Tổng khối lượng không khí cần thiết với 55% khí dư = 1412,45 x 1,55 = 2189,30 kg
Khối lượng không khí cần thiết để đốt cháy 100kg nhiên liệu trên lý thuyết = 1412,45 kg
Tổng khối lượng không khí cần thiết với 55% khí dư = 1412,45 x 1,55 = 2189,30 kg
Khối lượng khí dư (thực tế – lý thuyết) = 2189,30 – 1412,45 = 776,85
O2 (23%) = 776,85 x 0,23 = 178,68 kg
N2 (77%) = 776,85 – 178,68 = 598,17 kg
Thành phần cuối cùng của khí lò với 55% khí dư trên 100 kg nhiên liệu như sau:
CO2 = 314,97 kg
H2O = 108,00 kg
SO2 = 1 kg
O2 = 178,68 kg
N2 = 1685,75 kg (= 1087,58 trong không khí + 598,17 trong khí dư)
N2 (77%) = 776,85 – 178,68 = 598,17 kg
Thành phần cuối cùng của khí lò với 55% khí dư trên 100 kg nhiên liệu như sau:
CO2 = 314,97 kg
H2O = 108,00 kg
SO2 = 1 kg
O2 = 178,68 kg
N2 = 1685,75 kg (= 1087,58 trong không khí + 598,17 trong khí dư)
3.2.4 Tính toán % CO2 trên lý thuyết trong khói lò theo thể tích
Bây giờ chúng ta đã có thành phần theo khối lượng, chúng ta có thể tính toán các thành phần này dựa trên thể tích như sau:
Mol của CO2 trong khí lò = 314,97 / 44 = 7,16
Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016
Mol của O2 trong khí lò = 178,68 / 32 = 5,58
Mol của N2 trong khí lò = 1685,75 / 28 = 60,20
% CO2 trên lý thuyết theo thể tích = (Moles of CO2 x 100) / Total moles (dry)
= (7,16 x 100) / (7,16 + 0,016 + 5,58 + 60,20) = 10%
% O2 trên lý thuyết theo thể tích = (5,58 x 100) / 72,956 = 7,5%
3.3 Khái niệm về khí dư
Để quá trình đốt cháy tối ưu, khối lượng không khí cháy thực tế phải cao hơn mức yêu cầu trên lý thuyết. Khí lò chứa một phần khí trong sạch là khí được đun nóng đến nhiệt độ khí lò và thoát ra khỏi lò hơi mà không có khói. Phân tích hoá học khí dư là một phương pháp mục tiêu giúp kiểm soát được khí ở mức độ sạch hơn. Bằng cách đo lượng CO2 or O2 in trong khí lò (bằng các thiết bị đo liên tục, thiết bị Orsat hoặc một số thiết bị khác phù hợp rẻ tiền hơn).
Có thể ước tính mức độ khí dư và tổn thất khói lò. Khí dư cấp phụ thuộc vào loại nhiên liệu và hệ thống đốt. Một cách nhanh hơn để tính khí dư là sử dụng hình 2 và 3, cho thấy % CO2 hoặc O2 trong khói lò.
Mối liên quan giữa CO2 & Khí dư(Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, 2004)
Mối liên quan giữa oxy dư và khí dư(Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, 2004)
Để quá trình cháy của dầu nhiên liệu được tối ưu, lượng CO2 hoặc O2 trong khói lò nên duy trì ở mức sau:
CO2 = 14,5–15 %
O2 = 2–3 %
3.4 Hệ thống thông gió
Chức năng của gió trong hệ thống cháy là thải những sản phẩm của quá trình cháy, như các khí lò, vào không khí. Có thể phân thành hai loại gió là gió cơ học và gió tự nhiên.
3.4.1 Thông gió tự nhiên
Gió tự nhiên là gió do ống khói tự sinh ra. Gió được sinh ra bởi sự chênh lệch khối lượng giữa cột khí nóng bên trong và cột khí bên ngoài ở cùng độ cao và mặt cắt ngang. Do nhẹ hơn nhiều so với không khí bên ngoài, khí lò trong ống khói sẽ dâng lên, không khí bên ngoài nặng hơn sẽ tràn vào chiếm chỗ. Gió này thường được điều chỉnh bằng các van điều tiết vận hành bằng tay trong ống khói và khoá phần tiếp xúc giữa lò hơi và ống khói. Tại đây không sử dụng quạt hoặc máy thổi. Sản phẩm của quá trình cháy được thải ra ở độ cao đó và nó không gây ảnh hưởng đến các yếu tố xung quanh.
3.4.2 Thông gió cơ học
Gió cơ học là gió do quạt tạo ra. Có các loại gió như sau:
- Thông gió cân bằng: Quạt đẩy cưỡng bức (F-D) thổi khí vào lò và một quạt hút (I-D) sẽ hút khí vào ống khói và cung cấp gió để loại bỏ khí ra khỏi lò. Ở đây áp suất được duy trì trong khoảng từ 0,05 đến 0,10 in. cột nước thấp hơn áp suất khí quyển đối với lò hơi và hơi dương đối với lò xử lý nhiệt và gia nhiệt.
- Thông gió hút: Một quạt hút sẽ hút gió cho lưu lượng trong lò, giúp sản phẩm của quá trình cháy thải ra khí quyển. Ở đây lò được giữ ở mức áp suất hơi âm sao cho khí từ quá trình cháy lưu thông trong hệ thống.
- Thông gió cưỡng bức: Hệ thống gió cưỡng bức sử dụng quạt để đưa không khí vào lò, buộc các sản phẩm của quá trình cháy chảy vào bộ phận này và vào ống khói.
Nguồn bài viết: Chương trình môi trường liên hợp quốc (năm 2006) UNEP -
Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á
0 comments: