Tài liệu Giáo trình lò luyện kim P4 pptx

Chơng 4
Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu

4.1. Nhiên liệu
4.1.1. Khái niệm chung
Nhiên liệu là loại vật chất mà khi cháy tỏa ra một lợng nhiệt lớn, lợng nhiệt
này có thể sử dụng một cách có hiệu quả trong công nghệ cũng nh trong đời sống.
Nhiên liệu phải thoả mãn các yêu cầu chung sau đây:
+ Sản phẩm cháy của nhiên liệu phải ở thể khí. Khi đó, sản vật cháy mới có thể
chuyển động thuận lợi trong lò, truyền nhiệt cho vật nung và thoát ra ngoài dễ dàng để
phản ứng cháy của nhiên liệu tiếp tục xẩy ra.
+ Sản phẩm cháy không gây tác động có hại đối với vật liệu gia công, không phá
hủy thiết bị, không độc hại đối với ngời và sinh vật xung quanh.
+ Có thể khống chế đợc quá trình cháy.
+ Trữ lợng lớn và giá thành khai thác, chế biến thấp.
Từ các yêu cầu chung ở trên, ta thấy chỉ những chất có nguồn gốc hữu cơ, gồm
các bon và hyđrô tạo thành, mới có thể thoả mãn đồng thời các yêu cầu đó. Các bon và
hyđrô khi bị oxy hoá đều có hiệu ứng nhiệt lớn, sản phẩm cháy ở thể khí và với nồng
độ không lớn là loại khí không độc hại.
4.1.2. Các loại nhiên liệu
a) Phân loại
- Căn cứ vào nguồn gốc hình thành, nhiên liệu đợc phân ra: thiên nhiên, nhân tạo.
- Căn cứ vào trạng thái, nhiên liệu đợc phân ra: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng,
nhiên liệu khí. Các loại nhiên liệu đợc sử dụng trong công nghiệp trình bày ở bảng
4.1.
Bảng 4.1 Phân loại nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp
Trạng thái Nguồn gốc
Thiên nhiên Nhân tạo
Rắn Củi, gỗ, than bùn, than nâu, than
khói, than ăngtraxit, ...
Than củi, than cốc, than bụi,..

Lỏng Dầu mỏ
ét xăng, dầu hoả, mazut,...
Khí Khí đốt thiên nhiên Khí đốt lò cốc, khí lò cao, khí lò sinh
khí,...
-57-
b) Nhiên liệu rắn
- Nhiên liệu rắn thiên nhiên: gồm các loại gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than
antraxit.
Gỗ: Thành phần chủ yếu của gỗ là xen-luy-lô, nớc và một số oxyt kim loại
kiềm. Thành phần nguyên tố của gỗ nh sau: %C = 49,4 ữ 50,4; %H = 5,9 ữ 6,1; %O =
42,7 ữ 43,9; %N = 0,7 ữ 1. Nhiệt trị Q
d
= 1.878 ữ 4.460 Kcal/kg.
Gỗ có hàm lợng chất bốc cao (khoảng 80 %) dễ cháy, không chứa lu huỳnh,
hàm lợng tro nhỏ (A = 0,7 ữ 1,2 %), nhợc điểm của gỗ là chứa nhiều nớc (gỗ tơi
W = 40 ữ 60 %, gỗ khô W = 30%), nhiệt trị của gỗ thấp ( khi w = 50 %, Q
d
=1878
Kcal/kg), khối lợng thể tích nhỏ nên chi phí vận chuyển cao.
Gỗ là loại nhiên liệu đợc dùng nhiều trớc đây, song hiện nay gỗ là nguồn
nguyên liệu có giá trị của nhiều ngành công nghiệp khác nên rất hạn chế dùng để làm
nhiên liệu.
Than bùn: là loại than trẻ tuổi nhất vừa chuyển từ thực vật sang, chứa nhiều nớc,
mới khai thác W = 85 ữ 91 %, phơi khô kỹ vẫn còn W = 30 ữ 40 %, khối lợng thể tích
nhỏ 325 ữ 425 kg/m
3
. Thành phần nguyên tố trung bình của than: %C
c
= 57,8; %H
d

=6,0; %O = 33,4; %N
c
= 2,5; %S
c
=0,3; %A
k
= 9,7. Nhiệt trị Q
d
= 2.660 ữ 2.940
Kcal/kg.
Than bùn có u điểm: dễ bốc cháy, chứa ít lu huỳnh, dễ khí hóa. Nhợc điểm:
khối lợng thể tích nhỏ, độ bền cơ học thấp, nhiệt trị thấp, điểm chảy của tro thấp.
Than bùn chủ yếu dùng trong công nghiệp địa phơng, gần nơi khai thác.
Than nâu: than nâu do than bùn trải qua một thời kỳ biến đổi tạo thành, quá trình
chuyển biến từ thực vật sang khoáng vật đã hoàn thành. Thành phần nguyên tố của
than nâu: %C
c
= 72 ữ 78 ; %H
d
= 4,4ữ 5,6; %O = 15 ữ 21; %N
c
= 1,3 ữ 1,5; %S
c
= 0,4;
%A
k
= 11 ữ 30; %W
d
= 35 - 50. Nhiệt trị Q

d
= 2.660 ữ 4.100 Kcal/kg.
So với than bùn, than nâu có thành phần các bon cao hơn, khối lợng thể tích từ
800 ữ 900 kg/m
3
, độ bền cơ học cao hơn, hút nớc ít hơn, thành phần chất bốc thấp
hơn.
Than nâu có thể đợc dùng làm nhiên liệu cho các lò nhiệt độ không cao, khí hoá
để sản xuất khí đốt.
-58-
Than khói: Quá trình các bon hoá của than hoàn thiện hơn, độ hút nớc của than
bé, lợng chất bốc giảm, độ bền cơ học cao hơn. Theo công dụng than khói đợc phân
ra: than lửa dài, than khí đốt, than béo, than luyện cốc, than gầy. Than lửa dài và than
khí đốt có hàm lợng chất bốc còn khá cao, khi cháy sinh ra ngọn lửa dài, đợc dùng
đốt trực tiếp hoặc chế tạo khí đốt. Than béo một phần đốt trực tiếp, một phần để luyện
cốc. Than luyện cốc là loại than quý dùng để luyện than cốc, loại nhiên liệu quan trọng
trong các lò luyện và nấu gang. Than gầy chủ yếu dùng để đốt trực tiếp.
- Than không khói ( than antraxit): than không khói là loại than già tuổi nhất, độ bền
lớn, hút ẩm ít, hàm lợng các bon cao, lợng chất bốc thấp, khi cháy không sinh khói.
Hàm lợng tro và lu huỳnh trong than biến đổi trong phạm vi rộng. Than không khói
đợc dùng đốt trực tiếp, một phần đợc nhiệt luyện để thay thế một phần than cốc
trong nấu gang.
- Nhiên liệu rắn nhân tạo: than gỗ, than cốc, than antraxit nhiệt luyện.
Than gỗ: than gỗ đợc chế tạo bằng cách chng khô củi gỗ theo phơng pháp thủ
công hoặc dùng lò kín và nung bằng không khí nóng 350 - 400
o
C.
Thành phần hữu cơ của than gỗ: %C = 79,81 ữ 88,87 ; %H = 4,33 ữ 3,23; %
(O+N) = 15,86 ữ 7,90.
Than gỗ chứa ít lu huỳnh, trớc đây đợc sử dụng làm nhiên liệu cho lò đúc, lò

cao cở nhỏ nhng hiện nay ít dùng.
Than cốc: Than cốc đợc luyện bằng cách nung bột than có tính dính kết tốt (than
luyện cốc, than béo) trong môi trờng cách biệt với không khí tới nhiệt độ 850 -
1000
o
C sau đó làm nguội.
Quá trình luyện cốc nh sau: nghiền than đến độ hạt khoảng 3 mm, chất vào lò và
nung. Dới tác dụng của nhiệt, than đợc sấy khô và chng, trong than xẩy ra các phản
ứng phân hóa nhiệt. Giai đoạn quan trọng nhất đối với sự tạo thành than cốc là ở nhiệt
độ 400 - 500
o
C, than bị biến mềm và tiết ra chất bốc làm cho khối than trở nên xốp.
Tiếp tục nâng nhiệt độ, khối than sẽ chuyển sang trạng thái rắn ta thu đợc than cốc.
Than cốc đợc lấy ra khỏi lò và làm nguội bằng nớc sau đó sàng phân loại theo cỡ
hạt. Than cốc có đặc điểm: độ bền cơ và bền nhiệt cao, độ xốp than lớn, hàm lợng
chất bốc thấp, hàm lợng tro từ 8 - 14%. Than cốc chủ yếu dùng cho các lò cao luyện
gang và các lò đứng nấu gang.
-59-
Than antraxit nhiệt luyện: Than antraxit có độ xốp bé, khi bị nung nóng đột ngột,
nớc và chất bốc thoát ra mạnh làm cho than bị vỡ vụn nhiều gây khó khăn cho quá
trình chạy lò. Để tăng độ bền nhiệt của than antraxit ngời ta tiến hành nhiệt luyện.
Quá trình nhiệt luyện than tiến hành nh sau: đem than nung nóng chậm đến 1000 -
1100
o
C, giữ nhiệt trong một thời gian sau đó làm nguội, thu đợc than nhiệt luyện. Khi
nung nóng chậm, nớc và chất bốc trong than thoát ra ngoài, hàm lợng nớc và chất
bốc trong than giảm, đồng thời độ xốp của than tăng lên làm tăng đáng kể độ bền nhiệt
của than khi chạy lò. Than gầy nhiệt luyện đợc sử dụng thay thế một phần than cốc để
nấu gang trong lò đứng và luyện gang trong các lò cao cỡ nhỏ.
c) Nhiên liệu lỏng

Nhiên liệu lỏng dùng trong lò công nghiệp chủ yếu là dầu mazut và dầu điêzen là
các sản phẩm thu đợc khi gia công dầu mỏ.
Dầu mỏ nguyên khai là hỗn hợp của nhiều loại cacbua hyđrô và một lợng nhỏ
các tạp chất của oxy, nitơ và lu huỳnh. Các cacbua hyđrô trong dầu mỏ đợc chia ra
ba nhóm: mê-tan (C
n
H
2n+2
), náp-ten (C
n
H
2n
) và cacbua thơm (C
n
H
2n-6
). Dầu mỏ có khối
lợng riêng 750 - 1.000 kg/m
3
, nhiệt trị 9.800 - 10.500 kcal/kg. Mặc dù dầu mỏ có
nhiệt trị cao nhng ngời ta không dùng nó trực tiếp làm nhiên liệu vì trong nó chứa
nhiều sản vật quý.
Dầu mỏ đợc gia công bằng hai phơng pháp: chng phân trực tiếp và crăc-
kinh.
Khi chng phân trực tiếp, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các sản phẩm
trong dầu mỏ, ngời ta chng dầu mỏ ở những nhiệt độ cần thiết để tách riêng từng
loại. Các sản phẩm thu đợc khi chng phân trực tiếp gồm: ét-xăng nhẹ, ét-xăng nặng,
dầu hoả, ligrain, gajôin và mazut. Đem mazut chng trong chân không, tiếp tục thu
đợc các loại dầu nhờn và hắc-ín.
Crăc-king dầu mỏ là quá trình làm phân hóa nhiệt dầu mỏ ở 450 - 460

o
C để biến
những cacbuahyđrô nặng thành những cacbuahyđrô nhẹ hơn. Nhờ phơng pháp crăc-
king ngời ta tăng thêm đợc lợng dầu nhẹ thu hồi khi gia công dầu mỏ.
d) Nhiên liệu khí
So với nhiên liệu rắn và lỏng, nhiên liệu khí có nhiều u điểm hơn:
+ Dễ hoà trộn với không khí nên chỉ cần hệ số d không khí nhỏ cũng đảm bảo
đốt cháy hoàn toàn, giảm tổn thất nhiệt do khói lò mang ra ngoài.
-60-
+ Có thể đạt dợc nhiệt độ cháy cao nhờ nung nóng trớc không khí và nhiên
liệu.
+ Thiết bị đốt đơn giản, dễ khống chế nhiệt độ, chiều dài ngọn lửa và áp suất
trong lò.
+ Dễ vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ.
- Khí đốt thiên nhiên: Khí đốt thiên nhiên có ở các mỏ riêng hoặc ở các mỏ dầu. Thành
phần có thể cháy trong nó chủ yếu là mê tan(CH
4
), chiếm khoảng 75 - 98%, một ít
cacbuahyđrô nặng, hyđrô và CO, thành phần không thể cháy là CO
2
và N
2
.
Khí đốt thiên nhiên có năng suất toả nhiệt cao, Q
d
8.600 Kcal/m
3
.
- Khí đốt nhân tạo: Khí đốt nhân tạo gồm nhiều loại (bảng 4.2).
Bảng 4.2 Thành phần và nhiệt trị của khí nhân tạo

Thành phần theo thể tích (%) Q
d
Loại khí
đốt
CO
2
+H
2
S O
2
CO H
2
CH
4
C
m
H
n
N
2

kcal/m
3
Khí đốt
bán cốc

12 -15

0,2-0,5

7 - 12

8 - 12

45 - 62

5 - 8

2 - 10
5.300
-7.000
Khí đốt
lò cốc

2 - 3

0,7 - 1,2

4 - 8

53 - 60

19 - 25

1,6 - 2,3

7 - 15
3.700
- 4.000
Khí đốt

hơi nớc

5 - 7

0,1 - 0,2

35 - 40

47 - 52

0,3 - 0,6

-

2 - 6
2.400
- 2.500
Khí đốt
hỗn hợp

5 - 7

0,1 - 0,3

24 - 30

12 - 15

0,5 - 3

0,2 - 0,4

46 - 55
1.150
- 1.550
Khí đốt
không khí

0,5 - 15

-

32 - 33

0, 5 -0,9

-

-

64 - 66
900
- 1.030
Khí đốt
lò cao

8 - 14

-

23 - 31

10 -15

0,1 - 2,6

-

48 - 60
900
- 1.265

Khí đốt lò cao: là sản phẩm phụ khi luyện gang bằng lò cao, luyện 1 tấn gang thu
đợc 3.600 - 4.000 m
3
khí lò cao. Thành phần khí cháy chủ yếu của khí lò cao là CO
(hàm lợng 23 - 31%) và hyđrô (hàm lợng 10 - 15%). Nhiệt trị khí lò cao thấp (Q
d
=
900 - 1265 Kcal/m
3
), để nâng cao nhiệt độ cháy ngời ta thờng nung nóng trớc hoặc
hỗn hợp với khí lò cốc.
-61-
Khí lò cốc: là sản phẩm phụ thu đợc khi luyện than cốc, luyện 1 tấn than cốc thu
đợc 230 - 270 m
3
khí lò cốc. Thành phần có thể cháy của khí lò cốc chủ yếu là H
2
(53

- 60%) và CH
4
(19 - 225%), Q
d
= 3700 - 4000Kcal/kg.
Khí đốt không khí là sản phẩm thu đợc khi khí hóa than mà khí thổi là không
khí. Thành phần cháy chủ yếu là CO (32 - 33%). Nhiệt trị khí đốt không khí thấp, Q
d
=
3780 - 4600 Kcal/kg.
Khí đốt hơi nớc là sản phẩm thu đợc khi khí hóa than bằng hơi nớc. Thành
phần cháy chủ yếu là CO ( 35 - 40%) và H
2
(47 - 52 %). Nhiệt trị khí đốt hơi nớc
thấp Q
d
= 2400 - 2500 Kcal/kg và giá thành cao nên ít dùng trong luyện kim.
4.1.3. Thành phần của nhiên liệu
Thành phần nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng của
nhiên liệu.
a) Thành phần nhiên liệu rắn và lỏng
Đối với các nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng rất phức tạp, các
nguyên tố tạo thành chúng thờng không tồn tại một cách độc lập, mà hoá hợp với
nhau tạo thành các hợp chất. Việc phân tích chính xác thành phần nhiên liệu theo các
hợp chất tạo thành chúng rất khó khăn, bởi vậy trong tính toán nhiệt thờng ngời ta
coi nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm các chất tồn tại độc lập:
- Các bon (C): là thành phần cháy chính của nhiên liệu rắn và lỏng. Phản ứng cháy
hoàn toàn của cácbon với oxy có hiệu ứng nhiệt lớn.
C +O
2

= CO
2
+ 8.137 Kcal/kg
- Hyđrô (H): dạng cháy đợc gồm hyđrô tự do và hyđrô hóa hợp với các chất cháy
đợc, dạng không cháy đợc là hợp chất với oxy. Phản ứng cháy của hyđrô với oxy:
H
2
+
2
1
O
2
= H
2
O + 34.180 Kcal/ kg
- Nitơ (N): là thành phần không cháy đợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ
chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh hởng.
- Lu huỳnh (S): có ba dạng là lu huỳnh hữu cơ, lu huỳnh sunphit và lu huỳnh
dạng muối. Hai dạng đầu có thể cháy còn lu huỳnh dạng muối không thể cháy. Lu
huỳnh là tạp chất có hại trong nhiên liệu cần hạn chế.
- Tro (A): gồm các khoáng chất SiO
2
, Al
2
O
3
, MgO, Fe
2
O
3

... là các thành phần không
cháy đợc. Hàm lợng tro trong nhiên liệu càng cao thì chất lợng nhiên liệu càng
-62-
giảm do giảm hàm lợng chất cháy đợc, tổn hao nhiệt do nung nóng tro, tăng lợng
bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn cho việc khống chế quá trình cháy.
- Nớc (W): gồm nớc hấp phụ bề mặt, nớc hấp thụ qua các lỗ xốp của nhiên liệu
và nớc kết tinh. Khi sấy nhiên liệu chỉ hai dạng đầu là có khả năng bốc hơi còn dạng
nớc kết tinh vẫn còn trong nhiên liệu.
Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng đợc biểu diễn bằng bốn
cách:
+ Chất hữu cơ : C
h
+ H
h
+ O
h
+ N
h
= 100 %. (4.1)
+ Chất có thể cháy : C
c
+ H
c
+ O
c
+ N
c
+ S
c
= 100 %. (4.2)

+ Chất khô : C
k
+ H
k
+ O
k
+ N
k
+ S
k
+A
k
= 100 %. (4.3)
+ Thông dụng: %C
d
+ %H
d
+ %O
d
+ %N
d
+ %S
d
+%A
d
+ %W
d
= 100 % (4.4)
Để chuyển đổi từ thành phần này qua thành phần khác ngời ta dùng các hệ số
thế hoán cho ở bảng 4.3.

Bảng 4.3. Hệ số chuyển đổi thành phần nhiên liệu rắn và lỏng
Thành phần muốn chuyển đổi Thành
phần đã
biết
Chất hữu cơ Có thể cháy Chất khô Thông dụng
Chất hữu
cơ
1
100
S100
c


100
)AS(100
kk
+
100
)WAS(100
ddd
++

Có thể
cháy
c
S100
100


1

100
A100
k


100
)WA(100
dd
+

Chất khô
)AS(100
100
kk
+

k
A100
100


1
100
W100
d


Thông
dụng
)WAS(100

100
ddd
++

)WA(100
100
dd
+
d
W100
100


1

b) Thành phần nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí thờng là hỗn hợp cơ học của một số khí, có thể phân tích chính
xác từng thành phần của chúng. Các thành phần có thể cháy trong nhiên liệu khí gồm:
CO, H
2
, CH
4
, C
m
H
n
, H
2
S. Các thành phần không thể cháy gồm CO
2

, N
2
, SO
2
, H
2
O, O
2
.
Trong các thành phần có thể cháy thì các cacbuahyđrô nh CH
4
, C
m
H
n
có năng suất toả
nhiệt cao, sau đó là H
2
và CO, còn H
2
S là thành phần có hại cần hạn chế.
Thành phần nhiên liệu khí đợc biểu thị bằng hai cách:
+ Thành phần khô:
CO
2
k
+ CO
k
+ H
2

k
+ CH
4
k
+ C
2
H
2
k
+ H
2
S
k
+ ...+ N
2
k
= 100 % (4.5)
-63-
+ Thành phần ớt:
CO
2
u
+ CO
u
+ H
2
u
+ CH
4
u

+ C
2
H
2
u
+ H
2
S
u
+...+ N
2
u
+ H
2
O
u
= 100% (4.6)
Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh sau:
100
OH100
.XX
u
2
ku

=
(4.7)
u
2
uk

OH100
100
.XX

=
(4.8)
Trong đó:
+

=
3,806
100
OH
u
2
(4.9)
Với là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng lợng nớc chứa trong một mét khối khí
khô [ g/m
3
].
4.1.4. Nhiệt trị của nhiên liệu
Năng suất toả nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là lợng nhiệt toả ra khi đốt cháy
hoàn toàn một đơn vị khối lợng nhiên liệu (nếu là nhiên liệu rắn và lỏng) hay một đơn
vị thể tích nhiên liệu ( nếu là nhiên liệu khí), đợc ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và
kcal/ m
3
hoặc kj/m
3
]. Trong thực tế, ngời ta dùng hai khái niệm về nhiệt trị là nhiệt trị
cao và nhiệt trị thấp.

- Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy
nguội đến nhiệt độ ban đầu, nớc ở trong sản vật cháy ở thể lỏng và nguội đến 0
o
C, ký
hiệu là Q
c
.
- Nhiệt trị thấp là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy
nguội đến nhiệt độ ban đầu, nớc ở trong sản vật cháy ở thể hơi và nguội đến 20
o
C, ký
hiệu là Q
d
.
Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai phơng pháp: xác định bằng thực
nghiệm và tính toán.
Đối với nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng, vì không biết thành phần cấu tạo chất,
nên để xác định nhiệt trị thờng tiến hành bằng thực nghiệm. Ngoài ra, có thể tính toán
gần đúng theo thành phần nguyên tố bằng các công thức thực nghiệm, trong đó công
thức đợc dùng nhiều là công thức của Men-đê-lê-ép:
Q
c
= 4,18 [81C
d
+ 300H
d
- 26( O
d
- S
d

)] [Kj/kg] (4.10)
Q
d
= 4,18 [81C
d
+ 246H
d
- 26( O
d
- S
d
) - 6W
d
] [Kj/kg] (4.11)
-64-