Giáo trình giới thiệu về Lò hơi

Chơng 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 lợng tỏa
ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho nớc trong lò để biến nớc 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, đờng, rợu, bia, nớc giải khát, thuốc
lá, dệt, chế biến thực phẩm . . . , hơi nớc phục vụ cho các quá trình công nghệ nh
đun nấu, chng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm . . . Hơi ở đây thờng là hơi
bão hòa, có áp suất hơi tơng ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công
nghệ. Loại lò hơi này đợc gọi là lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lợng
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 đợc 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 (thờng sản xuất hơi bão hoà, áp suất hơi không vợt 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, thờng 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 nớc trong lò ta có: Lò tuần hoàn tự nhiên; lò tuần
hoàn cỡng bức; lò trực lu.

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 thờng ngời ta kết hợp nhiều kiểu phân loại.

3


1.2. Nguyên lý làm việc của lò hơi trong nhà máy điện
Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi đợc sản xuất ra là hơi quá nhiệt. Hơi quá
nhiệt nhận đợc nhờ các quá trình: đun nóng nớc đến sôi, sôi để biến nớc 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 lu lợng, 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 (nớc 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 nớc 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 nớc;
10- khoảng trống để vệ sinh và sữa chữa; 11- bộ sấy không khí;
Nhiên liệu và không khí đợc phun qua vòi phun số 3 vào buồng lửa số 1, tạo
thành hỗn hợp cháy và đợc đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới
4


1.900 0C. Nhiệt lợng tỏa ra khi nhiên liệu cháy trong buồng lửa truyền cho nớc

trong các ống của dàn ống sinh hơi 2 làm cho nớc tăng dần nhiệt độ đến sôi, trong
ống sẽ là hỗn hợp hơi nớc. Hỗn hợp hơi nớc 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 nớc,
nớc tiếp tục đi xuống theo ống xuống 4 đặt ngoài tờng lò. ống xuống đợc nối với
ống lên bằng ống góp dới, nên nớc 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 tờng 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 nớc, còn
ống xuống 4 đặt ngoài tờng lò nên môi chất trong ống 4 không nhận nhiệt do đó
trong ống 4 là nớc. Khối lợng riêng của hỗn hợp hơi và nớc trong ống 2 nhỏ hơn
khối lợng riêng của nớc trong ống xuống 4 nên hỗn hợp trong ống 2 đi lên, còn
nớc trong ống 4 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi
loại này đợc gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên.
Buồng lửa trình bày trên hình 1.1 là buồng lửa phun, nhiên liệu đợc 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 lợng nhiệt dàn ống sinh hơi thu
đợc từ ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ. Để hấp thu có hiệu quả nhiệt
lợng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tờng lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao
và những ảnh hởng xấu của tro nóng chảy, ngời ta bố trí các dàn ống sinh hơi 2
xung quanh tờng buồng lửa.
Khói ra khỏi buồng lửa, trớc khi vào bộ quá nhiệt đã đi qua cụm phecston, thực
chất cụm feston chính là dãy ống tờng sau (đoạn đi qua cửa ra của buồng lửa) đợc
chia thành nhiều dãy (từ 3 đến 5 dãy) để khói đi qua dễ dàng và giảm bởt hiện tợng
mài mòn mặt ngoài ống. ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp
hơi nớc 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 ngời ta đặt
thêm bộ hâm nớc 9 và bộ sấy không khí 11.
Bộ hâm nớc có nhiệm vụ gia nhiệt cho nớc để nâng nhiệt độ của nớc 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 nớc để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nớc
trong lò. Sự có mặt của bộ hâm nớc sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi
và sử dụng triệt để hơn nhiệt lợng 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 đợc quạt gió hút vào và thổi qua bộ sấy không khí
11. ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ đợc nâng từ nhiệt độ môi
trờng đến nhiệt độ yêu cầu và đợc đa vào vòi phun số 1 để cung cấp cho quá trình
đốt cháy nhiên liệu. Khói sẽ đợc quạt khói hút ra khỏi lò trớc khi đi qua khử bụi để
5


thải ra ngoài qua ống khói.
Nh vậy bộ hâm nớc và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phần
nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài. Chính vì vậy ngời ta còn gọi bộ hâm nớc và bộ sấy
không khí là bộ tiết kiệm nhiệt.
Nh vậy, từ khi vào bộ hâm nớc đến khi ra khỏi bộ quá nhiệt của lò hơi, môi
chất (nớc và hơi) trải qua các giai đoạn hấp thụ nhiệt trong các bộ phận sau: Nhận
nhiệt trong bộ hâm nớc đến sôi, sôi trong dàn ống sinh hơi, quá nhiệt trong bộ quá
nhiệt.
Nhiệt lợng môi chất hấp thu đợc biểu diễn bằng phơng trình:
(1-1a)
Qmc = [i''hn - i'hn ]+ [is - i''hn + rx] + [r(1-x) + (i''qn - i'qn)],
Trong đó:
Qmc là nhiệt lợng 1kg môi chất nhận đợc trong lò hơi, kj/kg;
i'hn, i''hn : Entanpi của nớc vào và ra khỏi bộ hâm nớc, kj/kg;
is, : Entanpi của nớc sôi trong bao hơi, kj/kg;

r : Nhiệt ẩn hóa hơi của nớc, 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 lợng nớc nhận đợc trong bộ hâm nớc, kj/kg;
[is - i''hn + rx] nhiệt lợng nớc và hơi nhận đợc trong dàn ống sinh hơi, kj/kg;
[r(1-x) + (i''qn - i'qn)] nhiệt lợng hơi nhận đợc trong bộ quá nhiệt, kj/kg;
Tỉ lệ nhiệt lợng hấp thu đợc trong bộ hâm nơc, dàn ống sinh hơi, bộ quá
nhiệt phụ thuộc vào thông số hơi của lò. áp suất của hơi càng lớn thì lợng nhiệt để
bốc hơi càng nhỏ và lợng nhiệt để đun nớc đến sôi càng lớn. Từ áp suất tơi hạn trở
lên (22,3Mpa) thì lợng nhiệt để bốc hơi bằng không (r = 0), lợng nhiệt môi chất hấp
thu đợc trong lò hơi chỉ để đun nớc đến sôi và quá nhiệt hơi. Chính vì thế nên lò có
áp suất trên tới hạn chỉ áp dụng cho kiểu lò trực lu (lò bao hơi nớc luôn ở trạng thái
sôi).
Biến đổi (1-1) ta đợc:
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 lợng cần thiết để sinh hơi 1kg nớc
là:
(1-1c)
Qmc = i''qn - i'hn

6


1.3. Các đặc tính kỹ thuật của Lò hơi
Để xác định một lò hơi, ngời ta thờng 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

lò đợc biểu thị bằng áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt: Pqn (Mpa), tqn (0C). áp suất và
nhiệt độ hơi quá nhiệt đợc 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 nớc ở đây
thờng là hơi bão hòa, áp suất hơi tơng 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 lợng hơi của lò:
Sản lợng hơi của lò là lợng hơi mà lò sản xuất ra đợc trong một đơn vị thời
gian (kg/h hoặc t/h hoặc kg/s). Thờng dùng 3 khái niệm sản lợng.
- Sản lợng hơi định mức (Dđm): là sản lợng hơi lớn nhất lò có thể đạt đợc,
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 hởng xấu đến chế độ làm việc của lò.
- Sản lợng hơi cực đại (Dmax): là sản lợng hơi lớn nhất mà lò có thể đạt đợc,
nhng chỉ trong một thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài với sản
lợng hơi cực đại đợc. Sản lợng hơi cực đại bằng:
(1-2)
Dmax = (1,1 - 1,2) Dđm
- Sản lợng hơi kinh tế là sản lợng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế
cao nhất. Sản lợng 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 lợng nhiệt mà môi chất hấp thụ đợc (hay còn
gọi là lợng nhiệt có ích) với lợng nhiệt cung cấp vào cho lò (sinh ra trong buồng
lửa). Hiệu suất của lò ký hiệu bằng , đợc xác định:
D(i qn i 'hn )
(1-4)
=
BQ lvt
Trong đó:

D là sản lợng hơi, (kg/h);
iqn là entanpi của hơi quá nhiệt, (Kj/kg);
ihn là entanpi của nớc đi vào bộ hâm nứơc, (Kj/kg);
B là lợng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ, (kg/h);
Qtlv: 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 lợng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thời
7


gian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa.
qv =

BQ lvt
Vbl

, (W/m3)

(1-5)

Trong đó:
Vbl: Thể tích buồng lửa, (m3); B, (kg/s),
Đối với các lò hơi nhỏ, ngời 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 lợng sinh ra trong một đơn vị thời gian
trên một đơn vị diện tích bề mặt của ghi:
qr =

BQ lvt

, (W/m2)
R

(1-6)

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, thờng dùng
cho các lò hơi công nghiệp công suất nhỏ.
D
S = , (kg/m2h)
(1-7)
H
D: Sản lợng hơi của lò, (kg/h);
H: diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đốt), (m2).

8


Chơng 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 lợng
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 thờng dùng trong lò hơi công nghiệp và năng
lợng 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, đợc 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 thờng đợc 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 lợng hoặc thể
tích của chất đó với tổng khối lợng hoặc thể tích nhiên liệu ta đang khảo sát.
Thành phần của tất cả các loại nhiên liệu bao gồm: Cacbon (C), Hyđro (H2),
Lu 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


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, lu 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
đợc gọi là khí đốt (không kể các khí để sinh nhiệt cho những mục đích đặc biệt nh
để hàn axetylenhydro,....). Tuỳ theo hàm lợng tơng 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 đợc 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 lợng hơi nớc trong khí đốt không đợc đa ra dới
dạng thành phần thể tích mà đợc biểu thị qua độ ẩm tơng đối nh đối với không khí
ẩm, = p h / p h. 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 lợng 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
0
API), 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 lu 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), Lu 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 lợng nhiên liệu. Khi cháy 1kg các bon tỏa ra một nhiệt lợng
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 lợng các bon

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 lợng
hyđro trong nhiên liệu rất it, tối đa chỉ đến 10% khối lợng nhiên liệu, nhng nhiệt trị
của Hyđrô rất lớn. Khi cháy, 1kg Hyđro tỏa ra một nhiệt lợng khoảng 144.500
KJ/Kg .
* Lu huỳnh: Tuy là một thành phần cháy, nhng lu huỳnh là một chất có hại
trong nhiên liệu vì khi cháy tạo thành SO2 thải ra môi trờng rất độc và SO3 gây ăn
mòn kim loại rất mạnh, đặc biệt SO2 tác dụng với nớc tạo thành axít H2SO4. Đồng
thời sự có mặt của các chất này sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ đọng sơng của khói. Ví
dụ khi đốt dầu với hệ số không khí thừa 1,25, nếu không có lu huỳnh thì nhiệt độ
đọng sơng khoảng 500C, nếu có 1% lu huỳnh thì nhiệt độ đọng sơng 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 lu huỳnh trong nhiên liệu rắn khoảng 7-8%, trong nhiên
liệu lỏng khoảng 1-3%, trong nhiên liệu khí gần nh không có lu huỳnh.
Lu huỳnh tồn tại dới 3 dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk và liên kết

Sunfat SSP.
S = Shc + Sk + Ssp
Lu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lu
huỳnh cháy, còn lu huỳnh Sunfat thờng nằm dới 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 đợc 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 đợc tạo thành
oxynitơ NOx gây nguy hại cho môi trờng. Trong nhiên liệu nitơ chiếm khoảng 0,5
đến 2,5%.
* Ôxi: Tuy là thành phần cháy, nhng có rất nhiều trong không khí, nên sự có
mặt của nó trong nhiên liệu sẽ làm giảm các thành phần cháy đợc 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 lợng oxy càng nhiều.
* Cách biểu thị thành phần nhiên liệu rắn hoặc lỏng:
Trong thực tế, ngời ta thờng phân tích nhiên liệu theo thành phần khối lợng
ở các dạng mẫu khác nhau nh: mẫu làm việc, mẫu khô, mẫu cháy, dựa vào đó có thể
đánh giá ảnh hởng 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
đã biết
Làm
việc

Mẫu cần tìm
Làm việc

Khô

Cháy

Hữu cơ

1

100
100 W lv

100
100 A lv W lv

100
100 S A lv W lv
lv
k

12


Khô

100 W lv
100

Cháy

100 A lv W lv
100

Hữu cơ

1

100 A k
100

k
k
100 A lv W lv S lvk 100 A S k
100
100

100
100 A k

100
100 (S kk + A k )

1

100
100 S ck

100 S ck
100

1

Đối với nhiên liệu rắn hoặc lỏng, thành phần nhiên liệu đợc xác định theo
phần trăm khối lợng, 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 trớc khi
cấp vào lò, ở mẫu này có mặt tất cả các thành phần của nhiên liệu:
(2-2)
Clv + Hlv + Sclv + Nlv + Olv + Alv + Wlv = 100%
0
Mẫu khô: Sấy mẫu làm việc ở nhiệt độ 105 C, thành phần ẩm sẽ tách khỏi
nhiên liệu (W= 0), khi đó ta có mẫu nhiên liệu khô:
(2-3)
Ck + Hk + Sck + Nk + Ok + Ak = 100%
Mẫu cháy: là mẫu trong đó chỉ có mặt các thành phần cháy đợc của nhiên
liệu:
(2-4)
Cch + Hch + Sc + Nch + Och = 100%
Mẫu hữu cơ: là mẫu trong đó chỉ có mặt các thành phần hữu cơ của nhiên liệu:
Cch + Hch + Scch + Nch + Och = 100%
(2-5)
Có thể tính đổi từ mẫu nhiên liệu này sang mẫu khác theo các công thức từ (23) đến (2-5), đợc biểu thị trên bảng 2.3.
k
k
k
100
ch 100 A
hc 100 A S k
ví dụ: Ck = Clv.
=
C
.
=

C
.
100 W lv
100
100
2.1.3. Đặc tính công nghệ của nhiên liệu

Việc lựa chọn phơng pháp đốt và sử dụng nhiệt lợng giải phóng từ quá trình
cháy nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào các đặc tính công nghệ của nhiên liệu. Trong
công nghiệp, ngời 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 lợng nớc chứa trong nhiên liệu, vì lợng nớc này
nên nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống. Mặt khác khi nhiên liệu cháy cần cung cấp
một nhiệt lợng để bốc ẩm thành hơi nớc.
Độ ẩm của nhiên liệu đợc chia ra 2 loại: Độ ẩm trong và độ ẩm ngoài.

13


Độ ẩm trong có sẵn trong quá trình hình thành nhiên liệu, thờng ở dạng tinh
thể ngậm nớc 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 . . . . đợc gọi là chất bốc, ký hiệu là Vc. Nhiên liệu càng già thì lợng chất bốc

càng ít, nhng nhiệt trị của chất bốc càng cao, lợng 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 trớc 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 đợc của nhiên
liệu, do đó giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Trong qúa trình cháy, dới tác dụng của nhiệt
độ cao một phần bị biến đổi cấu trúc, một phần bị phân hủy nhiệt, bị oxy hóa nhng
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%, đợc 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 lợng 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
hởng 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

Nhiệt độ nóng chảy của tro đợc
xác định trong phòng thí nghiệm bằng
cách nung mẫu tro đợc 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 t1. Khi tháp tro bắt đầu
1. bắt đầu biến dạng; 2. bắt đầu mềm; mềm gọi là nhiệt độ bắt đầu mềm t .
1
3. bắt đầu chảy.
Khi tháp tro bắt đầu chảy biến thành
lỏng gọi là nhiệt độ bắt đầu chảy t3.
Khi nhiệt độ bắt đầu chảy t3 < 12000C là tro dễ chảy,
12000C < t3 < 142500C là tro có độ chảy trung bình,
t3 > 142500C là tro khó chảy.
2.1.3.4. Nhiệt trị của nhiên liệu.
Nhiệt trị của nhiên liệu là lợng nhiệt toả ra khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
rắn hoặc lỏng hay 1m3 tiêu chuẩn nhiên liệu khí (kj/kg, kj/m3tc).
Tuỳ thuộc vào cách đốt và làm nguội sản phẩm cháy, ngời 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, ngời ta thờng dùng khái niệm nhiên
liệu tiêu chuẩn, là nhiên liệu có nhiệt trị Qt = 7000 Kcal/kg (29330 Kj/kg).
*. Nhiệt trị thấp Qtlv [kJ/kg hay kJ/m3]
Nhiệt trị thấp là nhiệt trị không kể đến lợng nhiệt ngng tụ hơi nớc trong
sản phẩm cháy.
Trong các buồng lửa thực tế thông thờng nhiệt độ của khói ra khỏi lò cao hơn
nhiệt độ ngng tụ hơi nớc, vì không cho phép làm nguội sản phẩm cháy xuống nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ đọng sơng để tránh hiện tợng ăn mòn thiết bị ở nhiệt độ thấp,

tức là trong các thiết bị công nghiệp không có quá trình ngng tụ hơi nớc trong khói.
Nghĩa là nhiệt trị của nhiên liệu khi cháy trong thiết bị thực tế là nhiệt trị thấp.
*. Nhiệt trị cao Qclv [kJ/kg hay kJ/m3],
Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu khi có kể đến lợng nhiệt toả ra do
ngng tụ hơi nớc trong sản phẩm cháy khi sản phẩm cháy đợc làm nguội tới nhiệt
độ gốc (hay còn gọi là nhiệt độ cân bằng, là nhiệt độ môi trờng thờng lấy bằng
250C).
Thông thờng trong sản phẩm cháy có hơi nớc, nếu hơi nớc đó ngng tụ
thành nớc sẽ tỏa ra một lợng nhiệt. Khi xác định nhiệt trị cao, ngời ta đã tính đến
nhiệt lợng ngng tụ của toàn bộ lợng hơi nớc có nguồn gốc từ nhiên liệu có trong
sản phẩm cháy, vì ở nhiệt độ gốc, phần lớn lợng nớc này đã ngng tụ.
Nhiệt trị cao đợc 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, ngời ta không
tính đến nhiệt ngng tụ của hơi nớc trong sản phẩm cháy, mặc dù có thể đợc làm
nguội tới nhiệt độ gốc nhng vẫn giả thiết là trong sản phẩm cháy không xảy ra quá
trình ngng tụ hơi nớc.

15


Nếu gọi lợng nớc đợc hình thành khi cháy một đơn vị nhiên liệu là m H 2 O
và nhiệt ẩn hoá hơi của nớc ở 250C là r = 2442,5 kJ/kg, thì quan hệ giữa Qt và Qc có
dạng:
Qclv = Qtlv + 2442,5. m H 2 O ,kj/kg;
(2-6a)
Hoặc:

w lv
H lv
Qclv = Qtlv + 2442,5.

+9
,kj/kg;
100
100

(2-6b)

*. 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, ngời ta đo trực tiếp lợng nhiệt toả ra khi
cháy nhiên liệu bom nhiệt lợng kế (calorimet). Hình 2.2 trình bày cấu tạo bom nhiệt
lợng kế. Một lợng nhiên liệu xác định hay một dòng nhiên liệu có lu lợng ổn
định đợc đốt cháy hoàn toàn bằng O2 ở áp suất từ 2,5 đến 3,0Mpa trong bình bằng
thép gọi là bom nhiệt lợng kế. Bom đợc đặt trong thùng nhiệt lợng kế chứa đầy
nớc (ngập bom). Để giảm khả năng toả nhiệt ra môi trờng xung quanh, thùng nhiệt
lợng kế đợc đặt trong một bình cách nhiệt hai vỏ. Sản phẩm cháy đợc làm nguội
tới nhiệt độ gốc nên lợng hơi nớc trong sản phẩm cháy cũng ngng tụ và toả nhiệt.
Nhiệt lợng toả ra khi nhiên liệu cháy bằng nhiệt lợng nung nóng thiết bị và nớc
trong đó. Nếu xác định lợng nớc làm mát và độ chênh nhiệt độ của nớc khi vào và
ra khỏi áo nớc, ta dễ dàng xác định đợc nhiệt trị cao Qc. Nhiệt trị thấp Qt đợc tính
theo (2-6a) khi đo lợng nớc ngng 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
đợc của nhiên liệu, nghĩa là nhiệt lợng 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 trờng 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)
(2-7b)
Qt = 418,6.[81,3C + 243H + 15N + 45,6S - 23,5.O 6W],
+ 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 thờng dùng trong lò hơi

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 thờng 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
khí khác nh etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10); Qt = 35- 45 MJ/m3.
b) Khí dầu mỏ: Gồm khí đồng hàn và khí ngng tụ:
* Khí đồng hành còn gọi là khí lọc dầu: là khí lẫn trong dầu mỏ, đợc hình
thành cùng với dầu, thành phần chủ yếu là các khí nặng nh: propan (C3H8), butan
(C4H10), Pentan(C5H12) . . . . còn đợc gọi là khí dầu mỏ.

* Khí ngng 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 thờng khí ngng tụ ở
dạng lỏng. Khí ngng 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 thờng dùng để đốt trong lò hơi thuộc nhóm dầu khoáng. Dầu khoáng
đợc 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).
Thờng dùng để đốt trong lò hơi là 2 loại: dầu đặc biệt nhẹ (EL), còn gọi là
dầu DO, có khối lợng riêng nhỏ hơn nớc và dầu nặng (S) hay còn gọi là dầu FO, có
khối lợng riêng lớn hơn nớc.
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 thờng có tính chất tốt hơn.
Bảng 2.4. Tính chất của hai loại dầu quan trọng nhất.
Tính chất
Dầu EL (DO)
Khối lợng riêng ở 150C [kg/m3]
860
0
Điểm lửa [ C]
55
Độ nhớt động học, max [mm2/s] ở:
200C
6

500C
1000C
Hàm lợng lu huỳnh, max [%]
0,8
Hàm lợng nớc, max [%]
0,1
Chất không hoà tan, max [%]
0,05
Nhiệt trị thấp Qt [Mj/kg]
41,868
Độ tro, max [%]
0,01

Dầu S (FO)
940
65
450
40
2,8
0,5
0,5
39,775
0,15

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, nhng lợng cácbon ít nên nhiệt trị thấp.
Nhiên liệu càng già (tuổi hình thành than càng cao) thì lợng chất bốc càng ít,
càng khó cháy, nhng lợng 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 trớc khi ra khỏi buồng lửa.
* Gỗ và các phụ phẩm của nông lâm sản: Đây là loại nhiên liệu có tuổi ít nhất.
Lợng 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, thờng Ac chiếm khoảng 0,5 đến 2% còn độ ẩm đối với gỗ khô khoảng 2030%, đối với gỗ tơi thì khoảng 50 đến 60%. Nhiệt trị thấp đối với gỗ khô khoảng
19.000kj/kg, đối với gỗ tơi không quá 12.000kj/kg. Bã mía đợc đốt trong nhà máy
đờng cũng có thành phần tơng 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%, nhng nhiệt trị không cao,
thờng Qtlv khoảng từ 8.500 đến 12.000 kj/kg nên ít đợc 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 nhng nhiệt
trị không cao vì lợng carbon thấp, thờng Qtlv khoảng từ 8.500 đến 12.000 kj/kg nên
ít đợc xếp vào loại nhiên liệu địa phơng.
* Than đá: có tuổi hình thành tơnh đối cao, lợng carbon tơng đối lớn, độ
ẩm thấp, còn lợng chất bốc thì thay đổi trong phạm vi rộng từ 9 đến 50%, nhiệt trị
Qtlv thay đổi trong phạm vi từ 33.000 đến 38.000 kj/kg. Có thể chia thành 4 loại nh
sau:
- Than có lợng chất bốc Vc trên 42% với ngọn lửa dài và xanh;
- Than khí (gas) có lợng chất bốc Vc từ 35 đến 42% dễ cháy và cháy nhanh;
- Than mỡ (luyện cốc) có lợng chất bốc Vc từ 18 đến 28% có ngọn lửa ngắn
và sáng, thờng dùng để luyện cốc;
- Than gầy có lợng chất bốc Vc dới 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 lợng carbon cao
nhng lợng hyđrô trong nó thấp hơn than trong đá nên nhiệt trị thấp hơn than đá. Vì
lợng 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


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 lợng nhiệt rất lớn, đồng thời kèm theo một loạt các biến hóa vật chất
khác, đó là tổng hợp các hiện tợng của quá trình giải phóng năng lợng, truyền nhiệt
và chuyển hóa năng lợng.
Nghiên cứu quá trình cháy tức là nghiên cứu bản chất các hiện tợng trên, tìm
ra đợc các mối liên hệ và các yếu tố ảnh hởng 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 đợc 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 đợc của nhiên liệu đều đợc 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 đợc cha đợc 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 nhng phân bố không khí không đều,
- Thành phần cha cháy bị giảm nhiệt độ xuống dới 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:

v=

dc
, mol/m3.s;
d

(2-9)

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 dơng. 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


2.2.1.3. Định luật khối lợng tác dụng

Theo định luật khối lợng 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 đợc 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 trờng hợp đơn giản khi số phân tử của các vật chất tham gia phản
ứng bằng nhau, nghĩa là phản ứng có dạng:
A+BC+D
thì vận tốc phản ứng thuận (chiều từ trái sang phải) sẽ là:
(2-10)
v1 = k1.CA.CB ,
Còn vận tốc phản ứng nghịch (chiều từ phải sang trái) sẽ là:
(2-11)
v2 = k2.CC.CD ,
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:
(2-12)
v1 = k1 C aA C bB

v2 = k2 C cC C dD

(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:
k 1 .C aA .C bB = k 2 .C cC .C dD
(2-14)

Trong đó C aA , C bB , C cC , C dD - nồng độ vật chất A, B , C , D ở trạng thái cân bằng.
Từ đó ta suy ra hằng số cân bằng:
k
Ca C b
(2-15)
k C = 2 = cA dB
k1 CCC D
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 đợc biểu thị qua các áp suất riêng phần của các chất ở trạng thái cân
bằng.
Từ phơng trình trạng thái ta có: pi = Ci.R.T, thay vào (2-15) ta đợc:
pa p b
(2-16)
k p = cA dB
pC p D

20


kp gọi là hằng số can bằng áp suất
Giữa kC , kp có quan hệ với nhau nh sau:
kC = kp (RT)n
(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 lợng mol trớc 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:
d ln k
Q
=
(2-18)
,
dT
RT 2
Trong đó:
Q- hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở trạng thái đẳng tích (Qv) hay đẳng áp (Qp),
kJ/mol;
Từ phơng 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 ngợc
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 trờng hợp, nhiệt độ có ảnh hởng rất lớn đến vận tốc phản
ứng, có thể là ảnh hởng thuận chiều, cũng có thể là ảnh hởng ngợc 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 hởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng
chủ yếu là ảnh hởng đến hệ số tốc độ phản ứng k.
Quan hệ giữa nhiệt độ với hệ số tốc độ phản ứng k đã đợc Arrhenius đa ra nh sau:

(2-19)
k = k0exp(-E/RT)
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, nhng có liên quan rất ít so với ảnh hởng
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 bớc 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 đợc xác
định.
Với các phản ứng phức tạp tốc độ phản ứng không tính đợc theo công thức v
= k.CaA. CbB . . . do không có bậc phản ứng thì hệ số tốc độ phản ứng không xác định
đợc bằng công thức của định luật Arrhenius này.
2.2.1.6. Năng lợng hoạt hoá

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 lợng cân thiết nhỏ nhất để gây nên phản
ứng đợc gọi là năng lợng hoạt hoá E của phản ứng.
Với một phản ứng cho trớc thì năng lợng 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
tạo ra một chất trung gian AB. Các chất A và B có năng lợng ban đầu là Z 0a + Z 0b
(mức năng lợng I, xem hình 2.3. năng lợng hoạt hoá của phản ứng thuận và
nghịch). Song để cho A và B có thể phản ứng với nhau đợc cần phải cung cấp cho
chúng một năng lợng Z0ab (mức năng lợng 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
phẩm C và D có năng lợng Z0c + Z0d (mức năng lợng II).
Hiệu số giữa mức năng lợng I của
chất trung gian AB và mức năng lợng I của
các chất A + B gọi là năng lợng hoạt hoá
của phản ứng thuận E1 (là năng lợng mà
phản ứng thuận phải vợt qua để tiến hành
phản ứng). Lý luận tơng tự, để cho C và D
tác dụng đợc với nhau tạo thành A và B thì
phải cung cấp cho nó một năng lợng 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 lợng I của hợp chất AB và
mức năng lơng II của các chất C+D gọi là
năng lợng hoạt hoá của phản ứng nghịch E2
(là năng lợng mà phản ứng nghịch phải vợt
qua để tiến hành phản ứng).
Hiệu số giữa năng lợng hoạt hoá của phản ứng thuận E1 với năng lợng hoạt
hoá của phản ứng nghịch E2 chính là biến đổi tổng năng lợng của toàn hệ thống ở
điều kiện đẳng tích đợc 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 lợng là:
(2-20a)
Q = U1 - U2 = ( Z 0a + Z 0b ) - ( Z0c + Z0d ),
(2-20b)

Q = ( Z0ab - ( Z0c + Z0d )) - ( Z0ab -( Z 0a + Z 0b )),
Q = E2 - E1
(2-20c)
Từ các công thức trên ta thấy: khi tổng năng lợng của các chất ban đầu
( Z 0a + Z 0b ) cao hơn tổng năng lợng của các chất tạo thành sau phản ứng ( Z0c + Z0d ), có
nghĩa là năng lợng hoạt hoá của phản ứng thuận E1 thấp hơn năng lợng hoạt hoá của
phản ứng nghịch E2 thì phản ứng là sinh nhiệt, còn ngợc lại là phản ứng thu nhiệt.

22


Thật vậy, Quá trình phản ứng thuận là từ trái sang phải, từ mức năng
lợng 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
lợng nhiệt tơng ứng bằng Q = E1 - E2. Quá trình phản ứng nghịch từ phải sang trái
chỉ có thể xẩy ra khi khắc phục đợc cản trở E2 lớn hơn và sau đó phản ứng dẫn hệ
thống đến mức I, để thực hiện quá trình ngợc này cần tiêu hao một năng lợng tơng
ứng Q = E2 - E1.
Năng lợng hoạt hoá đợc xác định trên cơ sở định luật khối lợng tác dụng
(Arrhenius) và đợc hiển thị qua hằng số vận tốc phản ứng hóa học:

k = k 0e



E
RT

,

(2-21)

Trong đó:
k0 Hằng số phản ứng với tổng số lần va chạm của phân tử;
E năng lợng 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 lợng của các phân tử càng cao do đó số lợng 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 lợng hoạt hoá E càng lớn thì k càng nhỏ, nghĩa là vận tốc phản ứng
càng bé. Ngợc lại E càng nhỏ thì k càng lớn và phản ứng xẩy ra càng nhanh.
Từ phơng trình trên ta thấy, năng lợng hoạt hoá càng bé thì lợng 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 lợng hoạt hoá đặc trng cho tính chất hoạt hoá của các chất có khả
năng tham gia phản ứng với nhau. Có thể coi năng lợng hoạt hoá nh một cản trở
năng lợng nào đó mà cần phải khắc phục để có thể xẩy ra phản ứng.
Vì đại lợng E ở một mức độ nào đó đặc trng cho tiêu thụ năng lợng cần
thiết để phá vỡ các liên kết nguyên tử trong các phân tử phản ứng, ta có thể có đợc
giá trị của năng lợng hoạt hoá từ việc khảo sát những số liệu thực nghiệm.
Lấy logarit biểu thức (2-21) ta đợc:
E1
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 của các phân tử,
vận tốc này theo thuyết động học các chất khí thì tỷ lệ với T (vì 2 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 trờng hợp vận tốc phản ứng xảy ra khác thờng,
rất mãnh liệt hoặc rất chậm so với mức bình thờng. Khi đó không thể giải thích các
trờng hợp trên một cách cặn kẽ bằng định luật khối lợng tác dụng và năng lợng

23


hoạt hoá đợc, 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 lợng thấp hơn sau đó
mới tiếp tục phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng với mức năng lợng hoạt hoá nhỏ
hơn, do vậy phản ứng xẩy ra dễ dàng hơn. Sản phẩm trung gian đợc 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 đợc 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 đợc xác định theo công thức sau:
fav 0

v=
(e 1)
(2-24)

trong đó:
v0 - là vận tốc tạo thành trung tâm hoạt động ban đầu (tức số lợng trung tâm
hoạt động tạo thành trong 1 giây);
f - hằng số sinh dây chuyền phát triển;
a - số lợng phân tử sản phẩm cuối cùng;
- hằng số sinh dây chuyền thực tế; = f - g, trong đó g là hằng số đứt dây
chuyền.
Trị số phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, đợc xác định bằng công thức sau:




= e.p m .e T
(2-25)
trong đó e, m và - các hằng số phụ thuộc vào các phản ứng.
Khi f >> g nghĩa là >> 0 thì công thức (2-24) đợc coi nh:
fav 0
v=
e
(2-26)

Khi f = g nghĩa là = 0 thì hàm số vận tốc (2-24) tiến tới một trị số tới hạn là:
v = f.a.v0..
(2-27)
Khi f << g thì v cũng sẽ tiến tới một trị số tới hạn:
f .a.v 0

(2-28)
V=


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 lợng 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 trờng
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 lợng sinh ra q sr sẽ toả ra môi trờng 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 lợng
nhiệt do phản ứng sinh ra không đáng kể, do đó lợng nhiệt toả ra môi trờng xung
quanh qua thành bình lớn hơn lợng 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 lợng nhiệt sinh ra cũng tăng dần và lợng nhiệt do phản ứng sinh
ra lớn hơn lợng nhiệt toả ra môi trờng xung quanh qua thành bình, nghĩa là hỗn hợp
khí tự nung nóng. Sau một khoảng thời gian nhiệt độ hỗn hợp tăng lên đến một giá
trị nào đó T1 > T0, thì xuất hiện ngọn lửa ( đợc 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 lợng nhiệt do phản
ứng sinh ra lớn hơn lợng nhiệt toả ra môi trờng xung quanh. Nghĩa là có thể coi: Sự

gia tăng nhiệt độ cho hỗn hợp khí là nguyên nhân gây ra hiện tợng tự bốc cháy.
2.2.2.2. Nhiệt độ tự bốc cháy
Nhiệt lợng toả ra môi trờng là:
qtn = (T - T0) F, Kw;
(2-29)
Nhiệt lợng sinh ra trong toàn bộ thể tích bình là:
(2-30)
qsr = V.Q.v = V.Q.k0.C
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 lợng sinh ra khi tạo ra 1mol
sản phẩm, (kj/mol);
Điều kiện để hỗn hợp tự bốc cháy là: lợng nhiệt sinh ra bằng lợng nhiệt toả
cho môi trờng, nghĩa là:
q sr = qtn
(2-31)

dq sr dq tn

=

dT dT

(2-32)

26


Trong thời gian cảm ứng cũng có một số phân tử tham gia phản ứng nhng
số lợng rất nhỏ nên có thể coi v = const. Khi thời gian phản ứng 1 > thì quá trình

tự bốc cháy xẩy ra và vận tốc phản ứng đợc tính:
v = k 0 .C n .e E / RT
(2-33)
k0 là hằng số vận tốc phản ứng khi T = :,
C là nồng độ các chất tham gia phản ứng, đợc 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 lợng hoạt hoá của phản ứng,
T là nhiệt độ hỗn hợp tham gia phản ứng.
Hoặc có thể viết:
qsr = VQk 0Cn e E / RT = A e E / RT
(2-34)
A là hệ số phụ thuộc vào nồng độ phân tử chất phản ứng, áp suất và nhiệt trị
nhiên liệu.
Các phơng trình (2-29) và (2-34) cho biết nhiệt lợng hỗn hợp khí toả ra môi
trờng qua thành bình có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ hỗn hợp, còn nhiệt lợng
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 phơng trình (2-29) và (2-34) trên hệ toạ độ q-T ta thấy có 2
trờng hợp có thể xẩy ra:
*. Thay đổi áp suất khi nhiệt độ thành bình (môi trờng) T0 không đổi
2
q1sr q sr q3sr
qtn

q sr
qtn

qsr q1 tn

q sr
qtn

q2tn

2

q3tn

2

B

B

1

1
T

T0
TB
Hình 2.4. Quan hệ Qsr = f(T)
và qtn = f(T) khi thay đổi áp suất HH
p1 p2 p3

T
1
0

T

2
0

3
0

T
T TB
Hình 2.5. Quan hệ Qsr = f(T)
và qtn = f(T) khi thay đổi nhiệt độ
T01 T02 T03

Khi cho nhiệt độ thành bình T0 không thay đổi ta đợc đờng thẳng
qtn =
f(T) cắt trục hoành tại điểm T0. Cho áp suất thay đổi (tức a thay đổi) ta đợc một họ

27


đờng cong qsr = f(T) ứng với các giá trị áp suất khác nhau (Hình 2.4). Đờng cong
q 1sr tơng ứng với áp suất lớn nhất (với số lợng các phân tử chất tham gia phản ứng
nhiều nhất a1), còn đờng cong q 3sr tơng ứng với áp suất nhỏ nhất.
Nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đờng cong q 3sr thì ban đầu lợng nhiệt
sinh ra lớn hơn lợng nhiệt toả cho thành bình, hỗn hợp khí đợc tiếp tục đốt nóng,
nhiệt độ hỗn hợp tiếp tục tăng dần đến T1 (điểm 1 là giao điểm của q 3sr và qtn). Tại
giao điểm này lợng nhiệt sinh ra bằng lợng nhiệt toả cho thành bình, sau đó thì hỗn
hợp khí không đợc đốt nóng nữa vi khi đó lợng nhiệt sinh ra nhỏ hơn lợng nhiệt

toả cho thành bình. Nếu ta tiếp tục gia nhiệt cho hỗn hợp đến nhiệt độ T2 (điểm 2) thì
lợng nhiệt sinh ra sẽ bắt đầu ổn định, tăng dần và lớn hơn lợng nhiệt toả cho môi
trờng, khi ấy phản ứng không ngừng nâng cao nhiệt độ và dẫn đến hiện tợng tự bốc
cháy.
Ta thấy đờng cong q 1sr không cắt đờng thẳng qtn nên ứng với bất kỳ một
nhiệt độ nào thì lợng nhiệt sinh ra luôn luôn lớn hơn lợng nhiệt toả cho môi trờng,
nên nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đờng cong q 1sr thì phản ứng luôn luôn nâng
cao nhiệt độ và dẫn đến hiện tợng tự bốc cháy.
Nếu quá trình sinh nhiệt xẩy ra theo đờng cong q sr2 thì tại điểm B (tiếp xúc
giữa hai đờng) lợng nhiệt sinh ra bằng lợng nhiệt toả cho thành bình, ngoài điểm
đó ra thì ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào lợng nhiệt sinh ra luôn luôn lớn hơn lợng
nhiệt toả cho thành bình và quá trình sẽ tiến tới tự bốc cháy.
Nh vậy áp suất p2 ứng với đờng cong q sr2 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 < p2 thì hỗn hợp sẽ không tự bốc cháy.
*. Thay đổi nhiệt độ môi trờng T0 khi áp suất hỗn hợp khí p không đổi
Khi cho áp suất hỗn hợp khí p không thay đổi ta đợc đờng cong q sr = f(T).
Cho nhiệt độ thành bình T0 thay đổi ta đợc một họ đờng thẳng qtn = f(T) ứng với các
giá trị nhiệt độ T0 khác nhau (Hình 2.5). Đờng thẳng q 1tn tơng ứng với nhiệt độ T01
nhỏ nhất, còn đờng thẳng q 3tn tơng ứng với nhiệt độ T03 lớn nhất. Cũng lý luận
tơng tự nh trên ta có T02 là nhiệt độ thành bình tới hạn để gây nên quá trình tự bốc
cháy của nhiên liệu khi áp suất hỗn hợp không đổi. Khi nhiệt độ thành bình T0 > T02
quá trình sẽ tiến tới tự bốc cháy.
Nh vậy: nhiệt độ TB tơng ứng với tiếp điểm của đờng sinh nhiệt và đờng
toả nhiệt là giới hạn của sự tự bốc cháy và đợc 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

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 đợc:
E
Q.V.k 0C n exp
(2-35)
= .s ( T T0 )
RT
E
E
Q.V.k 0C n .exp
(2-36)
= .S
2
RT
RT
Trong quá trình phản ứng, nồng độ vật chất C đợc coi nh không đổi, chia hai
phơng trình trên cho nhau ta có:
RT 2
T T0 =
(2-37)
E
Giải phơng trình bậc hai này ta đợc 2 nghiệm giá trị nhiệt độ tự bốc cháy:

TBC =

1 1

RT02
E

(2-38)
R
E
Đối với các phản ứng cháy thì giá trị năng lợng hoạt hoá của phản ứng hỗn
hợp trớc chất khí cácbuahydro và không khí vào khoảng (105 ~ 2,5.105) J/mol. Nếu
nhiệt độ T0 = 500 ữ 10000K thì RTo/E 0,05, do đó nghiệm có dấu cộng (+) sẽ
không có ý nghĩa thực tế, vì khi đó TBC = E/R sẽ xấp xỉ bằng 10.0000C. Chỉ nghiệm có
dấu trừ (-) có giá trị, khi đó Error! Not a valid link.có thể dựa vào công thức Taylor

2

1/ 2

4RT0
để khai triển biểu thức 1

E

1

nh sau:
2

3

4RT0 2
RT0
RT0
RT0
(2-39)
1
= 1 2
2
4
....
E

E
E
E
Bỏ qua số hạng có T3 và thay (2-39) vào (2-40) ta đợc nhiệt độ tự bốc cháy là:
RT 2
(2-40)
TBC = T0 + 0
E
RT02 0
Hiệu số nhiệt độ
T = TBC T0 =
, K
E
RT02
RT 2
Khi T
, thì hỗn hợp sẽ bốc cháy, còn ngợc lại T 0 thì hỗn hợp không
E

E
thể bốc cháy. T đợc gọi là giới hạn gia nhiệt tạo nên sự bốc cháy.
Ví dụ khi E = 100kj/mol, T0 = 5000K thì T = T - T0 = 200K; lúc E = 160
kj/mol, To = 10000K thì T = T - T0 = 500K. Do vậy trong thực tế ngời ta thờng 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 nhng bản chất thì không thể coi nh nhau đợc.
Từ công thức (2-36) ta có:

29