Kỹ thuật cháy - P2

CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN Chương 1. Đại cương về buồng lửa Chương 2. Nhiên liệu và quá trình cháy nhiên liệu Chương 3. Kỹ thuật cháy nhiên liệu khí Chương 4. Kỹ thuật cháy dầu Chương 5. Kỹ thuật cháy tha

1.5 Đặc điểm của các quá trình cháy nhiên liệu

1.5.1 Vùng động học và khuyếch tán của phản ứng:

1.5.1 Cháy nhiên liệu rắn:

1.5.2 Cháy nhiên liệu lỏng:

1.5.3 Cháy nhiên liệu khí:

1.6 Hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học

1.6.1 Định luật Hess

1.6.2 ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học

(Sự phụ thuộc của hiệu quả nhiệt phản ứng hóa học vào nhiệt độ)

Hiệu quả nhiệt của phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ tiến hành phản ứng Giá trị của hiệu quả nhiệt ở nhiệt độ khác nhau có ý nghĩa thực tế rất lớn khi tính toán cân bằng hóa học và tính tổn thất nhiệt do phân hủy các sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao

Từ (1-46) và (1-47) ta có:

2 1

2 1

p I I

Tiến hành lấy vi phân các phương trình (c) và (d) theo nhiệt độ khi v = const và

p = const ta được:

2 1 v 2 v

1 v

v

C C T

U T

U T

Q

ư

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

∂

∂

2

p p 2 p 1 p

p

C C T

I T

I T

Q

ư

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

∂

∂

ở đây:

1

1 p

v C

C - nhiệt dung mol tổng của các chất ban đầu,

2

2 v

p , C

C - nhiệt dung mol tổng của sản phẩm phản ứng

Các phương trình (1-49), (1-50) là biểu thức toán học của định luật Kirshhof

Đối với nhiều phản ứng hoá học, hiệu quả nhiệt rất ít phụ thuộc vào nhiệt độ và trong các tính toán thực tế ta có thể coi là không đổi

1.7 Sự nổ nhiệt và sự cháy kích nổ của các chất khí

1.7.1 Sự nổ do nhiệt

Quá trình cháy trong không gian tự do: Khi đốt các chất khí cháy trong dòng thì

chất khí và không khí hay hỗn hợp đã được chuẫn bị sơ bộ trước sẽ được cấp liên tục vào mặt ngọn lửa đứng yên, còn các sản phẩm cháy được rút đi liên tục khỏi mặt ngọn lửa Khi đó quá trình cháy diễn ra ở áp suất không đổi

Quá trình cháy trong không gian kín: Quá trình cháy hỗn hợp chứa trong bình

kín, V=const có đặc điểm hoàn toàn khác Nếu toàn bộ hỗn hợp được nung đến nhiệt

độ tự bốc cháy hoặc được đốt mồi ở một điểm nào đó thì phản ứng cháy sẽ xẩy ra rất nhanh và áp suất trong hệ sẽ tăng lên đáng kể Phản ứng này được gọi là sự nổ do nhiệt

Khi giả thiết quá trình cháy là quá trình đoạn nhiệt, ta có thể xác định nhiệt độ nổ theo công thức sau:

tnổ =

∑

= +

+

1

Q C

m

C m C m

Q

Trong đó:

Q là tổng của nhiệt lượng và nội năng của hỗn hợp cháy;

mi- số mol sản phẩm cháy;

Ci - nhiệt dung riêng mol ở áp suất không đổi áp suất khi nổ hỗn hợp cháy

được xác định theo công thức:

Pnổ = P0

n

m T

T

0

ở đây:

T0 và Tnổ là nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cháy và nhiệt độ nổ 0K;

p0 và pnổ là áp suất ban đầu của hỗn hợp và áp suất khi nổ, bar

n và m là số mol của hỗn hợp trước và sau khi nổ

Trong các hỗn hợp hợp thức của khí và không khí ta có áp suất khí nổ không vượt quá 10 bar

1.7.2 Sự kích nổ

Khi đốt cháy hỗn hợp khí ở một khu vực nhất định, ví dụ ở một đầu của ống thì

đặc tính cháy hỗn hợp khí trong ống ngắn và trong ống dài sẽ khác nhau

Khi cháy hỗn hợp khí trong ống dài, lúc đầu sự lan truyền ngọn lửa tương tự như

ở ống ngắn, nhưng sau đó trên chiều dài bằng khoảng cách 10 lần đường kính ống tốc

độ lan truyền ngọn lửa sẽ rất lớn đến hàng nghìn mét trong một giây Hiện tượng này gọi là sự kích nổ Sự kích nổ xẩy ra do nén đoạn nhiệt các lớp khí nằm phía trước và do xẩy ra sự tự bốc cháy từ lớp này đến lớp khác Sự kích nổ được lan truyền đi dưới dạng sóng kích nổ

1 Sóng kích nổ được lan truyền với tốc độ không đổi

2 Tốc độ sóng kích nổ phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và loại hỗn hợp cháy

3 Vật liệu làm ống không có ảnh hưởng đến tốc độ sóng kích nổ

4 Tốc độ kích nổ không phụ thuộc vào đường kính ống nếu đường kính này không quá nhỏ

5 Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cháy thực tế không có ảnh hưởng đến tốc độ kích nổ

Các số liệu về tốc độ sóng kích nổ và áp suất trong sóng kích nổ được cho trong bảng 1-2

Bảng 1-2 Tốc độ sóng kích nổ của hỗn hợp các khí cháy với không khí

Tên chất khí Tốc độ sóng kích nổ,

m/s

áp suất trong sóng kích

nổ, bar Hydro

Axêtylen

Metan

Cacbon oxyl

2821

2450

2322

1930

20,4 34,0 31,0

23

Sự kích nổ có sức công phá lớn hơn nhiều lần so với sự nổ nhiệt

1.8 Buồng lửa và các quá trình xấy ra trong buồng lửa

1.8.1 Buồng lửa

Buồng lửa, là không gian giới hạn trong đó xảy ra quá trình cháy và quá trình trao đổi nhiệt, tức là một thiết bị trao đổi nhiệt có nguồn nhiệt bên trong Trong thực tế nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt, giảm kích thước của thiết bị, giảm chi phí vật tư hoặc do yêu cầu đặc thù của các quá trình công nghệ, buồng lửa được thiết kế, chế tạo để có thể đảm nhận một hoặc các chức năng sau đây:

- Chức năng của thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nhiệt năng vừa được giải phóng

từ các phản ứng cháy được truyền trực tiếp cho vật cần gia nhiệt trong các lò công nghiệp, cho nước, hơi nước trong các lò hơi, cho chất mang nhiệt trung gian (không khí, nước ) hay cho môi trường xung quanh (khi dùng lò sưởi đốt trực tiếp)

- Chức năng của một thiết bị công nghệ như thiết bị sinh hơi, nấu chảy, lò phản ứng, thiết bị gia nhiệt

Phần lớn các buồng lửa đều là thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN), nhưng chúng khác với các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường ở chỗ lượng nhiệt truyền không phải

do chất lỏng nóng mang vào mà được giải phóng ngay trong thiết bị nhờ các phản ứng

ôxy hoá nhiên liệu Tức là chất lỏng nóng chứa nguồn nhiệt bên trong

Trong TBTĐN không có nguồn nhiệt trong nhiệt độ của chất lỏng nóng chỉ phụ thuộc vào quá trình truyền nhiệt với chất lỏng lạnh và giảm dần theo chiều chuyển

động Ngược lại, trong các buồng lủa - TBTĐN, nhiệt độ đồng thời bị chi phối bởi quá trình giải phóng năng lượng qua phản ứng cháy và quá trình truyền nhiệt, do đó nhiệt

độ của chất lỏng nóng có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tương quan giữa hai quá trình này: nhiệt độ tăng khi lượng nhiệt được giải phóng lớn hơn lượng nhiệt truyền cho chất lỏng lạnh và ngược lại Nhìn chung sự phát nhiệt trong ngọn lửa ở phần đầu lớn hơn phần cuối, trong khi sự cấp nhiệt từ ngọn lửa đạt cực đại vào khoảng giữa, do đó nhiệt

độ của sản phảm cháy lúc đầu tăng lên, đạt cực đại, sau đó giảm xuống Nhiệt độ cực

đại đạt được ở vị trí mà tại đó lượng nhiệt phát bằng lượng nhiệt cấp

Có nhiều cách điều chỉnh phân bố nhiệt độ, nhưng quan trọng nhất là cách điều chỉnh thông qua việc thay đổi vận tốc phát nhiệt, đặc trưng bằng sự phân bố hệ số cháy kiệt α (đường cong cháy) tức là điều khiển quá trình cháy Đây là vấn đề có ý nghĩa cốt lõi trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo và vận hành các buồng lửa - TBTĐN, vì ý nghĩa kinh tế kỹ thuật trong trường hợp này được quyết định không phải chỉ ở lượng nhiệt được sinh ra Điều này liên quan đến hàng loạt vấn đề như:

- Hình dáng, kích thước buồng lửa;

- Tính chất nhiệt vật lý của tường bao;

- Cách bố trí vật nhận nhiệt, chất tải nhiệt;

- Loại và số lượng ngọn lửa;

- Hình dạng ngọn lửa, phân bố hệ số cháy kiệt và độ đen dọc theo chiều dài ngọn lửa;

- Cấu trúc của vòi phun;

- Vấn đề tận dụng nhiệt thải và nung nóng sơ bộ không khí dùng để đốt cháy nhiên liệu

Bài toán thiết kế và điều khiển tối ưu chỉ có thể từng bước được giải quyết trên cơ sở xem xét và tính đến một cách toàn diện những vấn đề trên đây

Để thấy rõ hơn điều này, hãy xem xét hai phương trình cơ bản của TBTĐN là phương trình cân bằng và phương trình truyền nhiệt:

QN = k F ∆t (1-54)

Trong đó :

QN - nhiệt hữu ích (cung cấp cho vật cần gia nhiệt)

QW - nhiệt tổn thất qua tường bao

QC - nhiệt cung cấp theo chất lỏng nóng

QA - nhiệt vật lý của sản phẩm cháy (SPC)

k, kW - hệ số truyền nhiệt giữa SPC, ngọn lửa và tường buồng đốt hoặc vật nung

F, FW - diện tích truyền nhiệt (bề mặt nung, tường lò)

∆t - độ chênh nhiệt độ trung binh giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt Khó khăn lớn nhất trong việc tính toán theo các phương trình trên đây là do trường nhiệt độ trong buồng lửa là trường ba chiều nên các đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ (hệ số cháy kiệt, hệ số truyền nhiệt, độ đen ) cũng là những vectơ ba chiều Các đại lượng này liên quan chặt chẽ với các đặc trưng buồng lửa đã kể ở trên và việc xác định chính xác chúng là điều hết sức khó khăn cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm

1.8.2 Các quá trình trong buồng lửa

Quá trình cháy trong buồng lửa là một quá trình rất phức tạp, bao gồm nhiều quá trình: tạo hỗn hợp, đốt nóng hỗn hợp, cháy phát nhiệt, cấp nhiệt (truyền nhiệt) cho môi chất Vì các quá trình này không hoàn toàn giống nhau đối với các loại nhiên liệu, do đó dưới đây chỉ đề cập tới những quá trình cơ bản nhất, xảy ra khi đốt cháy mọi nhiên liệu trong buồng lửa Các quá trình có tính đặc thù khi cháy nhiên liệu lỏng, rắn sẽ được trình bày chi tiết ở các chương 4 và 5

1.8.2.1 Qúa trình hỗn hợp nhiên liệu và chất ôxy hoá

Quá trình cháy hoàn toàn và có hiệu quả nhất chỉ có thể xảy ra khi nhiên liệu và chất oxy hoá được hỗn hợp đồng đều ở mức phân tử Trong các buồng lửa công nghiệp, chất ôxy hoá phổ biến nhất là ôxy của không khí, quá trình cháy lý tưởng là quá trình

có tỉ lệ của hỗn hợp nhiên liệu/không khí đạt giá trị tối ưu Thời gian để thực hiện quá trình pha trộn này dài hơn so với những quá trình khác như quá trình bắt lửa, quá trình phản ứng và nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10 giây

1.8.2.2 Qúa trình đốt nóng hỗn hợp nhiên liệu và không khí tới nhiệt độ bắt lửa

Như đã nghiên cứu ở 1.2.2 để quá trình cháy xẩy ra thì nhiệt độ hỗn hợp phảI

đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy Nhiên liệu, không khí hoặc hỗn hợp của chúng phải được nung nóng đến nhiệt độ này thì phản ứng mới xảy ra được Khi khởi động, năng lượng bắt lửa phải được cấp từ bên ngoài, như bằng tia lửa điện, bằng ngọn lửa phụ Khi quá trình cháy đã xảy ra thì năng lượng bắt lửa cho phần hỗn hợp mới đưa vào buồng lửa

được lấy từ vùng phản ứng hoặc từ vách buồng lửa nhờ các phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Khi đốt những nhiên liệu chất lượng kém, thấp khó cháy (như khi đốt rác, phế thải công nghiệp), vì nhiệt trị thấp nên phải thường xuyên có ngọn lửa để đảm bảo cho việc bắt lửa

1.8.2.3 Phản ứng cháy và phát nhiệt

Ngọn lửa là một dòng vật chất hỗn hợp bao gồm: nhiên liệu, không khí và sản phẩm cháy, trong đó xảy ra các phản ứng ôxy hoá và phát sáng (cháy) Trong thực tế rất khó định vị ngọn lửa một cách chính xác, vì các phản ứng cháy và hiện tượng phát sáng đều rất không tập trung

1.8.2.4 Quá trình truyền nhiệt

Nhiệt lượng toả ra khi cháy sẽ truyền từ ngọn lửa tới vật cần gia nhiệt, tường bao

và môi trường, Quá trình truyền nhiệt này có ảnh hưởng rất lớn tới chế độ thủy động và trường nhiệt độ trong buồng lửa do đó có một số trường hợp người ta tách rời quá trình truyền nhiệt khỏi buồng lửa như trong trường hợp các buồng lửa hai buồng Mục đích của việc tách biệt này là để tránh tác động có hại của các phản ứng cháy tới vật cần gia nhiệt hoặc để tạo ra một dòng sản phẩm cháy có nhiệt độ rất cao trong không gian buồng lửa

* Buồng lửa không hỗn hợp trước

Quá trình hỗn hợp nhiên liệu và không khí xảy ra trong buồng lửa Vì sự hỗn hợp được thực hiện nhờ quá trình khuyến tán (tầng hoặc rối) trong buồng lửa, nên trong trường hợp này ngọn lửa được gọi là ngọn lửa không hỗn hợp trước (ngọn lửa khuyết tán) Loại này thường dùng cho nhiên liệu rắn hoặc lỏng

* Buồng lửa hỗn hợp trước

Đây là loại buồng lửa chỉ dành riêng cho nhiên liệu khí Quá trình hỗn hợp được thực hiện ngoài buồng lửa Ngọn lửa trong trường hợp này được gọi là ngọn lửa hỗn hợp trước Về nguyên tắc cũng có thể đốt nóng hỗn hợp nhiên liệu - không khí đến gần nhiệt độ bắt lửa trước khi đưa vào buồng đốt, nhưng theo quan điểm an toàn, người ta thường không thực hiện giải pháp này

Ngoài hai phương pháp đã trình trên đây, trong thực tế còn có phương pháp trung gian, theo đó quá trình hỗn hợp một phần được thực hiện ở ngoài, một phần ở trong buồng lửa Diễn biến quá trình hỗn hợp và cháy trong buồng theo các phương pháp này được trình bày trên hình 1.9 Dễ dàng thấy rằng theo chiều tiến triển của quá trình hỗn hợp chiều dài ngọn lửa bị rút ngắn dần lại

Đặc tính của ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái dòng Tương ứng với chế độ thuỷ động, ngọn lửa trong các lò công nghiệp, các lò hơi, trong các động cơ đốt trong, tên lửa, tuabin khí là ngọn lửa rối

Trong các buồng lửa kỹ thuật, vì có thể bỏ qua các tổn thất áp suất do ma sát, do uốn dòng và do các trở lực khác nên các quá trình cháy có thể coi là đẳng áp, thường

là ở áp suất khí quyển Ơ đây không đề cập tới hiện tượng nổ, nó xuất hiện khi quá trình cháy tạo ra một sự tăng áp suất rất lớn Nổ xuất hiện khi một lượng nhiên liệu lớn cháy trong một không gian nhỏ, khép kín hoặc khi nhiên liệu cháy nhanh đến mức khối khí bao quanh không giãn nở kịp (vì quán tính) nên làm tăng áp suất đột ngột Các buồng lửa phải được thiết kế và vận hành sao cho có sự lưu thông tốt giữa sản phẩm cháy với môi trường nhằm ngăn ngừa hiện tượng nổ

H×nh 1.9 Qu¸ tr×nh hçn hîp mét phÇn vµ ch¸y trong buång