tinhtrongluongkhongtkhi001

Tính lượng không khí cần thiết cho một chất đốtTrịnh Minh Chính Chế tạo một lò đốt để sản suất sức nóng dùng để sấy các trái cây, cá, mực, v.v.. Tính lượng KK cần thiết để đốt cháy một l

Tính lượng không khí cần thiết cho một chất đốt

Trịnh Minh Chính

Chế tạo một lò đốt để sản suất sức nóng dùng để sấy các trái cây, cá, mực, v.v hay hơi nước dùng để chạy turbine và quay generator để sản suất điện là công việc mà kỷ sư năng lượng thường hay gặp Công việc đầu tiên là chúng ta sẽ tính bao nhiêu lượng chất đốt sẽ xử dụng trong một giờ? Chất đốt ở dạng nào (khí thiên nhiên, dầu thô hoặc than đá)? Chất gì sẽ sa thải sau khi đốt (CO2, CO, hơi nước, SOx, NOx, v.v.) (Chomiak (1990))

Các chất đốt lỏng (dầu nặng, dầu hôi, v.v.) hay rắn (than đá, gỗ, v.v.) thường được đo bằng kg/giờ hay kg/giây và không khí (KK) được thổi vào vào lò bằng một máy thổi và đơn vị đo

là m3/giờ hay m3/giây Tính lượng KK cần thiết để đốt cháy một lượng chất đốt

Hiện tại mặc dù với kỷ nghệ thông tin với những máy tính nhanh nhất thế giới vẫn chưa tính chính xác cho ngọn lửa của dầu hoặc than đá vì một phần lý thuyết vẫn chưa hoàn toàn hoàn chỉnh và một phần độ nhanh của những máy tính hiện đại ngày nay vẫn chưa tính được các

mô hình phức tạp Do đó những tính toán bằng máy tính bỏ túi dưới đây chỉ là phỏng chừng,

độ sai có thể quá 50% Phương pháp (PP) đo các chất sa thải sau khi đốt vẫn là PP tốt nhất

PP trình bày dưới đây không chính xác vì chúng ta đã đơn giản hoá nhiều vấn đề Thí dụ như

N2 không tham gia phản ứng cháy hay các phản ứng xảy ra cùng một lúc, điều này không xảy

ra trong thực tế PP này vẫn xử dụng được nếu chúng ta chưa có PP nào tốt hơn

1) Sự đốt cháy của hydrocarbon (CxHy)

Máy đốt

Nước nóng ra

Hình 1: Một hình mẫu cho lò nấu nước nóng công nghiệp.

1) Tính lượng không khí (KK) cho sự cháy của hydrocarbon

Hydrocarbon có công thức hoá học là CxHy thí dụ như (CH4, C2H6, C3H8, v.v.) Thí dụ cháy hoàn toàn một lượng khí mê tan trong lò đốt (xem Hình 1) Phương trình phản ứng hoá học cho phản ứng của khí mê tan như sau:

O H CO

O

tương tự phản ứng cháy cho hydrocarbon như sau

O H

y CO

x O

y x H

2

) 4

viết theo trọng lượng các phân tử (chất) như sau (nguyên tử gram cho C, H và O là 12, 1 và 16)

18 2 44

32 ) 4 ( ) 1 12

x

y x y

hay

y x

y x y

12

Như vậy (12x+y) kg hydrocarbon sẽ cần (32x+8y) kg oxygen và sẽ sa thải 44x kg CO2 và 9y

kg hơi nước (H2O) Trong thực tế chúng ta không lấy oxygen nguyên chất mà chúng ta dùng không khí (KK)

Thành phần hoá học và tỉ lệ phần trăm theo thể tích và trọng lượng của “KK khô” hay gọi tắt

là KK (KK không có độ ẩm hay hơi nước) như sau

N2 O2 Ar CO2 H2 Andet Tổng cộng

Bảng 1: Thí dụ tỉ lệ phần trăm của thể tích và trọng lượng KK KK tại VN chứa rất nhiều

hơi nước và tỉ lệ phần trăm của chất khí có thể khác nhau.

Để tính toán nhanh người ta thường tính gần đúng KK khô gồm 23,2% O2 và 76,8% N2 theo trọng lượng và 21% O2 và 79% N2 theo thể tích

Trong thực tế chất đốt rất phức tạp, không chỉ đơn giản chỉ có carbon và hydrogen như nêu trên Bảng 2 chỉ một thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ phần trăm của một loại khí đốt thiên nhiên (thành phần hoá học của khí thiên nhiên tùy thuộc vào các mỏ khí)

Thành phần hóa học Công thức Tỉ lệ %

thể tích

Tỉ lệ % mol

Tỉ lệ % trọng lượng

Methane (mê tan)

Ethane (ê tan)

Propane (pro pan)

Butane (bu tan)

Pentane (pen tan)

Hexane (hex xan)

Nitrogen (ni tơ)

Oxygen (o xi)

Carbondioxide

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 N2 O2 CO2

81,30 2,85 0,37 0,14 0,04 0,05 14,35 0,01 0,89

81,29 2,87 0,38 0,15 0,04 0,05 14,32 0,01 0,89

69,97 4,63 0,90 0,47 0,16 0,23 21,52 0,02 2,10

Bảng 2: Thành phần hoá học và tỉ lệ phần trăm của khí đốt thiên nhiên tại một mỏ (Sydgar

AB(1981)).

Nếu chúng ta lấy tỉ lệ % trọng lượng của oxygen trong KK khô là 23,20 và phần còn lại là Nitrogen và các chất khác không tham gia vào phản ứng đốt cháy ta có:

(12x+y) kg CxHy cần (32x+8y) kg O2

hay

1 kg CxHy cần kg

y x

y x

) 12 (

) 8 32 (





hay

y x

y x

) 12 ( 2320 , 0

) 8 32 (







Theo định luật Avogadro, những phân tử gram của tất cả các nguyên chất ở thể khí đều chiếm những thể tích bằng nhau ở những điều kiện về nhiệt độ và áp suất như nhau Thể tích của một phân tử của một chất khí bất kỳ ở nhiệt độ 0oC và 760 mm thuỷ ngân chứa một thể tích 22,4 lít, có nghĩa là một phân tử gram của oxy (O2) hay khí carbonic (CO2) đều chiếm một thể tích bằng 22,4 lít ở những điều kiện thường (0oC và 760 mm thuỷ ngân)

Như vậy thể tích của KK sẽ là (phân tử gram của KK là 28,96 g/mol)

96 , 28

4 , 22 ) 12 ( 2320 , 0

) 8 32 (

m y

x

y x









Thí dụ 1: đốt cháy hoàn toàn 1 kg C2H6

Cho C2H6 có nghĩa là x = 2 và y = 6, thế x và y vào phương trình (PT) (5) ta được:

kg

09 , 16 )

6 2 12 ( 2320 , 0

) 6 8 2 32 (















Như vậy thể tích của KK sẽ trở thành

3

45 , 12 96

, 28

4 , 22 09 ,

2) Tính lượng chất sa thải từ sự đốt cháy hydrocarbon

Tương tự cho carbondioxide và hơi nước, ta có

1 kg CxHy sa thải kg

y x

x

) 12 (

44





CO2

1 kg CxHy sa thải 3

) 12 (

4 , 22

m y x

x





CO2

1 kg CxHy sa thải kg

y x

y

) 12 (

9





H2O

1 kg CxHy sa thải 3

) 12 (

2 , 11

m y x

y





H2O Ngoài CO2 và H2O còn có N2 trong khói (N2 trong KK mà chúng ta giả sử rằng N2 không

2) Tính sự đốt cháy của chất đốt lỏng và rắn

Thông thường các chất đốt ở thể lỏng và rắn phân tích gồm có các thành phần nguyên tố như

C (carbon), H (hydrogen), S (lưu huỳnh), O (oxygen), N (nitrogen), H2O (hơi nước) và Chất bẩn (không đốt cháy được như cát, sỏi đá, v.v.) (xem Bảng 3)

Than đá Dầu nặng Dầu nhẹ Gỗ Rơm từ lúa mì thiên nhiên Khí đốt

Bảng 3: Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt.(N Bech and J Dahæin

(1986))

Nếu 1 kg chất đốt chứa trọng lược các nguyên tố như sau:

c kg carbon (C) h kg hydrogen (H2) s kg lưu huỳnh (S)

o kg oxygen (O2) n kg nitrogen (N2) w kg hơi nước (H2O)

a kg chất bẩn

Như vậy nếu 1 kg chất đốt thì tổng số lượng của tất cả các nguyên tố sẽ bằng 1, có nghĩa là

1













nếu loại bỏ chất bẩn và hơi nước (người ta thường dùng cách phân tích này cho than đá), phương trình trên sẽ trở thành

1









a) Tính lượng KK cần thiết cho sự đốt cháy 1 kg chất đốt

Giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn, có nghĩa là C sẽ cháy hết và cho ra CO2 và H sẽ cháy cho

ra H2O và S sẽ cho SO2

12

1 kmol O2 =

12

1 kmol CO2

12

c

kmol O2 =

12

c

kmol CO2

c kg C + 22,4

12

c

nm3 O2 = 22,4

12

c

nm3 CO2

12

c

12

c

kg CO2

nm3 : m3 ở nhiệt độ 0oC và 76 mm thủy ngân

1 kg H2 +

4

1

2

1 kmol H2O

h kg H2 +

4

h

2

h

kmol H2O

4

h

nm3 O2 = 22,4

2

h

nm3 H2O

4

h

2

h

kg H2O

32

1 kmol O2 =

32

1 kmol SO2

32

s

kmol O2 =

32

s

kmol SO2

32

s

nm3 O2 = 22,4

32

s

nm3 SO2

32

s

32

s

kg SO2

4 Giả sử N 2 (nitrogen) không tham gia phản ứng cháy.

Trong thực tế N2 sẽ kết hợp với O2 và cho ra NO và NO2 gọi chung là NOx NOx sẽ làm ô nhiễm môi trường và NOx cũng là mầm móng sinh bệnh ung thư Vì phản ứng của N2 tạo NOx khá phức tạp nên trình bày vào dịp khác

Như vậy oxygen tối thiểu để đốt cháy hoàn toán 1 kg chất đốt như sau:

dot chat kg

kmol o

s h c

O t

32 32 4 12

theo trọng lượng

dot chat kg

kg o

s h c

32 32 4 12



















và trọng lượng KK tối thiểu là

dot chat kg

m o

s h c

KK tl

3 min

2320 , 0

32 32

32 4 12



















trong KK có 23,20% là O2 và 76,8% là N2

Thể tích O2 tối thiểu

dot chat kg

m o

s h c

32 32 4 12



















Và thể tích KK tối thiểu là

dot chat kg

m o

s h c

21 , 0

4 , 22 32 32 4 12



















trong KK có 21% thể tích O2 và 79% thể tích N2

b) Tính lượng chất sa thải từ sự đốt cháy của chất lỏng và rắn

Trong khói sẽ gồm có:

- (44/12) c kg CO2 do phản ứng C + O2 = CO2

- (9 h + w) kg H2O do phản ứng 2H2 + O2 = 2H2O và do từ chất đốt (w kg)

- 2 s kg SO2 do ph ản ứng S + O2 = SO2

- (n + 0,768KKtl) kg nitrogen (n kg từ chất đốt và 0,768KKtl từ KK)

- a kg chất bẩn, không cháy được

3) Kết luận

- Phản ứng cháy không đơn giản như trình bày ở trên Cháy hoàn toàn là chuyện khó có thể xảy ra trong thực tế Thông thường người ta dùng một lượng KK nhiều hơn lượng KK tối thiểu (lượng KK cháy hoàn toàn) khoảng 10%

- Các phản ứng không xảy ra cùng một lúc

- Phản ứng lệ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của chất tham gia phản ứng Để cho chất đốt và KK dễ hoà lẫn, nguời ta dùng sự rối loạn (tiến Anh gọi là turbulence) Khi có sự hiện của sự rối loạn, nhiệt độ sẽ thay đổi không những về không gian

mà cả thời gian và đưa đến là phản ứng trở nên rất phức tạp

- N2 sẽ kết hợp với O2 cho ra NO và NO2 gọi chung là NOx, chất này là mầm móng gây bệnh ung thư

- S (lưu huỳnh) trong chất đốt cũng sẽ kết hợp với O2 cho ra SOx, tạo acid sẽ làm ô nhiễm môi trường

Tất cả những sự phức tạp này hy vọng sẽ trình bày vào dịp khác Tài liệu tham khảo được ghi

ở phía cuối cho các bạn nào muốn tìm hiểu thêm

Tài liệu tham khảo

1 J Chomiak (1990) Combustion – A Study in Theory, Fack and Application Abacus Press

2 N Bech and J Dahlin (1986) Combustion – Theory and Practice Polytenisk Forlag (in Danish)

3 R Joel (1987) Basic Engineering Thermodynamics 4 ed Longman Group UK Ltd (in English)

4 S Hadvig (1972) Stoichiometry and Values of Fuel Matter (Education Notes) Institute of Energy Technology, Tecnical University of Denmark (in Danish)

5 Sydgas AB (1981) Natural Gas Handbook Sydgas AB (in Swedish)

Tài liệu tham khảo thêm

Về sự đốt cháy

1) R Borghi (1988) Turbulent Combustion Modelling Prog Energy Combust Sci.,

Vol 114, pp 245-292

2) J Chomiak (1990) Combustion – A Study in Theory, Fact and Application

Abacus Press – Gordon & Breach Science Publishers

3) W C Gardiner (1984) Combustion Chemistry Springer-Verlag.

4) R T Haslam and R P Russell (1926) Fuels and Their Combustion McGraw-Hill

Book Company, Inc

5) E E Khalil (1982) Modelling of Furnaces and Combustors Abacus Press

6) K K Kuo (1986) Principles of Combustion John Wiley & Sons

7) P A Libby and F A Williams (1980) Turbulent Reacting Flows Editet by P.A

Libby and F.A williams Springer-Verlag

A Stambuleanu (1976) Flame Combustion Processes in Industry Abacus

Press

8) J Tomeczek (1994) Coal Combustion Krieger Publishing Comapany.

Về sự tạo thành NOx and SOx

9) P Falholt, P Glarborg, N H Olesen and S Hadvig (1984) Nox formation in The

Combustion of Natural Gas Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical

University of Denmark (in Danish)

10) P Glarborg, N B K Rasmussen, and S Hadvig (1987) Reduction of NOx

Emission from the natural Gas Furnace Laboratory of Heat and Air Conditioning,

Technical University of Denmark (in Danish)

11) P Glarborg and S Hadvig (1988) Nox formation in The Gas Phase of Coal

Combustion Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of

Denmark (in Danish)

12) L L Sloss (1991) NOx Emissions From Coal Combustion IEA Coal Research,

London

13) K V Thambimuthu (1993) Coal Cleaning for Advanced Coal-based Power Generation

14) J L Vernon and T Jones (1993) Sulphur and Coal IEA Coal Research, London