Sử dụng mô hình toán học law để xác định đặc điểm cháy nhũ tương FO h2o trong buồng đốt

Luận văn đã khảo sát hàm lượng nước tới sáu thành phần trong quá trình cháy nhũ tương dầu/nước: tốc độ hóa hơi giọt nhũ tương m, tỉ số khoảng cách tới bề mặt ngọn lửa bao quanh hạt nhiên

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐOÀN THANH THÔNG

Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 25 tháng 1 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐOÀN THANH THÔNG Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 24/11/1979 Nơi sinh : TP.HCM

Chuyên ngành : Công Nghệ Nhiệt

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC LAW ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM CHÁY NHŨ TƯƠNG FO – H 2 O TRONG BUỒNG ĐỐT

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

• Tổng quan về công nghệ đốt nhũ tương dầu FO – nước

• Nghiên cứu lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng

• Nghiên cứu lý thuyết mô hình toán học Law về cháy nhiên liệu nhiều thành phần

• Xây dựng chương trình tính toán một số thông số đặc trưng khi đốt nhũ tương dầu/nước

• Đánh giá kết quả nghiên cứu

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/1/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25/11/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S NGUYỄN VĂN TUYÊN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

TS NGUYỄN VĂN TUYÊN PGS TS LÊ CHÍ HIỆP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN VĂN TUYÊN

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

Con cảm ơn Cha Mẹ và gia đình của con đã tạo điều kiện cho con học hành,

động viên và giúp đỡ con trong quá trình làm luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Tuyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ

bảo, giúp đỡ em trong quá trình học và thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn Trung Tâm Nghiên Cứu Và Triển Khai Khu Công Nghệ Cao Tp.HCM đã tạo các điều kiện thuận lợi để có thể hoàn thành tốt luận văn này Xin cảm ơn các thầy cô đã dạy em trong suốt thời gian em học tại Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Cảm ơn các bạn Đoàn Duy Trường, Nguyễn Hưng Thủy và các bạn khác đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập cũng như khi làm luận văn và trong cuộc sống

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2008

Học viên

Đoàn Thanh Thông

Tóm tắt luận văn

Ngày nay nhu cầu sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch gia tăng đáng kể do đó nghiên cứu đặt ra làm sao sử dụng nguồn nhiên cho hiệu quả hơn Trước đây nghiên cứu chỉ dừng lại đối với nhiên liệu một thành phần, với yêu cầu thực tiễn thì việc áp dụng kết quả nghiên cứu này mang lại độ chính xác không cao

Trong các giải pháp tiết kiệm năng lượng, đốt nhũ tương dầu/nước mang lại hiệu qủa đáng kể do đó việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu cơ chế công nghệ này là điều rất cần thiết

Luận văn này sử dụng mô hình toán học của nhà nghiên cứu C.K.Law áp dụng cho nhiên liệu nhiều thành phần nhằm mục đích tính toán một số thông số quá trình cháy Việc tính toán được lập trình thông qua ngôn ngữ Matlab để từ đó xây dựng các đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng nước có trong nhũ tương dầu/nước tới thông số đặc trưng cũng như các biến đổi thành phần vật chất cháy

Luận văn đã khảo sát hàm lượng nước tới sáu thành phần trong quá trình cháy nhũ tương dầu/nước: tốc độ hóa hơi giọt nhũ tương (m), tỉ số khoảng cách tới bề mặt ngọn lửa bao quanh hạt nhiên liệu (rf), nhiệt độ bề mặt ngọn lửa (Tf’), thành phần nước ở bề mặt ngọn lửa (YWf), thành phần dầu ở bề mặt giọt (YFs), thành phần nước ở bề mặt giọt (YWs)

Kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng nước cho phép thì nước đóng vai trò là chất xúc tiến quá trình cháy làm cho khả năng cháy nhiên liệu mãnh liệt và triệt để hơn, điều này đồng nghĩa với việc giảm các tổn thất do khói thải và cháy nhiên liệu không hoàn góp phần tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu

Ngoài ra công nghệ đốt nhũ tương dầu/nước còn góp phần đáng kể trong việc giảm khả năng phát khải khí NOx ra môi trường

Mục lục

Trang

Nhiệm vụ Luận Văn Thạc Sĩ ii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt Luận Văn v

Mục lục vi

Các ký hiệu ix

Danh mục các hình x

Các bảng biểu xii

Mở đầu xiii

Chương 1: Tổng quan về công nghệ đốt nhũ tương FO – H 2 O 1

1.1 Tình hình sử dụng và nhu cầu bức thiết tiết kiệm năng lượng 1

1.2 Các nghiên cứu, ứng dụng đốt nhũ tương dầu/nước 3

1.2.1 Các nghiên cứu về đốt nhũ tương dầu/nước 3

1.2.2 Ứng dụng đốt nhũ tương dầu/nước trên thế giới và ở Việt Nam 5

Chương 2: Lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng 7

2.1 Tổng quan nhiên liệu FO 7

2.2 Các phương trình phản ứng cháy nhiên liệu lỏng .9

2.3 Đặc điểm cháy nhiên liệu lỏng 10

2.3.1 Phương thức cháy 10

2.3.2 Một số mô hình vật lý về quá trình cháy theo phun sương 11

2.3.2.1 Quá tình cháy thể khí theo bốc hơi 11

2.3.2.2 Quá trình cháy khuếch tán chùm hạt sương 11

2.3.2.3 Quá trình cháy hỗn hợp có hóa khí một phần hạt dầu 12

2.4 Lý thuyết đốt nhũ tương dầu/nước 12

2.4.1 Nhiên liệu nhũ tương dầu/nước 12

2.4.2 Cơ chế cháy của nhũ tương dầu/nước 15

2.4.3 Thiết bị tạo nhũ tương dầu/nước 16

2.4.3.2 Thiết bị .17

2.4.4 Ưu điểm khi đốt nhiên liệu nhũ tương dầu /nước so với dầu FO 20

Chương 3: Nghiên cứu áp dụng lý thuyết mô hình toán học Law cho nhiên liệu nhiều thành phần 21

3.1 Giới thiệu 21

3.2 Mô hình toán học cháy giọt dầu trong buồng đốt thường sử dụng 22

3.2.1 Quá trình bốc hơi 22

3.2.2 Quá trình cháy 23

3.3 Mô hình toán học Law 25

3.3.1 Các giả thuyết .25

3.3.2 Mô hình toán học Law 26

3.3.2.1 Ở pha khí 26

3.3.2.2 Ở pha lỏng 28

Chương 4: Xây dựng chương trình tính toán cho trường hợp đốt nhũ tương dầu/nước 30

4.1 Xác định các thông số của nhiên liệu và điều kiện cháy 30

4.1.1 Xác định các thông số của nhũ tương dầu/nước 30

4.1.2 Thông số điều kiện cháy 31

4.2 Xác định các thông số liên quan tới quá trình cháy nhũ tương 31

4.2.1 Phần trăm khối lượng nước và dầu trong nhũ tương dầu/nước 31

4.2.2 Xác định lượng Oxy lý thuyết cần cho quá trình cháy nhiên liệu, νO 31

4.2.3 Xác định lượng khói khô sinh ra khi nhiên liệu cháy hoàn toàn, νP 32

4.3 Xác định hệ số truyền nhiệt khi cháy 32

4.4 Tính toán các thông số đặc trưng cháy nhũ tương 34

4.5 Xác định các biến đổi thành phần vật chất cháy 35

4.6 Thiết lập các đồ thị 35

4.7 Sơ đồ khối chương trình tính toán 36

4.8 Các bước lập trình 37

4.8.1 Tạo giao diện tính toán của chương trình 37

4.8.2 Nội dung chương trình tính toán 38

Chương 5: Kết quả nghiên cứu và nhận xét 42

5.1 Các thông số đặc trưng quá trình cháy nhũ tương 42

5.2 Các biến đổi thành phần vật chất cháy khi đốt nhũ tương dầu/nước 47

5.3 Liên hệ với các áp dụng thực tế 51

5.3.1 Nhận xét về hàm lượng nước lớn nhất trong nhũ tương 51

5.3.2 Kết quả ứng dụng tại Việt Nam 57

Chương 6: Kết luận và kiến nghị 70

6.1 Kết luận .70

6.2 Kiến nghị 71

Tài liệu tham khảo 72

Phụ lục 74

Phụ lục 1 Bảng theo dõi lượng nhiên liệu tiêu hao khi chạy dầu FO và nhũ tương dầu/nước tại Công Ty TNHH Thắng Lợi, Sản Xuất Gạch Đồng Tâm

Long An 75

Phụ lục 2 Bảng theo dõi lượng nhiên liệu tiêu hao khi chạy dầu FO và nhũ tương dầu/nước tại Công Ty Gạch Men Đồng Tâm Miền Trung 76

Phụ lục 3 Bảng theo dõi lượng nhiên liệu tiêu hao khi chạy dầu FO và nhũ tương dầu/nước tại Xí Nghiệp Cơ Điện 77

Phụ lục 4 Chương trình MatLab 80

Lý lịch khoa học 85

Các ký hiệu Các đại lượng có thứ nguyên

a : Bán kính giọt (m)

Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp (kJ/kg.K)

M : Khối lượng phân tử (kg/kmol)

T : Nhiệt độ (K)

Q : Nhiệt lượng khi đốt cháy (kJ/kg)

L : Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg)

p : Áp suất (bar)

r : Khoảng cách (m)

k : Hệ số dẫn nhiệt (kJ/m.K)

ρ : Khối lượng riêng (kg/m3)

Các đại lượng không thứ nguyên

m : Tốc độ bay hơi

B : Hệ số truyền nhiệt

LH : Hàm nhiệt cung cấp

Y : Thành phần theo khối lượng

νO : Tỉ lệ Oxy cần thiết để đốt cháy trên mỗi đơn vị nhiên liệu

νp : Tỉ lệ khói khô sinh ra trên mỗi đơn vị nhiên liệu

εi : phần trăm theo khối lượng hóa hơi chất i

Danh mục các hình

Trang

Hình 1.1: Biểu đồ dự báo tiêu thụ năng lượng từ năm 2004 – 2030 1

Hình 1.2: Đồ thị thể hiện mức tiêu thụ các loại nhiên liệu từ 1980 ÷ 2030 1

Hình 2.1 : Mô hình vật lý cháy hạt nhiên liệu trong dòng dạng cháy thể khí theo bốc hơi 11

Hình2.2: Mô hình vật lý cháy hạt nhiên liệu trong dòng dạng cháy khuếch tán chùm hạt sương 12

Hình 2.3: Kích thước hạt dầu FO khi được phun sương và nhũ tương hóa 14

Hình 2.4: Mẫu dầu FO thường sử dụng 14

Hình 2.5: Dầu FO sau khi tạo nhũ tương 15

Hình 2.6 Tán sương pha phân tán khi đốt nhũ tương dầu/ nước 15

Hình 2.7: Khi đốt nhiên liệu FO cho ngọn lửa dài và tạo muội than .16

Hình 2.8: Khi đốt nhũ tương dầu/nước cho ngọn lửa ngắn, không tạo muội than 16

Hình 2.9: Thiết bị tạo nhũ tương KAP-15 17

Hình 2.10: Sơ đồ lắp đặt hệ thống tạo nhũ tương với KAP-15 18

Hình 2.11: Thiết bị tạo nhũ tương CHS-6 18

Hình 2.12: Sơ đồ lắp đặt hệ thống tạo nhũ tương với CHS – 6 19

Hình 3.1: Mô hình về khái niệm màng mỏng quy ước 22

Hình 3.2: Mô hình cháy khuếch tán giọt dầu có sự chuyển động cưỡng bức 24

Hình 3.3 : Sự bay hơi đối xứng hình cầu giọt nhiên liệu 25

Hình 3.4: Mô hình các thành phần bay hơi của nhũ tương dầu/nước ở pha khí 26

Hình 4.1: Đồ thị thể hiện mối liên hệ độ nhớt

và khối lượng phân tử trung bình dầu FO 34

Hình 4.2 : Giao diện chương trình 41

Hình 5.2 : Đồ thị f(V wl , T f ’) 44

Hình 5.3: Đồ thị f(V wl , r f ) 46

Hình 5.4: Đồ thị f(V wl , Y wf ) 47

Hình 5.5: Đồ thị f(V wl , Y Fs ) 49

Hình 5.6: Đồ thị f(V wl , Y ws ) 50

Hình 5.7: Đồ thị f(V wl , m) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 52

Hình 5.8: Đồ thị f(V wl , T f ’) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 52

Hình 5.9: Đồ thị f(V wl , r f ) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 53

Hình 5.10: Đồ thị f(V wl , Y wf ) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 53

Hình 5.11: Đồ thị f(V wl , Y Fs ) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 54

Hình 5.12: Đồ thị f(V wl , Y ws ) khi hàm lượng nước thay đổi từ 1÷ 25% 54

Hình5.13: Đồ thị thể hiện khả năng tiết kiệm dầu khi đốt nhũ tương đối với Silo số 3 59

Hình5.14: Đồ thị thể hiện khả năng tiết kiệm dầu khi đốt nhũ tương đối với Silo số 6 59

Hình5.15: Đồ thị thể hiện khả năng tiết kiệm dầu khi đốt nhũ tương tại lò hơi số 1 64

Bảng 5.1 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước trong

nhũ tươngtới tốc độ hóa hơi giọt nhũ tương dầu nước, m 42

Bảng 5.2 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước trong

nhũ tương tới nhiệt độ bề mặt ngọn lửa, T f ’ 43

Bảng 5.3 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước trong

nhũ tươngtới tỉ số khoảng cách bề mặt ngọn lửa, r f 45

Bảng 5.4 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước trong

nhũ tươngtới thành phần nước ở bề mặt ngọn lửa,Y Wf 47

Bảng 5.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước trong

nhũ tương tới thành phần dầu ở bề mặt giọt, Y Fs 49

Bảng 5.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước trong

nhũ tương tới thành phần nước ở bề mặt giọt, Y Ws 50

Bảng 5.7: Kết quả xử lý số liệu khi đốt nhũ tương dầu/nước tại

Công Ty TNHH Thắng Lợi, Sản Xuất Gạch Đồng Tâm Long An 60

Bảng 5.8: Kết quả xử lý số liệu khi đốt nhũ tương dầu/nước tại

Công Ty Gạch Men Đồng Tâm Miền Trung 62

Bảng 5.9: Kết quả xử lý số liệu khi đốt nhũ tương dầu/nước tại

Xí Nghiệp Cơ Điện thuộc Công Ty 28 65

Bảng 5.10: Các thông số quá trình cháy ứng với hàm lượng nước 10% 69

Mở đầu

Chúng ta đều biết nguồn nhiên liệu hóa thạch nói chung và dầu mỏ nói riêng trong tương lai sẽ cạn kiệt, song việc sử dụng các loại nhiên liệu này hiện nay ở nước ta chưa hiệu quả

Xuất phát từ nhu cầu bức thiết tiết kiệm năng lượng cũng như sử dụng nhiên liệu có hiệu quả hơn nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng đã được triển khai ứng dụng Vài năm gần đây công nghệ đốt nhũ tương dầu/nước đã bắt đầu được thử nghiệm tại Tp.HCM và cho thấy tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu là không nhỏ, mặc

dù ngay chính những người triển khai ứng dụng vẫn chưa thực sự hiểu rõ cơ chế diễn ra khi đốt hỗn hợp này Vì vậy đề tài “Sử dụng mô hình toán học Law để xác

định đặc điểm cháy nhũ tương FO-H 2 O trong buồng đốt” được chọn để nghiên cứu

nhằm góp phần hiểu rõ các ảnh hưởng của nước trong hỗn hợp nhũ tương dầu FO –

H2O tới quá trình cháy trong buồng đốt như thế nào

Do tính chất phức tạp của quá trình cháy nhiên liệu nói chung và khi đốt nhiên liệu nhũ tương dầu FO – H2O nói riêng nên việc nghiên cứu để xem xét hiệu quả cụ thể của công nghệ này như thế nào gặp rất nhiều khó khăn và hiện nay chưa có một báo cáo chính thức nào được công bố

Trong luận văn này đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

Nhiên liệu sử dụng là nhũ tương dầu FO nặng với nước (dầu/nước)

Phạm vi nghiên cứu: việc đốt nhũ tương dầu/nước được thực hiện cho buồng đốt công nghiệp

Điều kiện nghiên cứu: đốt nhũ tương dầu/nước ở áp suất khí quyển Đây là

điều kiện xảy ra ở hầu như tất cả các buồng đốt công nghiệp

Kết quả nghiên cứu đề tài này chủ yếu là dự đoán các trạng thái xảy ra trong quá trình đốt nhiên liệu nhũ tương dầu/nước, qua đó kiểm chứng, giải thích các hiện tượng xảy ra trong thực tiễn góp phần vào việc phòng tránh các quá trình không mong muốn xảy ra khi cháy cũng như tạo điều kiện thúc đẩy quá trình cháy hỗn hợp

Chương 1: Tổng quan về công nghệ đốt nhũ tương FO-H2O

1.1 Tình hình sử dụng và nhu cầu bức thiết tiết kiệm năng lượng

Theo báo cáo của Viện dầu mỏ Mỹ (API) thì trữ lượng dầu mỏ, khí đốt, Uranium trên trái đất sẽ chỉ còn đủ để cung cấp cho nhu cầu của con người trên hành tinh chúng ta khoảng 50-70 năm nữa

Trong khi đó tình hình sử dụng năng lượng của thế giới được dự báo là tăng từ

447 triệu tỉ Btu năm 2004 lên 559 triệu tỉ Btu năm 2015 và 702 triệu tỉ Btu vào năm

2030, như hình 1.1 mô tả

Hình 1.1 : Biểu đồ dự báo tiêu thụ năng lượng từ năm 2004 – 2030

Mức tiêu thụ của từng loại nhiên liệu cũng không ngừng tăng, đặc biệt là các dạng nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên (xem hình 1.2)

Hình 1.2: Đồ thị thể hiện mức tiêu thụ các loại nhiên liệu từ 1980 2030

Ở nước ta tốc độ gia tăng sử dụng năng lượng thương mại được dự báo vào

khoảng 8,6% ÷ 9,7%/năm trong giai đoạn 2001÷ 2025 Nhu cầu năng lượng trong

các năm 2010, 2020 và 2025 dự báo lần lượt là 47,63; 83,99 và 97,3 triệu TOE Cũng theo dự báo, với tốc độ gia tăng mức khai thác năng lượng như hiện nay, đến cuối thế kỷ này các nguồn năng lượng của Việt Nam sẽ trở nên khan hiếm, các

mỏ dầu và khí đốt sẽ cạn kiệt trong vòng 40 ÷ 60 năm tới

Như vậy vấn đề đặt ra hiện nay làm sao kéo dài thời gian sử dụng nguồn dầu còn lại sao cho có hiệu quả cũng như giảm thiểu khí phát thải ô nhiễm môi trường trong khi chờ đợi tìm một nguồn năng lượng thay thế

Hiện nay có ba biện pháp chính có thể áp dụng để tiết kiệm các nguồn năng lượng truyền thống:

- Tăng hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, giàn lạnh, máy chưng cất

- Cải tiến công nghệ để tăng công suất, giảm thời gian, giảm tiêu hao điện

- Sử dụng các loại nhiên liệu mới như xăng pha cồn, diesel pha cồn, cũng như đưa phụ gia vào nhiên liệu

Các biện pháp nêu trên không phải là mới mẻ, nhiều nước trên thế giới đã áp dụng từ lâu Trong điều kiện của nước ta hiện nay, khả năng tiết giảm lãng phí năng lượng còn rất lớn Hiệu suất sử dụng năng lượng trong các nhà máy điện đốt than, dầu của nước ta chỉ đạt được từ 28% đến 32%, thấp hơn so với các nước phát triển khoảng 10% Hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt khoảng 80%, thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 10% Năng lượng tiêu hao cho sản phẩm nhiều ngành công nghiệp nước ta cao gấp nhiều lần so với các nước phát triển Việc thiếu các biện pháp tiết kiệm năng lượng cộng với trình độ lạc hậu của công nghệ đã tồn tại lâu năm trong các doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp nhà nước làm cho việc sử dụng năng lượng rất kém hiệu quả

Ngoài các biện pháp như tăng hiệu suất thiết bị, cải tiến công nghệ, sử dụng các dạng nhiên liệu khác nhau như vừa nêu trên thì việc tạo nhũ tương dầu/nước

nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cũng đang được nghiên cứu

ở nhiều nơi trên thế giới

Theo [12] khi đốt nhũ tương từ 5 ÷ 25 % nước mức độ tiết kiệm nhiên liệu từ 2

÷ 10 % dầu và giảm được 10 ÷ 70% khí NOx, 40 ÷ 90% lượng tro bụi trong khói thải Đây quả là con số có ý nghĩa to lớn cho những ngành sử dụng năng lượng dầu

để đốt với lượng tiêu hao lớn

1.2 Các nghiên cứu, ứng dụng đốt nhũ tương dầu/nước

1.2.1 Các nghiên cứu về đốt nhũ tương dầu/nước

Vấn đề quan tâm hiện nay khi đốt nhiên liệu lỏng là làm thế nào để giảm sự không đồng nhất của các giọt nhiên liệu hiện diện trong quá trình cháy Mặc dù đã

có nhiều cải tiến quan trọng về các công nghệ và thiết bị phun khác nhau, nhưng ngay cả các thiết bị phun có kỹ thuật tiên tiến nhất vẫn chỉ có thể đạt được kích thước trung bình của các hạt nhiên liệu đến một kích cỡ nhỏ nhất định chưa tới mức mong muốn Ngoài ra sau vòi phun luôn tồn tại một lượng các hạt nhiên liệu có kích thước lớn hơn trung bình

Những hạt to này chiếm một tỷ lệ lớn trên toàn bộ dòng phun và rõ ràng khó

có thể hóa hơi hoàn toàn Đây là nguy cơ hình thành bồ hóng và khí NOx Hơn nữa phần nhiên liệu lỏng không cháy hết ở giai đoạn cuối của quá trình giải phóng năng lượng ngắn không chỉ làm hao tổn nhiên liệu mà còn sản sinh hydrocacbon

Vì vậy phương pháp tạo nhũ tương nhiên liệu với nước trước khi phun (Glassman et al., 1975) có khả năng làm cho việc đốt cháy tại buồng đốt hiệu quả và sạch hơn [1]

T Kadota và H Yamasaki trình bày những tiến bộ gần đây trong quá trình đốt nhũ tương dầu nước, kết hợp việc cho hoặc không cho chất hoạt động bề mặt vào Bản chất quá trình dựa trên trên cơ chế chủ yếu có liên quan tới hiện tượng nổ vi mô dẫn đến sự tán sương lần thứ 2, điều này thường không xảy ra trong quá trình cháy nhiên liệu thuần khiết Bài nghiên cứu mô tả mô hình động học và mô hình xác suất

để dự đoán cấu tạo vi mô của các bong bóng hơi trong pha lỏng, dự đoán và xác định các giới hạn quá nhiệt của các hydrocarbon và nước, mà ở đó không tồn tại pha

lỏng Điều này đi sau hiện tượng nổ vi mô của nhũ tương giới hạn trong ống mao dẫn nhằm loại bỏ tính không đồng nhất của nhiệt độ và dòng chảy khối bên trong

nó, cũng như sự bay hơi ở bề mặt của nó trong suốt thời gian trước khi xảy ra nổ vi

mô Việc khảo sát quá trình cháy về hiện tượng, hằng số tốc độ cháy, quá trình khơi mào, hiện tượng cháy bao gồm phân bố hàm lượng muội than trong sự cháy giọt nhỏ và sự bay hơi dạng hình cầu trên bề mặt nóng Ngoài ra một số vấn đề được đề cập đến nữa là quá trình truyền trong giọt nhỏ bao gồm sự phân tách pha, hiện tượng nổ vi mô và các điều kiện để quá trình nổ này xảy ra, phương trình gần đúng tính toán tốc độ nổ vi mô dựa trên mô hình xác suất Tác động của nhũ hóa nước trên cấu trúc ngọn lửa, hiệu suất cháy và sự phát ra khói trong thiết bị đốt phun trong phòng thí nghiệm và các ứng dụng quá trình cháy thực tế khác nhau [10] Kannan Vittilapuram Subramanian đề cập đến sự đốt cháy nhiều thành phần được mô phỏng theo cơ chế biến Shvab-Zeldovich được sửa đổi Phương trình Shvab-Zeldovich được phát triển gần đây dùng để mô tả phản ứng pha khí Mô hình cân bằng hơi – lỏng được sử dụng mô tả sự thay đổi pha ở bề mặt giọt nhiên liệu Giả thiết ở đây là nhiệt riêng pha khí không đổi và pha lỏng thì đồng nhất về thành phần và nhiệt độ, bỏ qua truyền nhiệt bức xạ giữa giọt nhiên liệu và môi trường Đã khảo sát quá trình bay hơi của xăng với sự kết hợp riêng biệt các hydrocarbon khác Bài nghiên cứu này phát triển một cơ chế mới gần đúng đơn giản hóa mới cho quá trình cháy nhiều thành phần của giọt nhiên liệu nhỏ và đã thiết lập một số giá trị không phụ thuộc từng được xác nhận Cơ chế mới đủ đơn giản để sử dụng cho các nghiên cứu giọt nhỏ nhiều thành phần bằng máy tính

Cơ chế Shvab-Zeldovich được thay đổi gần đây đối với việc đốt cháy giọt nhiên liệu nhiều thành phần được sử dụng để mô phỏng các đặc tính quá trình cháy của giọt alcohol / alkane và được kiểm chứng bằng các số liệu thực nghiệm Tốc độ cháy của giọt octanol/ dudecane dự đoán 1.17 mm2/s gần đúng với giá trị thực nghiệm 0.952 mm2/s của Law Mô hình này sau đó được dùng để đánh giá các đặc tính quá trình cháy nhiên liệu diesel với giả thiết chỉ có phản ứng pha khí [5]

Niko Samec, Breda Kegl và Robert W Dibble thực hiện các nghiên cứu bằng

số học và thực nghiệm đối với một số tính chất hóa học và vật lý của quá trình cháy của nhũ tương dầu/nước Các nghiên cứu lý thuyết về động lực học hóa học của cháy nhũ tương dầu /nước được thực hiện qua việc mô phỏng sự cháy hỗn hợp nước/n-heptane với giả thiết mô hình các vỏ đồng tâm của buồng phản ứng đồng nhất Việc phun và tán sương nhiên liệu được phân tích về mặt số lượng cũng như

để nghiên cứu gián tiếp các ảnh hưởng của sự có mặt nước trong nhiên liệu diesel

về mặt vật lý trong suốt quá trình cháy [6]

N KH Kopyt, A I Stroutchayev, Z V Govorova (Ukraine) tiến hành việc tạo nhũ tương nước trong dầu được phân tán mịn bằng sự nhũ hóa nhiệt thủy động lực học Cơ chế ở đây là hiện tượng sôi của chất lỏng quá nhiệt sẽ tạo các nhũ tương

có cỡ giọt nước trung bình 0.1 – 0.5 micromet Sự phân tán như thế sẽ loại trừ tính không ổn định của nhũ tương do sự tích giọt Thực nghiệm cho thấy nhiên liệu (nhiên liệu hydrocarbon cơ bản: xăng, dầu lửa, dầu diesel và dầu đen) được tiết kiệm 15 – 25%, bồ hóng tạo ra từ quá trình cháy giảm 2.5 – 4.0 lần khi hàm lượng hơi nước trong pha khí lớn hơn 20% [4]

Theo [12], việc nghiên cứu tạo nhũ tương dầu/nước để đốt tốt hơn thì ở các nước Châu Âu, đặc biệt là Canada, Đức, Nga, Mỹ đã bắt đầu vào khoảng 30 năm trước Ở Việt Nam đã có đề tài cấp quốc gia năm 1993 của tiến sỹ Lê Mười Mặc dù vậy, kể cả ở Châu Âu và Việt Nam thì hiệu quả của việc tạo nhũ tương thời gian trước đều chưa thực sự thuyết phục Nguyên nhân không phải là do giải pháp công nghệ mà do thiết bị để tạo nhũ tương chưa hoàn thiện

1.2.2 Ứng dụng đốt nhũ tương dầu/nước trên thế giới và ở Việt Nam

Cách đây khoảng 4-5 năm các chuyên gia trong lĩnh vực chế tạo nhiên liệu động cơ tên lửa của Liên Bang Nga đã chế tạo thành công thiết bị trộn đồng nhất bằng phương pháp động thuỷ lực CHS-14 (cavitation homogenizinng system) có thể tán mịn hổn hợp dầu FO và nước xuống còn khoảng 1÷5micro, và trộn đồng nhất

nó, tạo ra nhũ tương có tính ổn định không dưới một năm Các lợi thế của việc tạo

ra thiết bị này:

- Giảm lượng CO, NOx, SOx trong khí thải xuống 60÷80%

- Đốt nhũ tương sẽ giảm lượng muội đi từ 2÷3 lần

- Đốt nhũ tương này tiết kiệm từ 3÷10% dầu FO

Một số công ty ở CHLB Nga và ở Ucraina đã áp dụng công nghệ này cho hệ thống đốt dầu FO của các lò công nghiệp Theo họ thì mức tiết kiệm tối thiểu 4% dầu FO

Việc ứng dụng công nghệ đốt hỗn hợp nhũ tương dầu/nước ở nước ta hiện nay chưa được triển khai rộng rãi, chỉ mang tính chất thí điểm Công nghệ này có tiềm năng tiết kiệm năng lượng song chưa có một báo cáo khoa học cụ thể nào chứng minh cho mức tiết kiệm đạt được

Tại Tp.HCM có 2 công ty cung cấp thiết bị tạo nhũ tương dầu/nước:

CÔNG TY TNHH GARAN

306 ĐÀO DUY ANH, QUẬN PHÚ NHUẬN

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI VÀ DỊCH VỤ XUÂN PHONG

334/2A LÊ QUANG ĐỊNH, P11, QUẬN BÌNH THẠNH

Đến tháng 5/2006, Công ty Garan đã lắp đặt thành công 2 bộ thiết bị CHS-6 tại

2 nhà máy sản xuất gạch của Công ty gạch Đồng Tâm là Công ty TNHH gạch men Thắng Lợi (Long An) và Công ty TNHH Đồng Tâm miền Trung (KCN Điện Ngọc Quảng Nam) Theo biên bản nghiệm thu do 2 công ty lập và ký kết thì tỷ lệ tiết kiệm dầu FO của 2 nhà máy lần lượt là 7,16% và 7,26%

Còn công ty Xuân Phong thì đã lắp đặt thử nghiệm thiết bị KAP -15 cho Xí nghiệp cơ điện thuộc Công ty 28 Theo kết quả khảo sát thì mức tiết kiệm nhiên liệu 7.03% dầu FO

Từ các kết quả áp dụng thực tế ta thấy việc đốt nhũ tương dầu/nước sẽ làm mức tiêu hao nhiên liệu giảm đi, tiết kiệm 5÷9% chi phí nhiên liệu cho hệ thống cung cấp nhiệt

Chương 2: Lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng

2.1 Tổng quan nhiên liệu FO

Theo [20] thì nhiên liệu đốt lò (Fuel oil- FO) là sản phẩm chủ yếu của quá trình chưng cất thu được từ phân đoạn sau khi phân đoạn gas oil khi chưng cất dầu thô ở nhiệt độ lớn hơn 3500C

Nhiên liệu đốt lò được phân loại như sau:

Loại FO nặng: có độ nhớt cao, loại nhiên liệu này chủ yếu dùng trong công nghiệp

Loại FO nhẹ: có chỉ số độ nhớt thấp, bao gồm cả các loại dầu giống như dầu Diesel (DO), dầu hỏa (KO)…

Mỗi loại nhiên liệu đều có các thông số đặc trưng riêng của nó Theo [2], trình bày một số các đặc tính chủ yếu:

Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để nâng 1kg dầu lên 10C Gía trị của nhiệt dung riêng của FO vào khoảng 0.22 ÷0.28 phụ thuộc vào khối lượng riêng của dầu Giá trị nhiệt dung riêng quyết định lượng hơi nóng hay lượng điện cần thiết để gia nhiệt của dầu đến nhiệt độ mong muốn

Khối lượng riêng

Là tỉ số khối lượng và thể tích của nhiên liệu ở 150C Đơn vị là kg/m3

việc bơm, khó đốt cháy Việc tán sương kém làm dễ hình thành muội than ở thành hay béc đốt Vì vậy đối với loại dầu này cần phải gia nhiệt để việc tán sương tốt

Nhiệt trị

Nhiệt trị là lượng nhiệt hay năng lượng được tạo ra khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu Giá trị nhiệt tổng (GCV) với giả thiết tất cả các sản phẩm hóa hơi trong suốt quá trình cháy thì được ngưng tụ hoàn toàn Giá trị nhiệt thực (NCV) giả thiết hơi nước trong sản phẩm cháy không bị ngưng tụ Các loại nhiên liệu khác nhau được so sánh dựa trên giá trị nhiệt thực (NCV)

Điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy của nhiên liệu là điểm có nhiệt độ thấp nhất mà nhiên liệu nhận nhiệt để hóa hơi và bắt lửa Điểm chớp cháy của dầu FO vào khoảng 660C

Hàm lượng lưu huỳnh

Là lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu Lượng lưu huỳnh có trong dầu FO vào khoảng 2÷ 4%

2.2 Các phương trình phản ứng cháy nhiên liệu lỏng [14]

Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình phản ứng hóa học giữa các nguyên tố hóa học với Oxy và phát ra một lượng nhiệt lớn Trong quá trình cháy đã xảy ra những biến đổi hóa học rất phức tạp khônng thể mô tả bằng những phương trình hóa học đơn giản được Những phương trình hóa 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 hóa nhiên liệu Song trong thực tế các quá trình cháy nhiên liệu người ta đều dùng Oxy không khí Các chất khí sinh ra trong 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 cháy hoàn toàn các chất cháy được của nhiên liệu đều được Oxy hóa hoàn toàn, còn trong quá trình cháy không hoàn toàn có một số chất cháy của nhiên liệu chưa được Oxy hóa hoàn toàn Trong sản phẩm cháy hoàn toàn có các chất khí CO2, SO2, H2O

và N2, O2 Trong sản phẩm cháy không hoàn toàn ngoài những chất khí kể trên còn

có các chất khí cháy được nữa 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 Những số liệu này có thể xác định được một cách dễ dàng trên cơ sở các phương trình phản ứng hóa học Các phương trình lập nên tương ứng với 1kg nhiên liệu rắn, lỏng, hoặc 1m3

tc nhiên liệu khí

Phương trình cháy hoàn toàn Cacbon

C + O2 = CO2Hay 12kg C + 32 kg O2 = 44kg CO2

Như vậy để cháy hoàn toàn về mặt lý thuyết thì cứ 1 kg Cacbon cần 2.67kg Oxy tạo thành 3.67kg khí CO2

Phương trình cháy Cacbon không hoàn toàn

C + 1/2O2 = CO Hay 12kg C + 16 kg O2 = 28kg CO2

Phương trình cháy hoàn toàn của Hydro và Lưu huỳnh

H2 + 1/2O2 = H2O Hay 2kg H2 + 16 kg O2 = 18kg H2O

Như vậy để cháy hoàn toàn về mặt lý thuyết thì cứ 1 kg Hydro cần 8kg Oxy tạo thành 9kg H2O

Phương trình cháy hoàn toàn của Lưu huỳnh

S + O2 = SO2 Hay 32kg S + 32 kg O2 = 64kg CO2

Để cháy hoàn toàn về mặt lý thuyết thì cứ 1 kg Lưu huỳnh cần 1kg Oxy tạo thành 2 kg khí SO2

2.3 Đặc điểm cháy nhiên liệu lỏng [13]

2.3.1 Phương thức cháy

Có 2 phương thức cháy nhiên liệu lỏng: phương thức bốc hơi để cháy và

phương thức phun sương

Trong trường hợp bốc hơi để cháy, nhiên liệu lỏng đã được hóa khí và hỗn hợp với không khí theo tỷ lệ nhất định, ví dụ động cơ xăng có lắp bộ chế hòa khí hoặc tuabin khí có lắp ống chưng cất khí Nguyên lý cháy dầu trong trường hợp này hoàn toàn giống nguyên lý cháy nhiên liệu khí, có thể dùng các tỷ lệ hỗn hợp không khí, nhiên liệu để biểu thị các điều kiện bắt lửa, tắt lửa và các đặc tính truyền bá ngọn lửa

Trong trường hợp cháy nhiên liệu lỏng theo dạng phun sương, nhiên liệu lỏng thường qua thiết bị phun sương để phun thành dòng các bụi dầu nhỏ (50÷ 200µm) dưới dạng hình côn Xung quanh các hạt sương dầu có không khí Khi dòng hạt dầu

ở trong buồng lửa được đốt nóng, hạt dầu sẽ bốc hơi vừa hỗn hợp vừa cháy Vì điểm sôi của dầu thấp hơn nhiệt độ bắt cháy do vậy không thể hình thành mặt cháy ngay trên bề mặt hạt dầu mà phải cách bề mặt dòng dầu một khoảng cách nhất định mới hình thành bề mặt ngọn lửa

Trong công nghiệp, quá trình cháy nhiên liệu lỏng chủ yếu là cháy dạng phun sương

2.3.2 Một số mô hình vật lý về quá trình cháy theo phun sương

Dựa vào các kết quả thực nghiệm người ta phân loại quá trình cháy theo phun sương như sau:

2.3.2.1 Quá tình cháy thể khí theo bốc hơi

Trong trường hợp này bụi sương rất bé, nhiệt độ môi trường xung quanh hạt sương rất cao hoặc khoảng cách từ miệng phun tới mặt cháy rất dài, như vậy hạt dầu khi vào vùng cháy đã dược bốc hơi hoàn toàn Quá trình xảy ra ở thể khí mà không

có hiện tượng bốc hơi trong đó Nguyên lý cháy này hoàn toàn giống nguyên lý cháy thể khí và khi đó kích thước hạt sương ảnh hưởng rất ít đến chiều dài ngọn lửa

Hình 2.1 :Mô hình vật lý cháy hạt nhiên liệu trong dòng

dạng cháy thể khí theo bốc hơi

2.3.2.2 Quá trình cháy khuếch tán chùm hạt sương

Trong trường hợp này, nhiệt độ xung quanh hạt sương thấp, đường kính hạt sương lớn (hoặc tính năng bốc hơi của dầu kém) ở trong vùng cháy, xung quanh hạt dầu hình thành một màng mặt lửa bao bọc, phía trong mặt cháy hình thành hơi dầu

và sản phẩm cháy, còn phía ngoài mặt cháy là không khí và sản phẩm cháy Hơi dầu của các giọt sương được cung cấp cùng với Oxy khuếch tán và hỗn hợp lẫn nhau để tiến hành quá trình cháy

Cùng với sự dịch chuyển của hạt sương vào khu vực kiệt của các hạt trước và như vậy sẽ hình thành phương thức truyền bá ngọn lửa theo kiểu “ cháy dạng hạt tiếp sức” Lúc đó ảnh hưởng yếu tố động lực học không lớn

Hình2.2: Mô hình vật lý cháy hạt nhiên liệu trong dòng

dạng cháy khuếch tán chùm hạt sương

2.3.2.3 Quá trình cháy hỗn hợp có hóa khí một phần hạt dầu

Kích thước hạt được phun thành sương không giống nhau và không đồng đều Trong đó các hạt nhỏ dễ bốc hơi trước khi đi vào vùng cháy đả bốc hơi hoàn toàn hình thành ngọn lửa có hỗn hợp trước Còn các hạt dầu thô khi đến vùng cháy chưa bốc hơi dầu hoàn toàn và do đó có thể sinh ra cháy theo dạng bốc hơi của các hạt

bé Trong trường hợp này cả ba yếu tố bốc hơi, động lực học phản ứng và độ rối đều ảnh hưởng đến phản ứng cháy

Quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong thực tế phức tạp hơn nhiều đối với dầu nặng, quá trình cháy càng phức tạp hơn, bởi vì ở nhiệt độ cao do thiếu Oxy sẽ xảy

ra hiện tượng phân hủy nhiệt tạo thành bồ hóng, thành phần này cháy giống như chất rắn làm cho tổn thất cháy không hết về cơ khí tăng lên

2.4 Lý thuyết đốt nhũ tương dầu/nước

2.4.1 Nhiên liệu nhũ tương dầu/nước

Kết cấu phân tử của nhiên liệu thường chứa mazút, nước, tạp chất, parafin Khi

đó phần lớn các phân tử nhiên liệu ở dạng liên kết chuỗi dài Qúa trình cháy được bắt đầu từ các đầu của chuỗi mạch lớn Quá trình cháy sẽ bị cản chậm lại khi gặp phải phân tử nước, parafin và lưu huỳnh, dẫn tới làm chậm quá trình cháy nhiên liệu, nhiên liệu sẽ không cháy hết, khí thải có chứa nhiều chất độc

Thông thường dầu được đốt bởi các loại béc đốt khác nhau và nguyên nhân chủ yếu làm giảm hiệu quả sử dụng nhiệt năng từ việc đốt nhiên liệu lỏng là do sự cháy không hoàn toàn Tổn thất nhiên liệu lỏng do cháy không hoàn toàn vào có thể

chiếm tới 10÷15% Do đó việc giảm càng nhiều càng tốt tổn thất này là điều hết sức cần thiết

Việc cháy không hoàn toàn do 3 nguyên nhân chính: tán sương nhiên liệu không tốt, tỷ lệ không khí thừa không phù hợp hoặc sự hòa trộn nhiên liệu và không khí không hoàn hảo

Liên quan đến việc tăng khả năng tán sương nhiên liệu, thường kết hợp hai phương pháp để nâng cao khả năng cháy của dầu FO

Thứ nhất : gia nhiệt dầu FO lên 90 ÷1400C

Thứ hai: tăng mức độ tán mịn các phần tử nhiên liệu bằng cách sử dụng vòi phun có cơ cấu đầu phun đặc biệt

Theo kết quả nghiên cứu của các chuyên gia trong ngành hoá dầu thì kích thước hạt nhiên liệu lỏng khi ở trạng thái bình thường cỡ 1000µm, sau khi dùng bơm cao áp và tán sương thì kích thước các hạt là trên 100µm

Từ ngưỡng này thì việc tán mịn hạt nhiên liệu xuống nữa bằng các phương pháp thông thường sẽ gặp phải những trở ngại lớn

Từ lâu trong ngành năng lượng người ta đã biết rằng để dầu FO cháy mạnh và cháy hết trong lò đốt, đồng thời giảm khí phát thải độc hại như COx, NOx, SOx, từ sản phẩm cháy người ta có thể dùng biện pháp nhũ tương hoá hỗn hợp dầu FO với nước trước khi phun vào buồng đốt Với loại nhiên liệu này thì khi phun sương ta có thể tạo ra các hạt sương có kích thước nhỏ hơn so với phun sương dầu FO Nhờ vậy

mà tổng diện tích bề mặt tiếp xúc oxi hoá của nhiên liệu được tăng lên rất nhiều, quá trình đốt diễn ra rất nhanh, mạnh hơn và nhiên liệu cháy triệt để hơn

Khi nước được trộn với một lượng nhỏ vào trong dầu để tạo thành nhũ tương thì chúng sẽ phân tán ở kích thước micro ở trạng thái dầu bọc nước Hạt nhũ này có thể được giữ ổn định hơn bằng các chất phân tán Trong nhũ tương, nước là pha phân tán, còn dầu là pha liên tục

Hình 2.3: Kích thước hạt dầu FO khi được phun sương và nhũ tương hóa

Trong trường hợp này thì nước đóng vai trò là chất độn làm giảm lượng nhiên liệu cần dùng, đồng thời là chất xúc tiến cho dầu cháy tốt hơn và tăng hiệu suất cháy

Hình 2.4: Mẫu dầu FO thường sử dụng

Hình 2.5: Dầu FO sau khi tạo nhũ tương

2.4.2 Cơ chế cháy của nhũ tương dầu/nước

Nước trong hỗn hợp với dầu không những không toả nhiệt mà còn hấp thụ nhiệt để hoá hơi Ví dụ khi lượng nước chiếm 30% trong hỗn hợp thì để làm hoá hơi lượng nước này sẽ tốn mất 1.7% dầu FO Mặc dầu vậy khi hỗn hợp nhũ tương dầu nước bao gồm các hạt nước đã được tán mịn xuống cỡ 1-20µm thì nước lại có tác dụng giúp hỗn hợp nhũ tương cháy kiệt với hệ số không khí thừa nhỏ nên giảm được lượng nhiệt mất đi theo khí thải và do không cháy hết nhiên liệu (q2, q3)

Hình 2.6 : Tán sương pha phân tán khi đốt nhũ tương dầu/ nước

Khi đốt nhũ tương thì hạt dầu được 2 lần hoá sương, lần thứ nhất từ vòi phun vào, nhũ tương được phun thành những hạt nhỏ, tạm gọi là lần “hoá sương thứ nhất” đây vẫn là hỗn hợp những hạt dầu bọc nước, do nhiệt độ hoá hơi của nước

những màng dầu bọc bên ngoài thành những mảnh nhỏ hơn, kết quả là hạt dầu mịn hơn, diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí tăng lên, cháy sẽ kiệt hơn, gọi là “hoá sương” lần thứ 2

Hình 2.7: Khi đốt nhiên liệu FO cho ngọn lửa dài và tạo muội than

Hình 2.8: Khi đốt nhũ tương dầu/nước cho ngọn lửa ngắn, không tạo muội than

2.4.3 Thiết bị tạo nhũ tương dầu/nước

2.4.3.1 Nguyên lý hoạt động

Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số từ 20 kHz trở lên Ở trong các môi trường khác nhau thì dưới tác động của siêu âm sẽ sinh ra các hiện tượng vật lý khác nhau Khi cường độ của sóng siêu âm trong lòng chất lỏng đạt ngưỡng nào đó thì sự lan tỏa của siêu âm trong lòng chất lỏng sẽ tạo ra hiện tượng tạo bong bóng

Hiện tượng tạo bong bóng (cavitation) là quá trình vật lý mà trong đó dưới tác dụng của sóng siêu âm sẽ tạo ra vô số các bong bóng xung động với tần số siêu âm Trong một giọt chất lỏng nhiên liệu sẽ có hàng triệu các bong bóng như vậy Áp suất trong lòng các bong bóng này đạt tới 1000 atm Các bong bóng sẽ liên tục xuất hiện và bị bóp vỡ ngay Khi bị bóp vỡ thì tạo ra một sự va đập mạnh, do đó nhiên liệu lỏng ở những chỗ có bong bóng vỡ bị tác động mạnh dẫn đến phá vỡ và bẻ gãy các phân tử hydrocarbon và tạo thành các mạch hydrocarbon mới

Vì lý do đó nhũ tương nhận được sau khi sử lý bằng siêu âm có một số đặc tính và năng lượng khác:

Kích thước của hạt nhịên liệu lỏng sau khi sử lý nằm ở mức 10µm

Ngoài ra trong quá trình tạo nhũ tương sẽ diễn ra sự phân bố điều đặn các hạt nước kích cỡ 1µm trong toàn bộ thể tích nhiên liệu Các mảnh vụn của các phân tử hydrocarbon sẽ dính vào và phủ bên ngoài các hạt nước tạo thành một lớp chất hoạt tính mặt ngoài

2.4.3.2 Thiết bị

Dưới đây là một số hình ảnh thiết bị tạo nhũ tương và sơ đồ hệ thống đã được lắp đặt tại Việt Nam:

a) Thiết bị do công ty Xuân Phong cung cấp

• Đặc điểm thiết bị KAP-15

- Công suất điện: 12 kW, 3 pha 380V

- Công suất tạo nhũ tương: 8 tấn/h

- Trọng lượng: 240kg

- Kích thước: 880x497x515 mm

Hình 2.9: Thiết bị tạo nhũ tương KAP-15

Thiết bị gồm hai đĩa quay ngược chiều Mỗi đĩa được truyền động bằng một động cơ điện riêng Dưới tác động quay của hai đĩa sẽ tạo ra các bong bóng khi dòng dầu chuyển động qua

b) Thiết bị do công ty Garan cung cấp

Thiết bị tạo nhũ tương CHS-6

• Đặc điểm thiết bị tạo nhũ CHS-6

- Năng suất trộn nhũ tương: 4 t/h

mở để dầu tuần hoàn ngược trở lại để tránh hỏng bơm Hỗn hợp dầu và nước được đưa qua bộ lọc tinh (F1) để loại bỏ các tạp chất bẩn, trước và sau lọc được bố trí các đồng hồ đo áp suất M1, M2 Hỗn hợp này được đưa tới thiết bị tạo nhũ tương (RAF) tại đây dầu và nước sẽ được hòa trộn, đồng nhất hóa và tán mịn nhờ hiệu ứng siêu

âm xảy ra trong lòng chất lỏng, hình thành dạng nhũ tương giữa dầu và nước Hỗn hợp nhũ tương được đưa tới thùng dầu trung gian Từ thùng dầu này nhiên liệu

2.4.4 Ưu điểm khi đốt nhiên liệu nhũ tương dầu /nước so với dầu FO [18]

Tiết kiệm nhiên liệu

Giảm thiểu bụi và các khí thải gây ô nhiễm môi trường

Có thể cháy tốt ở chế độ dư không khí thấp, giảm khí thải NOx

Sự hình thành NOx, SO3 ít hơn

Nguy cơ ăn mòn ống khói do axit sulfuric được cải thiện đáng kể

Giảm lượng xỉ dầu, bồ hóng trong lò, giảm chi phí làm vệ sinh lò đốt

Có thể áp dụng đối với dầu chất lượng thấp…

Chương 3: Nghiên cứu áp dụng lý thuyết mô hình

toán học Law cho nhiên liệu nhiều thành phần

3.1 Giới thiệu

Trong các nghiên cứu trước đây về đốt nhiên liệu lỏng thì để đơn giản vấn đề người ta thường xem như cháy nhiên liệu thuần nhất Do đó các ảnh hưởng của nhiều thành phần trong nhiên liệu không được quan tâm một cách đầy đủ vì lẽ hỗn hợp nhiên liệu thương mại đã được tinh chế đều nằm trong giới hạn cho phép và các yêu cầu về hiệu suất trong buồng đốt và khói thải nói chung không cần yêu cầu chặt chẽ

Đồng thời, cùng với sự phát triển trong việc thiết kế động cơ và điều chế nhiên liệu gần đây cho thấy có ảnh hưởng của nhiều thành phần trong nhiên liệu trong việc đốt nhiên liệu lỏng Quá trình đốt cháy trong các động cơ cũng như buồng đốt công nghiệp ngày càng được kiểm soát chặt chẽ hơn nhằm cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm

Do đó vấn đề được quan tâm hiện nay là việc sử dụng các nhiên liệu lai (pha trộn) ví dụ như nhũ tương dầu/nước, dung dịch cồn/dầu, than đá/ nước và thể huyền phù than đá/dầu nhằm mục đích không chỉ tăng hiệu suất khi sử dụng nhiên liệu mà còn có ý nghĩa khác là giảm thiểu ô nhiễm đồng thời tiết kiệm được nguồn năng lượng hóa thạch

Như đã biết, quá trình cháy của nhiên liệu là quá trình rất phức tạp nhất là đối với nhiên liệu nhiều thành phần Các công trình nghiên cứu về việc đốt các nhiên liệu nhiều thành phần có khả năng hòa trộn được với nhau hoặc không hòa trộn được với nhau hiện nay cũng rất hạn chế

Từ trước đến nay, tuy có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm về việc đốt nhũ tương dầu nước và đã cố gắng đưa ra các mô hình toán học, nhưng có lẽ C.K.Law là nhà nghiên cứu sâu và đầy đủ nhất

Gần đây, tác giả C K.Law đã đưa ra mô hình toán học về việc đốt cháy các nhiên liệu nhiều thành phần không có khả năng hòa trộn được với nhau (khi trộn lẫn

sẽ có sự phân pha) nhằm xác định tốc độ hóa hơi trong giọt và các đại lượng quan tâm khác

Mô hình toán học này mô tả quá trình cháy không ổn định, có sự kiểm soát việc khuếch tán pha khí của giọt nhiên liệu nhiều thành phần trong môi trường áp suất khí quyển

3.2 Mô hình toán học cháy giọt dầu trong buồng đốt thường sử dụng [13]

3.2.1 Quá trình bốc hơi

Trong buồng cháy thực tế, hạt nhiên liệu chuyển động lơ lửng trong dòng vì vậy hạt nhiên liệu không thể bốc hơi và cháy một cách đối xứng

Để giải được bài toán trên cần thiết đưa vào 2 giả thiết:

Xem hạt nhiên liệu là một vật thể hình cầu không bay hơi và không cháy Coi quá trình truyền nhiệt đối lưu như là dẫn nhiệt của một khối cầu đẳng trị

Xem khối cầu chỉ có quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán phân tử để đưa đến sự bay hơi và cháy

Ngoài ra sử dụng lý thuyết về màng mỏng quy dẫn để hiệu chỉnh lại ảnh hưởng của dòng chuyển động đối lưu đối với sự bay hơi và cháy Theo đó thì khi dòng đối lưu ổn định thì nhiệt lượng mà môi trường truyền đến bề mặt hạt nhiên liệu có thể quy đổi thành sự dẫn nhiệt trong lớp khí bao quanh vật cầu quy ước Lúc đó nhiệt trở tập trung vào chiều dày màng mỏng (r1 – r2) Phía ngoài hình cầu có sự chuyển động của dòng đẳng nhiệt có nồng độ như nhau

Dựa vào các giả thuyết trên thì tổng lượng bốc hơi Q và tổng lượng dẫn nhiệt

Q được xác định theo biểu thức sau:

G= 4πar0ln(B+1) (3.1) Q= 4πar0qeln(B+1) (3.2) Trong đó:

a: hệ số dẫn nhiệt

r0: bán kính hạt nhiên liệu

qe: Nhiệt hóa hơi của 1 đơn vị chất lỏng (J/g)

qe = cnl(T0 –T1) Với:

cnl: nhiệt dung riêng dầu lỏng

T0: nhiệt độ ban đầu hạt dầu

Xung quanh hạt dầu có tồn tại ngọn lửa hay không quyết định bởi điều kiện tới hạn bắt lửa

Hình 3.2: Mô hình cháy khuếch tán giọt dầu có sự chuyển động cưỡng bức

Trong quá trình cháy thực tế, giọt dầu sau khi phun sương và cách xa miệng phun một khoảng cách nhất định thì giữa giọt dầu và dòng khí có tốc độ tương đối khá lớn và tồn tại ảnh hưởng của đập mạch hỗn lưu

Vùng cháy hình thành xung quanh giọt dầu không phải là hình cầu đối xứng

mà là hình bầu dục, hệ số Reynold tương đối lớn

Suất bốc cháy của giọt dầu dưới điều kiện chuyển động cưỡng bức được xác định:

e

f p

T T c Nu

r c q

T T c r

r

x c

0 0

1 0

1ln24

1ln11

1

Trong đó: cp: nhiệt dung riêng pha khí

r0: bán kính hạt nhiên liệu

r1: bán kính hạt cầu giả thiết

Tf: nhiệt độ cháy trên bề mặt giọt dầu

T0: nhiệt độ bề mặt hạt dầu

qe: nhiệt hóa hơi của 1 đơn vị chất lỏng

Nu*: trị số Nusselt trung bình Đôí với nhiên liệu lỏng bình thường không chứa thành phần khác thì có thể áp dụng mô hình Tuy nhiên khi xét nhiên liệu nhũ tương dầu/nước thì nước không phải là thành phần cháy, nó chỉ có tác dụng như là chất xúc tiến cho quá trình cháy

kiệt hơn nên việc áp dụng mô hình này đối với nhiên liệu nhũ tương dầu/nước gặp khó khăn Do vậy cần có một mô hình phù hợp hơn đối với loại nhiên liệu nay

3.3 Mô hình toán học Law [1]

3.3.1 Các giả thuyết

Trong việc thiết lập công thức toán học cho mô hình đốt nhũ tương dầu nước, vấn đề quan tâm là sự bay hơi đẳng áp, đối xứng hình cầu có hoặc không có ngọn lửa khuếch tán bao quanh các hạt nhũ tương trong môi trường khí quyển không đổi được thể hiện qua các thông số: nhiệt độ T∞’, áp suất p∞’ và thành phần khối lượng chất oxi hóa Yo∞

Hình 3.3 : Sự bay hơi đối xứng hình cầu giọt nhiên liệu

Các quá trình diễn ra ở pha khí được giả thiết là gần như ổn định đối với tất cả các quá trình pha lỏng

Ở bề mặt giọt cả nhiên liệu và giọt nước cực nhỏ có thể trở thành hơi nhờ nhận nhiệt từ môi trường hoặc từ ngọn lửa

Trong trường hợp cháy, hơi nhiên liệu phân tán hướng ra phía ngoài phản ứng hóa học hoàn toàn với chất oxy hóa phân tán hướng vào phía trong ở bề mặt ranh giới cháy rf’, tạo thành hơi nước và các sản phẩm khác

Ngoài ra giả thiết hệ số dẫn nhiệt k’, nhiệt dung riêng Cp’ ở pha khí là hằng số

hệ số Lewis Le = k’/ (CP’ρ'D’) cho pha khí xấp xỉ là 1 (giả thiết này thực tế là thỏa mãn)

3.3.2 Mô hình toán học Law

3.3.2.1 Ở pha khí

Hình 3.4: Mô hình các thành phần bay hơi của nhũ tương dầu/nước ở pha khí

Với các giả thuyết phía trên, phương trình khuếch tán không thứ nguyên pha khí cho nồng độ và năng lượng của các thành phần trong nhiên liệu được thể hiện:

o Miền phía bên trong (1 < r <r f )

r = r'/rs'

T = Cp'T'/L W',

Li = Li'/LW',

QF = QF’/LW', Với:

mi': tốc độ hóa hơi của thành phần i

m' = mF'+m W' : tốc độ hóa hơi của nhũ tương

r': Khoảng cách bán kính

rs': bán kính giọt nhiên liệu khi bay hơi

T': nhiệt độ (K)

Yi : thành phần khối lượng chất i

Li' : ẩn nhiệt hóa hơi chất i

QF': Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu

νo : lượng Oxy lý thuyết cần cho quá trình cháy nhiên liệu

νp: lượng khói khô sinh ra khi nhiên liệu cháy hoàn toàn

LH': lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt các hạt nhiên liệu trong mỗi đơn vị khối

lượng chất lỏng bị hóa hơi

Các ký hiệu phía trên: F, O, W, P, s, f lần lượt là nhiên liệu, chất oxi hóa, nước, các dạng sản phẩm trừ nước, bề mặt giọt nhiên liệu, ngọn lửa

Các đại lượng có dấu phẩy trên đầu là đại lượng có thứ nguyên và ngược lại

Tích phân phương trình từ (3.4) đến (3.6) với (1 < r <rf ) và phương trình từ (3.7) đến (3.9) với (rf < r <∞) xác định được các thông số sau: