Giáo trình Lò luyện kim

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 đ−ợc 3.600 - 4.000 m3 khí lò cao. Thành phần khí cháy chủ yếu của khí lò cao là CO (hàm l−ợng 23 - 31%) và hyđrô (hàm l−ợng 10 - 15%). Nhiệt trị khí lò cao thấp (Qd= 900 - 1265 Kcal/m3), để nâng cao nhiệt độ cháy ng−ời ta th−ờng nung nóng tr−ớc hoặc hỗn hợp với khí lò cốc. - 61 - Khí lò cốc: là sản phẩm phụ thu đ−ợc khi luyện than cốc, luyện 1 tấn than cốc thu đ−ợc 230 - 270 m3 khí lò cốc. Thành phần có thể cháy của khí lò cốc chủ yếu là H2 (53 - 60%) và CH4 (19 - 225%), Qd = 3700 - 4000Kcal/kg. Khí đốt không khí là sản phẩm thu đ−ợc 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, Qd = 3780 - 4600 Kcal/kg. Khí đốt hơi n−ớc là sản phẩm thu đ−ợc khi khí hóa than bằng hơi n−ớc. Thành phần cháy chủ yếu là CO ( 35 - 40%) và H2 (47 - 52 %). Nhiệt trị khí đốt hơi n−ớc thấp Qd = 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 l−ợng 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 th−ờng 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 th−ờng ng−ời 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 +O2 = CO2 + 8.137 Kcal/kg - Hyđrô (H): dạng cháy đ−ợc gồm hyđrô tự do và hyđrô hóa hợp với các chất cháy đ−ợc, dạng không cháy đ−ợc là hợp chất với oxy. Phản ứng cháy của hyđrô với oxy: H2 + 2 1 O2 = H2O + 34.180 Kcal/ kg - Nitơ (N): là thành phần không cháy đ−ợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh h−ởng. - L−u huỳnh (S): có ba dạng là l−u huỳnh hữu cơ, l−u huỳnh sunphit và l−u huỳnh dạng muối. Hai dạng đầu có thể cháy còn l−u huỳnh dạng muối không thể cháy. L−u huỳnh là tạp chất có hại trong nhiên liệu cần hạn chế. - Tro (A): gồm các khoáng chất SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3... là các thành phần không cháy đ−ợc. Hàm l−ợng tro trong nhiên liệu càng cao thì chất l−ợng nhiên liệu càng - 62 - giảm do giảm hàm l−ợng chất cháy đ−ợc, tổn hao nhiệt do nung nóng tro, tăng l−ợng bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn cho việc khống chế quá trình cháy. - N−ớc (W): gồm n−ớc hấp phụ bề mặt, n−ớc hấp thụ qua các lỗ xốp của nhiên liệu và n−ớc kết tinh. Khi sấy nhiên liệu chỉ hai dạng đầu là có khả năng bốc hơi còn dạng n−ớc kết tinh vẫn còn trong nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng đ−ợc biểu diễn bằng bốn cách: + Chất hữu cơ : Ch + Hh + Oh + Nh = 100 %. (4.1) + Chất có thể cháy : Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 %. (4.2) + Chất khô : Ck + Hk + Ok + Nk + Sk +Ak = 100 %. (4.3) + Thông dụng: %Cd + %Hd + %Od + %Nd + %Sd +%Ad + %Wd = 100 % (4.4) Để chuyển đổi từ thành phần này qua thành phần khác ng−ời 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 cS100 100 − 1 100 A100 k− 100 )WA(100 dd +− Chất khô )AS(100 100 kk +− kA100 100 − 1 100 W100 d− Thông dụng )WAS(100 100 ddd ++− )WA(100 100 dd +− dW100 100 − 1 b) Thành phần nhiên liệu khí Nhiên liệu khí th−ờng 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, H2, CH4, CmHn, H2S. Các thành phần không thể cháy gồm CO2, N2, SO2, H2O, O2. Trong các thành phần có thể cháy thì các cacbuahyđrô nh− CH4, CmHn có năng suất toả nhiệt cao, sau đó là H2 và CO, còn H2S là thành phần có hại cần hạn chế. Thành phần nhiên liệu khí đ−ợc biểu thị bằng hai cách: + Thành phần khô: CO2 k + COk + H2 k + CH4 k + C2H2 k + H2S k + ...+ N2 k = 100 % (4.5) - 63 - + Thành phần −ớt: CO2 u + COu + H2 u + CH4 u + C2H2 u + H2S u +...+ N2 u + H2O u= 100% (4.6) Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh− sau: 100 OH100 .XX u 2ku −= (4.7) u 2 uk OH100 100 .XX −= (4.8) Trong đó: ω+ ω= 3,806 100 OH u2 (4.9) Với ω là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng l−ợng n−ớc chứa trong một mét khối khí khô [ g/m3]. 4.1.4. Nhiệt trị của nhiên liệu Năng suất toả nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là l−ợng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối l−ợng nhiên liệu (nếu là nhiên liệu rắn và lỏng) hay một đơn vị thể tích nhiên liệu ( nếu là nhiên liệu khí), đ−ợc ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và kcal/ m3 hoặc kj/m3]. Trong thực tế, ng−ời 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, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể lỏng và nguội đến 0oC, ký hiệu là Qc. - Nhiệt trị thấp là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể hơi và nguội đến 20oC, ký hiệu là Qd. Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai ph−ơng 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 th−ờng 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 đ−ợc dùng nhiều là công thức của Men-đê-lê-ép: Qc = 4,18 [81C d + 300Hd - 26( Od - Sd)] [Kj/kg] (4.10) Qd = 4,18 [81C d + 246Hd - 26( Od - Sd) - 6Wd] [Kj/kg] (4.11) - 64 - Đối với nhiên liệu khí có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán theo thành phần nhiên liệu. Công thức tính nhiệt trị của nhiên liệu khí khi biết thành phần khí nh− sau: Qc = 4,18(30,2CO + 30,5H2 + 95CH4 +152C2H4 + . . . +61H2S)[Kj/m 3] (4.12) Qd = 4,18(30,2CO + 25,7H2 + 85,5CH4 +141C2H4 + . . . +56H2S) [Kj/m 3] (4.13) 4.2. Sự cháy của nhiên liệu 4.2.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn Quá trình cháy của nhiên liệu rắn (chủ yếu là than) là quá trình cháy dị thể giữa một chất là thể rắn (nhiên liệu) và một chất là thể khí (oxy của không khí). Tuy nhiên, trong quá trình cháy cũng xẩy ra một phần quá trình cháy đồng thể đó là quá trình cháy chất bốc. Quá trình cháy của nhiên liệu rắn có thể chia ra các giai đoạn sau: + Nung nóng và bốc hơi n−ớc. + Phân hóa nhiệt nhiên liệu, thoát chất bốc và tạo thành cốc. + Cháy chất bốc. + Cháy các bon. Khi cháy, sự cháy chất bốc xẩy ra tr−ớc, tuy thời thời gian cháy chất bốc ngắn, nh−ng nó có ý nghĩa quan trọng làm tăng nhiệt độ của nhiên liệu, thúc đẩy quá trình cháy tiếp theo. Sự cháy của các bon là quá trình cháy chủ yếu của nhiên liệu rắn. Quá trình cháy cac bon đ−ợc đặc tr−ng bởi các phản ứng sau: - Cháy cac bon: C + O2 = CO2 + 399 254 kj/kmol 2C + O2 = 2CO + 246 623 kj/kmol. - Phân hủy khí CO2 và hơi n−ớc: C + CO2 = 2CO - 162 530 kj/kmol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 65 294 kj/kmol - Cháy tiếp khí CO: 2CO + O2 = 2CO2 + 571 684 kj/kmol Trong quá trình cháy, các phản ứng cháy cac bon xẩy ra tr−ớc, các phản ứng phân hủy khí CO2, hơi n−ớc và cháy CO là các phản ứng tiếp theo (phản ứng thứ cấp). Quá trình cháy của các bon là quá trình cháy dị thể, do đó tốc độ khhuếch tán oxy tới bề mặt các - 65 - bon ảnh h−ởng lớn tới quá trình cháy. L−ợng khí khuếch tán đến bề mặt vật rắn xác định bởi công thức: ( ) F..CCDV n0 τ−δ= [g] (4.14) Trong đó: V - l−ợng khí khuếch tán [gam]. D - hệ số khuếch tán phân tử [cm2/s]. δ - chiều dày lớp chảy tầng bao quanh vật rắn [cm]. C0, Cn - nồng độ chất khuếch tán trong dòng khí và ở gần mặt vật rắn [g/cm 3]. F - bề mặt vật rắn [cm2]. τ - thời gian [s]. Tốc độ khuếch tán của oxy đến mặt than phụ thuộc vào tiêu chuẩn Re và tốc độ dòng khí (ω): 2,0 e kt R .031,0 ω=β [cm/s] (4.15) L−ợng oxy khuếch tán đến bề mặt than, một phần cháy còn một phần đ−ợc bề mặt vật rắn hấp thụ. Sự hấp thụ oxy của mặt than chủ yếu phụ thuộc vào bề mặt than và áp suất khí, khi áp suất khí tăng l−ợng oxy đ−ợc hấp thụ tăng. Nghiên cứu tốc độ cháy các bon trong lớp nhiên liệu rắn gồm những hạt hình cầu, ng−ời ta thấy tốc độ biến đổi bề mặt than phụ thuộc áp suất khí và tốc độ dòng khí nh− sau: (4.16) ( ) BpAK 4,0 +ω= Trong đó: K - tốc độ biến đổi bề mặt cầu [cm2/s]. ω, p - tốc độ và áp suất dòng khí, [m/s] và [at]. A, B: các hệ số thực nghiệm. Từ ph−ơng trình (4.16), ta nhận thấy khi tăng tốc độ hay áp suất dòng khí dẫn đến tốc độ cháy các bon tăng. 4.2.2. Sự cháy của nhiên liệu lỏng Quá trình cháy của nhiên liệu lỏng (chủ yếu là các loại dầu) vừa là quá trình cháy dị thể (sự cháy các hạt rắn sinh ra khi phân huỷ nhiên liệu) vừa là quá trình cháy đồng thể (cháy hơi dầu). - 66 - Để đốt cháy nhiên liệu lỏng cần phải tách nhiên liệu thành hạt nhỏ để tăng bề mặt tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí, quá trình đó đ−ợc gọi là quá trình biến bụi. Chất để biến bụi dầu gọi là chất biến bụi. Hiện nay ng−ời ta dùng chất biến bụi là không khí nén, hơi n−ớc và không khí áp suất cao. Khi chất biến bụi va chạm vào dòng nhiên liệu, động năng chất biến bụi giảm, độ giảm động năng ∆U0 của chất biến bụi một phần sinh công cơ học làm biến bụi nhiên liệu còn phần lớn năng l−ợng này biến thành nhiệt làm tăng nhiệt hàm của hỗn hợp. Phần động năng làm biến bụi nhiên liệu ( ∆U) phụ thuộc vào tỉ số giữa khối l−ợng riêng của chất biến bụi (ρ2) và khối l−ợng riêng của nhiên liệu (ρ1). Nếu bỏ qua tác động của độ nhớt thì tỉ số giữa ∆U và ∆U0 có thể tính gần đúng: 1 2 0U U ρ ρ≈∆ ∆ Nếu khối l−ợng riêng của nhiên liệu không đổi thì khối l−ợng riêng của chất biến bụi càng lớn thì tỉ số này càng lớn và hiệu quả biến bụi càng cao. Nếu gọi ∆E là năng l−ợng cần thiết để phá vở bề mặt tự do giọt nhiên liệu thì ∆E = ∆U, do đó xác định đ−ợc đ−ờng kính của các hạt bụi dầu: ( )[ ] ϕ ϕ+ ρω−+ω σ= 1. .E1 .12 d 2 2 1u2 Hay: ( ) ϕ ϕ+ ρω∆ σ= 1. . .12 d 2 2 [m] (4.17) Trong đó: σ - hệ số sức căng bề mặt của nhiên liệu [N/m2]. 1 2 G G=ϕ - suất tiêu hao đơn vị của chất biến bụi (G1 và G2 là l−u l−ợng nhiên liệu và chất biến bụi) [kg/kg]. . ( ) 1u2 E1 ω−+ω=ω∆ Kích th−ớc hạt dầu sau khi biến bụi dao động trong khoảng 0,05 - 0,5 mm. Quá trình cháy của các hạt bụi dầu xẩy ra theo các giai đoạn sau: - Hoà trộn giữa bụi dầu và không khí. - Hỗn hợp đ−ợc sấy nóng và bụi dầu bốc hơi. - Phân huỷ các hợp chất cacbua hyđrô. - 67 - - Xẩy ra các phản ứng cháy. Trên thực tế các giai đoạn trên có quan hệ mật thiết với nhau và không tách rời nhau. 2 1 3 Hình 4.1 Quá trình cháy bụi dầu 1) Hạt dầu 2) Vùng hơi dầu 3) Vùng xẩy ra các phản ứng cháy Xét các yếu tố ảnh h−ởng tới sự cháy của nhiên liệu lỏng ta nhận thấy, nếu kích th−ớc hạt dầu càng nhỏ và quá trình trao đổi nhiệt giữa môi tr−ờng với hỗn hợp chất biến bụi và nhiên liệu tốt thì hỗn hợp đ−ợc sấy nóng nhanh, dầu bốc hơi tốt và quá trình cháy xẩy ra nhanh. Quá trình cháy còn phụ thuộc vào sự khuếch tán của oxy vào vùng cháy và sự khuếch tán của sản phẩm cháy ra khỏi vùng này nên sự xáo trộn hỗn hợp tốt cũng làm cho quá trình cháy xẩy ra nhanh hơn. 4.2.3. Sự cháy của nhiên liệu khí Quá trình cháy của nhiên liệu khí là quá trình cháy đồng thể giữa khí cháy và oxy của không khí. Quá trình cháy của nhiên liệu khí có thể chia ra: + Giai đoạn hoà trộn nhiên liệu và không khí tạo thành hỗn hợp cháy. + Giai đoạn cháy của hỗn hợp cháy. Tốc độ và chất l−ợng cháy của nhiên liệu khí, nhiệt độ và chiều dài của ngọn lửa trên thực tế chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ và chất l−ợng của quá trình hoà trộn. Nguyên nhân tạo thành hỗn hợp là do sự khuếch tán của các phân tử khí do chênh lệch nồng độ (khuếch tán phân tử) hoặc do sự va đập của các dòng khí chuyển động (khuếch tán xáo trộn). Khi sự hòa trộn xẩy ra càng tốt thì quá trình cháy xẩy ra càng nhanh, cháy càng hoàn toàn, chiều dài ngọn lửa ngắn hơn và nhiệt độ ngọn lửa cũng cao hơn. Một yếu tố quan trọng khác ảnh h−ởng tới sự cháy của nhiên liệu khí và nhiệt độ ngọn lửa là tỉ lệ giữa không khí và khí đốt trong hỗn hợp. Nếu l−ợng không khí đ−a vào không đủ thì khí đốt cháy không hoàn toàn, nhiệt độ ngọn lửa thấp. Ng−ợc lại, nếu l−ợng không khí đ−a vào d−, nhiên liệu cháy hoàn toàn, tuy nhiên nhiệt độ ngọn lửa cũng không cao do tốn nhiệt nung không khí d−. - 68 - 4.2.4. Khái niệm cháy hoàn toàn, cháy không hoàn toàn và hệ số không khí d− a) Khái niệm cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn Sự cháy của nhiên liệu thực chất là quá trình phản ứng hóa học giữa những thành phần có thể cháy của nhiên liệu với oxy: 22 COOC =+ OHO 2 1 H 222 =+ 22 SOOS =+ Nếu những thành phần có thể cháy trong nhiên liệu đều tham gia phản ứng cháy và sản vật cháy tạo thành chỉ gồm những chất khí không thể cháy nh− đ−ợc nh− CO2, H2O, SO2 ... thì gọi là quá trình cháy hoàn toàn. Ng−ợc lại, trong quá trình cháy, một phần nhiên liệu không tham gia phản ứng hay trong sản vật cháy còn có cả những khí cháy đ−ợc nh− CO, H2 ... thì gọi là quá trình cháy không hoàn toàn. Dựa vào nguyên nhân gây ra cháy không hoàn toàn ng−ời ta chia ra: - Cháy không hoàn toàn hoá học: xẩy ra khi một phần những chất có thể cháy trong nhiên liệu tham gia phản ứng cháy, vì một điều kiện nào đó không thể cháy đ−ợc và bị cuốn ra ngoài theo sản vật cháy. Nguyên nhân gây ra cháy không hoàn toàn hóa học có thể là: + Cung cấp không khí không đủ. + Không khí và nhiên liệu hỗn hợp không tốt. + Phân hóa nhiệt. Trong các nguyên nhân trên, hai nguyên nhân đầu có thể hạn chế đ−ợc, nguyên nhân thứ ba không thể hạn chế đ−ợc, ví dụ phản ứng phân hoá của CO2: 22 OCO2CO2 +→ Mức độ phân hóa của CO2 phụ thuộc áp suất riêng phần và nhiệt độ của khí. - Cháy không hoàn toàn cơ học: do nhiên liệu bị rơi vãi, rò rỉ trong quá trình đốt, làm cho một phần không thể tham gia phản ứng cháy. Cháy không hoàn toàn cơ học phụ thuộc nhiên liệu và thiết bị đốt, ví dụ than lọt qua mắt ghi, khí rò rỉ trên đ−ờng ống tr−ớc mỏ đốt ... - 69 - b) Hệ số không khí d− Thông th−ờng khi đốt nhiên liệu, nếu l−ợng không khí sử dụng lấy đúng theo tỉ lệ các phản ứng hóa học thì gây ra cháy không hoàn toàn, do đó ng−ời ta th−ờng lấy d− so với yêu cầu lý thuyết. Để đánh giá mức độ d− không khí, ng−ời ta dùng khái niệm hệ số d− không khí xác định bằng công thức sau: 0 n L L n = (4.18) Trong đó: L0 - thể tích không khí cần thiết theo lý thuyết để đốt cháy hết một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu [m3/kg hoặc m3/m3]. Ln - thể tích không khí đ−ợc sử dụng để đốt cháy một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu[m3/kg hoặc m3/m3]. Hệ số không khí d− đ−ợc chọn căn cứ vào nhiên liệu, cấu tạo của thiết bị đốt, điều kiện vận hành. Bảng 4.4 cho giá trị hệ số không khí d− th−ờng dùng trong thực tế. Bảng 4.4 Hệ số không khí d− Nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt Hệ số d− không khí, n Buồng đốt than đá thao tác thủ công 1,30 - 1,70 Buồng đốt than đá cơ khí hóa 1,20 - 1,40 Đốt than bụi 1,20 - 1,25 Đốt khí đốt, mỏ đốt không có ngọn lửa 1,03 - 1,05 Đốt khí đốt, mỏ đốt có ngọn lửa 1,10 - 1,15 4.3. Tính toán sự cháy của nhiên liệu Tính toán sự cháy của nhiên liệu nhằm mục đích xác định l−ợng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu, l−ợng sản vật cháy, thành phần, khối l−ợng riêng của sản vật cháy và nhiệt độ cháy. Để tính toán ng−ời ta dựa vào các giả thiết sau: - Các chất khí đ−ợc coi là khí lý t−ởng. - Không tính đến thể tích sản vật cháy do phân hóa nhiệt. - Thể tích khí đều đổi về điều kiện tiêu chuẩn. - Trong không khí chỉ chứa oxy và nitơ với tỉ lệ thể tích: 21% O2 và 79%N2. - 70 - 4.3.1. Tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn và lỏng Để dơn giản trong tính toán, mọi tính toán đ−ợc tiến hành với 100 kg nhiên liệu. a) Tính l−ợng không khí lý thuyết cần dùng để đốt nhiên liệu : - Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần thông dụng: Cd + Hd + Od + Nd + Sd +Ad + Wd = 100 % - Tính số kmol các chất có trong 100 kg nhiên liệu: 12 C d ; 2 Hd ; 32 Od ; 28 Nd ; 32 Sd và 18 Wd (kmol) Riêng thành phần tro (A) không tham gia phản ứng cháy và không biến thành khí lò nên không tính đến. - Dựa vào ph−ơng trình phản ứng cháy của các chất, tính l−ợng oxy cần để đốt cháy nhiên liệu: 32 S 4 H 12 C N ddd ' O2 ++= (kmol) Do trong nhiên liệu đã có 32 Od kmol oxy nên l−ợng oxy cần cung cấp: 32 O 32 S 4 H 12 C N dddd O2 −++= (kmol) (4.19) Vậy thể tích oxy cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là: 4,22. 32 O 32 S 4 H 12 C V dddd O2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++= (m3) (4.20) L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo kmol là: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++= 32 O 32 S 4 H 12 C 21 79 N dddd N2 (kmol) (4.21) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++= 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3N dddd N2 (kmol) (4.22) L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo thể tích là: 4,22. 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3V dddd O2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++= (4.23) Vậy thể tích không khí cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là: - 71 - 4,22. 32 O 32 S 4 H 12 C .762,4VVV dddd NOkk 22 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++=+= (4.24) b) Tính l−ợng sản vật cháy lý thuyết: L−ợng sản vật cháy lý thuyết gồm hai phần: + L−ợng sản vật cháy do nhiên liệu cháy sinh ra: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++++= 18 W 32 N 32 S 2 H 12 C N ddddd nl SVC (kmol) (4.25) + L−ợng khí do không khí mang vào: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++== 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3VN dddd N kk svc 2 (kmol) (4.26) Vậy l−ợng sản vật cháy tổng cộng khi đốt 100 kg nhiên liệu là: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++++= 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3 18 W 32 N 32 S 2 H 12 C N ddddddddd SVC (kmol) (4.27) 4,22. 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3 18 W 32 N 32 S 2 H 12 C V ddddddddd SVC ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++++= (m3) (4.28) c) Tính l−ợng không khí và sản vật cháy lý thuyết và thực tế khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: - Từ công thức (4.24) tính đ−ợc l−ợng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 100 4,22 . 32 O 32 S 4 H 12 C .762,4L dddd 0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −++= [m3/kg] (4.29) - Từ công thức (4.28) tính đ−ợc l−ợng sản vật cháy lý thuyết khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 100 4,22 . 32 O 32 S 4 H 12 C .762,3 18 W 32 N 32 S 2 H 12 C V ddddddddd 0 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++++= [m3/kg] (4.30) - L−ợng không khí thực tế cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 0n L.nL = [m3/kg] (4.31) - L−ợng sản vật cháy thực tế sinh ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: ( ) 00n L.)1nVV −+= [m3/kg] (4.32) - 72 - Các kết quả tính toán th−ờng đ−ợc biểu diễn theo bảng (xem bảng 4.6). d) Tính thành phần sản vật cháy: 100. N N X% n 1i Xi Xi i ∑ = = [%] (4.33) Trong đó: NXi là số kmol của thành phần sản vật cháy Xi. e) Tính khối l−ợng riêng của sản vật cháy: Khối l−ợng riêng của sản vật cháy xác định theo công thức: ∑ ∑ = ==ρ n 1i Xi n 1i XiXi V M.N [kg/m3] (4.34) Trong đó NXi, MXi, VXi là số kmol, khối l−ợng kmol và thể tích của thành phần sản vật cháy Xi. e) Tính nhiệt độ cháy của nhiên liệu: Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu là nhiệt độ mà sản vật cháy ở thể khí có thể đạt tới khi đốt cháy nhiên liệu trong điều kiện lý t−ởng, tức là cháy hoàn toàn, không có tổn thất, không có phân hóa nhiệt cũng nh− không có không khí d−. Để tính toán, ng−ời ta giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết tđo cần tìm nằm trong khoảng t1 đến t2 và: (4.35) ⎩⎨ ⎧ =− << C100tt ttt o 12 2do1 Khi đó, nhiệt độ cháy lý thuyết xác định theo công thức sau: ( ) 112 12 1tổng do tttii ii t +−− −= (4.36) Trong đó: ∑ = = n 1i 1t,Xi i 1 i.100 X% i - nhiệt hàm của sản vật cháy ở nhiệt độ t1, iXi,t1 là nhiệt hàm của thành phần Xi ở nhiệt độ t1. ∑ = = n 1i 2t,Xi i 2 i.100 X% i - nhiệt hàm của sản vật cháy ở nhiệt độ t2, iXi,t2 là nhiệt hàm của thành phần Xi ở nhiệt độ t2. itổng là nhiệt hàm tổng cộng của sản vật cháy: - 73 - n nkknlH tổng V LiiQ i ++= [kcal/m3] hay [kj/m3] (4.37) ở đây inl = cnl.tnl là nhiệt hàm của nhiên liệu và ikk = ckk.tkk là nhiệt hàm của không khí. Khi không nung nóng nhiên liệu và không khí thì inl, ikk bằng không. Trong các tính toán trên nhiệt hàm của các chất đ−ợc tra theo bảng cho sẵn. Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu tính theo công thức sau: dott t.t η= Trong đó η là hệ số nhiệt độ, phụ thuộc loại lò và dạng nhiên liệu, tra theo bảng. Bảng 4.5 Bảng tra hệ số nhiệt độ Loại lò Dạng nhiên liệu η Lò buồng Khí lò sinh khí 0,73 - 0,78 Lò buồng Rắn 0,66 - 0,70 Lò liên tục Rắn 0,70 - 0,75 D−ới đây khảo sát một ví dụ tính toán sự cháy với nhiên liệu là than có thành phần cháy nh− sau: 85,32%Cc, 4,56%Hc, 4,07%Oc, 1,80%Nc, 4,25%Sc, 7,78%Ak, 3,00%Wd. Và hệ số d− không khí n = 1,25. - Đổi thành phần cháy sang thành phần thông dụng: Đổi thành phần tro Ak sang Ad: 55,7 100 3100 .78,7 100 W100 AA d kd =−=−= [%] Hệ số thế hoán từ thành phần cháy sang thành phần thông dụng: ( ) ( ) 8945,0 100 355,7100 100 WA100 K dd =+−=+−= Thành phần thông dụng của nhiên liệu: Ad = 7,55 % Wd = 3,00 % Cd = 0,895 x 85,32 = 76,32 % Hd = 0,895 x 4,56 = 4,08 % Od = 0,895 x 4,07 = 3,64 % Nd = 0,895 x 1,80 = 3,64 % Sd = 0,895 x 4,25 = 3,80 % - 74 - - Tính toán xác định l−ợng không khí l−ợng và thành phần sản vật cháy cho 100 kg nhiên liệu (kết quả trình bày ở bảng 4.6). m 3 22,4 x 36,53 81 8, 2 10 16 C ộn g km ol 36 ,5 3 10 0 45 ,3 4 10 0 N 2 km ol 27 ,7 82 T ừ k hô ng k hí và o 0, 05 9 27 ,8 4 76 ,2 2 34 ,8 0 76 ,7 5 O 2 km ol 1, 85 4, 09 SO 2 km ol 0, 11 9 0, 11 9 0, 33 0, 12 0, 26 H 2O km ol 2, 04 0, 16 7 2, 20 7 6, 04 2, 21 4, 87 Sả n vậ t c há y C O 2 km ol 6, 36 6, 36 17 ,4 1 6, 36 14 ,0 3 m 3 35,167 x 22,4 78 7, 8 98 4, 7 C ộn g km ol 7,385 + 27,782 35 ,6 7 10 0 43 ,9 6 10 0 N 2 km ol 3,762 x 7,385 27 ,7 8 79 ,0 34 ,7 3 79 ,0 0 K hô ng k hí O 2 km ol 6, 36 0 1, 02 0 0, 11 9 -0 ,1 14 - - 7, 38 5 21 ,0 % 9, 23 21 ,0 0 Số l− ợn g km ol 6, 36 2, 04 0, 11 9 0, 11 4 0, 05 9 0, 16 7 - k m ol kg 12 2 32 32 28 18 - K hố i l− ợn g kg 76 ,3 2 4, 08 3, 8 3, 64 1, 61 3 7, 55 10 0 H àm l− ợn g % 76 ,3 2 4, 08 3, 8 3, 64 1, 61 3 7, 55 10 0 T hà nh p hầ n (% ) T hà nh p hầ n (% ) B ản g 4. 6 B ản g kế t q uả t ín h l− ợn g kh ôn g kh í, l− ợn g và th àn h ph ần s ản v ật c há y ch o 10 0 kg n hi ên li ệu N hi ên li ệu T hà nh p hầ n C H S O N W A Σ = n = 1 n = 1 ,2 5 - 75 - - L−ợng không khí lý thuyết: 878,7 100 8,787 L0 == [m3/kg] - L−ợng không khí thực tế: 847,9 100 7,984 Ln == [m3/kg] - L−ợng sản vật cháy lý thuyết: 182,8 100 2,818 V0 == [m3/kg] - L−ợng sản vật cháy thực tế: 16,10 100 1016 Ln == [m3/kg] - Thành phần sản vật cháy: CO2 14,03 % H2O 4,87 % SO2 0,26 % O2 4,08 % N2 76,75 % Σ = 100 % - Tính khối l−ợng riêng của sản vật cháy: Khối l−ợng của sản vật cháy: CO2 → 6,36 . 44 = 279,84 H2O → 2,21 . 18 = 39,73 SO2 → 0,12 . 64 = 7,62 O2 → 1,85 . 32 = 59,32 N2 → 76,75 . 28 = 974,44 Σ = 1360,9 kg Khối l−ợng riêng của sản vật cháy: 34,1 1016 9,1360 ==ρ [kg/m3] - Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu: Nhiên liệu và không khí không đ−ợc nung nóng tr−ớc nên ta có: - 76 - n d tổng V Q i = Theo công thức Men-đê-lê-ep: ( )ddddddd WH96S258OH6,344C8,80Q +++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+= Qd = 81.76,32 + 246.4,08 - 26.( 3,64 - 3,8) - 6.3 Qd = 7171 [kcal/kg] Khi n = 1,25 có Vn = 10,16 m 3/kg, ta có: 9,705 16,10 7172 i tổng == [kcal/m3] Tính i1 = i1800oC: CO2 → 0,1403. 1031 = 144,7 [kcal/m3] H2O → 0,0487. 819,3 = 39,90 [kcal/m3] SO2 → 0,0026. 1018 = 2,65 [kcal/m3] O2 → 0,0409. 669,1 = 27,37 [kcal/m3] N2 → 0,7675. 635,3 = 487,59 [kcal/m3]