Đồ án Thiết kế buồng đốt khí thiên nhiên của lò hơi nhà máy nhiệt điện

í đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống. Hơi nước trong khí bị chất lỏng hấp thụ, bên trong của tháp hấp thụ có chứa các đĩa để tăng diện tích tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng. Quá trình này tiến hành ở nhiệt độ khoảng 200C và áp suất từ 2 - 6mPa. Tiếp đó là quá trình hấp thụ bằng các chất rắn như silicegen, oxit nhôm hoạt tính, bôxit hoạt tính, zeolit 4A và 5A. Các chất rắn được chứa đầy trong tháp hấp thụ, sau đó cho khí đi qua thì các chất rắn sẽ hút ẩm trong khí vào các lỗ mao quản. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn cả vì sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá và ít tiêu hao tác nhân sấy khí. II. Làm sạch khỉ khỏi H2S và CO2 (làm ngọt khí). Khí tự nhiên và khí đồng hành còn có các tạp chất có tính axit như H2S và CO2. H2S là khí độc và có hại đối với quá trình chế biến và sản xuất công nghiệp. Mà trong công nghiệp tổng hợp hoá dầu thì H2S làm ngộ độc xúc tác, tạo ra những sản phẩm không mong muốn, giảm hiệu suất…., gây độc hại cho con người và làm ô nhiễm môi trường. Có nhiều phương pháp công nghiệp làm sạch khí khỏi H2S và CO2. Nhưng được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp etanolamin (1930 cho đến nay). Người ta dùng dung dịch monoetanol amin có nồng độ 15 - 40% trong nước vì nhiệt độ sôi của monoetanol amin là 1700C nên nó hoà tan vô hạn trong nước. Cơ sở của phương pháp này là xác định ra các sản phẩm sau: 2HOCH2CH2NH2 + CO2 + H2O = (HOCHCH2NH3)2CO3 2HOCH2CH2NH2 + H2S = (HOCH2CH2NH3)2S Quá trình hấp thụ trên xảy ra ở áp suất cao và nhiệt độ từ 25 - 400C. Nguyên lý làm việc là khí đi từ dưới lên, lỏng tưới từ trên xuống, ở đó quá trình hấp thụ xảy ra. Khí sạch được dẫn lên đỉnh tháp rồi ra ngoài, còn dung dịch đã hấp thụ H2S, CO2 được tháo ra ở đáy tháp. Dung dịch này được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt và đưa vào giữa tháp nhả hấp thụ, H2S và CO2 giải phóng ra ở phía đỉnh tháp, còn dung dịch hấp thụ đã tái sinh được lấy ở phía dưới. Do đó khả năng phản ứng được ổn định. Ngoài ra, người ta còn ứng dụng hỗn hợp etanol amin và etylen glycol để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và nước. Việc làm sạch tổ hợp như vậy đồng thời làm khan hoá nguyên liệu và giảm lượng hơi nước cần thiết để tái sinh dung môi. Vì thế, khi nồng độ các tạp chất H2S và CO2 cao hơn từ 2 - 2,5% mol thì trước khi dùng etanol amin hấp thụ thì người ta dùng các chất hấp thụ rẻ tiền như dung dịch Na2CO3, K2CO3 làm sạch sơ bộ trước, sau đó mới dùng etanol amin làm sạch tiếp tới độ sạch yêu cầu nhỏ hơn 0,5%. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phản ứng cao, ổn định và dễ tái sinh. Phần V: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của vòi phun I. Yêu cấu kỹ thuật của vòi phun khí. Khí tự nhiên là loại khí có nhiệt trị cao vì nhiệt trị của CH4, C2H6, C3H8, C4H10 đều rất lớn so với phần cháy được của khí nhân tạo (CO, H2 và một phần khí CH4, C2H6…). Các thành phần không cháy của khí tự nhiên như CO2, N2 thường nhỏ nên trong buồng đốt khí tự nhiên cháy với không khí chỉ tạo ra ngọn lửa ngắn. Vì ngọn lửa ngắn nên sự trộn lẫn khí thiên nhiên với không khí cũng như quá trình cháy được tiến hành ở không gian của buồng lửa gần vòi phun khí. Vòi phun khí thiên nhiên thường sử dụng cho lò hơi có sản lượng lớn vì nhiệt trị khí cao. Vì vậy, cấu tạo miệng vòi phun và vị trí đặt của nó phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng cho dòng hỗn hợp nhiên liệu bốc cháy nhanh và ổn định. - Đảm bảo hiệu suất của quá trình cháy cao. - Buồng lửa vận hành ổn định và chắc chắn. Để đảm bảo cho hỗn hợp khí thiên nhiên và không khí cháy được nhanh và ổn định cần: Tạo ra vùng xoáy mạnh của dòng sản phẩm cháy trước miệng vòi phun, đưa được dòng khói nóng tới dòng nhiên liệu. Hướng được dòng khói nóng vào tâm ngọn lửa Giới hạn lượng không khí cấp I và đốt nóng nhanh tới nhiệt độ cao Tăng cường độ khuếch tán tới dòng nhiên liệu để tăng sự truyền nhiệt giữa các lớp của ngọn lửa. Muốn có hiệu suất của quá trình cao thì: Phân bố ngọn lửa đồng đều trong buồng lửa và đảm bảo cháy hết khí thiên nhiên đưa vào lò Đảm bảo hỗn hợp khí có thành phần đúng quy định. Yêu cầu buồng lửa vận hành ổn định và chắc chắn thì: Vòi phun phải có cấu tạo đơn giản, dễ dàng điều chỉnh sản lượng của vòi phun trong phạm vi rộng. Không tạo nên bồ hóng tại mặt trong buồng đốt. II. Cấu tạo của vòi phun Sơ đồ cấu tạo vòi phun khí gồm Rãnh vành khăn của khí thiên nhiên Rãnh thoát khí thiên nhiên Đầu vòi phun bằng gang chịu nhiệt Rãnh vành khăn của không khí. Bộ phận tạo chuyển động xoáy cho không khí. ống dẫn mazut Không gian thoát khí thiên nhiên và không khí. ống nhóm lửa Đặc điểm cơ bản của loại vòi phun này là có thể dùng nhiên liệu là khí thiên nhiên hoặc dầu mazut, do đó rất tiện lợi cho cơ sở sản xuất, tuỳ thuộc và điều kiện có sẵn loại nhiên liệu nào mà có thể sử dụng nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng. Công suất vòi phun là 1500 - 2000m3khí/giờ. III. Nguyên lý làm việc. Trong vòi phun, khí thiên nhiên chuyển động trong rãnh vành khăn (1) nằm giữa ống dẫn dầu mazut và ống dẫn khí. Tốc độ của khí trong rãnh là 15 - 20 m/s. Trước khi qua buồng lửa, khí được đi qua lỗ thoát khí (2) ở đầu vòi phun và khi đó tốc độ dòng khí tăng lên 20 - 60m/s. Không khí vào vòi phun theo phương tiếp tuyến, do đó nó chuyển động xoáy trong vòi phun. Không khí chuyển động trong rãnh vành khăn (4) nằm ở giữa tường buồng lửa và ống dẫn khí thiên nhiên. Ra khỏi vòi phun, khí thiên nhiên gặp không khí chuyển động xoáy nên thực hiện sự trộn lẫn triệt để giữa khí và không khí. Mặt khác, do hỗn hợp khí với không khí có chuyển động xoáy ở đầu vòi phun tạo điều kiện thuận lợi cho khói lò đi vào gốc ngọn lửa, vì vậy hỗn hợp khí thiên nhiên với không khí được nung nóng rất nhanh tới nhiệt độ tự bốc cháy. Tốc độ chuyển động của không khí trong rãnh (4) là 15 - 20m/s. Còn tốc độ hỗn hợp khí và không khí lúc thoát ra khỏi vòi phun đi vào buồng lửa là 20 - 30 m/s. ống dẫn dầu mazut (6) nằm chính giữa tâm vòi phun, dầu này có chức năng thay thế khí thiên nhiên làm nhiên liệu đốt trong buồng lửa. Còn ống nhóm lửa (8) chỉ được dùng khi khởi động buồng đốt. IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun. ở nhiệt độ 1200 - 18000C thì tốc độ phản ứng hoá học giữa khí thiên nhiên và không khí rất cao, dẫn đến thời gian tiến hành phản ứng rút ngắn. Trong khi đó giai đoạn phun, hâm nóng hỗn hợp có tốc độ chậm hơn nhiều, vì vậy vùng phản ứng là vùng khuếch tán, cho nên vai trò của vòi phun tác dụng rất lớn. Muốn tăng nhanh quá trình oxy hoá rút ngắn thời gian cháy cần phải tăng tốc độ hình thành hỗn hợp, do đó các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình là: Phải tạo được chuyển động xoáy của hỗn hợp khí, nhằm trộn lẫn đến mức phân tử giữa không khí và khí thiên nhiên. Phải tạo được sự va đập giữa dòng không khí và khí thiên nhiên. Ngoài ra, đưa hỗn hợp khí nhanh chóng đạt tới nhiệt độ tự bốc cháy thì sự hâm nóng không khí (khoảng 3000C) trước khi đưa vào vòi phun cùng với độ sạch của khí thiên nhiên cũng có ảnh hưởng tới quá trình phun. Việc tạo ra được tốc độ chuyển động của không khí, khí thiên nhiên và tốc độ của hỗn hợp khí ra khỏi vòi phun sao cho phù hợp, cộng với việc đảm bảo thành phần hỗn hợp khí đúng quy định cũng là những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun. Phần VI: Đặc điểm quá trình cháy nhiên liệu trong buồng lửa I. Khái niệm chung Quá trình cháy trong buồng lửa là sự tổng hợp của các hiện tượng của các quá trình phóng thích năng lượng, truyền nhiệt và chuyển hóa năng lượng. Trong quá trình cháy phản ứng hoá học xảy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao, đồng thời kéo theo một loạt sự biến hoá vật chất khác. Nghiên cứu quá trình cháy tức là tìm hiểu kỹ lưỡng bản chất các hiện tượng trên, tìm ra được các mối liên hệ và các yếu tố ảnh hưởng tới nó, mà trung tâm là nghiên cứu quá trình động học của phản ứng cháy. II. Quá trình cháy của nhiên liệu. 1. Quá tình tự cháy theo cơ cấu nhiệt. Bắt đầu quá trình cháy của nhiên liệu nào cũng có thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn bốc cháy và giai đoạn cháy mãnh liệt. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy một phần dùng để nâng cao nhiệt độ của khói lò, còn một phần bị bề mặt buồng lửa hấp thụ. Bởi vậy sự phát triển của quá trình cháy phụ thuộc vào tỉ lệ nhiệt phát ra và lượng nhiệt mất đi. Đối với mỗi loại nhiên liệu cho trước thì tỷ lệ đó phụ thuộc vào chế độ nhiệt độ của quá trình cháy. Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy có một bộ phận nào đó mà ở đó lượng nhiệt phát ra vượt quá lượng nhiệt mất đi thì quá trình cháy sẽ dẫn đến sự nâng cao nhiệt độ lên, tốc độ phản ứng oxy hoá sẽ tăng nhanh, quá trình tiếp tục cho đến lúc lượng nhiệt đưa vào và lượng mất đi tự cân bằng nhau. Từ đó quá trình cháy tiếp theo dẫn đến sự tự bốc cháy nhiên liệu. Khi phản ứng xảy ra trong một thể tích V, với tốc độ w thì lượng nhiệt phát ra trong toàn bộ thể tích là: Trong đó: Q’: nhiệt lượng thoát ra của một phần tử chất tham gia phản ứng. Q: hiệu ứng nhiệt của phản ứng N: số Avôgađrô bằng 6,02.1023 Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy, tốc độ phản ứng hoá học: [I-67] Trong đó: a: số phân tử vật chất ban đầu n: bậc của phản ứng. K0: hằng số tốc độ phản ứng khi T = w E: năng lượng hoạt động của phản ứng T: nhiệt độ phản ứng Từ 2 công thức trên ta có: (*) Lượng nhiệt truyền từ hỗn hợp khí đến thành thiết bị. (**) Trong đó: a: hệ số cấp nhiệt giữa khí và thành thiết bị. S: bề mặt thiết bị. T0: nhiệt độ thành thiết bị. 2 T q tr pr q q tr q 1 pr q 2 pr pr 3 q B 1 To Tb 0 Biểu đồ biểu diễn quan hệ qpr = f(T) và qtr = f(T) khi thay đổi điều kiện trao đổi nhiệt. Trên hình vẽ biểu diễn hai phương trình (*) và (**) khi thay đỏi áp suất của hỗn hợp mà nhiệt độ nung nóng ban đầu không thay đổi, ta có các đường cong qpr khác nhau. Trên đồ thị a.S và nhiệt độ không đổi nên qtr là đường thẳng. Đường cong ứng với áp suất lớn nhất, đường còn ứng với áp suất nhỏ nhất, và đường sinh nhiệt không cắt qtr. Trong trường hợp này ứng với bất kì một nhiệt độ nào thì lượng nhiệt sinh ra cũng lớn hơn lượng nhiệt toả ra môi trường xung quanh, phản ứng luôn nâng cao nhiệt độ và dẫn tới sự bốc cháy. Nếu quá trình sinh nhiệt xảy ra theo đường cong ngoài tiếp điểm tại B ra ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào nhiệt lượng sinh ra cũng lớn hơn nhiệt toả ra cho thành thiết bị, còn tại tiếp điểm thì qtr = qpr và TB là nhiệt độ tự bốc cháy. Nếu quá trình sinh nhiệt theo đường cong thì ban đầu lượng nhiệt sinh ra lớn hơn lượng nhiệt tỏa ra cho thành thiết bị, nhiệt độ của hỗn hợp được nâng cao dần tới T1, tại T1 lượng nhiệt sinh ra bằng lượng nhiệt toả ra và sau đó hỗn hợp khí không được gia nhiệt nữa vì lúc đó lượng nhiệt toả ra lớn hơn lượng nhiệt sinh ra. Chỉ đến lúc ta gia nhiệt cho khí tới nhiệt độ T2 thì lượng nhiệt sinh ra mới thật ổn định và lớn hơn lượng nhiệt toả ra cho thành thiết bị, khi đo phản ứng không ngừng nâng cao nhiệt độ, dẫn đến sự bốc cháy. 2. Quá trình tự bốc cháy theo cơ cấu chuỗi. Khi nghiên cứu quá trình cháy chúng ta thấy có rất nhiều trường hợp tốc độ phản ứng xảy ra rất mãnh liệt, hoặc rất chậm so với mức bình thường. Đồng thời không thể dựa vào định luật khối lượng tác dụng và năng lượng hoạt động để giải thích một cách cặn kẽ, vì rằng những phản ứng đó không chỉ xảy ra trực tiếp từ chất tham gia phản ứng ban đầu đến sản phẩm cuối cùng ngay, mà tiến hành qua phản ứng trung gian để tạo thành sản phẩm trung gian sau đó mới tiếp tục để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Xét quá trình cháy của hỗn hợp khí thiên nhiên. - Đầu tiên là quá trình sinh mạch: có thể do phân tử hydrocacbon bị phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ hay phản ứng với phân tử oxy. (RH là các hydrocacbon như CH4, C2H6…) Vì năng lượng liên kết -O-O- trong phân tử khá nhỏ, chỉ khoảng 40kcal/mol, nên ROOH sẽ tự phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ tạo nên những tâm hoạt động mới. Trong cơ cấu chuỗi, nguyên nhân gây ra sự tự bốc cháy của hỗn hợp khí là phản ứng giữa các tâm hoạt động với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Các tâm hoạt động có thể là các gốc tự do mang hoá trị như OH ã, COOH ã, CH3 ã, C2H5O ã… hay là các nguyên tử ở trạng thái tự do mang hoá trị như H ã, O ã ã, S ã ã… - Nhờ các tâm hoạt động mang hoá trị đó nên chúng rất dễ phản ứng với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Do đó tốc độ phản ứng nhanh chóng đạt tới giá trị lớn và khi đó quá trình bốc cháy xảy ra. Như vậy, trong cơ cấu chuỗi, nhiệt lượng toả ra do phản ứng hoá học chỉ là hệ quả mà không phải là nguyên nhân của quá trình tự bốc cháy. Trong lò đốt của nồi hơi nhà máy nhiệt điện thường nhiệt độ rất cao từ 1200 - 16000C, do đó quá trình cháy càng dễ dàng hơn nhiều do hỗn hợp khí liên tục được năng lượng bức xạ của ngọn lửa và tường buồng đốt. III. Sự lan truyền ngọn lửa Nếu hỗn hợp khí cháy (khí thiên nhiên và không khí)đã được trộn lẫn đồng đều trước và chuyển động trong một ống bất kỳ, thì khi cháy bề mặt bắt lửa sẽ phân dòng khí thành 2 phần: phần sau bề mặt lửa là phần sản phẩm cháy, còn phần trước là vật chất chưa tham gia phản ứng cháy. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng cho hỗn hợp khí chưa cháy làm cho nó bắt lửa, đồng thời làm cho bề mặt bắt lửa lan truyền vào hỗn hợp khí cháy. Tốc độ lan truyền bề mặt bắt lửa theo phương pháp tuyến của nó được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa bình thường. Hình 15. Trình bày mô hình bề mặt ngọn lửa đốt khí. Bề mặt bắt lửa có 3 đặc điểm sau; Không phải là một bề mặt hình học mà có một chiều dày nhất định Trường nhiệt độ trong chiều dày không đồng đều nhau mà chia làm 2 khu vực: khu vực gia nhiệt và khu vực phản ứng Trong khu vực phản ứng thì trường nhiệt độ cũng không đồng đều Tốc độ lan truyền ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ vật chất tham gia phản ứng, vào nhiệt độ và tạp chất nằm trong hỗn hợp khí, còn áp suất thì ảnh hưởng rất ít đến tốc độ lan truyền mặt bắt lửa. Bảng trị số lan truyền tốc độ ngọn lửa bình thường của mộ tố chất khí [I-71]. Khí Tốc độ làn truyền, m/s Hỗn hợp với không khí Hỗn hợp với oxy Hydro 2,5 9,0 Metan 0,37 4,5 Cacbonoxit với các khí phụ: hơi nước, hydro 0,42 1,1 IV. Các quá trình vật lý cơ bản xảy ra trong quá trình cháy. Quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào mức độ trao đổi khối và trao đổi nhiệt. ở trong buồng lửa, với điều kiện nhiệt độ cao, nồng độ cũng cao thì tốc độ phản ứng hoá học sẽ rất lớn, nên các quá trình vật lý (trao đổi nhiệt, trao đổi khối) cũng tiến hành với tốc độ như vậy. Sự trao đổi nhiệt và trao đổi khối trong môi trường tĩnh xảy ra là nhờ có sự chuyển động nhiệt của phân tử đặc trưng bởi định luật dẫn nhiệt và khuếch tán phân tử. - Định luật dẫn nhiệt và Furie. [I-72] - Định luạt khuếch tán phân tử Fick: [I-72] Trong đó: l: hệ số dẫn nhiệt, W/m0C : gradien nhiệt độ, 0C/m D: hệ số khuếch tán, m3/s : gradien nồng độ, l/m Quá trình cháy vật lý trong môi trường tĩnh tại chỉ nhờ vào dẫn nhiệt và khuếch tán phân tử nên rất bé. Song trong dòng chảy rối thì trao đổi nhiệt gồm: dẫn nhiệt và đối lưu được biểu diễn bằng định luật Furie và Niutơn; còn trao đổi khối gồm: khuếch tán phân tử và chuyển động vật chất cưỡng bức. Do đó ta có: [I-72] Trong đó: Cp: tỉ nhiệt của dòng khí cháy, KJ/kg độ r: mật độ chất khí wx: tốc độ dòng theo phương X, m/s Các số hạng thứ hai ở vế phải của 2 phương trình trên làm cho quá trình vật lý mạnh lên hẳn. Dòng khí được gọi là tự do nếu như nó không bị hạn chế bởi các vách cứng và phân bố trong không gian có cùng tính chất vật lý với vật chất của dòng. Dòng nguyên liệu khí trong buồng lửa là những dòng ở chế độ chảy rối tự do. Do chảy rối mà một bộ phận chất khí vượt ra khỏi dòng đem năng lượng của mình truyền cho các phân tử khí trong môi trường xung quanh. Trong quá trình chuyển động, dòng không ngưng cuốn vào mình vật chất của môi trường xung quanh làm cho bề rộng của dòng này càng tăng, còn tốc độ lớp trên bị giảm đi. V. Buồng lửa phun. Có thể nói buồng lửa phun là loại buồng lửa hoàn thiện nhất. Trong buồng này có thể đốt được bất kỳ loại nhiên liệu nào từ nhiên liệu rắn đến các nhiên liệu lỏng và khí. Đặc điểm của buồng lửa phun là không có ghi và cần thiết phải chuẩn bị sơ bộ nhiên liệu trước khi vào buồng lửa. Do trong buồng lửa phun quá trình cháy xảy ra theo dạng ngọn lửa nên quá trình đốt nhiên liệu khí thiên nhiên trong buồng lửa là hoàn toàn hợp lý. Sản lượng hơi sản xuất ra không có giới hạn thường lớn hơn 20 tấn/h. Nhiên liệu sử dụng để đốt là khí thiên nhiên có rất ít khoáng chất nên buồng lửa có cấu tạo rất đơn giản và không có thiết bị tháo tro, xỉ. Trên thế giới, việc khai thác khí thiên nhiên ngày càng phát triển mạnh mẽ, tỷ lệ lò hơi sử dụng dạng khí thiên nhiên ngày càng tăng lên nhiều. Cũng như các thiết bị buồng lửa khác, buồng lửa phun phải đảm bảo cháy được hoàn toàn nhiên liệu ở hệ số không khí thừa nhỏ nhất. Khói sinh ra trong buồng lửa cần phải được tận dụng nhiệt của nó một cách tối đa. Tất cả các yếu tố kể trên chịu ảnh hưởng trực tiếp của thể tích buồng lửa, thể hiện ở nhiệt thế thể tích. W/m3 [I-139]. Khi bề mặt hấp thụ bằng bức xạ trong buồng lửa quá bé, nhiệt độ khói thải ra trong buồng lửa sẽ lớn, gây ra mất mát nhiệt theo khói lò lớn. Vì vậy, tỷ lệ hấp thụ nhiệt của buồng lửa hay nói cách khác bề mặt hấp thụ nhiệt của buồng lửa phải chọn cho thoả đáng. Kích thước buồng lửa càng lớn thì vốn đầu tư cho buồng lửa tăng vì tăng chi phí cho việc bảo ôn, khung lò…Do đó, để giảm giá thành cho buồng lửa cần phải chọn thể tích buồng lửa tới giá trị tối thiểu, nghĩa là phải chọn nhiệt thế thể tích của buồng lửa tới giá trị lớn nhất cho phép có thể được. Đồng thời tổ chức tốt chế độ khí động trong buồng lửa để sử dụng thể tích không gian của buồng lửa vì chế độ khí trong buồng lửa đảm bảo cho nhiên liệu và không khí được hỗn hợp với nhau và phân bố đồng đều trong buồng lửa. VI. Đặc điểm quá trình cháy nhiên liệu khí trong buồng lửa. Theo quan điểm hiện đại, quá trình cháy chọn là một quá trình hoá lý phức tạp, trong đó những phản ứng hoá học bao giờ cũng xảy ra trong các điều kiện vật lý nhất định. Do đó tốc độ chung của quá trình cháy sẽ phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoá học, và tốc độ của quá trình vật lý. Trong đó quá trình nào xảy ra chậm hơn sẽ quyết định tốc độ chung của quá trình cháy. Khí thiên nhiên là loại khí được sử dụng nhiều nhất trong lò hơi. Thành phần chủ yếu làm nên khí thiên nhiên là: metan (CH4) sau đó là những cacbon hydro ổn định. Khi nhiệt độ vượt quá 8000C thì khí thiên nhiên tạo thành một số hạt “mồ hóng”. Những hạt này rất khó cháy, nên có thể bay theo khói hoặc bám trên các mặt đốt. Quá trình cháy nhiên liệu khí có thể tiến hành trong vùng động học hoặc trong vùng khuếch tán. Đối với quá trình cháy trong vùng động học thì không khí và nhiên liệu khí đã được hỗn hợp trước. Nếu như hỗn hợp chất cháy được đốt nóng nhanh chóng đạt tới và vượt qua nhiệt độ bốc cháy thì quá trình oxy hoá này được tăng nhanh và hầu như loại trừ được sự phân huỷ nhiệt của các cacbua hydro. Trong trường hợp này ngọn lửa không có các hạt than nghĩa là “không sáng”. Trong quá trình cháy khuếch tán dòng nhiên liệu và dòng không khí đưa vào buồng lửa riêng lẻ, hoặc có một phần nhỏ hỗn hợp trước khi toàn bộ thời gian cháy lớn hơn toàn bộ thời gian cháy trong vùng động học rất nhiều, số lượng các hạt cacbua hydro bị phân huỷ cũng tăng lên, ngọn lửa lúc này là ngọn lửa “sáng”. Trong trường hợp tổng quát, tổng thời gian cháy của hỗn hợp khí gồm 2 phần: thời gian cần thiết để thực hiện các quá trình vật lý tv và thời gian chi cho việc xảy ra bản thân phản ứng hỗn hợp th, ta có tc = tv + th [I-75] ở giai đoạn đầu của phản ứng khi nhiệt độ còn thấp tốc độ của phản ứng nhỏ, trong phản ứng không sử dụng hết oxy mang tới. Do đó, quá trình phản ứng bị kìm hãm bởi yếu tố động học là nhiệt độ. Thời gian cháy chủ yếu là thời gian thực hiện các phản ứng hoá học, trong khi đó thời gian thực hiện quá trình vật lý quá nhỏ, ta có: th ³ tv đ tc ằ th Trong trường hợp này quá trình cháy xảy ra trong vùng động học. Lúc này nếu tăng tốc độ thổi oxy thì tốc độ phản ứng vẫn hầu như không thay đổi mà nó chỉ phụ thuộc vào những yếu tố động học hoá học như năng lượng hoạt động, áp suất trong không gian phản ứng, nồng độ hydrocacbon khí và nhất là nhiệt độ. Như vậy trong vùng động học quá trình phản ứng không bị kìm hãm bởi các yếu tố vật lý. Khi nhiệt độ trong lò đốt đủ lớn thì tốc độ phản ứng hoá học rất lớn, nghĩa là thời gian phản ứng khá nhỏ, ngược lại tốc độ cao quá trình vật lý chậm so với tốc độ phản ứng hoá học. Quá trình cháy xảy ra trong điều kiện như trên gọi là cháy trong vùng khuếch tán. Trong vùng này tốc độ các quá trình phản ứng được xảy ra và xác định bởi các yếu tố thuỷ động và khuếch tán mà ít phụ thuộc vào yếu tố động học. Lúc này dù nhiệt độ có tăng lên rất cao thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên rất ít. Thời gian cháy chủ yếu là để chi cho việc xảy ra phản ứng hoá học nghĩa là: tv ³ th đ tc ằ tv ở nhiệt độ xác định khi tốc độ các quá trình vật lý bằng tốc độ phản ứng hoá học hay thời gian thực hiện 2 quá trình đó bằng nhau, ta có tv = th và tc = th B. Phần tính toán công nghệ Phần I. Tính cân bằng vật chất của lò đốt. I- Các phương trình của phản ứng cháy. Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình phản ứng hoá học giữa các nguyên tố hoá học với oxy và phát ra một lượng nhiệt lớn. Trong quá trình cháy xảy ra những biến đổi hoá học rất phức tạp nên không thể mô tả bằng những phương trình hoá học đơn giản được. Những phương trình hoá học thông thường của riêng từng thành phần cháy nhiên liệu chỉ thể hiện cân bằng vật chất của phản ứng chứ không thể hiện cơ cấu xảy ra của quá trình phản ứng cháy. Có rất nhiều chất có thể oxy hoá nhiên liệu. Song trong thực tế các quá trình cháy nhiên liệu người ta đều dùng oxy của không khí. Các chất khí sinh ra trong quá trình phản ứng gọi là sản phẩm cháy hay khói. Quá trình cháy có thể xảy ra hoàn toàn hay không hoàn toàn. Trong quá trình hoàn toàn các chất cháy được của nhiên liệu đều được oxy hoá hoàn. Còn trong quá trình cháy không hoàn toàn có một số chất cháy của nhiên liệu chưa được oxy hoá hoàn. Trong sản phẩm hoàn toàn có các chất khí CO2, SO2, H2O và N2, O2. Trong sản phẩm cháy không hoàn toàn ngoài những khí trên còn có các chất khí khác như CO, CH4, CmHn…. Khi tính nhiệt cần phải tiến hành xác định thể tích lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy, thành phần và số lượng sản phẩm cháy trong nhiên liệu cũng tiến hành oxy hoá theo các phản ứng hoá học sau, với đơn vị đo lường là m3 tiêu chuẩn. Các phản ứng xảy ra: Cháy metan: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 1m3tc CH4 + 2m3tc O2 = m3tc CO2 + 2m3tc H2O Cháy etan: C2H6 + 3,5 O2 = 2CO2 + 3H2O 1m3tc C2H6 + 3,5m3tc O2 = 2m3tc CO2 + 3m3tc H2O Cháy propan: C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4H2O 1m3tc C2H6 + 5m3tc O2 = 3m3tc CO2 + 4m3tc H2O Cháy butan: C2H6 + 6,5O 2 = 4CO2 + 5H2O 1m3tc C2H6 + 6,5m3tc O2 = 4m3tc CO2 + 5m3tc H2O Cháy hydrosunfua: H2S + 1,5 O2 = SO2 + H2O 1m3tc H2S + 1,5m3tc O2 = 13tcSO2 +1m3tc H2O Các số liệu ban đầu: Khí thiên nhiên có thành phần sau: CH4 = 92,12%; C2H6 = 1,9%; C3H8= 0,8%; C4H10 = 0,2%; CO2 = 3%; N2 = 1,8%; H2S = 0,18%. Hơi quá nhiệt có: P= 40 atm, ở t= 4400C . Nhiệt độ không khí vào lò: tKK = 400C. Nhiệt độ nước cấp: tnc = 250C. Nhiệt độ khói thải: t = 1700C. Nhiệt độ khói lò: tK = 11500C. Hệ số chỉ không khí: a = 1,05. Nhiệt thế thể tích buồng đốt: qV = 290.10 w/m3. Vòi phun khí thiên nhiên năng suất: 1500á2000 m3/h. II. Tính thể tích không khí lý thuết cần cho quá trình cháy: Lượng không khí ứng với lượng oxy cần thiết cho quá trình cháy hoàn toàn 1m3 tiêu chuẩn nhiên liệu khí xác định theo phương trình phản ứng hoá học ở trên gọi là lượng không khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy. Vì trong không khí oxy chiếm 21% thể tích nên thể tích không khí lý thuyết để cháy 1m3 tiêu chuẩn nhiên liệu khí. [I- 20]. VKK 0 = [2.CH4 + 3,5.C2H6 +5.C3H8 +6,5.C4H10 + 1,5.H2S - O2], (m3tc /m3tc ktn). Thay số liệu ban đầu vào ta được: = [2. 0,9212 + 3,5. 0,019 +5.0,008 + 6,5. 0,002 + 1,5. 0,0018 - 0] đ = 9,355 m3tc / m3tc ktn. Trong thực tế, vì giữa không khí và nhiên liệu không thể tiếp xúc với nhau một cách lý tưởng nên bắt buộc thể tích không khí thực cung cấp cho lò hơi phải lớn hơn thể tích xác định được theo công thức trên. Giữa thể tích không khí thực tế cung cấp cho quá trình cháy (VKK) và thể tích không khí lý thuyết () liên hệ với nhau qua hệ số không khí thừa (a) như sau: VKK = a. , [I- 20]. Với a = 1, 05 thay vào ta được: VKK = 1,05 . 9,255 = 9.823 m3tckk / m3 ktn. III. Thể tích và thành phần của sản phẩm cháy: Đối với khí tự nhiên thành phần của sản phẩm cháy gồm: CO2, H2O hơi, SO2, N2, O2 trong đó: CO2- tổng lượng CO2 của các phản ứng cháy và lượng CO2 có trong nguyên liệu ban đầu. H2Ohơi- được tạo ra trong phản ứng cháy và lượng ẩm của không khí mang vào lò đốt. SO2- sản phẩm sinh ra trong các phản ứng cháy H2S . N2 - tổng lượng N2 có trong nguyên liệu đầu, không khí dư, không khí lý thuyết. O2- lượng O2 dư có trong không khí dư. Tuy nhiên thực tế tuỳ thuộc vào điều kiện cháy hoàn toàn hay không hoàn toàn các nguyên tố cháy của nhiên liệu mà tỷ lệ thành phần các sản