Nhiên liệu dầu khí - Chương 1

Chương 1. Những tính chất cơ bản của
nhiên liệu
Hoa Hữu Thu
Nhiên liệu dầu khí
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007.
Tr 5 – 21.
Từ khố: Những tính chất cơ bản của nhiên liệu.
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 khơng được sự chấp thuận của nhà xuất bản và
tác giả.

Mục lục
Chương 1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU .............................. 2
1.1
Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu......................................................................2
1.2
Giới hạn nổ của nhiên liệu................................................................................4
1.3
Tốc độ truyền lửa .............................................................................................6
1.4
Nhiệt độ ngọn lửa ............................................................................................8
1.5
Sự cháy hợp thức và sự cháy khơng hồn tồn .................................................9
1.5.1
Sự cháy hợp thức (Sự cháy hồn tồn)......................................................9
1.5.2
Sự cháy của các ankan............................................................................11
1.5.3
Sự cháy khơng hồn tồn........................................................................12
1.6

Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa ....................................................................15
1.7
Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị) .......................................................15
1.7.1
Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thơ ...................................................................15
1.7.2
Tính tốn nhiệt trị...................................................................................16
1.8
Cường độ nhiệt ..............................................................................................17


2

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 cơng nghiệp hay một mục đích nào đó phụ thuộc rất
nhiều vào nguồn nhiên liệu, hay sự phổ dụng của nhiên liệu ở khu vực phát triển công
nghiệp cũng là một yếu tố quyết định.

1.1

Nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu

Nhiệt độ của nhiên liệu cần phải được nâng lên đến khi xảy ra sự cháy được gọi là
nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu. Nhiệt độ bốc cháy là đặc trưng cho mỗi loại nhiên liệu.
Nhiệt độ bốc cháy của các nhiên liệu có thể xác định được nhưng phải hết sức cẩn thận,
vì nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu không những phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu

mà cịn phụ thuộc vào mơi 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 khơng (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
khơng 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.


3

Bảng 1.
Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu và khí
Nhiên liệu

Trong khơng 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

220

292

Hình 1 trình bày mối liên quan giữa áp suất và nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu
hiđrocacbon. Ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, một số khí có nhiệt độ tự bốc cháy ở
trong vùng B. Nhưng ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, các khí đơn giản như: CH4,
C2H4, ... có nhiệt độ tự bốc cháy giảm đi khi áp suất tăng (đường C). Với các hiđrocacbon
lớn hơn C3 thì tồn tại một vùng nhiệt độ tương đối thấp (từ 300°C đến 400°C, vùng A)
mà trong vùng này sự cháy cho hiện tượng “ngọn lửa lạnh”. Nhưng từ trên 400°C, sự
cháy có thể xảy ra hồn tồn 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 khơng lớn hơn 1/5 ÷ 2/5 giây đối với động cơ điezen tốc độ cao.


4
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 dịng hơi nước đốt nóng sơ bộ khí, khơng khí hoặc oxi. Các giá trị
về khoảng nhiệt độ bốc cháy của một số khí đơn giản được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2.
Nhiệt độ bốc cháy (°C) của một số nhiên liệu khí ở áp suất thường
Khí

Trong khơng 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 khơng 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 khơng 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 q 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 khơng
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


5
nạn do sự rị rỉ của khí dễ cháy hay hơi dễ cháy trong khơng 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 cịn 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 khơng khí
Loại khí

Giới hạn thấp

Giới hạn cao

Khí lị

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 dịng 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 dịng nhiên liệu trong q trình cháy
Đường kính ống (cm)

7,5

Hướng dòng nhiên liệu

L

Giới hạn thấp

5

2,5

X

L

N

X

L

N

X

2,60

2,68

2,78

2,60

2,68

2,80

2,73

2,78

2,90

> 80,5

Giới hạn cao

N

78,5

71,0

78,0

68,5

63,5

70,0

59,5

65,5

Với những hiđrocacbon lớn hơn C3 các giới hạn trở nên phức tạp do hiện tượng lửa
lạnh. Vùng lửa bình thường tập trung gần hỗn hợp lý thuyết cho sự cháy hoàn tồn, cịn
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
khơng khí của một số nhiên liệu và khí
CH4
(HT lên)*

CH4
xuống)*

H2

CO

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

Nhiệt độ (°C)

(HT


6
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 khơng 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/khơng 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 tốn được từ quy
tắc của Le Chatelier. Quy tắc này có giá trị trong một số q trình cơng 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…

L a b c
= + +
X A B C

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/khơng khí có một vai trị quan trọng
trong dự án xây dựng lị đốt và khơng gian cháy. Tốc độ quá cao có thể gây nên sự quá
nóng của lị hay sự q 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 khơng giống
sự cháy xảy ra trong động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt trong ln ln có chuyển động
rối của hỗn hợp nhiên liệu và khơng 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 khơng khí để đốt cháy hồn tồn mà
nó nằm gần như giữa các giới hạn trên và dưới của sự cháy. Ở những giới hạn này người


7
ta thấy rằng 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 khơng 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 khơng khí
trong ống nằm ngang
% nhiên liệu Tốc độ (cm/s) với đường kính
Nhiên liệu khí khí trong hỗn ống
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


8
Etilen

142

-

Axetilen

1.4

7,2
8,9

282

-

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 q 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 tốn nếu coi nhiệt độ đốt
cháy chỉ đốt nóng sản phẩm cháy. Bởi vậy, nhiệt độ ngọn lửa lí thuyết có thể tính tốn
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 tốn các
hiệu ứng đốt nóng sơ bộ, lượng dư khơng 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

818

1460

Khí hiđro

2847

2045

Metan

8854

1880

CO

2830

1950

Khí lị

Trong việc tính tốn các giá trị nhiệt độ ngọn lửa, người ta sử dụng nhiệt đốt cháy
thấp nhất của khí bởi vì ẩn nhiệt khơng có giá trị ở nhiệt độ lớn hơn 100°C.
Nhiệt độ ngọn lửa của các khí được trộn với nhau có thể tính tốn được từ các bảng
hay các đồ thị cho sẵn, từ các lượng nhiệt tổng cộng của các sản phẩm cháy. Sản phẩm

cháy chủ yếu là CO2, N2, H2O. Các nhiệt độ lý thuyết là tính cho khí lạnh và lượng khơng
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 khơng khí hoặc nhiên liệu khí. Trong thực tế, nhiệt độ ngọn lửa


9
lý thuyết tính tốn được khơng thật chính xác vì: 1 - Các dữ kiện, đặc biệt nhiệt dung
riêng của khí cháy, khơng thật chính xác; 2 - Xảy ra sự phân ly sản phẩm CO2 và H2O; 3
- Lửa bức xạ nhiệt ra ngoài từ 5 - 20%; và 4 - Nhiệt bị mất đi do đối lưu, dẫn nhiệt vì sự
cháy kéo dài trong một thời gian đáng kể.
Các nguyên nhân mất nhiệt (3) và (4) phụ thuộc vào các điều kiện đặc biệt. Nhưng
nguyên nhân (2) có thể được tính tốn 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 khơng 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 khơng khí đến tối thiểu và (3) đốt nóng sơ bộ nhiên liệu. Tăng lượng dư khơng
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 khơng khí cũng ở 500°C (nghĩa là đã
đốt nóng sơ bộ hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí) thì nhiệt độ ngọn lửa tăng lên thêm đến
~ 20%.

1.5

Sự cháy hợp thức và sự cháy khơng hồn tồn

Theo quan điểm hố học, sự cháy là do tác dụng hoá học của oxi trong khơng khí với
các ngun 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 khơng dư khơng khí.
Khói sinh ra từ sự cháy này là những chất sau: CO2, H2O, SO2 và N2, với điều kiện là
nhiệt độ cháy không gây nên sự phân ly của các phân tử này. Những khí khác chỉ tồn tại
dưới dạng vết.
Thể tích oxi hay khơng khí cần thiết để đốt cháy một khối lượng đã cho của nhiên
liệu chứa: C% cacbon, H% hiđro, O% oxi, S% lưu huỳnh, tất cả theo khối lượng, cho
CO2, H2O và SO2 được xác định theo các biểu thức sau:
⎡C H S O⎤
- Thể tích oxi: Voxi = 0,0224 ⎢ + + − ⎥ m3/ kg nhiên liệu
⎣12 4 32 32 ⎦
⎡C H S O⎤
- Thể tích khơng khí: Vkhơng khí = 1.067 ⎢ + + − ⎥ m3/ kg nhiên liệu
⎣12 4 32 32 ⎦

Ví dụ, để đốt cháy 1 kg metan thì cần một thể tích lý thuyết oxi là 2,80 m3 hay thể
tích khơng khí là 13,34 m3.
Để đốt cháy hợp thức một nhiên liệu mà thành phần của nó được biểu thị theo phần
trăm khối lượng là như sau: 84,7%C; 11,2%H; 3,5%S; 0,6%N thì phải cần một thể tích
oxi lý thuyết là 2,23 m3/kg hay một thể tích khơng khí là 10,64 m3/kg. Trong trường hợp,
nếu người ta kể đến các thể tích khí được sinh ra bởi sự cháy và thể tích khí nitơ có nguồn gốc
từ nhiên liệu và khơng khí thì lượng khói là 11,28 m3/kg. Thể tích của khói khơ thu được


10
bằng cách bỏ đi thể tích hơi nước được hình thành sẽ là 9,909 m3/kg, hàm lượng CO2 là
15,45%, hàm lượng SO2 là 0,25%.
Trong sự gần đúng đầu tiên, hàm lượng CO2 của khói hợp thức được xác định bằng tỉ
số thể tích CO2 với thể tích khói khơ hợp thức (αo), đủ để quyết định sự cháy. Đối với các

nhiên liệu khác nhau, αo có các giá trị gần đúng như sau:
-

Khí thiên nhiên và khí sản xuất : 11 < αo < 12

-

Butan và propen thương mại : αo ≥ 14

-

Dầu FO (fuel oils) : 15 < αo < 16

-

Than : 18 < αo < 20

Trong đại đa số các ứng dụng cơng nghiệp, sự cháy hồn tồn được thực hiện với
một lượng dư khơng khí. Sự cháy như thế được gọi là sự cháy oxi hóa, sự cháy khử được
thực hiện khi thiếu khơng khí và được sử dụng trong một số quá trình luyện kim hay gốm
sứ.
Việc dư khơng 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 cơng nghiệp có cơng suất lớn dùng khí
hay các nhiên liệu lỏng và từ 10 ÷ 50% đối với các thiết bị dùng than.
Khi sự cháy là khơng hồn tồn thì những chất khơng bị cháy ở dạng khí sẽ nằm
trong khí cháy dưới dạng CO và CH4. Sự cháy khơng hồn tồn cũng tạo thành những
chất khơng 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 khơng khí và hàm
lượng oxi trong khói khơ cũng như lượng dư khơng khí và hàm lượng CO2. Nói chung,

người ta thấy lượng dư oxi trong khói khơ tăng lên nghĩa là lượng dư khơng khí tăng lên
thì lượng CO2 trong khói giảm đi gần như tuyến tính.

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


11

1.5.2 Sự cháy của các ankan
Sự cháy hợp thức của các ankan xảy ra theo phương trình phản ứng sau:
CnH2n+2 +

3n + 1
O2 → nCO2 + (n+1)H2O
2

Phản ứng này là phát nhiệt. Nó được sử dụng trong các động cơ, nhà máy nhiệt điện
dùng nhiên liệu dầu và khí thiên nhiên, các nồi đốt nóng. Nhiệt toả ra khi đốt cháy ankan
được xác định theo công thức chung sau đây:
Δ H o (CnH2n+2) = − (609n + 193) kJ. mol−1
298,15
n là số nguyên tử cacbon trong ankan
Trong trường hợp đơn giản của metan:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O với Δ H o = − 802,3 kJ.mol−1
298,15
Rất khó xác định nhiệt độ cháy hay nhiệt độ ngọn lửa nghĩa là nhiệt độ cực đại mà
các khí cháy tỏa ra. Nhiệt độ này càng cao thì sự cháy càng hồn tồn. Trong trường hợp
cháy hoàn toàn, trạng thái cuối cùng là hồn tồn xác định và việc tính tốn nhiệt độ cuối

cùng là đơn giản, nếu như ta chấp nhận rằng khơng có bất kỳ sự trao đổi nhiệt nào hay sự
trao đổi cơng nào được thực hiện với bên ngồi. Nghĩa là nhiệt sinh ra chỉ dùng để đốt
nóng các khí bị cháy (hay sự cháy trong chế độ đoạn nhiệt).
Vậy ta có: ΔQ = −ΔHo
Với nhiên liệu là khí CH4 ta có:
802303 = (2 Co (H2O) + Co (CO2)) (T − 298)= (2 × 51,103 + 60,35) (T − 298)
P
P
T = 5233 K = 4960°C
Tính tốn này đã được đơn giản hóa rất nhiều. Ở đây người ta đã sử dụng các giá trị
C ở 2000 K của các sản phẩm cháy được cho là độc lập với nhiệt độ T, khơng để ý đến
sự pha lỗng bởi các khí trơ và các chất khơng bị cháy có mặt ở trong khí cháy, nhưng
trước hết là khơng để ý đến hiện tượng phân ly sản phẩm cháy như CO2, H2O, ...
o
P

Thật vậy, phản ứng cháy của metan khơng tính đến sự phân ly nhiệt của các phân tử
này tham gia vào sự cháy, nhưng đối với CO2, H2O thậm chí ngay ở 2000 K có thể xuất
hiện sự phân ly kiểu:
CO2 → CO +

1
O2 ;
2

−1
Δ Ho
298,15 = 283 kJ.mol

H2O → •H + •OH

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


12

H2O

O2

H2

OH

CO

CO2

H

O

37,2

6,9

6,9

14,4

15,1

11,7

4,6

3,3

Chỉ có 49% nước và CO2 được hình thành khi sự cháy khơng bị phân ly. Từ đó rút ra
sự giảm đáng kể nhiệt độ đạt được (khoảng 2750°C) trong khi giá trị tính tốn được ở
trên là 4960°C.
Bởi vậy khái niệm về nhiệt trị của một nhiên liệu gắn liền với entanpi phản ứng
không đủ để xác định nhiệt độ thực của khí cháy và độ bền vững ngọn lửa. Cần phải chú
ý đến thành phần thực của khí cháy và độ bền vững nhiệt của chúng. Ví dụ, xianogen
(CN)2 mà sự cháy của nó dẫn đến những phân tử rất bền vững CO và N2 theo tỉ lệ 98% so
với chỉ 2% gốc cho phép đạt được nhiệt độ khoảng 4000°C. Đây là một trong những
nhiệt độ cao nhất mà ta có thể thu được bằng cách đốt cháy.
Trong thực tế, qua phân tích các sản phẩm cháy người ta luôn luôn phát hiện thấy
CO nghĩa là sự cháy thực tế rất khó đạt được sự cháy hợp thức.

1.5.3 Sự cháy khơng hồn tồn
Với nhiên liệu là các sản phẩm dầu và khí, cơng thức tổng qt của phản ứng cháy
như sau:
CnHmOr + (n +

m r
m

− )O2 → nCO2 +
H2O
4 2
2

Như đã nói sự cháy hợp thức trong khơng khí, khói gồm có CO2, H2O, N2 và SO2 ;
cịn sự cháy khơng hợp thức trong khói cịn có thành phần CO nghĩa là sản phẩm khói
gồm CO2, CO, H2O, N2 và SO2.
Nếu coi các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy nhiên liệu như là các phản
ứng của các thành phần nguyên tố của nhiên liệu với oxi thì sự tạo thành CO có thể viết
như sau:
K cb

CO2 + H2

CO + H2O

(1)

Trong trường hợp ở nhiệt độ cao có thể xảy ra q trình phân ly:
CO2 → CO +
và phản ứng sinh ra nước: H2 +

1
O2
2

1
O2 → H2O
2

Như vậy sự cháy khơng hồn tồn được quyết định bởi cân bằng (1). Từ cân bằng
này ta có hằng số cân bằng:
Kcb =

VCO2 VH2 O
[CO][H 2 O]
=
[CO 2 ][H 2 ]
VCO2 VH2


13
ở đây: VCO ,VCO2 là thể tích CO và CO2 trong một đơn vị thể tích chung của khói.
[CO]
=ρ
[CO 2 ]

Đặt:

(2)

và Kcb có thể viết:
Kcb = ρ

VH2 O
VH2

⇒

VH2 O
VH2

K cb
ρ

=

(3)

Nếu gọi CT là lượng cacbon tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, HT là lượng
hiđro tổng cộng trong một đơn vị thể tích khói, thì:
CT = VCO + VCO2
HT = VH2 + VH2O
Từ (2) ta có: VCO = ρVCO2 hay VCO2 =
Vậy CT = ρVCO2 + VCO2 ⇒ VCO2 =
và
Từ (3) có thể rút ra: VH2 =
và

VCO =

VCO
ρ

1
CT
(ρ + 1)

ρ

CT
ρ +1

(4)

(5)

ρ
HT
(ρ + K cb )
VH2O =

K cb
HT
(ρ + K cb )

(6)

Theo cân bằng vật chất:
VO2 cung cấp

= VO2 tiêu tốn cho sự cháy + VO2 dư trong khói

= (0,5 VCO + VCO2 + 0,5VH2O ) + OT

(7)

Nếu gọi hệ số dư lượng khơng khí là α và coi oxi chiếm 20% thể tích khơng khí thì:
VO2 cung cấp = 0,2.α.A

A là thể tích khơng khí tương ứng đưa vào để đốt cháy nhiên liệu một cách hợp thức,
nghĩa là α = 1 hay:
0,2.α.A =
⇒ 0,2.α.A =

ρ
1
K ch
CT +
CT +
HT + OT
2(ρ + 1)
(ρ + 1)
2(ρ + K ch )
2+ρ
K ch
CT +
HT + OT
2(ρ + 1)
2(ρ + K ch )

(8)


14
Ta biết rằng sự cháy lý thuyết (α = 1) thì ρ = 0, lúc đó phương trình (8) có dạng:
0,2.α.A = CT +

1
HT + OT

2

(9)

Nếu lấy (9) − (8) ta có:
0,2.A(α − 1) =

ρ
ρ
CT +
HT
2(ρ + 1)
2(ρ + K ch )

⎛ CT
⎞
HT
0,4.A(α − 1) = ρ ⎜
+
⎟
⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠

hay:

(10)

Nếu gọi F là thể tích khói khơ (đã loại bỏ nước):
F = VCO + VCO2 + VH2 + VN2
F = CT +

ρ
HT + 0,8.α.A + NT
(ρ + K ch )

(11)

trong đó: NT - nitơ trong nhiên liệu, 0,8.α.A - thể tích nitơ đưa vào từ khơng khí.
Như đã nói ở trên, nếu sự cháy là sự cháy hợp thức thì:
ρ = 0 → H.ρ = 0 và α = 1
Khi đó phương trình (11) có dạng: Fo = CT + NT + 0,8.A

(12)

Sự khác giữa cháy lý thuyết và cháy thực là:
F – Fo =

ρ
HT + 0,8 (α − 1).A
(ρ + K ch )

(13)

Mặt khác từ phương trình (10), ta có thể viết:
(α − 1).A = −

HT ⎞
ρ ⎛ CT
+
⎜
⎟

0,4 ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠

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

ρ
HT ⎞
0,8.ρ ⎛ CT
HT −
+
⎜
⎟
0,4 ⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠
(ρ + K ch )

⎛ 2CT
HT ⎞
F = Fo − ρ ⎜
+
⎟
⎝ (ρ + 1) (ρ + K ch ) ⎠

(14)

Vậy thành phần về thể tích khói khơ sẽ là:
%CO2 =
%CO =

VCO2
F

=

CT
(ρ + 1)F

ρCT
VCO
=
(ρ + 1)F
F


15

%H2 =

VH2
F

=

ρH T
(ρ + K cb )F

%N2 = 100 – (%CO2 + %CO + %H2)

1.6

Hiệu ứng phân ly trong ngọn lửa

Ở nhiệt độ cao do sự cháy khí xảy ra thì cũng xảy ra sự phân ly của CO2 và hơi nước.
Sự phân ly này có cùng hiệu ứng vì nếu hiđro, CO khơng bị cháy hồn tồn 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 tốn là:
1.

Thành phần của khí thải khơng có sự phân ly.

2.

Nhiệt bắt nguồn từ nhiệt đốt cháy của nhiên liệu và bất kỳ nhiệt đốt nóng sơ bộ
nào đã dùng (được biểu diễn bằng kcal/m3 khí thải ở 0°C và 760 mmHg).

Việc sử dụng đồ thị cho phép có thể tính tốn được nhiệt độ ngọn lửa đã được hiệu
chỉnh. Đối với bức xạ ngọn lửa, một hiệu chỉnh xa hơn có thể được tiến hành và cho phép
bình thường đạt độ sai lệch 10%. Ở nhiệt độ 2000°C, CO2 phân ly khoảng 6% và hơi
nước 1,9% ở áp suất khí quyển.

1.7

Năng suất tỏa nhiệt (NSTN hay nhiệt trị)

Một tính chất cơ bản của nhiên liệu là năng suất tỏa nhiệt (hay nhiệt trị) của nó. Cùng
với các tính chất khác, nhiệt trị có tầm quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị nhiệt có
khả năng dễ dàng chuyển hóa nhiên liệu thành cơng có ích một cách hiệu quả.
Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt được giải phóng ra khi nó cháy hồn tồn với
oxi và ngưng tụ các sản phẩm tới một nhiệt độ xác định. Các giá trị có thể được biểu thị
bằng các đơn vị nhiệt tiêu chuẩn (cal/g, J/g) đối với các nhiên liệu rắn và lỏng.

Nhiệt trị của một khí được biểu thị bằng số đơn vị nhiệt được giải phóng khi đốt cháy
một đơn vị thể tích khí đó ở áp suất khơng đổi. Đơn vị nhiệt tiêu chuẩn là kcal/m3. Nhiệt trị
của một khí được xác định tại một nhiệt độ chuẩn, cả khơng khí và khí đều được đưa về
nhiệt độ chuẩn, sản phẩm cháy cũng được làm lạnh tới nhiệt độ này, q trình cháy phải xảy
ra hồn tồn, nghĩa là sản phẩm chỉ có CO2, SO2, H2O và N2.
Nhiệt trị của một nhiên liệu rắn hay lỏng được xác định bình thường ở thể tích khơng
đổi trong một nhiệt lượng kế có khả năng chịu được áp lực tăng lên. Vì các sản phẩm
được làm lạnh tới nhiệt độ của nhiệt lượng kế nên giá trị thu được là giá trị thô.

1.7.1 Nhiệt trị tinh và nhiệt trị thô
Khi một nhiên liệu có chứa hiđro bị đốt cháy, nước được sinh ra và nếu lượng nước
này được ngưng tụ, nó sẽ giải phóng nhiệt ẩn cùng với nhiệt giải phóng khi làm lạnh từ
nhiệt độ cháy đến nhiệt độ của nhiệt lượng kế. Vậy tổng nhiệt trị (NSTN thô) của một
nhiên liệu là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị trọng lượng của nhiên liệu
(hay một đơn vị thể tích nếu nhiên liệu là khí) bị đốt cháy và sản phẩm cháy được đưa về


16
15°C. Trong trường hợp này, hơi nước bản thân nó bị ngưng tụ. Tuy nhiên trong thực tế,
nhiều trường hợp nhiệt này được tải bởi nước sinh ra khi H2 bị cháy hay nước có sẵn
trong nhiên liệu khơng chuyển thành cơng và nó khơng góp phần nâng nhiệt độ của ngọn
lửa hay phát năng lượng trong động cơ khí. Khi loại trừ tất cả các yếu tố trên thì nhiệt trị
thu được gọi là nhiệt trị tinh. Vậy nhiệt trị tinh là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi
một đơn vị trọng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy và sản phẩm cháy được ngưng tụ ở
15°C và hơi nước không bị ngưng tụ.
Khi phải so sánh giữa các mẫu than hoặc các mẫu dầu khác nhau thì nhiệt trị tinh
cũng khơng 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 tốn nhiệt trị
Nói chung, người ta hay dùng nhiệt lượng kế để xác định nhiệt trị của một nhiên liệu.
Trong việc tính tốn 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.

–

Khơng có nhiệt nào khác ngồi giá trị nhiệt này hay nói cách khác là nhiệt
khơng được sử dụng để giải phóng các nguyên tố trong khi cháy với oxi.

Khi cacbon bị cháy trong oxi với sự tạo thành CO2 thì lượng vật chất tham gia vào
phản ứng và nhiệt được giải phóng có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
C +

→

O2

12g C

CO2 + 97.644 cal

32g O2

44g CO2

Khi hiđro bị cháy tạo thành nước ở áp suất không đổi, ta có:

H2

+

1
O2
2

2g H2

16g O2

→ H2O +

69.000 cal

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:
NSTNCH =

%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


17
phần trọng lượng oxi kết hợp với một phần hiđro thì lượng hiđro sẽ giảm đi 1/8 so với
lượng oxi trong nhiên liệu và lượng hiđro này được gọi là lượng hiđro có giá trị, và cơng
thức tính tốn trở thành dạng:
O⎞
⎛
%C × 8137 + % ⎜ H − ⎟ × 34500
8⎠
⎝
Nhiệt trị (thô) cho 1 gam =
100

(2)

Với nhiên liệu là than, cơng thức tính nhiệt trị (NT) đầy đủ là:
O + N −1 ⎞
⎛
%C × 8137 + % ⎜ H −
⎟ × 34500 + S × 2220 − 600 × H2O
8
⎝
⎠
cal
NTthan=

100

(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
CH4 và CH≡CH thì thấy rằng trong trường hợp của metan, giá trị nhiệt trị tính tốn được
lại cao hơn nhiều so với các giá trị đo được bằng nhiệt lượng kế, trong khi đó đối với
axetilen thì nhiệt trị của nó lại thấp hơn nhiều. Như vậy có một lượng nhiệt cần thiết để
phá vỡ metan trong hỗn hợp metan và axetilen trước khi cháy, trong trường hợp này nhiệt
đó lấy từ sự cháy axetilen. Điều này có thể được giải thích dựa vào nhiệt hình thành của
hai khí. Khi metan được hình thành từ các ngun tố C và H thì nhiệt được giải phóng và
vì thế để tách các nguyên tố này ra khỏi metan để chúng có thể tham gia vào phản ứng
với oxi trong khi cháy thì cần nhiều nhiệt hơn. Như vậy, những hợp chất mà chúng giải
phóng nhiệt khi hình thành được gọi là các hợp chất phát nhiệt (exothermic). Ngược lại,
axetilen hấp thụ nhiệt khi hình thành, nhiệt này được giải phóng khi phân hủy và cộng
với nhiệt sinh ra do sự cháy của các nguyên tố thành phần của nó. Những hợp chất mà sự
hình thành của chúng đòi hỏi cung cấp nhiệt được gọi là các chất thu nhiệt. Do đó, về lý
thuyết, tất cả cơng thức để tính tốn các nhiệt trị là khơng chính xác trừ khi nhiệt hình
thành của nhiên liệu là rất thấp hay âm. Cơng thức tính có thể áp dụng rất tốt cho hầu hết
các loại than, đơn giản là vì than là nhiên liệu thu nhiệt rất nhẹ nhàng và đặc trưng thu
nhiệt của nó tăng lên với lượng oxi có mặt. Đối với các nhiên liệu khí, do nhiệt hình
thành của chúng từ các ngun 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 tốn được từ các giá trị
của các khí thành phần ở thể tích khơng đổi là phù hợp tốt với việc xác định bằng phương
pháp nhiệt lượng kế.
Một điều quan trọng cần thiết phải biết rằng nhiệt trị của một nhiên liệu là cao hơn
khi nó bị đốt cháy ở áp suất không đổi so với khi nó bị đốt cháy ở thể tích khơng đổi. Ví
dụ sản phẩm cuối cùng của sự cháy chiếm một thể tích nhỏ hơn thể tích của các khí ban

đầu (ví dụ như hiđro), ở đây hơi nước chỉ chiếm 2/3 thể tích các khí ban đầu và nước có
thể ngưng tụ tiếp dẫn tới thể tích khơng 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 khơng đáng kể, ví dụ với than chỉ vài cal/g.

1.8

Cường độ nhiệt


18
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 khơng những chỉ vào nhiệt
trị mà cịn vào nhiều điều kiện khác như:
- Trọng lượng sản phẩm cháy,
- Lượng khơng khí dư,
- Nhiệt dung riêng của chúng,
- Nhiệt bị mất đi.
Giả sử rằng toàn bộ nhiệt được sử dụng, không bị mất đi khi nâng nhiệt độ của sản
phẩm thì người ta có thể tính tốn 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 thực 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 được, 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 khơng 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. Lại 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 lượng lý thuyết khơng khí thì nhiệt độ đạt được là 2300°C.
Cịn nếu tăng lượng khơng khí lên 2 lần thì nhiệt độ đạt được chỉ là 1400°C.
Trong các lị tái sinh, ở đó nhiệt thốt ra từ sự đốt cháy khí được sử dụng để đốt nóng
khơng 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 sự đốt cháy CO bằng 2 lần thể
tích khơng khí và cả khí (CO + khơng khí) được dùng ở nhiệt độ thường sẽ thấp hơn
1600°C. Nhưng nếu nhiệt độ ban đầu của CO và khơng khí là 500°C (thơng 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 năng 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 hố 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 sơi. Đó là tổng của nhiệt hoá hơi và nhiệt
cần thiết để nâng nhiệt độ của nước từ đầu vào tới nhiệt sơi 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.


19
Ví dụ, một máy đun sơi nước làm việc ở áp suất tuyệt đối là 52 kg/cm2 ; 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 cơng suất hố hơi lý thuyết sẽ là 7500 /642,5 =

11,8.