Tài liệu Nhiên liệu dầu khí pptx

Nhiên liệu dầu khí






NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007. 120 tr.

Từ khoá: nhiên liệu dầu khí, tính chất của nhiên liệu, cháy hợp thức, cháy không
hoàn toàn, năng suất tỏa nhiệt, nhiên liệu, sản xuất nhiên liệu, lọc dầu, dầu mỏ, than
đá, cát bitum, nham phiến, dầu mỏ, khí thiên nhiên, dầu madút, xăng động cơ, nhiên
liệu khí, phân tích nhiên liệu, nhiệt trị, sự cháy, cơ sở vật lý của sự cháy, cơ sở hóa
học của sự cháy, động học của sự cháy, tự b
ốc cháy, sự nổ, ngọn lửa.
Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho
mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in
ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và
tác giả.


Mục lục

MỞ ĐẦU 4
Chương 1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU 5
1.1 Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu 5
1.2 Giới hạn nổ của nhiên liệu 7
1.3 Tốc độ truyền lửa 9
1.4 Nhiệt độ ngọn lửa 11
1.5 Sự cháy hợp thức và sự cháy không hoàn toàn 12
1.5.1 Sự cháy hợp thức (Sự cháy hoàn toàn) 12
1.5.2 Sự cháy của các ankan 13
1.5.3 Sự cháy không hoàn toàn 15
1.6 Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa 18
1.7 Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị) 18
1.7.1 Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thô 18
1.7.2 Tính toán nhiệt trị 19
1.8 Cường độ nhiệt 20
Nhiên liệu dầu khí


Hoa Hữu Thu

Chương 2 SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU 23
2.1 Sản xuất nhiên liệu từ dầu mỏ 23
2.2 Sản xuất nhiên liệu từ lọc dầu 27
2.3 Sản xuất nhiên liệu từ cát bitum (Bituminous Sands) 31
2.4 Sản xuất nhiên liệu từ dầu nham phiến 32
2.5 Sản xuất nhiên liệu từ dầu than đá 33
Chương 3 CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN NHIÊN 35
3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút) 35
3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt 35

3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu 36
3.1.3 Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO) 37
3.2 Xăng động cơ 37
3.2.1 Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit) 38
3.2.2 Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô 39
3.2.3 Xăng crackinh và xăng refominh 40
3.3 Nhiên liệu điezen (DO) 51
3.4 Nhiên liệu khí 56
Chương 4 PHÂN TÍCH NHIÊN LIỆU 64
4.1 Những vấn đề chung 64
4.2 Xác định nhiệt trị 66
Chương 5 71
Cơ sở vật lí và hóa học của sự cháy 71
5.1 Vài nét khái quát về sự cháy 71
5.2 Nhiệt động học và động học của sự cháy 74
5.2.1 Cơ sở nhiệt động học của sự cháy 74
5.2.2 Cơ sở động học của sự cháy 78
5.3 Sự tự bốc cháy. Sự nổ 83
5.3.1 Xác định nhiệt độ tự bốc cháy 86
5.3.2 Giới hạn cho sự tự bốc cháy 90
5.4 Sự phát quang hoá học và ion hoá hóa học 94
5.4.1 Sự phát quang hóa học 95
5.4.2 Ion hoá hóa học 97
Chương 6 ỨNG DỤNG CỦA NGỌN LỬA 100
6.1 Sự tạo thành các hạt cacbon trong ngọn lửa 100
6.2 Sản xuất axit xianhiđric bằng sự đốt cháy 101
6.3 Sự tạo thành nitơ oxit trong ngọn lửa 102
6.4 Sản xuất năng lượng 104
6.4.1 Đốt cháy công nghiệp và dân dụng 104
6.4.2 Sản xuất công cơ học và đẩy 105

6.4.3 Vấn đề an toàn sự cháy 106
Chương 7 PHỤ GIA NHIÊN LIỆU 107
7.1 Phân loại các loại phụ gia nhiên liệu 107
7.1.1 Các phụ gia tẩy rửa và chống đông đặc 107
7.1.2 Chất phụ gia tăng cường độ chảy rót 107
7.1.3 Các phụ gia kìm hãm oxi hoá, ăn mòn và lão hóa 107
7.1.4 Phụ gia khống chế phát thải, khói và giúp đỡ sự cháy 108
7.1.5 Các phụ gia chống kích nổ 108

7.1.6 Các phụ gia chống tích điện, diệt khuẩn, màu và phụ gia nhũ hoá 108
7.2 Phụ gia cho xăng 108
7.3 Nhiên liệu sạch 109
PHỤ LỤC 1 112
PHỤ LỤC 2 114

4
MỞ ĐẦU
Nhiên liệu là những vật liệu có khả năng cung cấp nhiệt lượng. Các vật liệu này có thể
là cây, cỏ trên lớp vỏ Trái Đất, nhiên liệu hoá thạch trong lớp vỏ Trái Đất hay được sản
xuất ra từ các ngành công nghiệp khác nhau. Trước khi bước vào kỉ nguyên công nghiệp,
nhiên liệu chủ yếu sử dụng cho các mục đích dân dụng như: sưởi ấm, thắp sáng, nấu
nướng. Khi nền công nghiệp thế giới phát triển, việc sử dụng nhiên liệu đã thay đổi hoàn
toàn mặc dù tỉ lệ sử dụng cho các mục đích dân dụng vẫn cao và nhu cầu về nhiên liệu cho
công nghiệp ngày càng tăng lên. Ngày nay, năng lượng nguyên tử được sử dụng rộng rãi,
song vai trò của các nhiên liệu đã nói ở trên vẫn rất quan trọng trong đời sống nhân sinh và
hoạt động sản xuất công nghiệp. Trong tự nhiên, nhiên liệu tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng
và rắn.
Nhiên liệu khí gồm: khí thiên nhiên; khí được sản xuất từ công nghiệp như: khí than,
khí cốc, khí tổng hợp, khí than ướt, khí lò, khí metan từ bùn ao và từ sinh khối, khí hóa
lỏng (LPG).

Nhiên liệu lỏng gồm: dầu mỏ, các phân đoạn dầu đã được tinh luyện, xăng động cơ
các loại, nhiên liệu điezen (DO), dầu nhiên liệu (FO), các phân đoạn chưng cất lỏng thu
được từ cát dầu, đá dầu,
Nhiên liệu rắn gồm: thực vật phế thải, gỗ và than gỗ, than ở các dạng khác nhau như:
than bùn, than nâu, than bitum, than bán bitum, than antraxit, cốc,
Trong tài liệu này đề cập đến các nhiên liệu thu được từ dầu mỏ và khí thiên nhiên. Đó
là khí thiên nhiên, khí hoá lỏng (LPG), nhiên liệu cho động cơ xăng, nhiên liệu cho máy
bay cánh quạt, nhiên liệu cho máy bay phản lực, dầu hoả, nhiên liệu cho động cơ điezen
(DO), nhiên liệu cho đốt lò (FO). Đây là những nhiên liệu không thể thiếu trong đời sống
và hoạt động sản xuất của đất nước đang trên đường hiện đại hoá.
Trong tài liệu này cũng đề cập tới cơ sở vật lí và hóa học của sự cháy - một tính chất
đặc trưng của nhiên liệu - đây là một lĩnh vực phức tạp liên quan tới nhiều khoa học khác
nhau. Vì thế, việc đi sâu vào các lĩnh vực này vượt ra khỏi khuôn khổ nội dung của tài liệu.
Ngoài ra tài liệ
u cũng giới thiệu một số ứng dụng của ngọn lửa trong công nghiệp và các
phụ gia cho nhiên liệu. Tổng hợp nội dung của tài liệu nhằm cung cấp những kiến thức cơ
bản nhất về nhiên liệu cho các sinh viên trong chuyên ngành hóa học dầu mỏ.

5
Chương 1
NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN
LIỆU
Trước khi nghiên cứu các nhiên liệu dầu khí và các tính chất của chúng, chúng ta hãy
nghiên cứu những tính chất cơ bản chung của các loại nhiên liệu. Về mặt kinh tế, việc lựa
chọn nhiên liệu cho một mục đích công nghiệp hay một mục đích nào đó phụ thuộc rất
nhiều vào nguồn nhiên liệu, hay sự phổ dụng của nhiên liệu ở khu vực phát triển công
nghiệp cũng là một yếu tố quy
ết định.
1.1 Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu
Nhiệt độ của nhiên liệu cần phải được nâng lên đến khi xảy ra sự cháy được gọi là

nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu. Nhiệt độ bốc cháy là đặc trưng cho mỗi loại nhiên liệu.
Nhiệt độ bốc cháy của các nhiên liệu có thể xác định được nhưng phải hết sức cẩn thận, vì
nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu không những phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu mà
còn phụ thuộc vào môi trường trong đó tiến hành xác định nhiệt độ bốc cháy của nhiên
liệu. Nhiệt độ bốc cháy của các nhiên liệu rắn và lỏng rất khó xác định được chính xác vì
chúng phụ thuộc vào các điều kiện trong đó nhiên liệu được đốt nóng.
Với các nhiên liệu khí và hơi, nhiệt độ bốc cháy của chúng cũng là nhiệt độ tự bốc
cháy và phụ thuộc vào điều kiện của các phương tiện được sử dụng để xác định nhiệt độ
bốc cháy. Dù vậy, các giá trị nhiệt độ bốc cháy này vẫn chính xác hơn nhiều so với các
nhiên liệu rắn. Có bốn phương pháp thường được sử dụng để xác định nhiệt độ bốc cháy
của nhiên liệu lỏng và khí.
1. Nhỏ một giọt nhiên liệu lỏng vào một chén nung được đốt nóng có điều khiển
(phương pháp Moore - Holm).
2. Nén đoạn nhiệt đến bốc cháy (phương pháp Dixon - Tizard).
3. Phương pháp cho nổ trong một bình được đốt nóng và hút chân không (phương
pháp Mallard và Le Chatelier).
4. Phương pháp ống đồng tâm (phương pháp Dixon và Coward).
Dùng các phương pháp này để xác định nhiệt độ bốc cháy của hiđrocacbon thì kết quả
khác nhau đáng kể. Theo phương pháp 3, các giá trị về nhiệt độ bốc cháy trong không khí
khi dùng hỗn hợp hợp thức đối với metan là 600°C, pentan là 510°C, octan là 250°C,
benzen là 700°C, xiclohexan là 510°C, propan là 493°C. Trong quyển oxi các giá trị thu
được sẽ thấp hơn. Ví dụ minh hoạ được cho trong bảng 1.

6

Bảng 1.
Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu và khí
Nhiên liệu Trong không khí Trong quyển oxi
Metan 580 506
Etan 472 432

n-Pentan 218 208
Toluen 552 516
Xăng (OC73) 300 290
Dầu điezen (chỉ số xetan 60) 247 242
Hiđrosunfua 292 220
Hình 1 trình bày mối liên quan giữa áp suất và nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu
hiđrocacbon. Ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, một số khí có nhiệt độ tự bốc cháy ở
trong vùng B. Nhưng ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, các khí đơn giản như: CH
4
,
C
2
H
4
, có nhiệt độ tự bốc cháy giảm đi khi áp suất tăng (đường C). Với các hiđrocacbon
lớn hơn C
3
thì tồn tại một vùng nhiệt độ tương đối thấp (từ 300°C đến 400°C, vùng A) mà
trong vùng này sự cháy cho hiện tượng “ngọn lửa lạnh”. Nhưng từ trên 400°C, sự cháy có
thể xảy ra hoàn toàn và nhiệt độ bốc cháy lại biến đổi theo đường cong C.

Hình 1.
Ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt độ bốc cháy của khí và hơi
Đối với các nhiên liệu dùng cho động cơ điezen, việc xác định nhiệt độ bốc cháy của
chúng được tiến hành trong các động cơ chuẩn ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất
định theo phương pháp của Foord. Theo phương pháp này, người ta có thể đo được chính
xác thời gian trễ giữa thời điểm tiêm nhiên liệu vào động cơ và thời gian xảy ra sự cháy.
Thông thường, nhiệt độ tiêu chuẩn ban đầu được lấy là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó nhiên
liệu sau một thời gian phân hủy sẽ bùng cháy, thời gian này có thể tới hàng giây. Như vậy
thời gian trễ cháy là quan trọng. Đương nhiên thời gian này có thể rút ngắn bằng cách nâng

nhiệt độ và sẽ không lớn hơn 1/5 ÷ 2/5 giây đối với động cơ điezen tốc độ cao.

7
Từ các đường cong thực nghiệm, Foord đã rút ra thời gian phân hủy và nhiệt độ bốc cháy
(trong không khí) của một số nhiên liệu như sau:
Thời gian (giây) 3 2 1 1/2
Gazoin (chủ yếu là parafin)
340°C 350°C 375°C 500°C
Dầu điezen (chủ yếu là naphten)
390°C 412°C 450°C 575°C
Creosote
485°C 505°C 533°C 620°C
Đối với các nhiên liệu khí, nhiệt độ bốc cháy của chúng thay đổi theo nồng độ nhưng
trong các khoảng tỉ lệ hợp thức, nhiệt độ bốc cháy của chúng thay đổi không nhiều. Khi
xác định nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu khí, phương pháp thứ 4 được sử dụng thích
hợp với dòng hơi nước đốt nóng sơ bộ khí, không khí hoặc oxi. Các giá trị về khoảng
nhiệt độ bốc cháy của mộ
t số khí đơn giản được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2.
Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu khí ở áp suất thường
Khí Trong không khí Trong khí quyển oxi
Hiđro 580 - 590 580 - 590
CO 637 - 658 644 - 658
Metan 556 - 700 650 - 750
Etan 520 - 630 520 - 630
Etilen 500 - 519 542 - 547
Axetilen 400 - 440 406 - 440
Như vậy, đối với các khí đơn giản như hiđro, CO sự thay đổi nhiệt độ bốc cháy là
nhỏ; đối với các hiđrocacbon khí nhiệt độ bốc cháy có thể chênh lệch đến trên 100°C.
Hơn nữa, với một số nhiên liệu, nhiệt độ bốc cháy trong oxi và trong không khí là

tương tự nhau; trong khi đó với một số nhiên liệu khác giá trị này lại khác nhau rất
nhiều.
1.2 Giới hạn nổ của nhiên liệu
Các nhiên liệu khí hay hơi có khả năng cháy trong không khí hay trong oxi chỉ trong
các giới hạn về nồng độ hoàn toàn xác định. Các điều kiện cần thiết để đảm bảo sự cháy
gồm: (1) nhiệt phải được phát triển đầy đủ để nâng nhiệt độ của khí lên gần nhiệt độ cháy,
(2) nhiệt sinh ra từ quá trình cháy của khí phải tiếp tục nâng nhiệt độ của khí lên đến nhiệt
độ bốc cháy.
Hai giới hạn về nồng độ cao và nồng độ thấp của nhiên liệu được gọi là giới hạn trên
và giới hạn dưới của sự cháy. Giới hạn thấp hơn là tỉ lệ nhỏ nhất của nhiên liệu có khả
năng truyền sự cháy tiếp tục. Giới hạn trên là hỗn hợp có chứa một lượng tối thiểu không
khí để giải phóng một lượng nhiệt đủ để đốt cháy liên tục. Khoảng nồng độ này đôi khi
người ta gọi là khoảng nổ, khoảng này rất quan trọng vì nó liên quan đến những sự cố tai

8
nạn do sự rò rỉ của khí dễ cháy hay hơi dễ cháy trong không khí. Điều này cũng rất quan
trọng đối với việc sử dụng thực tế các hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ đốt trong.
Các yếu tố ảnh hưởng tới các giới hạn cháy là: (1) nhiệt trị, (2) thể tích tương đối
và nhiệt dung riêng của các khí, (3) nhiệt độ bốc cháy. Cả hai giới hạn này còn bị ảnh
hưởng bởi dạng của bình chứa khí, hướng truyền, áp suất và nhiệt độ. Sự truyền hướng
lên trong một ống có đường kính 7,5 cm cho những điều kiện tối ưu nhất. Các giới hạn
của tính dễ cháy của một số nhiên liệu được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3.
Các giới hạn của tính dễ cháy của các nhiên liệu khí và lỏng ở
nhiệt độ và áp suất khí quyển (theo % thể tích) trong không khí
Loại khí Giới hạn thấp Giới hạn cao
Khí lò 35 74
Khí than 5,3 31,5
Khí thiên nhiên 4,8 13,5
Khí ướt 6,0 55

Dầu mỏ 1,4 6,0
Benzen 1,4 7,4
Cồn etylic 3,6 18
Ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính ống và hướng của dòng nhiên liệu được trình
bày trong bảng 4 (ở đây L hướng lên trên, X là hướng xuống dưới, N là hướng nằm ngang
của dòng).
Bảng 4.
Ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính ống và hướng của dòng nhiên liệu trong quá trình cháy
Đường kính ống (cm)
7,5 5 2,5
Hướng dòng nhiên liệu
L N X L N X L N X
Giới hạn thấp
2,60 2,68 2,78 2,60 2,68 2,80 2,73 2,78 2,90
Giới hạn cao
> 80,5 78,5 71,0 78,0 68,5 63,5 70,0 59,5 65,5
Với những hiđrocacbon lớn hơn C
3
các giới hạn trở nên phức tạp do hiện tượng lửa
lạnh. Vùng lửa bình thường tập trung gần hỗn hợp lý thuyết cho sự cháy hoàn toàn, còn
vùng lửa lạnh tập trung gần thành phần hoạt động nhất trong sự cháy chậm.
Bảng 5.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên giới hạn tính dễ cháy trong
không khí của một số nhiên liệu và khí
Nhiệt độ (°C)
H
2
CO
CH
4

(HT lên)*
CH
4
(HT
xuống)*
17 9,4 - 71,5 16,3 - 70,0 6,3 - 1,9 6,0 - 13,4
100 8,8 - 73,5 14,8 - 71,5 6,0 - 13,7 5,4 - 13,5
200 7,9 - 76,0 13,5 - 73,0 5,5 - 1,6 5,0 - 13,8

9
400 6,3 - 81,5 11,4 - 77,5 4,8 - 16,0 4,0 - 14,7
Áp suất (atm)
20 10,2 - 68,5 17,8 - 62,8 6,0 - 17,1
50 10,0 - 73,3 20,6 - 56,8 5,4 - 29,0
125 0,9 - 74,8 20,7 - 51,6 5,7 - 45,6
(* Ảnh hưởng của hướng truyền xuống của metan được đưa vào để so sánh, HT lên - hướng
truyền lên, HT xuống - hướng truyền xuống)

Sự tăng nhiệt độ sẽ mở rộng vùng lửa bình thường một cách đáng kể. Việc tăng áp
suất cũng mở rộng vùng lửa trừ trường hợp của cacbon monoxit, vùng lửa bị hẹp lại.
Những ảnh hưởng này đối với hiđro, metan và CO trong không khí được minh họa ở bảng
5.
Trong những trường hợp này, áp suất có ảnh hưởng rõ ràng hơn lên các giới hạn. Ảnh
hưởng của nhiệt độ và áp suất lên các giới hạn là rất quan trọng đối với động cơ đốt trong,
bởi vì nhiên liệu luôn luôn bị nén ở thời điểm cháy và cũng bị đốt nóng bởi thành xilanh
nóng. Với hỗn hợp hiđrocacbon/không khí, áp suất làm tăng giới hạn dưới, đầu tiên bị
giảm tới 50 atm và sau đó lại tăng lên. Tuy nhiên, những ảnh hưởng sau này nhỏ và ảnh
hưởng tổng cộng là sự mở rộng đáng kể các giới hạn.
Giới hạn cháy đối với một hỗn hợp các nhiên liệu khí có thể tính toán được từ quy tắc

của Le Chatelier. Quy tắc này có giá trị trong một số quá trình công nghiệp mà ở đó sự nổ
gây nguy hiểm có thể được giảm thiểu bằng cách đưa vào các thành phần nhiên liệu khác
có giới hạn trên thấp. Quy tắc Le Chatelier như sau:
L = a + b + c …
Labc
XABC
=
++
Ở đây a, b, c là các thành phần của các cấu tử. A, B, C là giới hạn tính dễ bốc cháy của
chúng. Quy tắc này áp dụng đúng hơn cho các giới hạn thấp.
1.3 Tốc độ truyền lửa
Tốc độ truyền lửa qua hỗn hợp nhiên liệu khí/không khí có một vai trò quan trọng
trong dự án xây dựng lò đốt và không gian cháy. Tốc độ quá cao có thể gây nên sự quá
nóng của lò hay sự quá nóng cục bộ, nếu tốc độ thấp sẽ dẫn đến tắt lửa. Tốc độ truyền lửa
bị ảnh hưởng bởi tỉ lệ các cấu tử và dạng của buồng đốt.
Phương pháp thông thường để xác
định tốc độ truyền lửa là cho hỗn hợp nhiên liệu
qua một ống với một tốc độ sao cho ngọn lửa bắt đầu ở phía đầu ra của ống bị tắt và bắt lửa
ngay trở lại. Những điều kiện như thế tái hiện lại sự cháy của khí nhưng không giống sự
cháy xảy ra trong động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt trong luôn luôn có chuyển động rối của
hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Trừ những trường hợp hỗn hợp có nồng độ rất nhỏ thì sự
chuyển động rối làm tăng tốc độ truyền lửa rất lớn. Sự tăng tốc độ truyền lửa của các hỗn
hợp có nồng độ thấp là lớn hơn so với các hỗn hợp cháy nhanh và tốc độ cao nhất không
phải là đúng tỉ lệ lý thuyết nhiên liệu và không khí để đốt cháy hoàn toàn mà nó nằm gần
như giữa các giới hạn trên và dưới của sự cháy. Ở những giới hạn này người ta thấy rằng

10
đối với 5 hiđrocacbon đầu trong dãy ankan có tốc độ truyền lửa vào khoảng 6,1 m trong 1
giây.
Khi sự truyền lửa được nghiên cứu bằng phương pháp ống như ở trên, người ta thấy

rằng tốc độ truyền lửa giảm đi theo đường kính ống tới một giá trị nhất định. Tốc độ truyền
lửa trong ống đường kính 2,54 cm giảm đi một nửa so với trong ống 30,5 cm.
Khi nghiên cứu tốc độ truyền lửa của các nhiên liệu, người ta thấy rằng ở phần trăm
khí thấp thì tốc độ cũng thấp. Khi phần trăm khí tăng lên thì tốc độ truyền cũng tăng lên tới
một cực đại và sau đó lại giảm đi khi đạt tới giới hạn trên của tính dễ bắt lửa. Các tốc độ
thấp nhất, tốc độ của các hỗn hợp giới hạn là như nhau đối với tất cả các khí, vào khoảng
19,8 cm/s (xem hình 2).


Hình 2.
Tốc độ chuyển động đều của ngọn lửa các nhiên liệu khí trong không khí
Tốc độ truyền lửa cũng bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của hơi nước. Ví dụ, đối với CO
tốc độ truyền lửa giảm đi đáng kể khi có mặt nước. Những giá trị thu được trong một ống
6,35 cm được trình bày trong bảng 6 sau đây.
Bảng 6.
Tốc độ truyền lửa cực đại của hỗn hợp nhiên liệu khí với không khí
trong ống nằm ngang

Tốc độ (cm/s) với đường kính
ống
Nhiên liệu khí
% nhiên liệu
khí trong hỗn
hợp
2,5 (cm) 5,0 (cm)
Hiđro 35 490 -
Metan 9,5 66 91
Etan 6,5 86 130
Propan 4,6 80 120
Butan 3,7 83 113

Pentan 3,0 82 115

11
Etilen 7,2 142 -
Axetilen 8,9 282 -
1.4 Nhiệt độ ngọn lửa
Nhiệt độ ngọn lửa rất quan trọng trong sự đốt nóng khí bởi vì nhiệt độ ngọn lửa càng
cao thì tốc độ đốt nóng càng nhanh và khi nhiệt độ ngọn lửa càng cao thì hiệu quả nhiệt
của quá trình càng lớn.
Nhiệt độ ngọn lửa rất khó đo và các giá trị sử dụng bình thường là các giá trị của
nhiệt độ lí thuyết, nghĩa là những giá trị ngọn lửa được tính toán nếu coi nhiệt độ đốt
cháy chỉ đốt nóng sản phẩm cháy. Bởi vậy, nhiệt độ ngọn lửa lí thuyết có thể tính toán từ
nhiệt đốt cháy, nhiệt dung riêng và thể tích các khí. Dĩ nhiên, những giá trị này là cao
hơn những giá trị thực tế, nhưng chúng quan trọng để so sánh và dùng để tính toán các
hiệu ứng đốt nóng sơ bộ, lượng dư không khí Một số nhiệt độ ngọn lửa của các nhiên
liệu khí được trình bày trong bảng 7.
Bảng 7
Nhiệt độ ngọn lửa của một số nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí Nhiệt trị (cal/l)
Nhiệt độ ngọn lửa (°C)
Khí than 4983 2160
Khí ướt 2758 2300
Khí máy phát 1139 1680
Khí lò 818 1460
Khí hiđro 2847 2045
Metan 8854 1880
CO 2830 1950
Trong việc tính toán các giá trị nhiệt độ ngọn lửa, người ta sử dụng nhiệt đốt cháy thấp
nhất của khí bởi vì ẩn nhiệt không có giá trị ở nhiệt độ lớn hơn 100°C.
Nhiệt độ ngọn lửa của các khí được trộn với nhau có thể tính toán được từ các bảng

hay các đồ thị cho sẵn, từ các lượng nhiệt tổng cộng của các sản phẩm cháy. Sản phẩm
cháy chủ yếu là CO
2
, N
2
, H
2
O. Các nhiệt độ lý thuyết là tính cho khí lạnh và lượng không
khí lạnh theo lý thuyết. Các giá trị này bị giảm đi bởi lượng dư không khí và tăng lên bằng
cách đốt nóng sơ bộ không khí hoặc nhiên liệu khí. Trong thực tế, nhiệt độ ngọn lửa lý

12
thuyết tính toán được không thật chính xác vì: 1 - Các dữ kiện, đặc biệt nhiệt dung riêng
của khí cháy, không thật chính xác; 2 - Xảy ra sự phân ly sản phẩm CO
2
và H
2
O; 3 - Lửa
bức xạ nhiệt ra ngoài từ 5 - 20%; và 4 - Nhiệt bị mất đi do đối lưu, dẫn nhiệt vì sự cháy kéo
dài trong một thời gian đáng kể.
Các nguyên nhân mất nhiệt (3) và (4) phụ thuộc vào các điều kiện đặc biệt. Nhưng
nguyên nhân (2) có thể được tính toán từ các dữ liệu đã biết và cần được hiệu chỉnh bằng
cách trừ đi nhiệt phân ly từ nhiệt đốt cháy khí. Vì nhiệt bị hấp thụ khi phân ly sản phẩm
cháy, nên nhiệt độ được điều chỉnh là thấp hơn đáng kể so với nhiệt không được điều
chỉnh. Ví dụ đối với CO nhiệt độ bị sai lệch đến 400°C.
Trong thực tế, nhiệt độ ngọn lửa cao có thể đạt được bằng (1) cháy nhanh, (2) giảm
lượng dư không khí đến tối thiểu và (3) đốt nóng sơ bộ nhiên liệu. Tăng lượng dư không
khí từ 0 ÷ 100% sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa của khí cháy lên khoảng 30%. Cùng khí
này được đốt nóng sơ bộ đến 500°C và đốt cháy với không khí cũng ở 500°C (nghĩa là đã
đốt nóng sơ bộ hỗn hợp nhiên liệu và không khí) thì nhiệt độ ngọn lửa tăng lên thêm đến ~

20%.
1.5 Sự cháy hợp thức và sự cháy không hoàn toàn
Theo quan điểm hoá học, sự cháy là do tác dụng hoá học của oxi trong không khí với
các nguyên tố của nhiên liệu có khả năng phản ứng với nó. Nói chung sự cháy được thực
hiện ở áp suất không đổi, gần với áp suất khí quyển nghĩa là nó thấp hơn hay cao hơn một
chút tuỳ theo từng thiết bị.
1.5.1 Sự cháy hợp thức (Sự cháy hoàn toàn)
Sự cháy hợp thức hay sự cháy lý thuyết là sự cháy hoàn toàn và không dư không khí.
Khói sinh ra từ sự cháy này là những chất sau: CO
2
, H
2
O, SO
2
và N
2
, với điều kiện là nhiệt
độ cháy không gây nên sự phân ly của các phân tử này. Những khí khác chỉ tồn tại dưới
dạng vết.
Thể tích oxi hay không khí cần thiết để đốt cháy một khối lượng đã cho của nhiên liệu
chứa: C% cacbon, H% hiđro, O% oxi, S% lưu huỳnh, tất cả theo khối lượng, cho CO
2
,
H
2
O và SO
2
được xác định theo các biểu thức sau:
- Thể tích oxi: V
oxi

= 0,0224
CHS O
12 4 32 32
⎡⎤
++ −
⎢⎥
⎣⎦
m
3
/ kg nhiên liệu
- Thể tích không khí: V
không khí
= 1.067
CHS O
12 4 32 32
⎡
⎤
++ −
⎢
⎥
⎣
⎦
m
3
/ kg nhiên liệu
Ví dụ, để đốt cháy 1 kg metan thì cần một thể tích lý thuyết oxi là 2,80 m
3
hay thể tích
không khí là 13,34 m
3

.
Để đốt cháy hợp thức một nhiên liệu mà thành phần của nó được biểu thị theo phần
trăm khối lượng là như sau: 84,7%C; 11,2%H; 3,5%S; 0,6%N thì phải cần một thể tích oxi
lý thuyết là 2,23 m
3
/kg hay một thể tích không khí là 10,64 m
3
/kg. Trong trường hợp, nếu
người ta kể đến các thể tích khí được sinh ra bởi sự cháy và thể tích khí nitơ có nguồn gốc từ
nhiên liệu và không khí thì lượng khói là 11,28 m
3
/kg. Thể tích của khói khô thu được bằng

13
cách bỏ đi thể tích hơi nước được hình thành sẽ là 9,909 m
3
/kg, hàm lượng CO
2
là 15,45%,
hàm lượng SO
2
là 0,25%.
Trong sự gần đúng đầu tiên, hàm lượng CO
2
của khói hợp thức được xác định bằng tỉ
số thể tích CO
2
với thể tích khói khô hợp thức (α
o
), đủ để quyết định sự cháy. Đối với các

nhiên liệu khác nhau, α
o
có các giá trị gần đúng như sau:
- Khí thiên nhiên và khí sản xuất : 11 < α
o
< 12
- Butan và propen thương mại : α
o
≥ 14
- Dầu FO (fuel oils) : 15 < α
o
< 16
- Than : 18 < α
o
< 20
Trong đại đa số các ứng dụng công nghiệp, sự cháy hoàn toàn được thực hiện với một
lượng dư không khí. Sự cháy như thế được gọi là sự cháy oxi hóa, sự cháy khử được thực
hiện khi thiếu không khí và được sử dụng trong một số quá trình luyện kim hay gốm sứ.
Việc dư không khí phải được giới hạn đến cực tiểu cần thiết cho sự cháy hoàn toàn. Sự
dư này thay đổi từ 5 ÷ 10% đối với các thiết bị công nghiệp có công suất lớn dùng khí hay
các nhiên liệu lỏng và từ 10 ÷ 50% đối với các thiết bị dùng than.
Khi sự cháy là không hoàn toàn thì những chất không bị cháy ở dạng khí sẽ nằm trong
khí cháy dưới dạng CO và CH
4
. Sự cháy không hoàn toàn cũng tạo thành những chất
không bị cháy dạng rắn như than bám vào thiết bị hoặc bị kéo đi cùng với khói. Người ta
nhận thấy rằng việc phân tích các khí cháy cho ta một dữ kiện quan trọng để điều chỉnh sự
cháy. Thật vậy, có những mối quan hệ giữa lượng dư không khí và hàm lượng oxi trong
khói khô cũng như lượng dư không khí và hàm lượng CO
2

. Nói chung, người ta thấy lượng
dư oxi trong khói khô tăng lên nghĩa là lượng dư không khí tăng lên thì lượng CO
2
trong
khói giảm đi gần như tuyến tính.

Hình 3.
Sự biến đổi thành phần khí cháy khi đốt nhiên liệu theo sự thay đổi
lượng không khí


1.5.2 Sự cháy của các ankan

14
Sự cháy hợp thức của các ankan xảy ra theo phương trình phản ứng sau:
C
n
H
2n+2
+
3n 1
2
+
O
2
→ nCO
2
+ (n+1)H
2
O

Phản ứng này là phát nhiệt. Nó được sử dụng trong các động cơ, nhà máy nhiệt điện
dùng nhiên liệu dầu và khí thiên nhiên, các nồi đốt nóng. Nhiệt toả ra khi đốt cháy ankan
được xác định theo công thức chung sau đây:
Δ
o
298,15
H (C
n
H
2n+2
) = − (609n + 193) kJ. mol
−1

n là số nguyên tử cacbon trong ankan
Trong trường hợp đơn giản của metan:
CH
4
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O với Δ
o
298,15
H = − 802,3 kJ.mol
−1

Rất khó xác định nhiệt độ cháy hay nhiệt độ ngọn lửa nghĩa là nhiệt độ cực đại mà các

khí cháy tỏa ra. Nhiệt độ này càng cao thì sự cháy càng hoàn toàn. Trong trường hợp cháy
hoàn toàn, trạng thái cuối cùng là hoàn toàn xác định và việc tính toán nhiệt độ cuối cùng
là đơn giản, nếu như ta chấp nhận rằng không có bất kỳ sự trao đổi nhiệt nào hay sự trao
đổi công nào được thực hiện với bên ngoài. Nghĩa là nhiệt sinh ra chỉ dùng để đốt nóng các
khí bị cháy (hay sự cháy trong chế độ đoạn nhiệt).
Vậy ta có: ΔQ = −ΔH
o
Với nhiên liệu là khí CH
4
ta có:
802303 = (2
o
P
C (H
2
O) +
o
P
C (CO
2
)) (T − 298)= (2 × 51,103 + 60,35) (T − 298)
T = 5233 K = 4960°C
Tính toán này đã được đơn giản hóa rất nhiều. Ở đây người ta đã sử dụng các giá trị
o
P
C ở 2000 K của các sản phẩm cháy được cho là độc lập với nhiệt độ T, không để ý đến sự
pha loãng bởi các khí trơ và các chất không bị cháy có mặt ở trong khí cháy, nhưng trước
hết là không để ý đến hiện tượng phân ly sản phẩm cháy như CO
2
, H

2
O,
Thật vậy, phản ứng cháy của metan không tính đến sự phân ly nhiệt của các phân tử
này tham gia vào sự cháy, nhưng đối với CO
2
, H
2
O thậm chí ngay ở 2000 K có thể xuất
hiện sự phân ly kiểu:
CO
2
→ CO +
1
2
O
2
; Δ
o
298,15
H = 283 kJ.mol
−1

H
2
O →
•
H +
•
OH
Sự phân ly này sinh ra những phân tử CO và các loại gốc hay nguyên tử như

•
OH,
•
O,
•
H. Sự phân ly này khi trở lên lớn sẽ làm giảm đáng kể nhiệt độ cháy cuối cùng đạt được.
Ảnh hưởng này được minh họa trong trường hợp cháy của metan được trình bày dưới đây
(các giá trị được tính toán từ thành phần của khí bị cháy theo %).
H
2
O O
2
H
2
OH CO CO
2
H O

15
37,2 6,9 6,9 14,4 15,1 11,7 4,6 3,3
Chỉ có 49% nước và CO
2
được hình thành khi sự cháy không bị phân ly. Từ đó rút ra
sự giảm đáng kể nhiệt độ đạt được (khoảng 2750°C) trong khi giá trị tính toán được ở trên
là 4960°C.
Bởi vậy khái niệm về nhiệt trị của một nhiên liệu gắn liền với entanpi phản ứng không
đủ để xác định nhiệt độ thực của khí cháy và độ bền vững ngọn lửa. Cần phải chú ý đến
thành phần thực của khí cháy và độ bền vững nhiệt của chúng. Ví dụ, xianogen (CN)
2
mà

sự cháy của nó dẫn đến những phân tử rất bền vững CO và N
2
theo tỉ lệ 98% so với chỉ 2%
gốc cho phép đạt được nhiệt độ khoảng 4000°C. Đây là một trong những nhiệt độ cao nhất
mà ta có thể thu được bằng cách đốt cháy.
Trong thực tế, qua phân tích các sản phẩm cháy người ta luôn luôn phát hiện thấy CO
nghĩa là sự cháy thực tế rất khó đạt được sự cháy hợp thức.
1.5.3 Sự cháy không hoàn toàn
Với nhiên liệu là các sản phẩm dầu và khí, công thức tổng quát của phản ứng cháy như
sau:
C
n
H
m
O
r
+ (n +
mr
42
−
)O
2
→ nCO
2
+
m
2
H
2
O

Như đã nói sự cháy hợp thức trong không khí, khói gồm có CO
2
, H
2
O, N
2
và SO
2
; còn
sự cháy không hợp thức trong khói còn có thành phần CO nghĩa là sản phẩm khói gồm
CO
2
, CO, H
2
O, N
2
và SO
2
.
Nếu coi các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy nhiên liệu như là các phản
ứng của các thành phần nguyên tố của nhiên liệu với oxi thì sự tạo thành CO có thể viết
như sau:
CO
2
+ H
2

cb
K
Z

ZZX
YZZZ
CO + H
2
O (1)
Trong trường hợp ở nhiệt độ cao có thể xảy ra quá trình phân ly:
CO
2
→ CO +
1
2
O
2

và phản ứng sinh ra nước: H
2
+
1
2
O
2
→ H
2
O
Như vậy sự cháy không hoàn toàn được quyết định bởi cân bằng (1). Từ cân bằng này
ta có hằng số cân bằng:
K
cb
=
2

22
[CO][H O]
[CO ][H ]
=
22
22
CO H O
CO H
VV
VV

ở đây:
2
CO CO
V,V là thể tích CO và CO
2
trong một đơn vị thể tích chung của khói.

16
Đặt:
2
[CO]
[CO ]
= ρ (2)
và K
cb
có thể viết:
K
cb
= ρ

2
2
HO
H
V
V
⇒
2
2
HO
H
V
V
=
cb
K
ρ
(3)
Nếu gọi C
T
là lượng cacbon tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, H
T
là lượng
hiđro tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, thì:
C
T
=
2
CO CO
VV

+

H
T
=
22
HHO
VV
+

Từ (2) ta có:
2
CO CO
VV
=
ρ hay
2
CO
CO
V
V
=
ρ

Vậy C
T
=
2
CO CO2
VVρ+⇒

2
CO
V =
)1(
1
+ρ
C
T
(4)
và
CO
V
1
ρ
=
ρ
+
C
T
(5)
Từ (3) có thể rút ra:
2
H
cb
V
(K)
ρ
=
ρ+
H

T

và
2
cb
HO
cb
K
V
(K)
=
ρ+
H
T
(6)
Theo cân bằng vật chất:

2
O
V cung cấp =
2
O
V tiêu tốn cho sự cháy +
2
O
V dư trong khói
= (0,5
22
CO CO H O
VV 0,5V

+
+ ) + O
T
(7)
Nếu gọi hệ số dư lượng không khí là α và coi oxi chiếm 20% thể tích không khí thì:
2
O
V cung cấp = 0,2.α.A
A là thể tích không khí tương ứng đưa vào để đốt cháy nhiên liệu một cách hợp thức,
nghĩa là α = 1 hay:
0,2.α.A =
2( 1)
ρ
ρ+
C
T
+
1
(1)
ρ
+
C
T
+
ch
ch
K
2( K )ρ+
H
T

+ O
T

⇒ 0,2.α.A =
2
2( 1)
+ρ
ρ+
C
T
+
ch
ch
K
2( K )ρ+
H
T
+ O
T
(8)
Ta biết rằng sự cháy lý thuyết (α = 1) thì ρ = 0, lúc đó phương trình (8) có dạng:

17
0,2.α.A = C
T
+
1
2
H
T

+ O
T
(9)
Nếu lấy (9) − (8) ta có:
0,2.A(α − 1) =
2( 1)
ρ
ρ
+
C
T
+
ch
2( K )
ρ
ρ+
H
T

hay: 0,4.A(α − 1) =
TT
ch
CH
+
(1)(K)
⎛⎞
ρ
⎜⎟
ρ+ ρ+
⎝⎠

(10)
Nếu gọi F là thể tích khói khô (đã loại bỏ nước):
F =
222
CO CO H N
V + V + V + V
F = C
T
+
ch
(K)
ρ
ρ+
H
T
+ 0,8.α.A + N
T
(11)
trong đó: N
T
- nitơ trong nhiên liệu, 0,8.α.A - thể tích nitơ đưa vào từ không khí.
Như đã nói ở trên, nếu sự cháy là sự cháy hợp thức thì:
ρ = 0 → H.ρ = 0 và α = 1
Khi đó phương trình (11) có dạng:
o
F = C
T
+ N
T
+ 0,8.A (12)

Sự khác giữa cháy lý thuyết và cháy thực là:
F –
o
ch
F
(K)
ρ
=
ρ+
H
T
+ 0,8 (α − 1).A (13)
Mặt khác từ phương trình (10), ta có thể viết:
(α − 1).A =
TT
ch
CH
+
0,4 ( 1) ( K )
⎛⎞
ρ
−
⎜⎟
ρ+ ρ+
⎝⎠

Thay biểu thức này vào (13), ta được:
F – F
o
=

ch
(K)
ρ
ρ+
H
T
−
TT
ch
CH
0,8.
+
0,4 ( 1) ( K )
⎛⎞
ρ
⎜⎟
ρ+ ρ+
⎝⎠

F =
TT
o
ch
2C H
F +
(1)(K)
⎛⎞
−ρ
⎜⎟
ρ+ ρ+

⎝⎠
(14)
Vậy thành phần về thể tích khói khô sẽ là:
%CO
2
=
2
CO
V
F
=
T
C
(1)F
ρ+

%CO =
CO
V
F
=
T
C
(1)F
ρ
ρ+


18
%H

2
=
2
H
V
F
=
T
cb
H
(K)F
ρ
ρ+

%N
2
= 100 – (%CO
2
+ %CO + %H
2
)
1.6 Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa
Ở nhiệt độ cao do sự cháy khí xảy ra thì cũng xảy ra sự phân ly của CO
2
và hơi nước.
Sự phân ly này có cùng hiệu ứng vì nếu hiđro, CO không bị cháy hoàn toàn thì nhiệt độ
ngọn lửa đạt được phải thấp hơn ngọn lửa lý thuyết. Việc hiệu chỉnh đối với các hiệu ứng
khuếch tán nhiệt là rất khó khăn, vì thế sự hiệu chỉnh này thường được đơn giản hóa bằng
phương pháp đồ thị. Các dữ kiện cần thiết cho việc tính toán là:
1. Thành phần của khí thải không có sự phân ly.

2.
Nhiệt bắt nguồn từ nhiệt đốt cháy của nhiên liệu và bất kỳ nhiệt đốt nóng sơ bộ
nào đã dùng (được biểu diễn bằng kcal/m
3
khí thải ở 0°C và 760 mmHg).
Việc sử dụng đồ thị cho phép có thể tính toán được nhiệt độ ngọn lửa đã được hiệu
chỉnh. Đối với bức xạ ngọn lửa, một hiệu chỉnh xa hơn có thể được tiến hành và cho phép
bình thường đạt độ sai lệch 10%. Ở nhiệt độ 2000°C, CO
2
phân ly khoảng 6% và hơi nước
1,9% ở áp suất khí quyển.
1.7 Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị)
Một tính chất cơ bản của nhiên liệu là năng suất tỏa nhiệt (hay nhiệt trị) của nó. Cùng
với các tính chất khác, nhiệt trị có tầm quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị nhiệt có
khả năng dễ dàng chuyển hóa nhiên liệu thành công có ích một cách hiệu quả.
Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt được giải phóng ra khi nó cháy hoàn toàn với
oxi và ngưng tụ các sản phẩm tới một nhi
ệt độ xác định. Các giá trị có thể được biểu thị
bằng các đơn vị nhiệt tiêu chuẩn (cal/g, J/g) đối với các nhiên liệu rắn và lỏng.
Nhiệt trị của một khí được biểu thị bằng số đơn vị nhiệt được giải phóng khi đốt cháy
một đơn vị thể tích khí đó ở áp suất không đổi. Đơn vị nhiệt tiêu chuẩn là kcal/m
3
. Nhiệt trị
của một khí được xác định tại một nhiệt độ chuẩn, cả không khí và khí đều được đưa về nhiệt
độ chuẩn, sản phẩm cháy cũng được làm lạnh tới nhiệt độ này, quá trình cháy phải xảy ra
hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm chỉ có CO
2
, SO
2
, H

2
O và N
2
.
Nhiệt trị của một nhiên liệu rắn hay lỏng được xác định bình thường ở thể tích không
đổi trong một nhiệt lượng kế có khả năng chịu được áp lực tăng lên. Vì các sản phẩm được
làm lạnh tới nhiệt độ của nhiệt lượng kế nên giá trị thu được là giá trị thô.
1.7.1 Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thô
Khi một nhiên liệu có chứa hiđro bị đốt cháy, nước được sinh ra và nếu lượng nước
này được ngưng tụ, nó sẽ giải phóng nhiệt ẩn cùng với nhiệt giải phóng khi làm lạnh từ
nhiệt độ cháy đến nhiệt độ của nhiệt lượng kế. Vậy tổng nhiệt trị (NSTN thô) của một
nhiên liệu là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị trọ
ng lượng của nhiên liệu
(hay một đơn vị thể tích nếu nhiên liệu là khí) bị đốt cháy và sản phẩm cháy được đưa về

19
15°C. Trong trường hợp này, hơi nước bản thân nó bị ngưng tụ. Tuy nhiên trong thực tế,
nhiều trường hợp nhiệt này được tải bởi nước sinh ra khi H
2
bị cháy hay nước có sẵn trong
nhiên liệu không chuyển thành công và nó không góp phần nâng nhiệt độ của ngọn lửa hay
phát năng lượng trong động cơ khí. Khi loại trừ tất cả các yếu tố trên thì nhiệt trị thu được
gọi là nhiệt trị tinh. Vậy nhiệt trị tinh là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị
trọng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy và sản phẩm cháy được ng
ưng tụ ở 15°C và hơi
nước không bị ngưng tụ.
Khi phải so sánh giữa các mẫu than hoặc các mẫu dầu khác nhau thì nhiệt trị tinh cũng
không cho thêm nhiều khác biệt, vì than cùng loại hay dầu cùng đặc trưng thường có hàm
lượng hiđro rất tương tự nhau nên sự khác nhau khi so sánh giữa nhiệt trị tinh và khi so
sánh giữa nhiệt trị thô gần như không đáng kể.

1.7.2 Tính toán nhiệt trị
Nói chung, người ta hay dùng nhiệt lượng kế để xác định nhiệt trị của một nhiên liệu.
Trong việc tính toán nhiệt trị người ta giả sử rằng:
–
Giá trị nhiệt của các nguyên tố trong nhiên liệu bằng giá trị nhiệt của nguyên tố
đó ở trạng thái tự do.
–
Không có nhiệt nào khác ngoài giá trị nhiệt này hay nói cách khác là nhiệt không
được sử dụng để giải phóng các nguyên tố trong khi cháy với oxi.
Khi cacbon bị cháy trong oxi với sự tạo thành CO
2
thì lượng vật chất tham gia vào
phản ứng và nhiệt được giải phóng có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
C + O
2
→ CO
2
+ 97.644 cal
12g C 32g O
2
44g CO
2

Khi hiđro bị cháy tạo thành nước ở áp suất không đổi, ta có:
H
2
+
2
1
O

2
→ H
2
O + 69.000 cal
2g H
2
16g O
2
18g nước (dạng lỏng)
18g nước (dạng hơi) + 58.100 cal
Vậy 1 g cacbon cho 8137 cal (14646 BTU/pound) và 1 gam hiđro cho 34500 cal
(62100 BTU/pound) nếu hơi nước được làm lạnh tới 0°C. Nếu hơi nước được giữ ở 100°C
thì nhiệt sinh ra là 29050 cal (52290 BTU/pound).
Vậy nhiệt trị thô cho bất kỳ nhiên liệu nào chỉ chứa hai nguyên tố này sẽ được tính
theo phương trình sau:
NSTN
CH
=
%C 8137 %H 34500
100
×+×
(1)
Nếu nhiên liệu có chứa sẵn oxi, lượng nhỏ oxi này sẽ cung cấp cho sự cháy của nhiên
liệu và người ta không kể lượng nhiệt này vào nhiệt trị của nhiên liệu. Giả sử rằng lượng
oxi có mặt trong nhiên liệu chỉ kết hợp với hiđro. Chúng ta biết rằng trong nước cứ 8 phần
trọng lượng oxi kết hợp với một phần hiđro thì lượng hiđro sẽ giảm đi 1/8 so v
ới lượng oxi

20
trong nhiên liệu và lượng hiđro này được gọi là lượng hiđro có giá trị, và công thức tính

toán trở thành dạng:
Nhiệt trị (thô) cho 1 gam =
O
%C 8137 % H 34500
8
100
⎛⎞
×+ −×
⎜⎟
⎝⎠
(2)
Với nhiên liệu là than, công thức tính nhiệt trị (NT) đầy đủ là:
NT
than
=
2
ON1
%C 8137 % H 34500 S 2220 600 H O
8
100
+−
⎛⎞
×+ − × +×−×
⎜⎟
⎝⎠
cal (3)
Nếu nhiên liệu là hỗn hợp các khí thì nhiệt trị của nhiên liệu là tổng các nhiệt trị của
các khí thành phần.
Khi nhiên liệu chỉ chứa C và H mà ta áp dụng công thức (1) cho hỗn hợp các khí như
CH

4
và CH≡CH thì thấy rằng trong trường hợp của metan, giá trị nhiệt trị tính toán được
lại cao hơn nhiều so với các giá trị đo được bằng nhiệt lượng kế, trong khi đó đối với
axetilen thì nhiệt trị của nó lại thấp hơn nhiều. Như vậy có một lượng nhiệt cần thiết để phá
vỡ metan trong hỗn hợp metan và axetilen trước khi cháy, trong trường hợp này nhiệt đó
lấy t
ừ sự cháy axetilen. Điều này có thể được giải thích dựa vào nhiệt hình thành của hai
khí. Khi metan được hình thành từ các nguyên tố C và H thì nhiệt được giải phóng và vì
thế để tách các nguyên tố này ra khỏi metan để chúng có thể tham gia vào phản ứng với oxi
trong khi cháy thì cần nhiều nhiệt hơn. Như vậy, những hợp chất mà chúng giải phóng
nhiệt khi hình thành được gọi là các hợp chất phát nhiệt (exothermic). Ngược lại, axetilen
hấp thụ nhiệt khi hình thành, nhiệt này được gi
ải phóng khi phân hủy và cộng với nhiệt
sinh ra do sự cháy của các nguyên tố thành phần của nó. Những hợp chất mà sự hình thành
của chúng đòi hỏi cung cấp nhiệt được gọi là các chất thu nhiệt. Do đó, về lý thuyết, tất cả
công thức để tính toán các nhiệt trị là không chính xác trừ khi nhiệt hình thành của nhiên
liệu là rất thấp hay âm. Công thức tính có thể áp dụng rất tốt cho hầu hết các loại than, đơn
giản là vì than là nhiên li
ệu thu nhiệt rất nhẹ nhàng và đặc trưng thu nhiệt của nó tăng lên
với lượng oxi có mặt. Đối với các nhiên liệu khí, do nhiệt hình thành của chúng từ các
nguyên tố có thể là dương hay âm rất lớn nên các kết quả tính thường bị sai lệch. Đối với
các nhiên liệu khí thì các kết quả tính toán được từ các giá trị của các khí thành phần ở thể
tích không đổi là phù hợp tốt với việc xác định bằng phương pháp nhiệ
t lượng kế.
Một điều quan trọng cần thiết phải biết rằng nhiệt trị của một nhiên liệu là cao hơn khi
nó bị đốt cháy ở áp suất không đổi so với khi nó bị đốt cháy ở thể tích không đổi. Ví dụ sản
phẩm cuối cùng của sự cháy chiếm một thể tích nhỏ hơn thể tích của các khí ban đầu (ví dụ
như hiđro), ở đây hơi n
ước chỉ chiếm 2/3 thể tích các khí ban đầu và nước có thể ngưng tụ
tiếp dẫn tới thể tích không đáng kể.

Việc xác định nhiệt trị của các nhiên liệu rắn và lỏng bằng nhiệt lượng kế bom thu
được các kết quả khác nhau không đáng kể, ví dụ với than chỉ vài cal/g.
1.8 Cường độ nhiệt

21
Trong khi bất kì một nhiên liệu nào cũng có khả năng duy trì sự cháy, thì có nhiều
thiết bị nhiệt, nhiệt độ đạt được khi nhiên liệu cháy phụ thuộc không những chỉ vào nhiệt
trị mà còn vào nhiều điều kiện khác như:
- Trọng lượng sản phẩm cháy,
- Lượng không khí dư,
- Nhiệt dung riêng của chúng,
- Nhiệt bị mất đi.
Giả sử rằng toàn bộ nhiệt được sử d
ụng, không bị mất đi khi nâng nhiệt độ của sản
phẩm thì người ta có thể tính toán được nhiệt độ cực đại theo lý thuyết có thể đạt được.
Việc biết chính xác sự thay đổi về nhiệt dung riêng của khí theo nhiệt độ là điều mong
muốn từ lâu. Chỉ trong những năm gần đây các dữ liệu đủ chính xác về nhiệt dung riêng
của các khí ở nhiệt độ cao là có giá trị. Trong thự
c tế hiếm khi người ta có thể đạt được cực
đại lý thuyết vì sự mất nhiệt không thể tránh khỏi qua bức xạ nhiệt và hấp thụ nhiệt của sản
phẩm.
Tuy nhiên một số nghiên cứu thực tế đã được tiến hành. Hình ảnh một nhiên liệu đang
cháy dưới một thiết bị đun sôi nước và một nhiệt độ ổn định đã đạt đượ
c, đó là sự sản xuất
nhiệt và sự mất nhiệt đã đạt đến một cân bằng nhất định. Việc tăng tốc độ cháy bằng cách
tăng gió sẽ không nâng lượng nhiệt phát ra mà việc sinh nhiệt tăng lên theo tỉ lệ thấp hơn
nhiều so với lượng nhiệt bị mất đi, kết quả là một cường độ nhiệt yếu hơn đạt được. Lạ
i một
lần nữa, việc sử dụng quá nhiều không khí để đốt cháy sẽ hạ thấp nhiệt độ một cách đáng kể
do mất nhiệt.

Hiệu ứng này có thể được minh họa gần đúng bằng sự đốt cháy hiđro. Khi đốt cháy
hiđro bằng một thể tích lý thuyết oxi tinh khiết thì nhiệt độ có thể đạt được theo lý thuyết là
6000°C; nhưng với một lượ
ng lý thuyết không khí thì nhiệt độ đạt được là 2300°C. Còn
nếu tăng lượng không khí lên 2 lần thì nhiệt độ đạt được chỉ là 1400°C.
Trong các lò tái sinh, ở đó nhiệt thoát ra từ sự đốt cháy khí được sử dụng để đốt nóng
không khí cần thiết cho sự đốt cháy nhiên liệu. Đây là một biện pháp rất quan trọng để tăng
cường độ nhiệt. Ví dụ nhiệt độ đốt cháy lý thuyết của s
ự đốt cháy CO bằng 2 lần thể tích
không khí và cả khí (CO + không khí) được dùng ở nhiệt độ thường sẽ thấp hơn 1600°C.
Nhưng nếu nhiệt độ ban đầu của CO và không khí là 500°C (thông qua sự đốt nóng sơ bộ)
thì nhiệt độ đạt được của sự cháy có thể đạt được trên 2000°C theo lý thuyết.
Trong kỹ thuật hơi nước, để sắp xếp giá trị nhiệt của nhiên liệu theo nă
ng suất hoá hơi
của nước từ nhiệt độ 100°C thành hơi nước ở cùng một nhiệt độ người ta dùng năng suất
hoá hơi bằng nhiệt trị của nhiên liệu chia cho nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất khí quyển là
539,3 cal/g hay gần bằng 971 BTU/pound.
Nhiệt hoá hơi của nước (hay nhiệt ẩn của sự hoá hơi nước) giảm đi với sự tăng nhiệt
độ hay nói cách khác là áp suất đun sôi cao hơn. Theo Regnault, cho tới 230°C, thì nhiệt
hóa hơi bằng 606,5 - 0,695t, ở đây t là nhiệt độ sôi. Đó là tổng của nhiệt hoá hơi và nhiệt
cần thiết để nâng nhiệt độ của nước từ đầu vào tới nhiệt sôi của nó. Theo Regnault, nước
cung cấp ở 0°C (32°F) thì nhiệt phải cung cấp để nước đạt tới 230°C là bằng 606,5 +
0,305t. Từ các giá trị này thì nhiệt độ
của nước vào phải giảm đi.

22
Ví dụ, một máy đun sôi nước làm việc ở áp suất tuyệt đối là 52 kg/cm
2
; nhiệt độ nước
đưa vào nồi là 15,5°C thì ở áp suất này nước sôi ở 170°C. Nhiệt tổng cộng bằng 606,5 +

(0,305 × 170) = 658 cal cho một kg nước. Vậy nhiệt cần thiết để chuyển 1 kg nước thành
hơi nước trong các điều kiện này sẽ là 658 − 15,5 = 642,5 cal. Nếu than có nhiệt trị là 7500
cal/g (13500 BTU/g) thì công suất hoá hơi lý thuyết sẽ là 7500 /642,5 = 11,8.

23
Chương 2
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU
2.1 Sản xuất nhiên liệu từ dầu mỏ
Đầu tiên, dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu cơ bản để sản xuất hơi nước hay đốt
nóng lò. Nhiên liệu này là phần còn lại của việc chưng cất đơn giản để sản xuất xăng và
dầu bôi trơn. Việc phát minh ra động cơ đốt trong đã làm thay đổi nhiên liệu này và xăng
động cơ đã trở nên một sản phẩm có nhu cầu lớn và tiếp đó là dầ
u nặng hơn cần thiết cho
động cơ điezen. Phần cặn là dầu nhiên liệu. Dầu nhiên liệu có nhiều ưu điểm hơn than và
nó thay thế than trong vận tải đường biển và một số ngành công nghiệp.
Những ưu điểm của nhiên liệu này so với than như sau:
1 - Nhiệt trị của nó cao hơn than, không có tro.
2 - Dễ lưu kho hơn.
3 - Dễ khống chế sự cháy hơn, tiết kiệ
m nhân công, cường độ cháy cao.
4 - Sạch sẽ hơn trong khi sử dụng và trong khi nạp liệu lên tàu.
Dầu thô được tách thành các phân đoạn bằng các phương pháp chưng cất chọn lọc
trong khí quyển và chân không. Dầu thô cung cấp nguyên liệu đầu cho công nghiệp hoá
dầu và công nghiệp hoá chất. Nhiên liệu được sản xuất từ dầu mỏ theo trật tự tăng dần về
nhiệt độ chưng cất là: xăng máy bay, xăng ôtô, dầu hoả
, nhiên liệu động cơ phản lực, dầu
điezen (DO), dầu madút (FO). Tỉ lệ các nhiên liệu này thu được từ dầu thô phụ thuộc vào
bản chất của dầu. Việc tinh luyện cũng có thể làm thay đổi đáng kể hiệu suất và tính chất
của các phân đoạn. Như chúng ta đã biết, dầu mỏ là nguồn có chứa một tỉ lệ cao
hiđrocacbon khí hoà tan (từ 40 ÷ 200 thể tích ở đ

iều kiện tiêu chuẩn trong một thể tích dầu
lỏng) và khí này cần phải được tách ra khỏi dầu mà không làm mất đi các cấu tử có điểm
sôi thấp. Việc tách khí đầu tiên được thực hiên ngay từ giếng khai thác bằng cách giảm áp
ở đầu giếng trong thiết bị hình trống lớn. Khi các khí còn lại được tách hết thì dầu thô trở
nên an toàn cho các quá trình tiếp theo. Khí “ướt” được tách đầu tiên ở đầu giếng được xử
lí b
ằng hấp thụ hay nén để thu hồi “xăng giếng dầu”. Ở những giếng chỉ có khí và xăng thu
được theo kiểu này người ta gọi là xăng tự nhiên (natural gasoline).
Thành phần hoá học của dầu mỏ: Thành phần nguyên tố thay đổi trong phạm vi rất
nhỏ, ví dụ:
Cacbon
74,5 ÷ 87,1, trung bình là 84,5
Lưu huỳnh
0,1 ÷ 3,5
Hiđro
11,5 ÷ 14,5, trung bình là 12,5
Nitơ, oxi
0,1 ÷ 0,5
Cách gọi tên dầu thô: Tuỳ thuộc vào chủng loại các hiđrocacbon đa số có trong thành
phần dầu thô: parafin, naphten, aromat, người ta đặt tên các dầu thô tương ứng là dầu
parafin, dầu naphten khi những phân đoạn nhẹ của dầu có những hiđrocacbon tương ứng
chiếm đa số.

24
Khi những phần nặng nhất của dầu thô có chứa nhiều sản phẩm giống asphalt thì
người ta gọi loại dầu đó là dầu asphalt.
Bảng 8.
Thành phần điển hình của các loại dầu thô
Thành phần của các
hiđrocacbon (%

khối lượng)
Dầu thô parafin Dầu thô naphten Dầu thô asphalt
Parafin 40 12 5
Naphten 18 75 15
Aromat 10 10 20
Asphaltene (đa vòng) 2 3 60
Trong thực tế, tất cả các dầu thô đều chứa hiđrocacbon của ba loại trên. Người ta thấy
rằng những hiđrocacbon naphten là phổ biến nhất (nhưng không phải trong các phần nhẹ)
và ở phần cặn các hiđrocacbon này có chứa các mạch nhánh parafin dài hay ngắn và chúng
che lấp tính chất naphten của phân tử.

Bảng 9.
Thành phần của các phân đoạn của một số loại dầu thô
Dầu Grosnưi parafin Dầu Oklahome Dầu California
Phân đoạn (°C)
A* N* P* A* N* P* A* N* P*
60 ÷ 95
3 25 72 5 21 73 4 31 65
95 ÷ 122
5 30 65 7 28 65 6 48 46
122 ÷ 150
9 35 56 12 23 55 11 64 25
150 ÷ 200
14 29 57 16 29 55 17 61 22
200 ÷ 250
18 23 59 17 31 52 25 45 30
250 ÷ 300
17 22 61 17 32 51 29 40 31
A*, N*, P* là các chữ viết tắt của kiểu hiđrocacbon tương ứng: Aromat, Naphten,
Parafin

Cách gọi tên các dầu thô ở trên cũng không tuyệt đối vì thế tuỳ theo thành phần của ba
loại hiđrocacbon người ta còn đặt tên các dầu thô là dầu trung gian. Bảng 8 và 9 trình bày
thành phần phần trăm của các loại dầu thô điển hình.
Tuy nhiên, sự phân loại dầu thô theo cấu tử giàu nhất trong dầu thô như ở trên cũng
không hoàn chỉnh. Lane và Garton đã đưa ra một cách phân loại được sử dụng rộng rãi
nhất trong thời gian gần đ
ây. Cách phân loại dầu thô của Lane và Garton dựa vào 2 phân
đoạn của dầu thô:
(a) phân đoạn từ 250°C ÷ 275°C ở áp suất chưng cất là 1 atm và
(b) phân đoạn từ 275°C ÷300°C ở áp suất chưng cất là 40 mmHg.
Phân đoạn (a) được gọi là phân đoạn chìa khóa 1. Phân đoạn (b) được gọi là phân đoạn
chìa khóa 2. Mỗi một phân đoạn trên được phân loại theo kiểu hiđrocacbon: parafin, trung