Quá trình đốt cháy nhiên liệu và đun nóng bằng lò hơi

Q TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU VÀ
ĐUN NĨNG BẰNG LỊ HƠI


Nhiên liệu là những vật có thể cháy được và kèm theo tỏa
ra nhiều nhiệt và ánh sáng khi cháy.
Nguồn nhiên liệu chủ yếu là các chất hữu cơ,có thể tồn tại
ở:
- Dạng rắn như gỗ, củi, than bùn, than đá,.....

- Dạng lỏng như dầu mỏ, dầu xăng, dầu mazút,....

- Hoặc thể khí như khí thiên nhiên ,khí lị cao….


7.1.1. Thành phần của nguyên liệu
Thường thành phần của nhiên liệu được biểu thị theo
thành phần hóa học và thành phần cơng nghệ.
• Có thể phân tích thành phần hóa học của nhiên liệu theo
những thành phần cháy được như:
- Cacbon là thành phần cháy chủ yếu của nhiên liệu,
khi cháy cacbon tỏa ra khoảng 34.150 kJ/kg, chiếm từ
50% đến 95% tùy từng loại nhiên liệu.
- Hyđro là thành phần cháy quan trọng, khi cháy tỏa ra
nhiều nhiệt hơn, khoảng 144500 kJ/kg, nghĩa là gấp
hơn 4 lần so với cacbon và dễ bắt lửa, chiếm từ 2%
đến 10%.


- Lưu huỳnh thường tồn tại dưới 3 dạng: dạng hữu cơ,
dạng khoáng chất là hai dạng cháy được và dạng thứ ba

không cháy được là dạng sulfit như CaSO4, MgSO4,.....sẽ
tạo tro xỉ. Lưu huỳnh xếp vào loại thành phần có hại, tuy
rằng khi cháy có tỏa ra một ít nhiệt, bằng khoảng 1/3
cacbon, nhưng tác hại chủ yếu khi đốt sẽ tạo ra SO 2,SO3
gây hiện tượng ăn mòn các bề mặt truyền nhiệt.
- Nitơ: khi đốt ở áp suất khí quyển và nhiệt độ khơng q
cao thì nitơ không cháy mà lẫn vào trong sản phẩm cháy
dưới dạng tự do nhưng khi ở nhiệt độ cao thì cháy
được,tạo NO3 làm ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chiếm
khoảng 0,5% đến 2,5%.


- Độ ẩm: Là thành phần có hại, khơng những khơng cháy
và tỏa nhiệt cịn tiêu tốn nhiên liệu để làm bốc hơi, làm
tăng nhiệt độ đọng sương của khói, nhất là khi đốt nhiên
liệu có nhiều lưu huỳnh.
- Độ tro A: Tro là tổng hợp các thành phần không cháy
được ở thể rắn. Độ tro của dầu mazút từ 0,2 đến 0,5%,
của củi gỗ khoảng 0,5% đến 2,5%, của than đá khoảng
15% đến 30% hoặc hơn nữa. Tro có tác dụng xấu, làm
giảm lượng nhiệt phát ra của nhiên liệu, gây hiện tượng
bám bẩn, mài mòn các bề mặt truyền nhiệt, gây hiện
tượng bám bẩn, mài mòn các bề mặt truyền nhiệt, các
đường ống dẫn, quạt khói,.....


• Đứng về góc độ sử dụng nhiên liệu thường dùng thêm thành
phần cơng nghệ, trong đó thành phần cháy được bao gồm có
chất bốc (V) và cốc.
- Chất bốc là những chất khí thải ra khi nhiên liệu bị phân

hủy nhiệt trong mơi trường khơng có oxy, thành phần chủ
yếu của nó là hyđro, cacbua hyđro (C mHn), CO,...... Phần
còn lại là cốc và tro.
- Nhiên liệu càng non chất bốc càng nhiều
- Nhiên liệu có càng nhiều chất bốc, càng dễ bắt lửa, cháy
ổn định và ngọn lửa dài.
- Nhiên liệu có chất bốc trên 25% rất dễ cháy, dưới 17% khó
cháy.
- Ở nước ta phần lớn nhiên liệu là antraxit, nửa antraxit và
than gầy, chất bốc rất thấp nên khó cháy.


7.1.2. Phân loại nhiên liệu
Dựa theo trạng thái tồn tại, có thể chia thành nhiên liệu
rắn, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí. Dựa theo cách hình
thành, có nhiên liệu thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí
thiên nhiên,..... Và nhiên liệu chế biến như than cốc, than
hoa, dầu mazút, khí lò gas,..... Một số nhiên liệu thường
gặp :


1. Củi, gỗ và phụ phẩm nông lâm sản: Củi khơ có thành phần
khá ổn định: Cc = 50%, Hc = 6%, Oc = 4%, Nc = 0,5 – 1%,
chất bốc Vc = 85%. Còn độ ẩm thay đổi khá nhiều, củi khơ
có Wlv khoảng 20 – 30%, củi tươi khoảng 50%, có khi lên
tới 60 – 70%. Các loại nhiên liệu này có nhiều chất bốc
nên dễ cháy nhưng nhiệt trị khơng cao, thường dùng để
nhóm lị, nhiệt trị khô khoảng 19000 kJ/kg, nhiệt trị thấp
không quá 12000 kJ/kg.
2. Than bùn: là dạng ban đầu của thực vật cuyển hóa thành

than đá, có độ ẩm rất lớn, Wlv dao động trong khoảng 30 –
90%, chất bốc cao, Vc bằng khoảng 70%, tro không nhiều,
khoảng 7 – 15%, dễ cháy nhưng nhiệt trị không cao,
khoảng 8500 – 12000 kJ/kg. Than bùn được xếp vào loại
nhiên liệu địa phương, có nơi cịn dùng làm phân bón.


3. Than nâu: là dạng tiếp theo của than bùn, các đặc tính dao động trong
phạm vi rơng: độ ẩm Wlv khoảng từ 18 – 60%, độ tro Alv khoản 10 – 50%,
chất bốc Vlv khoảng 30 – 55%. Than nâu dễ cháy nhưng thành phần
cacbon ít nên nhiệt trị vẫn chưa cao, bằng khoảng 12000 – 16000 kJ/kg.
4. Than đá: là loại than có tuổi hình thành tương đối cao, chất bốc thay đổi
phạm vi khá rộng từ 2 – 55%, có thể chia thành một số loại sau:
- Than có ngọn lửa dài với chất bốc Vc trên 42% dễ cháy, cho ngọn lửa
dài và xanh.
- Than khí (gas) có chất bốc Vc từ 35 – 42%.
- Than mỡ (luyện cốc) có chất bốc Vc từ 18 – 26%, cháy có ngọn lửa
sáng và ngắn, thường dùng để luyện cốc cho ngành luyện kim.
- Than gầy, có chất bốc Vc dưới 17%, khó cháy, ngọn lửa ngắn và vàng,
cốc khơng thiêu kết.
- Than antraxit: có tuổi hình thành cao nhất, chất bốc rất ít, thành phần
cacbon rất cao. Khi chát cho ngọn lửa xanh nhạt, khơng có khói.


5. Dầu mazút: là sản phẩm chiếm khoảng 40% khối lượng
khi chế biến dầu mỏ, thành phần Clv từ 80 – 85%, Hlv từ
8 – 10%, nhiệt trị khoảng từ 39000 – 40000 kJ/kg. Nhiệt
độ chớp lửa của dầu mazút thông thường khoảng 60 –
100oC. Nhiệt độ bắt lửa thường lớn hơn nhiệt độ chớp
lửa khoảng 10 – 30%, đây là nhiệt độ tối thiểu mà khi để

gần lửa dầu có thể tiếp tục cháy.
6. Khí đốt: gồm có khí thiên nhiên và khí chế biến (nhân
tạo). Khí thiên nhiên chủ yếu là metan (CH4), cịn khí chế
biến có thành phần khác nhau nhiều: khí lị cốc chứa
khoảng 53% H2, 22% CH4, nhiệt trị khoảng 16000
kJ/m3tc.


7.1.3. Nhiệt trị
Nhiệt trị (năng suất tỏa nhiệt) của nhiên liệu là nhiệt
lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg hoặc 1m3 tc nhiên
liệu (đơn vị kJ/kg hoặc kJ/m3tc).
Thường dùng 3 loại: nhiệt trị bom nhiệt lượng kế, nhiệt
trị cao và nhiệt trị thấp. Trong các bài tính thơng thường
dùng nhiệt trị thấp làm việc, tức là nhiệt lượng tỏa ra khi
đốt cháy 1kg hoặc 1m3tc mẫu nhiên liệu ở điều kiện làm
việc bình thường mà H2O ở dạng nước ngưng ta được
nhiệt trị cao làm việc .


Có thể tính nhiệt trị theo cơng thức thực nghiệm khác
nhau, thường dùng công thức Mendeleep khi biết được
các thành phần hóa học:
lv
lv
lv
lv
 25 ( 9 H
W )
Q t  Q,kJ/kg

c
lv
c
lv
lv
 A  W ) / 100
Q c  Q c (100,kJ/kg
c
c
c
c
c

340

1250

110
(

,kJ/kg
Qc
C
S O)
H
Ví dụ: - Đối với bã mía
lv
,55d  41b  25W  350
Qt 46 f  39,kcal/kg
- Đối với dầu mazút

Q  50,45H
Q,kcal/kg
t
c
l
,kcal/kg

12400

2100
Qc
d
- Đối với nhiên liệu khí
=0,01(QCOCO + QH2H2 + QH2SH2S + QCmHnCmHn),kJ/m3tc


7.1.4. Qúa trình cháy của nhiên liệu
7.1.4.1. Xác định lượng khơng khí để đốt cháy nhiên liệu
a. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng
- Phản ứng cháy của cacbon: cacbon cháy hoàn toàn theo
phản ứng
C + O2 -> CO + Qc
Khi cháy khơng hồn tồn
C + ½O2-> CO + QC1
CO hình thành có thể cháy tiếp theo phản ứng:
CO + ½O2 -> CO2 + QC2
Nhiệt lượng tỏa ra có quan hệ: Qc = QC1 + QC2
- Phản ứng cháy của hyđro:
H2 + ½O2 -> H2O + Qh
- Phản ứng cháy của lưu huỳnh:

S + O2 -> SO2 + Qs


Cũng có những cơng thức kinh nghiệm để tính, như:
lv
o
lv
3tc/kgnl
,m
a(
 W )/1000

V

kk

Q

t

Trong đó: a – hệ số xác định theo kinh nghiệm (với than
và dầu = 1,07 – 1,10; với đá dầu và nhiên liệu khí = 1,15
– 1,20)
Đối với dầu, có thể dùng cơng thức kinh nghiệm của
Rơbin:
lv
o
0,8,m( 3tc/kgnl
/ 1000) / 2

V

kk

Q

t


b. Đối với nhiên liệu khí
- Phản ứng cháy H2:
H2 + 1/2O2 -> H2O + Qh
Tức là: 22,4m3tc H2 + 22,4/2 m3tc O2-> 22,4 m3tc H2O
- Phản ứng cháy CO:
CO +1/2O2 -> CO2
- Phản ứng cháy SO2:
n
Q 340C 12502H 110 (S  O )
S + O2 -> SO2
- Phản ứng cháy H2S:
H2S + 3/2O2 -> SO2 + H2O
- Phản ứng cháy CH4:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
- Phản ứng cháy cacbua hyđro
CmHn + (m+n/4)O2 -> mCO2 + n/2H2O
c
c

c

c

c

c


Thể tích khơng khí lý thuyết (cháy hồn tồn với a=1) để
đốt cháy 1m3tc nhiên liệu khí:
O
V= KK
Lượng khơng khí khơ lý thuyết được tính theo cơng thức:
- Đối với nhiên liệu rắn, Vlỏng:
O

KK

n

 (m  4 )

- Đối với nhiên liệu khí:

Trong đó: x – số ngun tử cacbon
y – số nguyên tử hyđro


7.1.4.2. Hệ số dư khơng khí
V là lượng khơng khí lý thuyết,nghĩa là với giả thuyết tất cả
khơng khí đều được tham gia phản ứng và vừa đủ để cháy

hoàn tồn.Nhưng trong thực tế,vì nhiều lí do khác
nhau,ln có một bộ phận khơng khí khơng tiếp xúc được
với các thành phần cháy nên lượng khơng khí thực tế Vkk
khác với lượng khơng khí lí thuyết,thường là nhiều
hơn,nên tỷ số α=
hệ số dư khơng khí được chọn theo kinh nghiệm:
+) đốt nhiên liệu lỏng và khí lấy khoảng 1,05÷1,10
+) đốt than phun lấy từ 1,15÷1,25


• +) trên ghi xích , đốt than don lấy khoảng 1,3
• +)đốt than cám láy khoảng 1,5
• +)trên ghi th cụng ly khong 1,4ữ1,5
ã -) h s d khụng khí α lấy các định từ phương
trình cân bằng nhiệt lượng
• +) đối với nhiên liệu lỏng , rắn :