345 trang 1 lượt tải

Lò Hơi

2

Giáo trình Lò hơi

Tác giả:

Profile

Vinny

2 giờ trước
Tải xuống
Báo cáo
Danh sách Quiz
Tải xuống
/345
3
Ch−¬ng 1 NGUY£N Lý LµM VIÖC CñA Lß H¥I
1.1. Vai trß cña lß h¬i vµ ph©n lo¹i
1.1.1. Vai trß cña lß h¬i trong nÒn kinh tÕ
Lß h¬i lµ thiÕt bÞ trong ®ã xÈy ra qu¸ tr×nh ®èt ch¸y nhiªn liÖu, nhiÖt l−îng táa
ra tõ qu¸ tr×nh ch¸y sÏ truyÒn cho n−íc trong lß ®Ó biÕn n−íc thµnh h¬i. NghÜa lµ thùc
hiÖn qu¸ tr×nh biÕn ®æi ho¸ n¨ng cña nhiªn liÖu thµnh nhiÖt n¨ng cña dßng h¬i.
Lß h¬i lµ thiÕt bÞ cã mÆt gÇn nh− trong tÊt c¶ c¸c xÝ nghiÖp, nhµ m¸y. Trong c¸c
nhµ m¸y c«ng nghiÖp nh− nhµ m¸y hãa chÊt, ®−êng, r−îu, bia, n−íc gi¶i kh¸t, thuèc
l¸, dÖt, chÕ biÕn thùc phÈm . . . , h¬i n−íc phôc vô cho c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ nh−
®un nÊu, ch−ng cÊt c¸c dung dÞch, c« ®Æc vµ sÊy s¶n phÈm . . . H¬i ë ®©y th−êng lµ h¬i
b·o hßa, cã ¸p suÊt h¬i t−¬ng øng víi nhiÖt ®é b·o hßa cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh c«ng
nghÖ. Lo¹i lß h¬i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i c«ng nghiÖp, cã ¸p suÊt h¬i thÊp, s¶n l−îng
nhá. Trong nhµ m¸y ®iÖn, lß h¬i s¶n xuÊt ra h¬i ®Ó lµm quay tuèc bin, phôc vô cho
viÖc s¶n xuÊt ®iÖn n¨ng, ®ßi hái ph¶i cã c«ng suÊt lín, h¬i lµ h¬i qu¸ nhiÖt cã ¸p suÊt
vµ nhiÖt ®é cao. Lo¹i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i ®Ó s¶n xuÊt ®iÖn n¨ng.
Nhiªn liÖu ®èt trong lß h¬i cã thÓ lµ nhiªn liÖu r¾n nh− than, gç, b· mÝa, cã thÓ
lµ nhiªn liÖu láng nh− dÇu nÆng (FO), dÇu diezen (DO) hoÆc nhiªn liÖu khÝ.
1.1.2. Ph©n lo¹i lß h¬i
Ta cã thÓ ph©n lo¹i lß h¬i theo nhiÒu c¸ch:
* Theo nhiÖm vô cña lß h¬i:
Theo nhiÖm vô cña lß h¬i trong s¶n xuÊt ta cã: lß h¬i c«ng nghiÖp vµ lß h¬i s¶n
xuÊt ®iÖn n¨ng.
Lß h¬i c«ng nghiÖp phôc vô cho c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ë c¸c nhµ m¸y s¶n
xuÊt c«ng nghiÖp (th−êng s¶n xuÊt h¬i b·o hoµ, ¸p suÊt h¬i kh«ng v−ît qu¸ 2,0Mpa,
nhiÖt ®é t = 250
0
C). Lß h¬i phôc vô cho s¶n xuÊt ®iÖn s¶n xuÊt h¬i qu¸ nhiÖt, cã c«ng
suÊt lín, ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é h¬i cao, th−êng lín h¬n 2,0Mpa vµ trªn 350
0
C.
+ Theo chÕ ®é ®ãt nhiªn liÖu trong buång löa ta cã: Lß ghi thñ c«ng; lß ghi nöa
c¬ khÝ; lß ghi c¬ khÝ (ghi xich); lß phun nhiªn liÖu láng, lß phun nhiªn liÖu khÝ; lß
phun bét than th¶i xØ kh« hay th¶i xØ láng; lß buång ®èt xo¸y; lß buång löa tÇng s«i.
+ Theo chÕ ®é tuÇn hoµn cña n−íc trong lß ta cã: Lß tuÇn hoµn tù nhiªn; lß tuÇn
hoµn c−ìng bøc; lß trùc l−u.
Tuy nhiªn c¸ch ph©n lo¹i nµy chØ thÓ hiÖn mét vµi ®Æc tÝnh nµo ®ã cña lß h¬i
nªn thùc tÕ khi gäi tªn lß h¬i th−êng ng−êi ta kÕt hîp nhiÒu kiÓu ph©n lo¹i.
4
1.2. Nguyªn lý lµm viÖc cña lß h¬i trong nhµ m¸y ®iÖn
Trong c¸c lß h¬i nhµ m¸y ®iÖn, h¬i ®−îc s¶n xuÊt ra lµ h¬i qu¸ nhiÖt. H¬i qu¸
nhiÖt nhËn ®−îc nhê c¸c qu¸ tr×nh: ®un nãng n−íc ®Õn s«i, s«i ®Ó biÕn n−íc thµnh h¬i
b·o hßa vµ qu¸ nhiÖt h¬i ®Ó biÕn h¬i b·o hßa thµnh h¬i qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cao trong
c¸c bé phËn cña lß. C«ng suÊt nhiÖt cña lß h¬i phô thuéc vµo l−u l−îng, nhiÖt ®é vµ ¸p
suÊt h¬i. C¸c gi¸ trÞ nµy cµng cao th× c«ng suÊt lß h¬i cµng lín.
HiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a ngän löa vµ khãi víi m«i chÊt trong
lß h¬i phô thuéc vµo tÝnh chÊt vËt lý cña s¶n phÈm ch¸y vµ cña m«i chÊt tham gia qu¸
tr×nh (n−íc hoÆc h¬i trong lß) vµ phô thuéc vµo h×nh d¸ng, ®Æc tÝnh cÊu t¹o cña c¸c
phÇn tö lß h¬i.
Trªn h×nh 1.1 tr×nh bµy nguyªn lý cÊu t¹o cña lß h¬i buång löa phun tuÇn hoµn
tù nhiªn hiÖn ®¹i trong nhµ m¸y ®iÖn.
H×nh 1.1. Nguyªn lý cÊu t¹o cña lß h¬i
1- buång ®èt; 2- dµn èng sinh h¬i; 3- vßi phun nhiªn liÖu + kh«ng khÝ;
4- èng n−íc xuèng; 5- bao h¬i; 6- èng dÉn h¬i trªn trÇn;
7- bé qu¸ nhiÖt h¬i; 8- bé qu¸ nhiÖt trung gian h¬i; 9- bé h©m n−íc;
10- kho¶ng trèng ®Ó vÖ sinh vµ s÷a ch÷a; 11- bé sÊy kh«ng khÝ;
Nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ ®−îc phun qua vßi phun sè 3 vµo buång löa sè 1, t¹o
thµnh hçn hîp ch¸y vµ ®−îc ®èt ch¸y trong buång löa, nhiÖt ®é ngän löa cã thÓ ®¹t tíi
5
1.900
0
C. NhiÖt l−îng táa ra khi nhiªn liÖu ch¸y trong buång löa truyÒn cho n−íc
trong c¸c èng cña dµn èng sinh h¬i 2 lµm cho n−íc t¨ng dÇn nhiÖt ®é ®Õn s«i, trong
èng sÏ lµ hçn hîp h¬i n−íc. Hçn hîp h¬i n−íc trong èng sinh h¬i 2 sÏ chuyÓn ®éng ®i
lªn, tËp trung vµo bao h¬i sè 5. Trong bao h¬i sè 5, h¬i b·o hoµ sÏ t¸ch ra khái n−íc,
n−íc tiÕp tôc ®i xuèng theo èng xuèng 4 ®Æt ngoµi t−êng lß. èng xuèng ®−îc nèi víi
èng lªn b»ng èng gãp d−íi, nªn n−íc l¹i sang èng sinh h¬i sè 2 ®Ó tiÕp tôc nhËn nhiÖt.
H¬i b·o hßa tõ bao h¬i sè 5 sÏ ®i theo c¸c çng dÉn h¬i 6 vµo c¸c èng xo¾n cña bé qu¸
nhiÖt sè 7. ë bé qu¸ nhiÖt h¬i b·o hßa chuyÓn ®éng trong c¸c èng xo¾n sÏ nhËn nhiÖt
tõ khãi nãng chuyÓn ®éng phÝa ngoµi èng ®Ó biÕn thµnh h¬i qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cao
h¬n vµ ®i vµo èng gãp ®Ó sang tua bin h¬i. ë s¬ ®å cã qu¸ nhiÖt trung gian, h¬i tõ tuèc
bin vÒ bé qu¸ nhiÖt trung gian 8 ®Ó qu¸ nhiÖt l¹i råi l¹i quay trë l¹i tuèc bin;
ë ®©y, èng sinh h¬i sè 2 ®Æt phÝa trong t−êng lß nªn m«i chÊt trong èng nhËn
nhiÖt vµ sinh h¬i liªn tôc do ®ã trong èng èng sinh h¬i 2 lµ hçn hîp h¬i vµ n−íc, cßn
èng xuèng 4 ®Æt ngoµi t−êng lß nªn m«i chÊt trong èng 4 kh«ng nhËn nhiÖt do ®ã
trong èng 4 lµ n−íc. Khèi l−îng riªng cña hçn hîp h¬i vµ n−íc trong èng 2 nhá h¬n
khèi l−îng riªng cña n−íc trong èng xuèng 4 nªn hçn hîp trong èng 2 ®i lªn, cßn
n−íc trong èng 4 ®i xuèng liªn tôc t¹o nªn qu¸ tr×nh tuÇn hoµn tù nhiªn, bëi vËy lß h¬i
lo¹i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i tuÇn hoµn tù nhiªn.
Buång löa tr×nh bµy trªn h×nh 1.1 lµ buång löa phun, nhiªn liÖu ®−îc phun vµo
vµ ch¸y l¬ löng trong buång löa. Qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu xÈy ra trong buång løa vµ
®¹t ®Õn nhiÖt ®é rÊt cao, tõ 1300
0
C ®Õn 1900
0
C, chÝnh v× vËy hiÖu qu¶ trao ®æi nhiÖt
bøc x¹ gi÷a ngän löa vµ dµn èng sinh h¬i rÊt cao vµ l−îng nhiÖt dµn èng sinh h¬i thu
®−îc tõ ngän löa chñ yÕu lµ do trao ®æi nhiÖt bøc x¹. §Ó hÊp thu cã hiÖu qu¶ nhiÖt
l−îng bøc x¹ cña ngän löa ®ång thêi b¶o vÖ t−êng lß khái t¸c dông cña nhiÖt ®é cao
vµ nh÷ng ¶nh h−ëng xÊu cña tro nãng ch¶y, ng−êi ta bè trÝ c¸c dµn èng sinh h¬i 2
xung quanh t−êng buång löa.
Khãi ra khái buång löa, tr−íc khi vµo bé qu¸ nhiÖt ®· ®i qua côm phecston, thùc
chÊt côm feston chÝnh lµ d·y èng t−êng sau (®o¹n ®i qua cöa ra cña buång löa) ®−îc
chia thµnh nhiÒu d·y (tõ 3 ®Õn 5 d·y) ®Ó khãi ®i qua dÔ dµng vµ gi¶m bët hiÖn t−îng
mµi mßn mÆt ngoµi èng. ë ®©y khãi chuyÓn ®éng ngoµi èng truyÒn nhiÖt cho hçn hîp
h¬i n−íc chuyÓn ®éng trong èng. Khãi ra khái bé qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cßn cao, ®Ó
tËn dông phÇn nhiÖt thõa cña khãi khi ra khái bé qu¸ nhiÖt, ë phÇn sau nã ng−êi ta ®Æt
thªm bé h©m n−íc 9 vµ bé sÊy kh«ng khÝ 11.
Bé h©m n−íc cã nhiÖm vô gia nhiÖt cho n−íc ®Ó n©ng nhiÖt ®é cña n−íc tõ nhiÖt
®é ra khái b×nh gia nhiÖt lªn ®Õn nhiÖt ®é s«i vµ cÊp vµo bao h¬i 5. §©y lµ giai ®o¹n
®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt cho n−íc ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh hãa h¬i ®¼ng ¸p n−íc
trong lß. Sù cã mÆt cña bé h©m n−íc sÏ lµm gi¶m tæng diÖn tÝch bÒ mÆt ®èt cña lß h¬i
vµ sö dông triÖt ®Ó h¬n nhiÖt l−îng táa ra khi ch¸y nhiªn liÖu, lµm cho nhiÖt ®é khãi
tho¸t khái lß gi¶m xuèng, lµm t¨ng hiÖu suÊt cña lß.
Kh«ng khÝ l¹nh tõ ngoµi trêi ®−îc qu¹t giã hót vµo vµ thæi qua bé sÊy kh«ng khÝ
11. ë bé sÊy, kh«ng khÝ nhËn nhiÖt cña khãi, nhiÖt ®é ®−îc n©ng tõ nhiÖt ®é m«i
tr−êng ®Õn nhiÖt ®é yªu cÇu vµ ®−îc ®−a vµo vßi phun sè 1 ®Ó cung cÊp cho qu¸ tr×nh
®èt ch¸y nhiªn liÖu. Khãi sÏ ®−îc qu¹t khãi hót ra khái lß tr−íc khi ®i qua khö bôi ®Ó
6
th¶i ra ngoµi qua èng khãi.
Nh− vËy bé h©m n−íc vµ bé sÊy kh«ng khÝ ®· hoµn tr¶ l¹i buång löa mét phÇn
nhiÖt ®¸ng lÏ bÞ th¶i ra ngoµi. ChÝnh v× vËy ng−êi ta cßn gäi bé h©m n−íc vµ bé sÊy
kh«ng khÝ lµ bé tiÕt kiÖm nhiÖt.
Nh− vËy, tõ khi vµo bé h©m n−íc ®Õn khi ra khái bé qu¸ nhiÖt cña lß h¬i, m«i
chÊt (n−íc vµ h¬i) tr¶i qua c¸c giai ®o¹n hÊp thô nhiÖt trong c¸c bé phËn sau: NhËn
nhiÖt trong bé h©m n−íc ®Õn s«i, s«i trong dµn èng sinh h¬i, qu¸ nhiÖt trong bé qu¸
nhiÖt.
NhiÖt l−îng m«i chÊt hÊp thu ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh:
Q
mc
= [i''
hn
- i'
hn
]+ [i
s
- i''
hn
+ rx] + [r(1-x) + (i''
qn
- i'
qn
)], (1-1a)
Trong ®ã:
Q
mc
lµ nhiÖt l−îng 1kg m«i chÊt nhËn ®−îc trong lß h¬i, kj/kg;
i'
hn
, i''
hn
: Entanpi cña n−íc vµo vµ ra khái bé h©m n−íc, kj/kg;
i
s
, : Entanpi cña n−íc s«i trong bao h¬i, kj/kg;
r : NhiÖt Èn hãa h¬i cña n−íc, kj/kg;
x : ®é kh« cña h¬i ra khái bao h¬i,
i'
qn
, i''
qn
: Entanpi h¬i vµo vµ ra khái bé qu¸ nhiÖt, kj/kg;
[i''
hn
- i'
hn
] nhiÖt l−îng n−íc nhËn ®−îc trong bé h©m n−íc, kj/kg;
[i
s
- i''
hn
+ rx] nhiÖt l−îng n−íc vµ h¬i nhËn ®−îc trong dµn èng sinh h¬i, kj/kg;
[r(1-x) + (i''
qn
- i'
qn
)] nhiÖt l−îng h¬i nhËn ®−îc trong bé qu¸ nhiÖt, kj/kg;
TØ lÖ nhiÖt l−îng hÊp thu ®−îc trong bé h©m n−¬c, dµn èng sinh h¬i, bé qu¸
nhiÖt phô thuéc vµo th«ng sè h¬i cña lß. ¸p suÊt cña h¬i cµng lín th× l−îng nhiÖt ®Ó
bèc h¬i cµng nhá vµ l−îng nhiÖt ®Ó ®un n−íc ®Õn s«i cµng lín. Tõ ¸p suÊt t¬i h¹n trë
lªn (22,3Mpa) th× l−îng nhiÖt ®Ó bèc h¬i b»ng kh«ng (r = 0), l−îng nhiÖt m«i chÊt hÊp
thu ®−îc trong lß h¬i chØ ®Ó ®un n−íc ®Õn s«i vµ qu¸ nhiÖt h¬i. ChÝnh v× thÕ nªn lß cã
¸p suÊt trªn tíi h¹n chØ ¸p dông cho kiÓu lß trùc l−u (lß bao h¬i n−íc lu«n ë tr¹ng th¸i
s«i).
BiÕn ®æi (1-1) ta ®−îc:
Q
mc
= [i
s
+ r] + (i''
qn
- i'
qn
)] - i'
hn
(1-1b)
V× (i
s
+ r) lµ entanpi cña h¬i kh« ra khái bao h¬i còng chÝnh lµ entanpi i'
qn
cña
h¬i vµo bé qu¸ nhiÖt, do ®ã tõ (1-1b) ta cã nhiÖt l−îng cÇn thiÕt ®Ó sinh h¬i 1kg n−íc
lµ:
Q
mc
= i''
qn
- i'
hn
(1-1c)
7
1.3. C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña Lß h¬i
§Ó x¸c ®Þnh mét lß h¬i, ng−êi ta th−êng dïng c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt chÝnh cña lß
nh− sau:
1- Th«ng sè h¬i cña lß:
§èi víi lß h¬i cña nhµ m¸y ®iÖn, h¬i s¶n xuÊt ra lµ qu¸ nhiÖt nªn th«ng h¬i cña
lß ®−îc biÓu thÞ b»ng ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt: P
qn
(Mpa), t
qn
(
0
C). ¸p suÊt vµ
nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt ®−îc chän trªn c¬ së so s¸nh kinh tÕ kü thuËt cña chu tr×nh
nhiÖt.
§èi víi lß h¬i c«ng nghiÖp trong c¸c nhµ m¸y c«ng nghiÖp, h¬i n−íc ë ®©y
th−êng lµ h¬i b·o hßa, ¸p suÊt h¬i t−¬ng øng víi nhiÖt ®é b·o hßa cÇn thiÕt cho qu¸
tr×nh c«ng nghÖ, do ®ã th«ng sè cña lo¹i lß h¬i nµy lµ ¸p suÊt P (Mpa).
2- S¶n l−îng h¬i cña lß:
S¶n l−îng h¬i cña lß lµ l−îng h¬i mµ lß s¶n xuÊt ra ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi
gian (kg/h hoÆc t/h hoÆc kg/s). Th−êng dïng 3 kh¸i niÖm s¶n l−îng.
- S¶n l−îng h¬i ®Þnh møc (D
®m
): lµ s¶n l−îng h¬i lín nhÊt lß cã thÓ ®¹t ®−îc,
®¶m b¶o vËn hµnh trong thêi gian l©u dµi, æn ®Þnh víi c¸c th«ng sè h¬i ®· cho mµ
kh«ng ph¸ hñy hoÆc g©y ¶nh h−ëng xÊu ®Õn chÕ ®é lµm viÖc cña lß.
- S¶n l−îng h¬i cùc ®¹i (D
max
): lµ s¶n l−îng h¬i lín nhÊt mµ lß cã thÓ ®¹t ®−îc,
nh−ng chØ trong mét thêi gian ng¾n, nghÜa lµ lß kh«ng thÓ lµm viÖc l©u dµi víi s¶n
l−îng h¬i cùc ®¹i ®−îc. S¶n l−îng h¬i cùc ®¹i b»ng:
D
max
= (1,1 - 1,2) D
®m
(1-2)
- S¶n l−îng h¬i kinh tÕ lµ s¶n l−îng h¬i mµ ë ®ã lß lµm viÖc víi hiÖu qu¶ kinh tÕ
cao nhÊt. S¶n l−îng h¬i kinh tÕ b»ng:
D
kt
= (0,8 - 0,9) D
®m
(1-3)
3- HiÖu suÊt cña lß:
HiÖu suÊt cña lß lµ tØ sè gi÷a l−îng nhiÖt mµ m«i chÊt hÊp thô ®−îc (hay cßn
gäi lµ l−îng nhiÖt cã Ých) víi l−îng nhiÖt cung cÊp vµo cho lß (sinh ra trong buång
löa). HiÖu suÊt cña lß ký hiÖu b»ng η, ®−îc x¸c ®Þnh:
lv
t
'
hnqn
BQ
)ii(D −
=η
(1-4)
Trong ®ã: D lµ s¶n l−îng h¬i, (kg/h);
i
qn
lµ entanpi cña h¬i qu¸ nhiÖt, (Kj/kg);
i’hn lµ entanpi cña n−íc ®i vµo bé h©m nø¬c, (Kj/kg);
B lµ l−îng nhiªn liÖu tiªu hao trong mét giê, (kg/h);
Q
t
lv
: NhiÖt trÞ thÊp lµm viÖc cña nhiªn liÖu, (Kj/kg).
4- NhiÖt thÕ thÓ tÝch cña buång löa:
NhiÖt thÕ thÓ tÝch cña buång löa lµ l−îng nhiÖt sinh ra trong mét ®¬n vÞ thêi
8
gian trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña buång löa.
bl
lv
t
v
V
BQ
q = , (W/m
3
) (1-5)
Trong ®ã:
V
bl
: ThÓ tÝch buång löa, (m
3
); B, (kg/s),
§èi víi c¸c lß h¬i nhá, ng−êi ta cßn chó ý ®Õn c¸c ®Æc tÝnh sau ®©y
5- NhiÖt thÕ diÖn tÝch trªn ghi:
NhiÖt thÕ diÖn tÝch trªn ghi lµ nhiÖt l−îng sinh ra trong mét ®¬n vÞ thêi gian
trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt cña ghi:
R
BQ
q
lv
t
r
= , (W/m
2
) (1-6)
R: diÖn tÝch mÆt ghi, (m
2
).
6- N¨ng suÊt bèc h¬i cña bÒ mÆt sinh h¬i:
N¨ng suÊt bèc h¬i cña bÒ mÆt sinh h¬i lµ kh¶ n¨ng bèc h¬i cña mét ®¬n vÞ diÖn
tÝch bÒ mÆt ®èt (bÒ mÆt sinh h¬i) trong mét ®¬n vÞ thêi gian, ký hiÖu lµ S, th−êng dïng
cho c¸c lß h¬i c«ng nghiÖp c«ng suÊt nhá.
H
D
S =
, (kg/m
2
h) (1-7)
D: S¶n l−îng h¬i cña lß, (kg/h);
H: diÖn tÝch bÒ mÆt sinh h¬i (bÒ mÆt ®èt), (m
2
).
10
Ch−¬ng 2
Nhiªn liÖu vµ qu¸ tr×nh ch¸y
2.1. Nhiªn liÖu
2.1.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiªn liÖu
Nhiªn liÖu lµ nh÷ng vËt chÊt khi ch¸y ph¸t ra ¸nh s¸ng vµ nhiÖt n¨ng. Trong
c«ng nghiÖp th× nhiªn liÖu ph¶i ®¹t c¸c yªu cÇu: Cã s½n trong tù nhiªn víi tr÷ l−îng
lín, dÔ khai th¸c, gi¸ thµnh rÎ, khi ch¸y kh«ng sinh ra c¸c chÊt g©y nguy hiÓm.
Nhiªn liÖu cã thÓ ph©n thµnh hai nhãm chÝnh: nhiªn liÖu v« c¬ vµ nhiªn liÖu
h÷u c¬.
2.1.1.1. Nhiªn liÖu h÷u c¬:
Nhiªn liÖu h÷u c¬ lµ nhiªn liÖu cã s½n trong thiªn nhiªn do qu¸ tr×nh ph©n hñy
h÷u c¬ t¹o thµnh. Nhiªn liÖu h÷u c¬ th−êng dïng trong lß h¬i c«ng nghiÖp vµ n¨ng
l−îng cã 3 lo¹i:
+ KhÝ thiªn nhiªn.
+ Nhiªn liÖu láng: dÇu nhÑ (Diezen DO), dÇu nÆng (dÇu ®en FO).
+ Nhiªn liÖu r¾n: theo tuæi h×nh thµnh nhiªn liÖu ta cã gç, than bïn, than n©u,
than mì, than ®¸, nöa antraxit vµ antraxit (c¸m).
2.1.1.2. Nhiªn liÖu v« c¬:
Nhiªn liÖu v« c¬ lµ nhiªn liÖu h¹t nh©n, ®−îc dïng trong c¸c lß h¬i cña nhµ
m¸y ®iÖn nguyªn tö. Nã sinh nhiÖt do ph¶n øng ph©n hñy h¹t nh©n cña mét sè ®ång vÞ
c¸c nguyªn tè nÆng nh−: ®ång vÞ cña uran U
235
; ®ång vÞ cña uran U
238
t¹o ra pr«tn
P
238
. Kh¶ n¨ng to¶ nhiÖt cña nhiªn liÖu h¹t nh©n rÊt l¬n, cã thÓ ®¹t 8.10
10
kj/kg.
Trong gi¸o tr×nh nµy chóng ta chØ nghiªn cøu nhiªn liÖu h÷u c¬.
2.1.2. Thµnh phÇn nhiªn liÖu
Nhiªn liÖu bao gåm nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng bÞ oxy hãa gäi lµ chÊt ch¸y vµ
nh÷ng chÊt kh«ng thÓ bÞ oxy hãa gäi lµ chÊt tr¬.
Nhiªn liÖu th−êng ®−îc ph©n tÝch theo thµnh phÇn c¸c chÊt t¹o nªn chóng.
Thµnh phÇn cña mét chÊt nµo ®ã trong nhiªn liÖu lµ tû sè gi÷a khèi l−îng hoÆc thÓ
tÝch cña chÊt ®ã víi tæng khèi l−îng hoÆc thÓ tÝch nhiªn liÖu ta ®ang kh¶o s¸t.
Thµnh phÇn cña tÊt c¶ c¸c lo¹i nhiªn liÖu bao gåm: Cacbon (C), Hy®ro (H
2
),
L−u huúnh (S), Hy®r«carbua (C
m
H
n
), Nit¬ (N
2
), Oxy (O
2
), §é tro (A), §é Èm (W).
Tuú thuéc lo¹i nhiªn liÖu vµ tuæi h×nh thµnh mµ tû lÖ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn
liÖu sÏ kh¸c nhau.
11
2.1.2.1. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu khÝ:
Nhiªn liÖu khÝ lµ hçn hîp cña c¸c khÝ ch¸y vµ kh«ng ch¸y. Thµnh phÇn chñ
yÕu cña nhiªn liÖu khÝ bao gåm: hydro H
2
, metan CH
4
, hydrocacbua C
n
H
m
, sunphua
hydro H
2
S, oxyt cabon CO, l−u huúnh S, . . . . . Nhiªn liÖu khÝ cã nhiÒu −u ®iÓm mh−:
dÔ v©n chuyÓn, dÔ ®èt, dÔ ®iÒu chØnh qu¸ tr×nh ch¸y, gÇn nh− kh«ng cã tro nªn s¹ch,
kh«ng mµi mßn, kh«ng b¸m bÈn. v . v . v .
KhÝ hay hçn hîp khÝ cã thÓ sö dông ®Ó ®èt víi møc ®é lín trong c«ng nghiÖp
®−îc gäi lµ khÝ ®èt (kh«ng kÓ c¸c khÝ ®Ó sinh nhiÖt cho nh÷ng môc ®Ých ®Æc biÖt nh−
®Ó hµn axetylenhydro,....). Tuú theo hµm l−îng t−¬ng ®èi cña c¸c thµnh phÇn khÝ mµ
c¸c khÝ cã nhiÖt trÞ vµ nh÷ng tÝnh chÊt kh¸c nhau.
Hy®rocacbon lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña khÝ dÇu, cã c«ng thøc tæng qu¸t lµ
C
n
H
2n+2
, víi n lµ sè nguyªn tö cã trong m¹ch. C¸c hydrocacbua nµy lµ lo¹i
hydrocacbon no vµ tªn gäi tËn cïng b»ng -an: mªtan CH
4
, ªtan C
2
H
6
, Propan C
3
H
8
,
butan C
4
H
10
, hexan C
6
H
14
, heptan C
7
H
16
,.. c¸c hydrocacbua parafin ë thÓ khÝ.
* C¸ch biÓu thÞ thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ:
Thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ ®−îc x¸c ®Þnh theo phÇn tr¨m thÓ tÝch cña tõng chÊt
khÝ thµnh phÇn, ë ®©y cã mÆt tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn liÖu:
[CO] + [H
2
] + [C
m
H
n
] + [CO
2
] + [N
2
] + [O
2
] = 100% (2-1)
CÇn chó ý r»ng hµm l−îng h¬i n−íc trong khÝ ®èt kh«ng ®−îc ®−a ra d−íi
d¹ng thµnh phÇn thÓ tÝch mµ ®−îc biÓu thÞ qua ®é Èm t−¬ng ®èi nh− ®èi víi kh«ng khÝ
Èm,
max.
/
hh
pp=
ϕ
2.1.2.2. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu láng
Thµnh phÇn chñ yÕu cña dÇu lµ: Cacbon(C = 82-87%), Hy®ro (H
2
= 11-14%).
Ngoµi ra cßn cã c¸c nguyªn tè kh¸c nh−: S = 1÷4% ; N
2
= 0,001-1,8%; 0
2
=
0,05-1,0%; vµ mét l−îng rÊt nhá tÝnh b»ng ppm c¸c nguyªn tè nh− halogen (clo, Iod),
c¸c kim lo¹i (vanadi, Niken, Volfram, . . .).
* §Æc ®iÓm dÇu th« ViÖt Nam (®¹i diÖn lµ má B¹ch hæ, má ®¹i Hïng):
DÇu th« ViÖt Nam thuéc lo¹i nhÑ võa ph¶i, cã tû träng kho¶ng 0,83 ÷ 0,85,
trong ®ã: dÇu ë má B¹ch hæ lµ 0,8319 (36,6
0
API); ë má §¹i hïng lµ 0,8403 (36,9
0
API), trong khi ®ã DÇu th« Angieri d = 0,830; Venªzuªla d = 0,948)
DÇu th« ViÖt nam lµ lo¹i dÇu s¹ch, chøa Ýt c¸c chÊt ®éc tè, rÊt Ýt l−u huúnh,
nit¬ vµ kim lo¹i nÆng.
2.1.2.3. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu r¾n
Trong nhiªn liÖu r¾n cã: Cacbon(C), Hy®ro (H), ¤xi (O), Nit¬ (N), L−u huúnh
(S), ®é tro (A) vµ ®é Èm (W). C¸c nguyªn tè hãa häc trong nhiªn liÖu ®Òu ë d¹ng liªn
kÕt c¸c ph©n tö h÷u c¬ rÊt phøc t¹p nªn khã ch¸y.
* Cacbon: C¸c bon lµ thµnh phÇn ch¸y chñ yÕu trong nhiªn liÖu r¾n, cã thÓ
chiÕm tíi 95% khèi l−îng nhiªn liÖu. Khi ch¸y 1kg c¸c bon táa ra mét nhiÖt l−îng
kh¸ lín, kho¶ng 34150 KJ/Kg, gäi lµ nhiÖt trÞ cña c¸c bon, do vËy nhiªn liÖu cµng
nhiÒu c¸c bon th× nhiÖt trÞ cµng cao. Tuæi h×nh thµnh than cµng cao th× l−îng c¸c bon
12
chøa ë than cµng nhiÒu nghÜa lµ nhiÖt trÞ cµng cao.
* Hy®ro: Hy®ro lµ thµnh phÇn ch¸y quan träng cña nhiªn liÖu r¾n. Tuy l−îng
hy®ro trong nhiªn liÖu rÊt it, tèi ®a chØ ®Õn 10% khèi l−îng nhiªn liÖu, nh−ng nhiÖt trÞ
cña Hy®r« rÊt lín. Khi ch¸y, 1kg Hy®ro táa ra mét nhiÖt l−îng kho¶ng 144.500
KJ/Kg .
* L−u huúnh: Tuy lµ mét thµnh phÇn ch¸y, nh−ng l−u huúnh lµ mét chÊt cã h¹i
trong nhiªn liÖu v× khi ch¸y t¹o thµnh SO
2
th¶i ra m«i tr−êng rÊt ®éc vµ SO
3
g©y ¨n
mßn kim lo¹i rÊt m¹nh, ®Æc biÖt SO
2
t¸c dông víi n−íc t¹o thµnh axÝt H
2
SO
4
. §ång
thêi sù cã mÆt cña c¸c chÊt nµy sÏ lµm t¨ng ®¸ng kÓ nhiÖt ®é ®äng s−¬ng cña khãi. VÝ
dô khi ®èt dÇu víi hÖ sè kh«ng khÝ thõa 1,25, nÕu kh«ng cã l−u huúnh th× nhiÖt ®é
®äng s−¬ng kho¶ng 50
0
C, nÕu cã 1% l−u huúnh th× nhiÖt ®é ®äng s−¬ng t¨ng lªn ®Õn
kho¶ng 130
0
C sÏ lµm t¨ng nguy c¬ ¨n mßn ë nhiÖt ®é thÊp bé sÊy kh«ng khÝ. Muèn
tr¸nh nã th× buéc ph¶i t¨ng nhiÖt ®é khãi tho¸t, lµm t¨ng tæn thÊt nhiÖt do khãi th¶i vµ
lµm gi¶m hiÖu suÊt lß. Tû lÖ l−u huúnh trong nhiªn liÖu r¾n kho¶ng 7-8%, trong nhiªn
liÖu láng kho¶ng 1-3%, trong nhiªn liÖu khÝ gÇn nh− kh«ng cã l−u huúnh.
L−u huúnh tån t¹i d−íi 3 d¹ng: liªn kÕt h÷u c¬ S
hc
, kho¸ng chÊt S
k
vµ liªn kÕt
Sunfat S
SP
.
S = S
hc
+ S
k
+ S
sp
L−u huúnh h÷u c¬ vµ kho¸ng chÊt cã thÓ tham gia qu¸ tr×nh ch¸y gäi lµ l−u
huúnh ch¸y, cßn l−u huúnh Sunfat th−êng n»m d−íi d¹ng CaSO
4
, MgSO
4
...kh«ng
tham gia qu¸ tr×nh ch¸y mµ t¹o thµnh tro cña nhiªn liÖu.
* Nit¬: Nit¬ lµ thµnh phÇn v« Ých trong nhiªn liÖu v× sù cã mÆt cña nã trong
nhiªn liÖu sÏ lµm gi¶m c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu, do ®ã lµm gi¶m nhiÖt
trÞ chung cña nhiªn liÖu. Ë nhiÖt ®é thÊp h¬n 1000
0
C th× nit¬ kh«ng tham gia ph¶n øng
mµ gi¶i phãng ra ë d¹ng tù do, khi nhiÖt ®é trªn 1000
0
C th× nit¬ ch¸y ®−îc t¹o thµnh
oxynit¬ NO
x
g©y nguy h¹i cho m«i tr−êng. Trong nhiªn liÖu nit¬ chiÕm kho¶ng 0,5
®Õn 2,5%.
* ¤xi: Tuy lµ thµnh phÇn ch¸y, nh−ng cã rÊt nhiÒu trong kh«ng khÝ, nªn sù cã
mÆt cña nã trong nhiªn liÖu sÏ lµm gi¶m c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu, do
®ã lµm gi¶m nhiÖt trÞ chung cña nhiªn liÖu, do ®ã sù cã nÆt cña oxy trong nhiªn liÖu lµ
kh«ng cÇn thiÕt. Nhiªn liÖu cµng non th× l−îng oxy cµng nhiÒu.
* C¸ch biÓu thÞ thµnh phÇn nhiªn liÖu r¾n hoÆc láng:
Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng ph©n tÝch nhiªn liÖu theo thµnh phÇn khèi l−îng
ë c¸c d¹ng mÉu kh¸c nhau nh−: mÉu lµm viÖc, mÉu kh«, mÉu ch¸y, dùa vµo ®ã cã thÓ
®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña c¸c qu¸ tr×nh khai th¸c, vËn chuyÓn vµ b¶o qu¶n ®Õn thµnh
phÇn nhiªn liÖu.
B¶ng 2.3. B¶ng tÝnh ®æi c¸c mÉu nhiªn liÖu
MÉu cÇn t×m Méu
®· biÕt
Lµm viÖc Kh« Ch¸y H÷u c¬
Lµm
viÖc
1
lv
100
100 W−
lv lv
100
100 A W−−
lv lv lv
k
100
100 S A W−− −
13
Kh«
lv
100 W
100
−
1
k
100
100 A−
kk
k
100
100 (S A )−+
Ch¸y
lv lv
100 A W
100
−−
k
100 A
100
−
1
c
k
100
100 S−
H÷u c¬
lv lv l
v
k
100 A W S
100
−− −
kk
k
100 A S
100
−
−
c
k
100 S
100
−
1
§èi víi nhiªn liÖu r¾n hoÆc láng, thµnh phÇn nhiªn liÖu ®−îc x¸c ®Þnh theo
phÇn tr¨m khèi l−îng, cã thÓ biÓu thÞ theo c¸c lo¹i mÉu nhiªn liÖu sau:
MÉu lµm viÖc:
lµ mÉu ë tr¹ng th¸i thùc tÕ, lÊy t¹i b·i chøa nhiªn liÖu tr−íc khi
cÊp vµo lß, ë mÉu nµy cã mÆt tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn liÖu:
C
lv
+ H
lv
+ S
c
lv
+ N
lv
+ O
lv
+ A
lv
+ W
lv
= 100% (2-2)
MÉu kh«: SÊy mÉu lµm viÖc ë nhiÖt ®é 105
0
C, thµnh phÇn Èm sÏ t¸ch khái
nhiªn liÖu (W= 0), khi ®ã ta cã mÉu nhiªn liÖu kh«:
C
k
+ H
k
+ S
c
k
+ N
k
+ O
k
+ A
k
= 100% (2-3)
MÉu ch¸y: lµ mÉu trong ®ã chØ cã mÆt c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn
liÖu:
C
ch
+ H
ch
+ S
c
+ N
ch
+ O
ch
= 100% (2-4)
MÉu h÷u c¬: lµ mÉu trong ®ã chØ cã mÆt c¸c thµnh phÇn h÷u c¬ cña nhiªn liÖu:
C
ch
+ H
ch
+ S
c
ch
+ N
ch
+ O
ch
= 100% (2-5)
Cã thÓ tÝnh ®æi tõ mÉu nhiªn liÖu nµy sang mÉu kh¸c theo c¸c c«ng thøc tõ (2-
3) ®Õn (2-5), ®−îc biÓu thÞ trªn b¶ng 2.3.
vÝ dô: C
k
= C
lv
.
lv
100
100 W−
= C
ch
.
k
100 A
100
−
= C
hc
.
kk
k
100 A S
100
−
−
2.1.3. §Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu
ViÖc lùa chän ph−¬ng ph¸p ®èt vµ sö dông nhiÖt l−îng gi¶i phãng tõ qu¸ tr×nh
ch¸y nhiªn liÖu phô thuéc nhiÒu vµo c¸c ®Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu. Trong
c«ng nghiÖp, ng−êi ta coi c¸c ®Æc tÝnh sau ®©y lµ ®Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu:
®é Èm, chÊt bèc, cèc, tro vµ nhiÖt trÞ.
2.1.3.1. §é Èm:
§é Èm ký hiÖu lµ W, lµ l−îng n−íc chøa trong nhiªn liÖu, v× l−îng n−íc nµy
nªn nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu gi¶m xuèng. MÆt kh¸c khi nhiªn liÖu ch¸y cÇn cung cÊp
mét nhiÖt l−îng ®Ó bèc Èm thµnh h¬i n−íc.
§é Èm cña nhiªn liÖu ®−îc chia ra 2 lo¹i: §é Èm trong vµ ®é Èm ngoµi.
14
§é Èm trong cã s½n trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh nhiªn liÖu, th−êng ë d¹ng tinh
thÓ ngËm n−íc vµ chØ t¸ch ra khái nhiªn liÖu khi nung nhiªn liÖu ë nhiÖt ®é kho¶ng
800
0
C
§é Èm ngoµi xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh khai th¸c, vËn chuyÓn vµ b¶o qu¶n
nhiªn liÖu. §é Èm ngoµi t¸ch ra khái nhiªn liÖu khi sÊy ë nhiÖt ®é kho¶ng 105
0
C
2.1.3.2. ChÊt bèc vµ cèc:
Khi ®èt nãng nhiªn liÖu trong ®iÒu kiÖn kh«ng cã «xi ë nhiÖt ®é tõ 300
0
C trë
lªn th× cã chÊt khÝ tho¸t ra do sù ph©n hñy nhiÖt c¸c liªn kÕt h÷u c¬ cña nhiªn liÖu.
Nã lµ thµnh phÇn ch¸y ë thÓ khÝ gåm: hy®r«, cacbuahy®r«, cacbon, oxitcacbon, oxi vµ
nit¬ . . . . ®−îc gäi lµ chÊt bèc, ký hiÖu lµ V
c
. Nhiªn liÖu cµng giµ th× l−îng chÊt bèc
cµng Ýt, nh−ng nhiÖt trÞ cña chÊt bèc cµng cao, l−îng chÊt bèc cña nhiªn liÖu thay ®æi
trong ph¹m vi: than Anfratxit 2-8%, than ®¸ 10-45%, than bïn 70%, gç 80%. Nhiªn
liÖu cµng nhiÒu chÊt bèc cµng dÔ ch¸y.
Sau khi chÊt bèc bèc ra, phÇn r¾n cßn l¹i cña nhiªn liÖu cã thÓ tham gia qu¸
tr×nh ch¸y gäi lµ cèc. Nhiªn liÖu cµng nhiÒu chÊt bèc th× cèc cµng xèp, nhiªn liÖu
cµng cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao. Khi ®èt nhiªn liÖu Ýt chÊt bèc nh− than antraxit, cÇn
thiÕt ph¶i duy tr× nhiÖt ®é ë vïng bèc ch¸y cao, ®ång thêi ph¶i t¨ng chiÒu dµi buång
löa ®Ó ®¶m b¶o cho cèc ch¸y hÕt tr−íc khi ra khái buång löa.
2.1.3.3. §é tro:
§é tro ký hiÖu lµ A, tro cña nhiªn liÖu lµ phÇn r¾n ë d¹ng chÊt kho¸ng cßn l¹i
sau khi nhiªn liÖu ch¸y. Thµnh phÇn cña nã gåm mét sè hçn hîp kho¸ng nh− ®Êt sÐt,
c¸t, pyrit s¾t, oxit s¾t, . . . Sù cã mÆt cña nã lµm gi¶m thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn
liÖu, do ®ã gi¶m nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu. Trong qóa tr×nh ch¸y, d−íi t¸c dông cña nhiÖt
®é cao mét phÇn bÞ biÕn ®æi cÊu tróc, mét phÇn bÞ ph©n hñy nhiÖt, bÞ oxy hãa nh−ng
chñ yÕu biÕn thµnh tro.
§é tro cña mét sè lo¹i nhiªn liÖu trong kho¶ng: Than 15-30%, gç 0,5 ®Õn
1,0%, mazut 0,2 ®Õn 0,3%, khÝ 0%, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®èt nhiªn liÖu ë nhiÖt ®é
850
0
C víi nhiªn liÖu r¾n, ë 500
0
C víi nhiªn liÖu láng cho ®Õn khi khèi l−îng cßn l¹i
hoµn toµn kh«ng thay ®æi.
T¸c h¹i cña tro: sù cã mÆt cña tro trong nhiªn liÖu lµm gi¶m nhiÖt trÞ cña
nhiªn liÖu, c¶n trë qu¸ tr×nh ch¸y. Khi bay theo khãi qua c¸c bÒ mÆt ®èt, tro sÏ mµi
mßn c¸c bÒ mÆt ®èt cña lß h¬i. Mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh quan träng cña tro ¶nh
h−ëng ®Õn ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña lß lµ nhiÖt ®é nãng ch¶y cña tro.
ë nhiÖt ®é nµy tro
sÏ ch¶y láng nªn rÊt dÔ b¸m lªn v¸ch èng, ng¨n c¶n sù trao ®æi nhiÖt gi÷a khãi víi
m«i chÊt trong èng vµ lµm t¨ng nhiÖt ®é v¸ch èng g©y nguy hiÓm cho èng. NhiÖt ®é
nãng ch¶y cña tro trong kho¶ng tõ 1200
0
C ®Õn 1425
0
C. Tro cã nhiÖt ®é ch¶y cµng
thÊp th× cµng cã nhiÒu kh¶ n¨ng t¹o xØ b¸m lªn c¸c bÒ mÆt èng cña lß.
15
H×nh 2.1. ®Æc tÝnh ch¶y cña tro.
1. b¾t ®Çu biÕn d¹ng; 2. b¾t ®Çu mÒm;
3. b¾t ®Çu ch¶y.
NhiÖt ®é nãng ch¶y cña tro ®−îc
x¸c ®Þnh trong phßng thÝ nghiÖm b»ng
c¸ch nung mÉu tro ®−îc Ðp thµnh h×nh
th¸p cao 20mm, cã ®¸y vu«ng mçi
c¹nh ®¸y b»ng 7mm. NhiÖt ®é mµ th¸p
b¾t ®Çu biÕn d¹ng gäi lµ nhiÖt ®é b¾t
®Çu biÕn d¹ng t
1
. Khi th¸p tro b¾t ®Çu
mÒm gäi lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu mÒm t
1
.
Khi th¸p tro b¾t ®Çu ch¶y biÕn thµnh
láng gäi lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu ch¶y t
3
.
Khi nhiÖt ®é b¾t ®Çu ch¶y t
3
< 1200
0
C lµ tro dÔ ch¶y,
1200
0
C < t
3
< 14250
0
C lµ tro cã ®é ch¶y trung b×nh,
t
3
> 14250
0
C lµ tro khã ch¶y.
2.1.3.4. NhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu.
NhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu lµ l−îng nhiÖt to¶ ra khi ch¸y hoµn toµn 1kg nhiªn liÖu
r¾n hoÆc láng hay 1m
3
tiªu chuÈn nhiªn liÖu khÝ (kj/kg, kj/m
3
tc
).
Tuú thuéc vµo c¸ch ®èt vµ lµm nguéi s¶n phÈm ch¸y, ng−êi ta ph©n biÖt nhiÖt
trÞ cña nhiªn liÖu thµnh niÖt trÞ cao vµ nhiÖt trÞ thÊp.
§Ó so s¸nh c¸c lo¹i nhiªn liÖu víi nhau, ng−êi ta th−êng dïng kh¸i niÖm nhiªn
liÖu tiªu chuÈn, lµ nhiªn liÖu cã nhiÖt trÞ Q
t
= 7000 Kcal/kg (29330 Kj/kg).
*. NhiÖt trÞ thÊp Q
t
lv
[kJ/kg hay kJ/m
3
]
NhiÖt trÞ thÊp lµ nhiÖt trÞ kh«ng kÓ ®Õn l−îng nhiÖt ng−ng tô h¬i n−íc trong
s¶n phÈm ch¸y.
Trong c¸c buång löa thùc tÕ th«ng th−êng nhiÖt ®é cña khãi ra khái lß cao h¬n
nhiÖt ®é ng−ng tô h¬i n−íc, v× kh«ng cho phÐp lµm nguéi s¶n phÈm ch¸y xuèng nhiÖt
®é thÊp h¬n nhiÖt ®é ®äng s−¬ng ®Ó tr¸nh hiÖn t−îng ¨n mßn thiÕt bÞ ë nhiÖt ®é thÊp,
tøc lµ trong c¸c thiÕt bÞ c«ng nghiÖp kh«ng cã qu¸ tr×nh ng−ng tô h¬i n−íc trong khãi.
NghÜa lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu khi ch¸y trong thiÕt bÞ thùc tÕ lµ nhiÖt trÞ thÊp.
*. NhiÖt trÞ cao Q
c
lv
[kJ/kg hay kJ/m
3
],
NhiÖt trÞ cao lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu khi cã kÓ ®Õn l−îng nhiÖt to¶ ra do
ng−ng tô h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y khi s¶n phÈm ch¸y ®−îc lµm nguéi tíi nhiÖt
®é gèc (hay cßn gäi lµ nhiÖt ®é c©n b»ng, lµ nhiÖt ®é m«i tr−êng th−êng lÊy b»ng
25
0
C).
Th«ng th−êng trong s¶n phÈm ch¸y cã h¬i n−íc, nÕu h¬i n−íc ®ã ng−ng tô
thµnh n−íc sÏ táa ra mét l−îng nhiÖt. Khi x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ cao, ng−êi ta ®· tÝnh ®Õn
nhiÖt l−îng ng−ng tô cña toµn bé l−îng h¬i n−íc cã nguån gèc tõ nhiªn liÖu cã trong
s¶n phÈm ch¸y, v× ë nhiÖt ®é gèc, phÇn lín l−îng n−íc nµy ®· ng−ng tô.
NhiÖt trÞ cao ®−îc dïng khi tÝnh to¸n trong ®iÒu kiÖn phßng thÝ nghiÖm.
NhiÖt trÞ thÊp chØ kh¸c nhiÖt trÞ cao ë chç lµ khi x¸c ®Þnh nã, ng−êi ta kh«ng
tÝnh ®Õn nhiÖt ng−ng tô cña h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y, mÆc dï cã thÓ ®−îc lµm
nguéi tíi nhiÖt ®é gèc nh−ng vÉn gi¶ thiÕt lµ trong s¶n phÈm ch¸y kh«ng x¶y ra qu¸
tr×nh ng−ng tô h¬i n−íc.
16
NÕu gäi l−îng n−íc ®−îc h×nh thµnh khi ch¸y mét ®¬n vÞ nhiªn liÖu lµ
OH
2
m
vµ nhiÖt Èn ho¸ h¬i cña n−íc ë 25
0
C lµ r = 2442,5 kJ/kg, th× quan hÖ gi÷a Q
t
vµ Q
c
cã
d¹ng:
Q
c
lv
= Q
t
lv
+ 2442,5.
OH
2
m ,kj/kg; (2-6a)
HoÆc: Q
c
lv
= Q
t
lv
+ 2442,5.
lv lv
wH
9
100 100
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠
,kj/kg; (2-6b)
*. X¸c ®Þnh nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu
Cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ theo hai c¸ch: Thùc nghiÖm vµ tÝnh to¸n.
Khi x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiªm, ng−êi ta ®o trùc tiÕp l−îng nhiÖt to¶ ra khi
ch¸y nhiªn liÖu bom nhiÖt l−îng kÕ (calorimet). H×nh 2.2 tr×nh bµy cÊu t¹o bom nhiÖt
l−îng kÕ. Mét l−îng nhiªn liÖu x¸c ®Þnh hay mét dßng nhiªn liÖu cã l−u l−îng æn
®Þnh ®−îc ®èt ch¸y hoµn toµn b»ng O
2
ë ¸p suÊt tõ 2,5 ®Õn 3,0Mpa trong b×nh b»ng
thÐp gäi lµ “bom nhiÖt l−îng kÕ”. Bom ®−îc ®Æt trong thïng nhiÖt l−îng kÕ chøa ®Çy
n−íc (ngËp bom). §Ó gi¶m kh¶ n¨ng to¶ nhiÖt ra m«i tr−êng xung quanh, thïng nhiÖt
l−îng kÕ ®−îc ®Æt trong mét b×nh c¸ch nhiÖt hai vá. S¶n phÈm ch¸y ®−îc lµm nguéi
tíi nhiÖt ®é gèc nªn l−îng h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y còng ng−ng tô vµ to¶ nhiÖt.
NhiÖt l−îng to¶ ra khi nhiªn liÖu ch¸y b»ng nhiÖt l−îng nung nãng thiÕt bÞ vµ n−íc
trong ®ã. NÕu x¸c ®Þnh l−îng n−íc lµm m¸t vµ ®é chªnh nhiÖt ®é cña n−íc khi vµo vµ
ra khái ¸o n−íc, ta dÔ dµng x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt trÞ cao Q
c
. NhiÖt trÞ thÊp Q
t
®−îc tÝnh
theo (2-6a) khi ®o l−îng n−íc ng−ng tô tõ s¶n phÈm ch¸y hoÆc (2-6b) khi tÝnh theo
thµnh phÇn nhiªn liÖu.
Do nhiÖt trÞ cao kh«ng cã ý nghÜa trong c¸c thiÕt bÞ kü thuËt nªn ®Ó ®¬n gi¶n,
trong gi¸o tr×nh nµy ta nãi nhiÖt trÞ nghÜa lµ nhiÖt trÞ thÊp.
Chóng ta biÕt qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu lµ ch¸y c¸c thµnh phÇn cã thÓ ch¸y
®−îc cña nhiªn liÖu, nghÜa lµ nhiÖt l−îng to¶ ra sÏ phô thuéc vµo nhiÖt trÞ nhiªn liÖu.
Hay nãi c¸ch kh¸c, nhiÖt trÞ nhiªn liÖu phô thuéc vµo nhiÖt trÞ vµ tû lÖ thµnh phÇn c¸c
chÊt cÊu thµnh nhiªn liÖu. Bëi vËy trong tr−êng hîp kh«ng cã ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh b»ng
thùc nghiÖm c¸c lo¹i nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu, cã thÓ sö dông c¸c c«ng thøc kinh
nghiÖm sau ®©y ®Ó tÝnh to¸n:
+ Nhiªn liÖu r¾n vµ láng, [kJ/kg]
Q
C
= 418,6.[81,3C + 297H + 15N + 45,6S - 23,5.O], (2-7a)
Q
t
= 418,6.[81,3C + 243H + 15N + 45,6S - 23,5.O – 6W], (2-7b)
+ Nhiªn liÖu khÝ, [kJ/m
3
]
Q
C
= 418,6.{30,2[CO] + 30,5[H
2
] + 95[CH
4
] + 166[C
2
H
6
] + 237[C
3
H
8
] +
+ 307[C
4
H
10
] + 377[C
5
H
12
] + 150[C
2
H
4
] + 220[C
3
H
6
] +
+ 290[C
4
H
8
] + 360[C
5
H
10
] + 350[C
6
H
6
] + 61[H
2
S]}, (2-8a)
Q
t
= 418,6.{30,2[CO] + 25,8[H
2
] + 85,5[CH
4
] + 155[C
2
H
6
] + 218[C
3
H
8
] +
+ 283[C
4
H
10
] + 349[C
5
H
12
] + 141[C
2
H
4
] + 205[C
3
H
6
] +
+ 271[C
4
H
8
] + 337[C
5
H
10
] + 335[C
6
H
6
] + 56[H
2
S]}. (2-8b)
2.1.4.C¸c lo¹i nhiªn liÖu th−êng dïng trong lß h¬i
17
2.1.4.1.Nhiªn liÖu khÝ
Cã thÓ ph©n lo¹i nhiªn liÖu khÝ theo nh÷ng c¸ch kh¸c nhau: theo nguån gèc,
theo nhiÖt trÞ, theo môc ®Ých sö dông.... Thùc tÕ trong lß h¬i th−êng sö dông khÝ thiªn
nhiªn, khÝ dÇu má.
a)
KhÝ thiªn nhiªn: KhÝ thiªn nhiªn t¹o thµnh tõng má ë trong lßng ®Êt, thµnh
phÇn chñ yÕu cña khÝ thiªn nhiªn lµ khÝ metan CH
4
(93 ÷99%), cßn l¹i lµ c¸c
khÝ kh¸c nh− etan (C
2
H
6
), propan (C
3
H
8
), butan (C
4
H
10
); Q
t
= 35- 45 MJ/m
3
.
b)
KhÝ dÇu má: Gåm khÝ ®ång hµn vµ khÝ ng−ng tô:
* KhÝ ®ång hµnh cßn gäi lµ khÝ läc dÇu: lµ khÝ lÉn trong dÇu má, ®−îc h×nh
thµnh cïng víi dÇu, thµnh phÇn chñ yÕu lµ c¸c khÝ nÆng nh−: propan (C
3
H
8
), butan
(C
4
H
10
), Pentan(C
5
H
12
) . . . . cßn ®−îc gäi lµ khÝ dÇu má.
* KhÝ ng−ng tô (condensate): thùc chÊt lµ d¹ng trung gian gi÷a dÇu má vµ khÝ
(phÇn cuèi cña khÝ vµ phÇn ®Çu cña dÇu), bao gåm c¸c hydrocacbon nh− propan,
butan vµ mét sè hydrocacbon láng kh¸c nh− pentan, hexam, thËm chÝ
hydrocacbon naphtenic vµ aromic ®¬n gi¶n . ë ®iÒu kiÖn th−êng khÝ ng−ng tô ë
d¹ng láng. KhÝ ng−ng tô lµ nguyªn liÖu quý ®Ó s¶n xuÊt LPG vµ sö dông trong
tæng hîp hãa dÇu. Khi hãa láng thÓ tÝch cña c¸c hydrocacbon gi¶m, vÝ dô 1 lÝt
propan láng cho 270 lÝt h¬i ë 1 at, 1 lÝt butan láng cho 238 lÝt h¬i ë 1 at.
2.1.4.2. Nhiªn liÖu láng
DÇu cã thÓ khai th¸c tõ 3 nguån sau ®©y: DÇu kho¸ng chÊt (chÕ biÕn tõ nguyªn
liÖu dÇu má); DÇu tæng hîp (chÕ biÕn tõ than ®¸ hoÆc than n©u); DÇu ®¸ (khai th¸c tõ
c¸c vØa ®¸ dÇu).
DÇu th−êng dïng ®Ó ®èt trong lß h¬i thuéc nhãm dÇu kho¸ng. DÇu kho¸ng
®−îc chia thµnh 5 lo¹i: dÇu ®Æc biÖt nhÑ (EL), cßn gäi lµ dÇu DO; dÇu nhÑ (L); dÇu
nhÑ trung b×nh (M); dÇu nÆng (S) vµ dÇu ®Æc biÖt nÆng (ES).
Th−êng dïng ®Ó ®èt trong lß h¬i lµ 2 lo¹i: dÇu ®Æc biÖt nhÑ (EL), cßn gäi lµ
dÇu DO, cã khèi l−îng riªng nhá h¬n n−íc vµ dÇu nÆng (S) hay cßn gäi lµ dÇu FO, cã
khèi l−îng riªng lín h¬n n−íc.
B¶ng 2.4 tr×nh bµy tÝnh chÊt cña hai lo¹i dÇu kho¸ng quan träng nhÊt. C¸c gi¸
trÞ ë ®©y lµ yªu cÇu tèi thiÓu, trong thùc tÕ chóng th−êng cã tÝnh chÊt tèt h¬n.
B¶ng 2.4. TÝnh chÊt cña hai lo¹i dÇu quan träng nhÊt.
TÝnh chÊt DÇu EL (DO) DÇu S (FO)
Khèi l−îng riªng ë 15
0
C [kg/m
3
]
860
≈ 940
§iÓm löa [
0
C] 55 65
§é nhít ®éng häc, max [mm
2
/s] ë:
20
0
C 6 -
50
0
C - 450
100
0
C - 40
Hµm l−îng l−u huúnh, max [%] 0,8 2,8
Hµm l−îng n−íc, max [%] 0,1 0,5
ChÊt kh«ng hoµ tan, max [%] 0,05 0,5
NhiÖt trÞ thÊp Q
t
[Mj/kg]
≥ 41,868 ≥ 39,775
§é tro, max [%] 0,01 0,15
18
2.1.4.3. C¸c lo¹i nhiªn liÖu r¾n
Theo tuæi h×nh thµnh tõ thÊp lªn cao ta cã c¸c lo¹i nhiªn liÖu r¾n theo thø tù
sau: Gç, than bïn, than n©u, than ®¸, than nöa antraxit vµ antraxit.
Nhiªn liÖu cµng non th× cµng nhiÒu chÊt bèc, cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao, cµng
dÔ ch¸y, cèc cµng xèp, nh−ng l−îng c¸cbon Ýt nªn nhiÖt trÞ thÊp.
Nhiªn liÖu cµng giµ (tuæi h×nh thµnh than cµng cao) th× l−îng chÊt bèc cµng Ýt,
cµng khã ch¸y, nh−ng l−îng c¸c bon chøa ë than cµng nhiÒu nghÜa lµ nhiÖt trÞ cµng
cao.
Khi ®èt nhiªn liÖu Ýt chÊt bèc nh− than antraxit, cÇn thiÕt ph¶i duy tr× nhiÖt ®é
ë vïng bèc ch¸y cao, ®ång thêi ph¶i t¨ng chiÒu dµi buång löa ®Ó ®¶m b¶o cho cèc
ch¸y hÕt tr−íc khi ra khái buång löa.
* Gç vµ c¸c phô phÈm cña n«ng l©m s¶n: §©y lµ lo¹i nhiªn liÖu cã tuæi Ýt nhÊt.
L−îng chÊt bèc cao, kho¶ng 80 ®Õn 85% nªn dÔ ch¸y. Thµnh phÇn kh¸ æn ®Þnh gåm:
50% C
c
, 43% O
c
, 6% H
c
, kho¶ng 0,5 ®Õn 1% N
c
. Trong gç gÇn nh− kh«ng cã S, ®é tro
rÊt nhá, th−êng A
c
chiÕm kho¶ng 0,5 ®Õn 2% cßn ®é Èm ®èi víi gç kh« kho¶ng 20-
30%, ®èi víi gç t−¬i th× kho¶ng 50 ®Õn 60%. NhiÖt trÞ thÊp ®èi víi gç kh« kho¶ng
19.000kj/kg, ®èi víi gç t−¬i kh«ng qu¸ 12.000kj/kg. B· mÝa ®−îc ®èt trong nhµ m¸y
®−êng còng cã thµnh phÇn t−¬ng tù.
* Than bïn: Than bïn cã ®é Èm rÊt cao, W
lv
cã thÓ tíi 90%, ®é tro A
lv
kho¶ng
7-15%, lµ lo¹i nhiªn liÖu dÔ ch¸y v× chÊt bèc V
c
tíi 70%, nh−ng nhiÖt trÞ kh«ng cao,
th−êng Q
t
lv
kho¶ng tõ 8.500 ®Õn 12.000 kj/kg nªn Ýt ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp.
* Than n©u: Than n©u cã ®é Èm W
lv
tõ kho¶ng 18 ®Õn 60%, ®é tro A
lv
kho¶ng
10-50%, chÊt bèc V
c
kho¶ng 30 ®Õn 50%, còng lµ lo¹i nhiªn liÖu dÔ ch¸y nh−ng nhiÖt
trÞ kh«ng cao v× l−îng carbon thÊp, th−êng Q
t
lv
kho¶ng tõ 8.500 ®Õn 12.000 kj/kg nªn
Ýt ®−îc xÕp vµo lo¹i nhiªn liÖu ®Þa ph−¬ng.
* Than ®¸: cã tuæi h×nh thµnh t−¬nh ®èi cao, l−îng carbon t−¬ng ®èi lín, ®é
Èm thÊp, cßn l−îng chÊt bèc th× thay ®æi trong ph¹m vi réng tõ 9 ®Õn 50%, nhiÖt trÞ
Q
t
lv
thay ®æi trong ph¹m vi tõ 33.000 ®Õn 38.000 kj/kg. Cã thÓ chia thµnh 4 lo¹i nh−
sau:
- Than cã l−îng chÊt bèc V
c
trªn 42% víi ngän löa dµi vµ xanh;
- Than khÝ (gas) cã l−îng chÊt bèc V
c
tõ 35 ®Õn 42% dÔ ch¸y vµ ch¸y nhanh;
- Than mì (luyÖn cèc) cã l−îng chÊt bèc V
c
tõ 18 ®Õn 28% cã ngän löa ng¾n
vµ s¸ng, th−êng dïng ®Ó luyÖn cèc;
- Than gÇy cã l−îng chÊt bèc V
c
d−íi 17%, cã ngän löa ng¾n vµ vµng;
* Than Antraxit: lµ than cã tuæi h×nh thµnh cao nhÊt, nhiÒu carbon nhÊt C
lv
cã
thÓ tíi 95% vµ chÊt bèc Ýt nhÊt V
c
kho¶ng 7 ®Õn 8%. Tuy chøa l−îng carbon cao
nh−ng l−îng hy®r« trong nã thÊp h¬n than trong ®¸ nªn nhiÖt trÞ thÊp h¬n than ®¸. V×
l−îng chÊt bèc Ýt nªn nhiÖt ®é b¾t löa cao vµ khã ch¸y. Khi ch¸y cã ngän löa xanh vµ
kh«ng khãi nªn gäi lµ than kh«ng khãi. Than cña ViÖt Nam chñ yÕu lµ lo¹i nµy.
19
2.2. C¬ së lý thuyÕt ch¸y
2.2.1. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n
2.2.1.1. Qu¸ tr×nh ch¸y
Qu¸ tr×nh ch¸y lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng ho¸ häc xÈy ra m·nh liÖt, ph¸t ra ¸nh
s¸ng vµ to¶ ra l−îng nhiÖt rÊt lín, ®ång thêi kÌm theo mét lo¹t c¸c biÕn hãa vËt chÊt
kh¸c, ®ã lµ tæng hîp c¸c hiÖn t−îng cña qu¸ tr×nh gi¶i phãng n¨ng l−îng, truyÒn nhiÖt
vµ chuyÓn hãa n¨ng l−îng.
Nghiªn cøu qu¸ tr×nh ch¸y tøc lµ nghiªn cøu b¶n chÊt c¸c hiÖn t−îng trªn, t×m
ra ®−îc c¸c mèi liªn hÖ vµ c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn nã, mµ trung t©m lµ nghiªn cøu
qu¸ tr×nh ®éng häc cña ph¶n øng ch¸y.
Qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng hãa häc gi÷a c¸c nguyªn tè
hãa häc cña nhiªn liÖu víi oxi vµ sinh ra nhiÖt, qu¸ tr×nh ch¸y cßn lµ qu¸ tr×nh oxi
hãa.
ChÊt oxi hãa chÝnh lµ oxi cña kh«ng khÝ cÊp vµo cho qu¸ tr×nh ch¸y, chÊt bÞ
oxy hãa lµ c¸c nguyªn tè ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu. S¶n phÈm t¹o thµnh sau qu¸ tr×nh
ch¸y gäi lµ s¶n phÈm ch¸y (khãi).
Qu¸ tr×nh ch¸y cã thÓ xÈy ra hoµn toµn hoÆc kh«ng hoµn toµn.
Qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn: Qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn lµ qu¸ tr×nh ch¸y trong
®ã c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu ®Òu ®−îc oxi hãa hoµn toµn vµ s¶n phÈm
ch¸y cña nã gåm c¸c khÝ CO
2
, SO
2
, H
2
O, N
2
, vµ O
2
.
Qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn: Qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn lµ qu¸ tr×nh
ch¸y trong ®ã cßn nh÷ng chÊt cã thÓ ch¸y ®−îc ch−a ®−îc « xi hãa hoµn toµn. Khi
ch¸y kh«ng hoµn toµn, ngoµi nh÷ng s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn trong khãi
cßn cã nh÷ng s¶n phÈm kh¸c: CO, H
2
, CH
4
. . . .
Nguyªn nh©n cña qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn cã thÓ lµ do:
- Kh«ng ®ñ kh«ng khÝ,
- §ñ nh−ng ph©n bè kh«ng khÝ kh«ng ®Òu,
- Thµnh phÇn ch−a ch¸y bÞ gi¶m nhiÖt ®é xuèng d−íi nhiÖt ®é b¾t löa.
Trong c¸c thiÕt bÞ gia nhiÖt th× khi ch¸y kh«ng hoµn toµn sÏ l·m gi¶m n¨ng
suÊt to¶ nhiÖt vµ do ®ã lµm gi¶m hiÖu suÊt thiÕt bÞ.
2.2.1.2. VËn tèc ph¶n øng ho¸ häc
VËn tèc ph¶n øng hãa häc lµ vËn tèc thay ®æi nång ®é cña c¸c vËt chÊt tham
gia ph¶n øng:
τ
±=
d
dc
v
, mol/m
3
.s; (2-9)
C lµ nång ®é vËt chÊt tham gia ph¶n øng, mol/m
3
;
VËn tèc ph¶n øng ho¸ häc lµ ®¹o hµm bËc nhÊt cña nång ®é theo thêi gian, v×
vËy lu«n lu«n d−¬ng. Nã mang dÊu (+) khi x¸c ®Þnh ph¶n øng theo biÕn thiªn nång ®é
c¸c chÊt t¹o thµnh vµ dÊu (-) khi x¸c ®Þnh theo chÊt tham gia ph¶n øng.
20
2.2.1.3. §Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông
Theo ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông th× vËn tèc ph¶n øng tû lÖ víi tÝch s« nång
®é vËt chÊt tham gia ph¶n øng. VËn tèc ph¶n øng hãa häc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc
nghiÖm.
Thùc tÕ th× bÊt kú ph¶n øng nµo còng ®Òu xÈy ra hai chiÒu: ph¶n øng thuËn vµ
ph¶n øng nghÞch.
+ Trong tr−êng hîp ®¬n gi¶n khi sè ph©n tö cña c¸c vËt chÊt tham gia ph¶n
øng b»ng nhau, nghÜa lµ ph¶n øng cã d¹ng:
DCBA
+
→+
th× vËn tèc ph¶n øng thuËn (chiÒu tõ tr¸i sang ph¶i) sÏ lµ:
v
1
= k
1
.C
A
.C
B
, (2-10)
Cßn vËn tèc ph¶n øng nghÞch (chiÒu tõ ph¶i sang tr¸i) sÏ lµ:
v
2
= k
2
.C
C
.C
D
, (2-11)
trong ®ã C
A
, C
B
, C
C
, C
D
– nång ®é cña c¸c chÊt A, B , C , D;
k
1
, k
2
- h»ng sè vËn tèc ph¶n øng hãa häc.
+ NÕu c¸c vËt chÊt tham gia ph¶n øng cã sè mol kh¸c nhau nh− ph¶n øng:
a.A + b.B → c.C + d.D,
trong ®ã a, b, c, d lµ sè mol cña c¸c nguyªn tè A, B, C, D th× vËn tèc cña c¸c ph¶n øng
thuËn vµ nghÞch sÏ lµ:
v
1
= k
1
b
B
a
A
CC (2-12)
v
2
= k
2
d
D
c
C
CC
(2-13)
2.2.1.4. C©n b»ng ho¸ häc vµ h»ng sè c©n b»ng ho¸ häc
Khi ph¶n øng xÈy ra, nång ®é cña vËt chÊt ban ®Çu gi¶m dÇn nªn vËn tèc cña
ph¶n øng thuËn sÏ gi¶m ®i liªn tôc. Trong khi ®ã nång ®é c¸c s¶n phÈm do ph¶n øng
t¹o ra l¹i t¨ng dÇn lªn, do ®ã vËn tèc ph¶n øng nghÞch kh«ng ngõng t¨ng lªn. §Õn mét
thêi ®iÓm nµo ®ã, v©n tèc ph¶n øng thuËn b»ng vËn tèc ph¶n øng nghÞch (v
1
= v
2
) tøc
lµ ph¶n øng ®· ®¹t tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng hãa häc, nghÜa lµ:
d
D
c
C2
b
B
a
A1
C.C.kC.C.k = (2-14)
Trong ®ã
d
D
c
C
b
B
a
A
C,C,C,C - nång ®é vËt chÊt A, B , C , D ë tr¹ng th¸i c©n b»ng.
Tõ ®ã ta suy ra h»ng sè c©n b»ng:
ab
2AB
C
cd
1CD
kCC
k
kCC
==
(2-15)
H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc biÓu thÞ b»ng nång ®é vËt chÊt nªn cßn gäi lµ h»ng
sè c©n b»ng nång ®é. Khi c¸c chÊt tham gia ph¶n øng ®Òu ë thÓ khÝ th× h»ng sè c©n
b»ng cã thÓ ®−îc biÓu thÞ qua c¸c ¸p suÊt riªng phÇn cña c¸c chÊt ë tr¹ng th¸i c©n
b»ng.
Tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ta cã: p
i
= C
i
.R.T, thay vµo (2-15) ta ®−îc:
ab
AB
p
cd
CD
pp
k
pp
=
(2-16)
21
k
p
gäi lµ h»ng sè can b»ng ¸p suÊt
Gi÷a k
C
, k
p
cã quan hÖ víi nhau nh− sau:
k
C
= k
p
(RT)
∆
n
(2-17)
Trong ®ã: R - h»ng sè chÊt khÝ, kJ/mol ®é;
T- nhiÖt ®é ph¶n øng,
0
K;
∆n = (c+d) - (a+b) lµ hiÖu sè cña sè l−îng mol tr−íc vµ sau ph¶n øng.
NÕu ph¶n øng tiÕn hµnh ë ®iÒu kiÖn thÓ tÝch kh«ng ®æi v = const (
∆n = 0) th× k
C
= k
p
.
H»ng sè c©n b»ng phô thuéc vµo nhiÖt ®é ph¶n øng:
2
dlnk Q
,
dT RT
= (2-18)
Trong ®ã:
Q- hiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng ë tr¹ng th¸i ®¼ng tÝch (Q
v
) hay ®¼ng ¸p (Q
p
),
kJ/mol;
Tõ ph−¬ng tr×nh (2-18) ta thÊy: trong ph¶n øng ph¸t nhiÖt (Q > 0) khi nhiÖt ®é
t¨ng th× h»ng sè c©n b»ng sÏ t¨ng lªn, cßn trong ph¶n øng thu nhiÖt (Q < 0) th× ng−îc
l¹i, khi nhiÖt ®é t¨ng th× h»ng sè c©n b»ng sÏ gi¶m xuèng.
Theo (2-15) th× h»ng sè c©n b»ng t¨ng lªn cã nghÜa lµ t¨ng nång ®é vËt chÊt
ban ®Çu vµ gi¶m nång ®é s¶n phÈm sinh ra. Tõ ®ã ta cã thÓ suy ra: ë nhiÖt ®é thÊp cã
thÓ tiÕn hµnh hoµn toµn ph¶n øng ph¸t nhiÖt, cßn ë nhiÖt ®é rÊt cao th× dÔ tiÕn hµnh
hoµn toµn ph¶n øng thu nhiÖt.
Trong ®a sè c¸c tr−êng hîp, nhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn vËn tèc ph¶n
øng, cã thÓ lµ ¶nh h−ëng thuËn chiÒu, còng cã thÓ lµ ¶nh h−ëng ng−îc chiÒu víi chiÒu
thay ®æi nhiÖt ®é.
Tèc ®é ph¶n øng ho¸ häc trong qu¸ tr×nh ch¸y hÇu nh− ®Òu t¨ng khi t¨ng nhiÖt
®é, tøc thuéc lo¹i thø nhÊt. Trong ®ã ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn vËn tèc ph¶n øng
chñ yÕu lµ ¶nh h−ëng ®Õn hÖ sè tèc ®é ph¶n øng k.
Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é víi hÖ sè tèc ®é ph¶n øng k ®· ®−îc Arrhenius ®−a ra nh− sau:
k = k
0
exp(-E/RT) (2-19)
Trong ®ã: ®¬n vÞ cña k cã quan hÖ víi bËc ph¶n øng, k = v/C
n
,
v lµ v©n tèc ph¶n øng, mol/cm
3
.s;
R lµ h»ng sè chÊt khÝ, J/kg.
0
K ;
T lµ nhiÖt ®é ph¶n øng,
0
K ;
k
0
lµ hÖ sè cã liªn quan tíi tÇn sè va ®Ëp cña c¸c ph©n tö.
HÖ sè k
0
cã liªn quan ®Õn nhiÖt ®é, nh−ng cã liªn quan rÊt Ýt so víi ¶nh h−ëng
cña nhiÖt ®é tíi exp(-E/RT)
BiÓu thøc (2-19) lµ biÓu thøc cña ®Þnh luËt Arrhenius. Nã kh«ng chØ thÝch øng
víi c¸c ph¶n øng ®¬n gi¶n hoÆc mét b−íc cña ph¶n øng phøc t¹p mµ cßn thÝch øng víi
c¶ nh÷ng p¶hn øng phøc t¹p cã bËc ph¶n øng vµ hÖ sè tèc ®é ph¶n øng ®· ®−îc x¸c
®Þnh.
Víi c¸c ph¶n øng phøc t¹p tèc ®é ph¶n øng kh«ng tÝnh ®−îc theo c«ng thøc v
= k.C
a
A
. C
b
B
. . . do kh«ng cã bËc ph¶n øng th× hÖ sè tèc ®é ph¶n øng kh«ng x¸c ®Þnh
®−îc b»ng c«ng thøc cña ®Þnh luËt Arrhenius nµy.
2.2.1.6. N¨ng l−îng ho¹t ho¸
22
Theo thuyÕt ®éng häc ph©n tö th× nhiÖt ®é cµng t¨ng, c¸c ph©n tö vµ nguyªn tö
chuyÓn ®éng cµng m¹nh, khi ®ã lùc va ch¹m gi÷a c¸c ph©n tö cµng m¹nh nªn cµng dÔ
ph¸ vì c¸c liªn kÕt gi÷a chóng ®Ó t¹o nªn c¸c chÊt míi, nghÜa lµ c¸c ph¶n øng ho¸ häc
gi÷a chóng cµng dÔ xÈy ra. Song kh«ng ph¶i bÊt kú mét sù va ch¹m nµo còng cã thÓ
g©y nªn ph¶n øng hãa häc, mµ chØ lóc nµo sù va ch¹m ®ã ®ñ søc ph¸ vì liªn kÕt
nguyªn tö míi cã thÓ t¹o ra ph¶n øng. N¨ng l−îng c©n thiÕt nhá nhÊt ®Ó g©y nªn ph¶n
øng ®−îc gäi lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E cña ph¶n øng.
Víi mét ph¶n øng cho tr−íc th× n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E lµ mét trÞ sè cè ®Þnh.
Tõ hai chÊt ban ®Çu A vµ B, ®Ó t¹o ra s¶n phÈm cuèi cïng C vµ D th× cÇn ph¶i
t¹o ra mét chÊt trung gian AB. C¸c chÊt A vµ B cã n¨ng l−îng ban ®Çu lµ
0
a
Z +
0
b
Z
(møc n¨ng l−îng I, xem h×nh 2.3. n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn vµ
nghÞch). Song ®Ó cho A vµ B cã thÓ ph¶n øng víi nhau ®−îc cÇn ph¶i cung cÊp cho
chóng mét n¨ng l−îng
0
ab
Z
(møc n¨ng l−îng I’) cao h¬n møc I ®Ó chóng t¹o thµnh
mét hîp chÊt AB ë tr¹ng th¸i trung gian kh«ng æn ®Þnh, sau ®ã biÕn thµnh c¸c s¶n
phÈm C vµ D cã n¨ng l−îng
0
c
Z +
0
d
Z (møc n¨ng l−îng II).
HiÖu sè gi÷a møc n¨ng l−îng I’
cña
chÊt trung gian AB vµ møc n¨ng l−îng I cña
c¸c chÊt A + B gäi lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸
cña ph¶n øng thuËn E
1
(lµ n¨ng l−îng mµ
ph¶n øng thuËn ph¶i v−ît qua ®Ó tiÕn hµnh
ph¶n øng). Lý luËn t−¬ng tù, ®Ó cho C vµ D
t¸c dông ®−îc víi nhau t¹o thµnh A vµ B th×
ph¶i cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng møc I’
cao h¬n møc II cña C+D ®Ó t¹o thµnh hîp
chÊt AB sau ®ã biÕn thµnh A vµ B. HiÖu sè
gi÷a møc n¨ng l−îng I’ cña hîp chÊt AB vµ
møc n¨ng l−¬ng II cña c¸c chÊt C+D gäi lµ
n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng nghÞch E
2
(lµ n¨ng l−îng mµ ph¶n øng nghÞch ph¶i v−ît
qua ®Ó tiÕn hµnh ph¶n øng).
HiÖu sè gi÷a n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn E
1
víi n¨ng l−îng ho¹t
ho¸ cña ph¶n øng nghÞch E
2
chÝnh lµ biÕn ®æi tæng n¨ng l−îng cña toµn hÖ thèng ë
®iÒu kiÖn ®¼ng tÝch ®−îc gäi lµ hiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng.
Tõ tr¹ng th¸i ®Çu A, B biÕn thµnh tr¹ng th¸i cuèi C vµ D, néi n¨ng ®· biÕn
thiªn mét l−îng lµ:
Q = U
1
- U
2
= (
0
a
Z
+
0
b
Z
) - (
0
c
Z
+
0
d
Z
), (2-20a)
Q = (
0
ab
Z - (
0
c
Z +
0
d
Z )) - (
0
ab
Z -(
0
a
Z +
0
b
Z )), (2-20b)
Q = E
2
- E
1
(2-20c)
Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta thÊy: khi tæng n¨ng l−îng cña c¸c chÊt ban ®Çu
(
0
a
Z
+
0
b
Z
) cao h¬n tæng n¨ng l−îng cña c¸c chÊt t¹o thµnh sau ph¶n øng (
0
c
Z
+
0
d
Z
), cã
nghÜa lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn E
1
thÊp h¬n n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña
ph¶n øng nghÞch E
2
th× ph¶n øng lµ sinh nhiÖt, cßn ng−îc l¹i lµ ph¶n øng thu nhiÖt.
23
ThËt vËy, Qu¸ tr×nh ph¶n øng thuËn lµ tõ tr¸i sang ph¶i, tõ møc n¨ng
l−îng I chØ cã thÓ xÈy ra sau khi kh¾c phôc ®é c¶n trë E
1
nhá h¬n sau ®ã ph¶n øng tù
tiÕn hµnh dÉn hÖ thèng kh¶o s¸t ®Õn møc míi II thÊp h¬n vµ ®ång thêi gi¶i phãng mét
l−îng nhiÖt t−¬ng øng b»ng Q = E
1
- E
2
. Qu¸ tr×nh ph¶n øng nghÞch tõ ph¶i sang tr¸i
chØ cã thÓ xÈy ra khi kh¾c phôc ®−îc c¶n trë E
2
lín h¬n vµ sau ®ã ph¶n øng dÉn hÖ
thèng ®Õn møc I, ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh ng−îc nµy cÇn tiªu hao mét n¨ng l−îng t−¬ng
øng Q = E
2
- E
1
.
N¨ng l−îng ho¹t ho¸ ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông
(Arrhenius) vµ ®−îc hiÓn thÞ qua h»ng sè vËn tèc ph¶n øng hãa häc:
RT
E
0
ekk
−
= , (2-21)
Trong ®ã:
k
0
– H»ng sè ph¶n øng víi tæng sè lÇn va ch¹m cña ph©n tö;
E – n¨ng l−îng ho¹t ho¸, kJ/mol;
T- nhiÖt ®é ph¶n øng,
0
K.
R = 8,314KkJ/kmom®é
≈ 2[kcal/kmol
0
K] - h»ng sè phæ biÕn cña chÊt khÝ,
§èi víi mét ph¶n øng ®· cho, nhiÖt ®é cµng cao th× k sÏ cµng lín. Bëi v× khi
nhiÖt ®é cµng cao th× n¨ng l−îng cña c¸c ph©n tö cµng cao do ®ã sè l−îng c¸c ph©n tö
ho¹t ®éng cµng nhiÒu nªn lµm t¨ng vËn tèc ph¶n øng. Khi gi¸ trÞ k
0
nh− nhau th× ph¶n
øng nµo cã n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E cµng lín th× k cµng nhá, nghÜa lµ vËn tèc ph¶n øng
cµng bÐ. Ng−îc l¹i E cµng nhá th× k cµng lín vµ ph¶n øng xÈy ra cµng nhanh.
Tõ ph−¬ng tr×nh trªn ta thÊy, n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cµng bÐ th× l−îng nhiÖt chi
phÝ cho viÖc ph¸ vì c¸c liªn kÕt cò cµng bÐ, dÉn ®Õn vËn tèc ph¶n øng hãa häc t¨ng
lªn vµ cµng phô thuéc nhiÒu vµo nhiÖt ®é.
N¨ng l−îng ho¹t ho¸ ®Æc tr−ng cho tÝnh chÊt ho¹t ho¸ cña c¸c chÊt cã kh¶
n¨ng tham gia ph¶n øng víi nhau. Cã thÓ coi n¨ng l−îng ho¹t ho¸ nh− mét c¶n trë
n¨ng l−îng nµo ®ã mµ cÇn ph¶i kh¾c phôc ®Ó cã thÓ xÈy ra ph¶n øng.
V× ®¹i l−îng E ë mét møc ®é nµo ®ã ®Æc tr−ng cho tiªu thô n¨ng l−îng cÇn
thiÕt ®Ó ph¸ vì c¸c liªn kÕt nguyªn tö trong c¸c ph©n tö ph¶n øng, ta cã thÓ cã ®−îc
gi¸ trÞ cña n¨ng l−îng ho¹t ho¸ tõ viÖc kh¶o s¸t nh÷ng sè liÖu thùc nghiÖm.
LÊy logarit biÓu thøc (2-21) ta ®−îc:
.
T
1
R
E
klnkln
0
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
(2-22)
HÖ sè k
0
tû lÖ víi sè lÇn va ch¹m vµ víi vËn tèc trung b×nh ω cña c¸c ph©n tö,
vËn tèc nµy theo thuyÕt ®éng häc c¸c chÊt khÝ th× tû lÖ víi
T (v× ω
2
∼ T). Do vËy
biÓu thøc ®èi víi k
0
cã d¹ng sau:
TCk
0
.= (2-23)
C lµ h»ng sè.
2.2.1.7. Ph¶n øng d©y chuyÒn
Trong qu¸ tr×nh ch¸y, nhiÒu tr−êng hîp vËn tèc ph¶n øng x¶y ra kh¸c th−êng,
rÊt m·nh liÖt hoÆc rÊt chËm so víi møc b×nh th−êng. Khi ®ã kh«ng thÓ gi¶i thÝch c¸c
tr−êng hîp trªn mét c¸ch cÆn kÏ b»ng ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông vµ n¨ng l−îng

Preview text:

Ch−¬ng 1 NGUY£N Lý LµM VIÖC CñA Lß H¥I
1.1. Vai trß cña lß h¬i vµ ph©n lo¹i
1.1.1. Vai trß cña lß h¬i trong nÒn kinh tÕ
Lß h¬i lµ thiÕt bÞ trong ®ã xÈy ra qu¸ tr×nh ®èt ch¸y nhiªn liÖu, nhiÖt l−îng táa
ra tõ qu¸ tr×nh ch¸y sÏ truyÒn cho n−íc trong lß ®Ó biÕn n−íc thµnh h¬i. NghÜa lµ thùc
hiÖn qu¸ tr×nh biÕn ®æi ho¸ n¨ng cña nhiªn liÖu thµnh nhiÖt n¨ng cña dßng h¬i.
Lß h¬i lµ thiÕt bÞ cã mÆt gÇn nh− trong tÊt c¶ c¸c xÝ nghiÖp, nhµ m¸y. Trong c¸c
nhµ m¸y c«ng nghiÖp nh− nhµ m¸y hãa chÊt, ®−êng, r−îu, bia, n−íc gi¶i kh¸t, thuèc
l¸, dÖt, chÕ biÕn thùc phÈm . . . , h¬i n−íc phôc vô cho c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ nh−
®un nÊu, ch−ng cÊt c¸c dung dÞch, c« ®Æc vµ sÊy s¶n phÈm . . . H¬i ë ®©y th−êng lµ h¬i
b·o hßa, cã ¸p suÊt h¬i t−¬ng øng víi nhiÖt ®é b·o hßa cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh c«ng
nghÖ. Lo¹i lß h¬i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i c«ng nghiÖp, cã ¸p suÊt h¬i thÊp, s¶n l−îng
nhá. Trong nhµ m¸y ®iÖn, lß h¬i s¶n xuÊt ra h¬i ®Ó lµm quay tuèc bin, phôc vô cho
viÖc s¶n xuÊt ®iÖn n¨ng, ®ßi hái ph¶i cã c«ng suÊt lín, h¬i lµ h¬i qu¸ nhiÖt cã ¸p suÊt
vµ nhiÖt ®é cao. Lo¹i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i ®Ó s¶n xuÊt ®iÖn n¨ng.
Nhiªn liÖu ®èt trong lß h¬i cã thÓ lµ nhiªn liÖu r¾n nh− than, gç, b· mÝa, cã thÓ
lµ nhiªn liÖu láng nh− dÇu nÆng (FO), dÇu diezen (DO) hoÆc nhiªn liÖu khÝ.
1.1.2. Ph©n lo¹i lß h¬i
Ta cã thÓ ph©n lo¹i lß h¬i theo nhiÒu c¸ch:
* Theo nhiÖm vô cña lß h¬i:
Theo nhiÖm vô cña lß h¬i trong s¶n xuÊt ta cã: lß h¬i c«ng nghiÖp vµ lß h¬i s¶n xuÊt ®iÖn n¨ng.
Lß h¬i c«ng nghiÖp phôc vô cho c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ë c¸c nhµ m¸y s¶n
xuÊt c«ng nghiÖp (th−êng s¶n xuÊt h¬i b·o hoµ, ¸p suÊt h¬i kh«ng v−ît qu¸ 2,0Mpa,
nhiÖt ®é t = 2500C). Lß h¬i phôc vô cho s¶n xuÊt ®iÖn s¶n xuÊt h¬i qu¸ nhiÖt, cã c«ng
suÊt lín, ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é h¬i cao, th−êng lín h¬n 2,0Mpa vµ trªn 3500C.
+ Theo chÕ ®é ®ãt nhiªn liÖu trong buång löa ta cã: Lß ghi thñ c«ng; lß ghi nöa
c¬ khÝ; lß ghi c¬ khÝ (ghi xich); lß phun nhiªn liÖu láng, lß phun nhiªn liÖu khÝ; lß
phun bét than th¶i xØ kh« hay th¶i xØ láng; lß buång ®èt xo¸y; lß buång löa tÇng s«i.
+ Theo chÕ ®é tuÇn hoµn cña n−íc trong lß ta cã: Lß tuÇn hoµn tù nhiªn; lß tuÇn
hoµn c−ìng bøc; lß trùc l−u.
Tuy nhiªn c¸ch ph©n lo¹i nµy chØ thÓ hiÖn mét vµi ®Æc tÝnh nµo ®ã cña lß h¬i
nªn thùc tÕ khi gäi tªn lß h¬i th−êng ng−êi ta kÕt hîp nhiÒu kiÓu ph©n lo¹i. 3
1.2. Nguyªn lý lµm viÖc cña lß h¬i trong nhµ m¸y ®iÖn
Trong c¸c lß h¬i nhµ m¸y ®iÖn, h¬i ®−îc s¶n xuÊt ra lµ h¬i qu¸ nhiÖt. H¬i qu¸
nhiÖt nhËn ®−îc nhê c¸c qu¸ tr×nh: ®un nãng n−íc ®Õn s«i, s«i ®Ó biÕn n−íc thµnh h¬i
b·o hßa vµ qu¸ nhiÖt h¬i ®Ó biÕn h¬i b·o hßa thµnh h¬i qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cao trong
c¸c bé phËn cña lß. C«ng suÊt nhiÖt cña lß h¬i phô thuéc vµo l−u l−îng, nhiÖt ®é vµ ¸p
suÊt h¬i. C¸c gi¸ trÞ nµy cµng cao th× c«ng suÊt lß h¬i cµng lín.
HiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a ngän löa vµ khãi víi m«i chÊt trong
lß h¬i phô thuéc vµo tÝnh chÊt vËt lý cña s¶n phÈm ch¸y vµ cña m«i chÊt tham gia qu¸
tr×nh (n−íc hoÆc h¬i trong lß) vµ phô thuéc vµo h×nh d¸ng, ®Æc tÝnh cÊu t¹o cña c¸c phÇn tö lß h¬i.
Trªn h×nh 1.1 tr×nh bµy nguyªn lý cÊu t¹o cña lß h¬i buång löa phun tuÇn hoµn
tù nhiªn hiÖn ®¹i trong nhµ m¸y ®iÖn.
H×nh 1.1. Nguyªn lý cÊu t¹o cña lß h¬i
1- buång ®èt; 2- dµn èng sinh h¬i; 3- vßi phun nhiªn liÖu + kh«ng khÝ;
4- èng n−íc xuèng; 5- bao h¬i; 6- èng dÉn h¬i trªn trÇn;
7- bé qu¸ nhiÖt h¬i; 8- bé qu¸ nhiÖt trung gian h¬i; 9- bé h©m n−íc;
10- kho¶ng trèng ®Ó vÖ sinh vµ s÷a ch÷a; 11- bé sÊy kh«ng khÝ;
Nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ ®−îc phun qua vßi phun sè 3 vµo buång löa sè 1, t¹o
thµnh hçn hîp ch¸y vµ ®−îc ®èt ch¸y trong buång löa, nhiÖt ®é ngän löa cã thÓ ®¹t tíi 4
1.900 0C. NhiÖt l−îng táa ra khi nhiªn liÖu ch¸y trong buång löa truyÒn cho n−íc
trong c¸c èng cña dµn èng sinh h¬i 2 lµm cho n−íc t¨ng dÇn nhiÖt ®é ®Õn s«i, trong
èng sÏ lµ hçn hîp h¬i n−íc. Hçn hîp h¬i n−íc trong èng sinh h¬i 2 sÏ chuyÓn ®éng ®i
lªn, tËp trung vµo bao h¬i sè 5. Trong bao h¬i sè 5, h¬i b·o hoµ sÏ t¸ch ra khái n−íc,
n−íc tiÕp tôc ®i xuèng theo èng xuèng 4 ®Æt ngoµi t−êng lß. èng xuèng ®−îc nèi víi
èng lªn b»ng èng gãp d−íi, nªn n−íc l¹i sang èng sinh h¬i sè 2 ®Ó tiÕp tôc nhËn nhiÖt.
H¬i b·o hßa tõ bao h¬i sè 5 sÏ ®i theo c¸c çng dÉn h¬i 6 vµo c¸c èng xo¾n cña bé qu¸
nhiÖt sè 7. ë bé qu¸ nhiÖt h¬i b·o hßa chuyÓn ®éng trong c¸c èng xo¾n sÏ nhËn nhiÖt
tõ khãi nãng chuyÓn ®éng phÝa ngoµi èng ®Ó biÕn thµnh h¬i qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cao
h¬n vµ ®i vµo èng gãp ®Ó sang tua bin h¬i. ë s¬ ®å cã qu¸ nhiÖt trung gian, h¬i tõ tuèc
bin vÒ bé qu¸ nhiÖt trung gian 8 ®Ó qu¸ nhiÖt l¹i råi l¹i quay trë l¹i tuèc bin;
ë ®©y, èng sinh h¬i sè 2 ®Æt phÝa trong t−êng lß nªn m«i chÊt trong èng nhËn
nhiÖt vµ sinh h¬i liªn tôc do ®ã trong èng èng sinh h¬i 2 lµ hçn hîp h¬i vµ n−íc, cßn
èng xuèng 4 ®Æt ngoµi t−êng lß nªn m«i chÊt trong èng 4 kh«ng nhËn nhiÖt do ®ã
trong èng 4 lµ n−íc. Khèi l−îng riªng cña hçn hîp h¬i vµ n−íc trong èng 2 nhá h¬n
khèi l−îng riªng cña n−íc trong èng xuèng 4 nªn hçn hîp trong èng 2 ®i lªn, cßn
n−íc trong èng 4 ®i xuèng liªn tôc t¹o nªn qu¸ tr×nh tuÇn hoµn tù nhiªn, bëi vËy lß h¬i
lo¹i nµy ®−îc gäi lµ lß h¬i tuÇn hoµn tù nhiªn.
Buång löa tr×nh bµy trªn h×nh 1.1 lµ buång löa phun, nhiªn liÖu ®−îc phun vµo
vµ ch¸y l¬ löng trong buång löa. Qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu xÈy ra trong buång løa vµ
®¹t ®Õn nhiÖt ®é rÊt cao, tõ 1300 0C ®Õn 1900 0C, chÝnh v× vËy hiÖu qu¶ trao ®æi nhiÖt
bøc x¹ gi÷a ngän löa vµ dµn èng sinh h¬i rÊt cao vµ l−îng nhiÖt dµn èng sinh h¬i thu
®−îc tõ ngän löa chñ yÕu lµ do trao ®æi nhiÖt bøc x¹. §Ó hÊp thu cã hiÖu qu¶ nhiÖt
l−îng bøc x¹ cña ngän löa ®ång thêi b¶o vÖ t−êng lß khái t¸c dông cña nhiÖt ®é cao
vµ nh÷ng ¶nh h−ëng xÊu cña tro nãng ch¶y, ng−êi ta bè trÝ c¸c dµn èng sinh h¬i 2
xung quanh t−êng buång löa.
Khãi ra khái buång löa, tr−íc khi vµo bé qu¸ nhiÖt ®· ®i qua côm phecston, thùc
chÊt côm feston chÝnh lµ d·y èng t−êng sau (®o¹n ®i qua cöa ra cña buång löa) ®−îc
chia thµnh nhiÒu d·y (tõ 3 ®Õn 5 d·y) ®Ó khãi ®i qua dÔ dµng vµ gi¶m bët hiÖn t−îng
mµi mßn mÆt ngoµi èng. ë ®©y khãi chuyÓn ®éng ngoµi èng truyÒn nhiÖt cho hçn hîp
h¬i n−íc chuyÓn ®éng trong èng. Khãi ra khái bé qu¸ nhiÖt cã nhiÖt ®é cßn cao, ®Ó
tËn dông phÇn nhiÖt thõa cña khãi khi ra khái bé qu¸ nhiÖt, ë phÇn sau nã ng−êi ta ®Æt
thªm bé h©m n−íc 9 vµ bé sÊy kh«ng khÝ 11.
Bé h©m n−íc cã nhiÖm vô gia nhiÖt cho n−íc ®Ó n©ng nhiÖt ®é cña n−íc tõ nhiÖt
®é ra khái b×nh gia nhiÖt lªn ®Õn nhiÖt ®é s«i vµ cÊp vµo bao h¬i 5. §©y lµ giai ®o¹n
®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt cho n−íc ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh hãa h¬i ®¼ng ¸p n−íc
trong lß. Sù cã mÆt cña bé h©m n−íc sÏ lµm gi¶m tæng diÖn tÝch bÒ mÆt ®èt cña lß h¬i
vµ sö dông triÖt ®Ó h¬n nhiÖt l−îng táa ra khi ch¸y nhiªn liÖu, lµm cho nhiÖt ®é khãi
tho¸t khái lß gi¶m xuèng, lµm t¨ng hiÖu suÊt cña lß.
Kh«ng khÝ l¹nh tõ ngoµi trêi ®−îc qu¹t giã hót vµo vµ thæi qua bé sÊy kh«ng khÝ
11. ë bé sÊy, kh«ng khÝ nhËn nhiÖt cña khãi, nhiÖt ®é ®−îc n©ng tõ nhiÖt ®é m«i
tr−êng ®Õn nhiÖt ®é yªu cÇu vµ ®−îc ®−a vµo vßi phun sè 1 ®Ó cung cÊp cho qu¸ tr×nh
®èt ch¸y nhiªn liÖu. Khãi sÏ ®−îc qu¹t khãi hót ra khái lß tr−íc khi ®i qua khö bôi ®Ó 5
th¶i ra ngoµi qua èng khãi.
Nh− vËy bé h©m n−íc vµ bé sÊy kh«ng khÝ ®· hoµn tr¶ l¹i buång löa mét phÇn
nhiÖt ®¸ng lÏ bÞ th¶i ra ngoµi. ChÝnh v× vËy ng−êi ta cßn gäi bé h©m n−íc vµ bé sÊy
kh«ng khÝ lµ bé tiÕt kiÖm nhiÖt.
Nh− vËy, tõ khi vµo bé h©m n−íc ®Õn khi ra khái bé qu¸ nhiÖt cña lß h¬i, m«i
chÊt (n−íc vµ h¬i) tr¶i qua c¸c giai ®o¹n hÊp thô nhiÖt trong c¸c bé phËn sau: NhËn
nhiÖt trong bé h©m n−íc ®Õn s«i, s«i trong dµn èng sinh h¬i, qu¸ nhiÖt trong bé qu¸ nhiÖt.
NhiÖt l−îng m«i chÊt hÊp thu ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh: Q
= [i'' - i' ]+ [i - i'' + rx] + [r(1-x) + (i'' - i' )], (1-1a) mc hn hn s hn qn qn Trong ®ã:
Q lµ nhiÖt l−îng 1kg m«i chÊt nhËn ®−îc trong lß h¬i, kj/kg; mc
i' , i'' : Entanpi cña n−íc vµo vµ ra khái bé h©m n−íc, kj/kg; hn hn
i , : Entanpi cña n−íc s«i trong bao h¬i, kj/kg; s
r : NhiÖt Èn hãa h¬i cña n−íc, kj/kg;
x : ®é kh« cña h¬i ra khái bao h¬i,
i' , i'' : Entanpi h¬i vµo vµ ra khái bé qu¸ nhiÖt, kj/kg; qn qn
[i'' - i' ] nhiÖt l−îng n−íc nhËn ®−îc trong bé h©m n−íc, kj/kg; hn hn
[i - i'' + rx] nhiÖt l−îng n−íc vµ h¬i nhËn ®−îc trong dµn èng sinh h¬i, kj/kg; s hn
[r(1-x) + (i'' - i' )] nhiÖt l−îng h¬i nhËn ®−îc trong bé qu¸ nhiÖt, kj/kg; qn qn
TØ lÖ nhiÖt l−îng hÊp thu ®−îc trong bé h©m n−¬c, dµn èng sinh h¬i, bé qu¸
nhiÖt phô thuéc vµo th«ng sè h¬i cña lß. ¸p suÊt cña h¬i cµng lín th× l−îng nhiÖt ®Ó
bèc h¬i cµng nhá vµ l−îng nhiÖt ®Ó ®un n−íc ®Õn s«i cµng lín. Tõ ¸p suÊt t¬i h¹n trë
lªn (22,3Mpa) th× l−îng nhiÖt ®Ó bèc h¬i b»ng kh«ng (r = 0), l−îng nhiÖt m«i chÊt hÊp
thu ®−îc trong lß h¬i chØ ®Ó ®un n−íc ®Õn s«i vµ qu¸ nhiÖt h¬i. ChÝnh v× thÕ nªn lß cã
¸p suÊt trªn tíi h¹n chØ ¸p dông cho kiÓu lß trùc l−u (lß bao h¬i n−íc lu«n ë tr¹ng th¸i s«i).
BiÕn ®æi (1-1) ta ®−îc: Q = [i + r] + (i'' - i' )] - i' (1-1b) mc s qn qn hn
V× (i + r) lµ entanpi cña h¬i kh« ra khái bao h¬i còng chÝnh lµ entanpi i' cña s qn
h¬i vµo bé qu¸ nhiÖt, do ®ã tõ (1-1b) ta cã nhiÖt l−îng cÇn thiÕt ®Ó sinh h¬i 1kg n−íc lµ: Q = i'' - i' (1-1c) mc qn hn 6
1.3. C¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña Lß h¬i
§Ó x¸c ®Þnh mét lß h¬i, ng−êi ta th−êng dïng c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt chÝnh cña lß nh− sau:
1- Th«ng sè h¬i cña lß:
§èi víi lß h¬i cña nhµ m¸y ®iÖn, h¬i s¶n xuÊt ra lµ qu¸ nhiÖt nªn th«ng h¬i cña
lß ®−îc biÓu thÞ b»ng ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt: P (Mpa), t (0C). ¸p suÊt vµ qn qn
nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt ®−îc chän trªn c¬ së so s¸nh kinh tÕ kü thuËt cña chu tr×nh nhiÖt.
§èi víi lß h¬i c«ng nghiÖp trong c¸c nhµ m¸y c«ng nghiÖp, h¬i n−íc ë ®©y
th−êng lµ h¬i b·o hßa, ¸p suÊt h¬i t−¬ng øng víi nhiÖt ®é b·o hßa cÇn thiÕt cho qu¸
tr×nh c«ng nghÖ, do ®ã th«ng sè cña lo¹i lß h¬i nµy lµ ¸p suÊt P (Mpa).
2- S¶n l−îng h¬i cña lß:
S¶n l−îng h¬i cña lß lµ l−îng h¬i mµ lß s¶n xuÊt ra ®−îc trong mét ®¬n vÞ thêi
gian (kg/h hoÆc t/h hoÆc kg/s). Th−êng dïng 3 kh¸i niÖm s¶n l−îng.
- S¶n l−îng h¬i ®Þnh møc (D ): lµ s¶n l−îng h¬i lín nhÊt lß cã thÓ ®¹t ®−îc, ®m
®¶m b¶o vËn hµnh trong thêi gian l©u dµi, æn ®Þnh víi c¸c th«ng sè h¬i ®· cho mµ
kh«ng ph¸ hñy hoÆc g©y ¶nh h−ëng xÊu ®Õn chÕ ®é lµm viÖc cña lß.
- S¶n l−îng h¬i cùc ®¹i (D
): lµ s¶n l−îng h¬i lín nhÊt mµ lß cã thÓ ®¹t ®−îc, max
nh−ng chØ trong mét thêi gian ng¾n, nghÜa lµ lß kh«ng thÓ lµm viÖc l©u dµi víi s¶n
l−îng h¬i cùc ®¹i ®−îc. S¶n l−îng h¬i cùc ®¹i b»ng: D = (1,1 - 1,2) D (1-2) max ®m
- S¶n l−îng h¬i kinh tÕ lµ s¶n l−îng h¬i mµ ë ®ã lß lµm viÖc víi hiÖu qu¶ kinh tÕ
cao nhÊt. S¶n l−îng h¬i kinh tÕ b»ng: D = (0,8 - 0,9) D (1-3) kt ®m
3- HiÖu suÊt cña lß:
HiÖu suÊt cña lß lµ tØ sè gi÷a l−îng nhiÖt mµ m«i chÊt hÊp thô ®−îc (hay cßn
gäi lµ l−îng nhiÖt cã Ých) víi l−îng nhiÖt cung cÊp vµo cho lß (sinh ra trong buång
löa). HiÖu suÊt cña lß ký hiÖu b»ng η, ®−îc x¸c ®Þnh: ' D i ( − i ) qn hn η = (1-4) lv BQ t Trong ®ã:
D lµ s¶n l−îng h¬i, (kg/h);
i lµ entanpi cña h¬i qu¸ nhiÖt, (Kj/kg); qn
i’hn lµ entanpi cña n−íc ®i vµo bé h©m nø¬c, (Kj/kg);
B lµ l−îng nhiªn liÖu tiªu hao trong mét giê, (kg/h);
Q lv: NhiÖt trÞ thÊp lµm viÖc cña nhiªn liÖu, (Kj/kg). t
4- NhiÖt thÕ thÓ tÝch cña buång löa:
NhiÖt thÕ thÓ tÝch cña buång löa lµ l−îng nhiÖt sinh ra trong mét ®¬n vÞ thêi 7
gian trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña buång löa. lv BQ t q = , (W/m3) (1-5) v Vbl Trong ®ã:
V : ThÓ tÝch buång löa, (m3); B, (kg/s), bl
§èi víi c¸c lß h¬i nhá, ng−êi ta cßn chó ý ®Õn c¸c ®Æc tÝnh sau ®©y
5- NhiÖt thÕ diÖn tÝch trªn ghi:
NhiÖt thÕ diÖn tÝch trªn ghi lµ nhiÖt l−îng sinh ra trong mét ®¬n vÞ thêi gian
trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt cña ghi: BQlv q t = , (W/m2) (1-6) r R
R: diÖn tÝch mÆt ghi, (m2).
6- N¨ng suÊt bèc h¬i cña bÒ mÆt sinh h¬i:
N¨ng suÊt bèc h¬i cña bÒ mÆt sinh h¬i lµ kh¶ n¨ng bèc h¬i cña mét ®¬n vÞ diÖn
tÝch bÒ mÆt ®èt (bÒ mÆt sinh h¬i) trong mét ®¬n vÞ thêi gian, ký hiÖu lµ S, th−êng dïng
cho c¸c lß h¬i c«ng nghiÖp c«ng suÊt nhá. D S = , (kg/m2h) (1-7) H
D: S¶n l−îng h¬i cña lß, (kg/h);
H: diÖn tÝch bÒ mÆt sinh h¬i (bÒ mÆt ®èt), (m2). 8 Ch−¬ng 2
Nhiªn liÖu vµ qu¸ tr×nh ch¸y 2.1. Nhiªn liÖu
2.1.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiªn liÖu
Nhiªn liÖu lµ nh÷ng vËt chÊt khi ch¸y ph¸t ra ¸nh s¸ng vµ nhiÖt n¨ng. Trong
c«ng nghiÖp th× nhiªn liÖu ph¶i ®¹t c¸c yªu cÇu: Cã s½n trong tù nhiªn víi tr÷ l−îng
lín, dÔ khai th¸c, gi¸ thµnh rÎ, khi ch¸y kh«ng sinh ra c¸c chÊt g©y nguy hiÓm.
Nhiªn liÖu cã thÓ ph©n thµnh hai nhãm chÝnh: nhiªn liÖu v« c¬ vµ nhiªn liÖu h÷u c¬.
2.1.1.1. Nhiªn liÖu h÷u c¬:
Nhiªn liÖu h÷u c¬ lµ nhiªn liÖu cã s½n trong thiªn nhiªn do qu¸ tr×nh ph©n hñy
h÷u c¬ t¹o thµnh. Nhiªn liÖu h÷u c¬ th−êng dïng trong lß h¬i c«ng nghiÖp vµ n¨ng l−îng cã 3 lo¹i: + KhÝ thiªn nhiªn.
+ Nhiªn liÖu láng: dÇu nhÑ (Diezen DO), dÇu nÆng (dÇu ®en FO).
+ Nhiªn liÖu r¾n: theo tuæi h×nh thµnh nhiªn liÖu ta cã gç, than bïn, than n©u,
than mì, than ®¸, nöa antraxit vµ antraxit (c¸m).
2.1.1.2. Nhiªn liÖu v« c¬:
Nhiªn liÖu v« c¬ lµ nhiªn liÖu h¹t nh©n, ®−îc dïng trong c¸c lß h¬i cña nhµ
m¸y ®iÖn nguyªn tö. Nã sinh nhiÖt do ph¶n øng ph©n hñy h¹t nh©n cña mét sè ®ång vÞ
c¸c nguyªn tè nÆng nh−: ®ång vÞ cña uran U235 ; ®ång vÞ cña uran U238 t¹o ra pr«tn
P238. Kh¶ n¨ng to¶ nhiÖt cña nhiªn liÖu h¹t nh©n rÊt l¬n, cã thÓ ®¹t 8.1010 kj/kg.
Trong gi¸o tr×nh nµy chóng ta chØ nghiªn cøu nhiªn liÖu h÷u c¬.
2.1.2. Thµnh phÇn nhiªn liÖu
Nhiªn liÖu bao gåm nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng bÞ oxy hãa gäi lµ chÊt ch¸y vµ
nh÷ng chÊt kh«ng thÓ bÞ oxy hãa gäi lµ chÊt tr¬.
Nhiªn liÖu th−êng ®−îc ph©n tÝch theo thµnh phÇn c¸c chÊt t¹o nªn chóng.
Thµnh phÇn cña mét chÊt nµo ®ã trong nhiªn liÖu lµ tû sè gi÷a khèi l−îng hoÆc thÓ
tÝch cña chÊt ®ã víi tæng khèi l−îng hoÆc thÓ tÝch nhiªn liÖu ta ®ang kh¶o s¸t.
Thµnh phÇn cña tÊt c¶ c¸c lo¹i nhiªn liÖu bao gåm: Cacbon (C), Hy®ro (H ), 2
L−u huúnh (S), Hy®r«carbua (C H ), Nit¬ (N ), Oxy (O ), §é tro (A), §é Èm (W). m n 2 2
Tuú thuéc lo¹i nhiªn liÖu vµ tuæi h×nh thµnh mµ tû lÖ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn liÖu sÏ kh¸c nhau. 10
2.1.2.1. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu khÝ:
Nhiªn liÖu khÝ lµ hçn hîp cña c¸c khÝ ch¸y vµ kh«ng ch¸y. Thµnh phÇn chñ
yÕu cña nhiªn liÖu khÝ bao gåm: hydro H , metan CH , hydrocacbua C H , sunphua 2 4 n m
hydro H S, oxyt cabon CO, l−u huúnh S, . . . . . Nhiªn liÖu khÝ cã nhiÒu −u ®iÓm mh−: 2
dÔ v©n chuyÓn, dÔ ®èt, dÔ ®iÒu chØnh qu¸ tr×nh ch¸y, gÇn nh− kh«ng cã tro nªn s¹ch,
kh«ng mµi mßn, kh«ng b¸m bÈn. v . v . v .
KhÝ hay hçn hîp khÝ cã thÓ sö dông ®Ó ®èt víi møc ®é lín trong c«ng nghiÖp
®−îc gäi lµ khÝ ®èt (kh«ng kÓ c¸c khÝ ®Ó sinh nhiÖt cho nh÷ng môc ®Ých ®Æc biÖt nh−
®Ó hµn axetylenhydro,....). Tuú theo hµm l−îng t−¬ng ®èi cña c¸c thµnh phÇn khÝ mµ
c¸c khÝ cã nhiÖt trÞ vµ nh÷ng tÝnh chÊt kh¸c nhau.
Hy®rocacbon lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña khÝ dÇu, cã c«ng thøc tæng qu¸t lµ C H
, víi n lµ sè nguyªn tö cã trong m¹ch. C¸c hydrocacbua nµy lµ lo¹i n 2n+2
hydrocacbon no vµ tªn gäi tËn cïng b»ng -an: mªtan CH , ªtan C H , Propan C H , 4 2 6 3 8
butan C H , hexan C H , heptan C H ,.. c¸c hydrocacbua parafin ë thÓ khÝ. 4 10 6 14 7 16
* C¸ch biÓu thÞ thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ:
Thµnh phÇn nhiªn liÖu khÝ ®−îc x¸c ®Þnh theo phÇn tr¨m thÓ tÝch cña tõng chÊt
khÝ thµnh phÇn, ë ®©y cã mÆt tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn liÖu:
[CO] + [H ] + [C H ] + [CO ] + [N ] + [O ] = 100% (2-1) 2 m n 2 2 2
CÇn chó ý r»ng hµm l−îng h¬i n−íc trong khÝ ®èt kh«ng ®−îc ®−a ra d−íi
d¹ng thµnh phÇn thÓ tÝch mµ ®−îc biÓu thÞ qua ®é Èm t−¬ng ®èi nh− ®èi víi kh«ng khÝ Èm, ϕ = p / p h h. max
2.1.2.2. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu láng
Thµnh phÇn chñ yÕu cña dÇu lµ: Cacbon(C = 82-87%), Hy®ro (H = 11-14%). 2
Ngoµi ra cßn cã c¸c nguyªn tè kh¸c nh−: S = 1÷4% ; N = 0,001-1,8%; 0 = 2 2
0,05-1,0%; vµ mét l−îng rÊt nhá tÝnh b»ng ppm c¸c nguyªn tè nh− halogen (clo, Iod),
c¸c kim lo¹i (vanadi, Niken, Volfram, . . .).
* §Æc ®iÓm dÇu th« ViÖt Nam (®¹i diÖn lµ má B¹ch hæ, má ®¹i Hïng):
DÇu th« ViÖt Nam thuéc lo¹i nhÑ võa ph¶i, cã tû träng kho¶ng 0,83 ÷ 0,85,
trong ®ã: dÇu ë má B¹ch hæ lµ 0,8319 (36,6 0API); ë má §¹i hïng lµ 0,8403 (36,9
0API), trong khi ®ã DÇu th« Angieri d = 0,830; Venªzuªla d = 0,948)
DÇu th« ViÖt nam lµ lo¹i dÇu s¹ch, chøa Ýt c¸c chÊt ®éc tè, rÊt Ýt l−u huúnh, nit¬ vµ kim lo¹i nÆng.
2.1.2.3. Thµnh phÇn cña nhiªn liÖu r¾n
Trong nhiªn liÖu r¾n cã: Cacbon(C), Hy®ro (H), ¤xi (O), Nit¬ (N), L−u huúnh
(S), ®é tro (A) vµ ®é Èm (W). C¸c nguyªn tè hãa häc trong nhiªn liÖu ®Òu ë d¹ng liªn
kÕt c¸c ph©n tö h÷u c¬ rÊt phøc t¹p nªn khã ch¸y.
* Cacbon: C¸c bon lµ thµnh phÇn ch¸y chñ yÕu trong nhiªn liÖu r¾n, cã thÓ
chiÕm tíi 95% khèi l−îng nhiªn liÖu. Khi ch¸y 1kg c¸c bon táa ra mét nhiÖt l−îng
kh¸ lín, kho¶ng 34150 KJ/Kg, gäi lµ nhiÖt trÞ cña c¸c bon, do vËy nhiªn liÖu cµng
nhiÒu c¸c bon th× nhiÖt trÞ cµng cao. Tuæi h×nh thµnh than cµng cao th× l−îng c¸c bon 11
chøa ë than cµng nhiÒu nghÜa lµ nhiÖt trÞ cµng cao. *
Hy®ro: Hy®ro lµ thµnh phÇn ch¸y quan träng cña nhiªn liÖu r¾n. Tuy l−îng
hy®ro trong nhiªn liÖu rÊt it, tèi ®a chØ ®Õn 10% khèi l−îng nhiªn liÖu, nh−ng nhiÖt trÞ
cña Hy®r« rÊt lín. Khi ch¸y, 1kg Hy®ro táa ra mét nhiÖt l−îng kho¶ng 144.500 KJ/Kg . *
L−u huúnh: Tuy lµ mét thµnh phÇn ch¸y, nh−ng l−u huúnh lµ mét chÊt cã h¹i
trong nhiªn liÖu v× khi ch¸y t¹o thµnh SO th¶i ra m«i tr−êng rÊt ®éc vµ SO g©y ¨n 2 3
mßn kim lo¹i rÊt m¹nh, ®Æc biÖt SO t¸c dông víi n−íc t¹o thµnh axÝt H SO . §ång 2 2 4
thêi sù cã mÆt cña c¸c chÊt nµy sÏ lµm t¨ng ®¸ng kÓ nhiÖt ®é ®äng s−¬ng cña khãi. VÝ
dô khi ®èt dÇu víi hÖ sè kh«ng khÝ thõa 1,25, nÕu kh«ng cã l−u huúnh th× nhiÖt ®é
®äng s−¬ng kho¶ng 500C, nÕu cã 1% l−u huúnh th× nhiÖt ®é ®äng s−¬ng t¨ng lªn ®Õn
kho¶ng 1300C sÏ lµm t¨ng nguy c¬ ¨n mßn ë nhiÖt ®é thÊp bé sÊy kh«ng khÝ. Muèn
tr¸nh nã th× buéc ph¶i t¨ng nhiÖt ®é khãi tho¸t, lµm t¨ng tæn thÊt nhiÖt do khãi th¶i vµ
lµm gi¶m hiÖu suÊt lß. Tû lÖ l−u huúnh trong nhiªn liÖu r¾n kho¶ng 7-8%, trong nhiªn
liÖu láng kho¶ng 1-3%, trong nhiªn liÖu khÝ gÇn nh− kh«ng cã l−u huúnh.
L−u huúnh tån t¹i d−íi 3 d¹ng: liªn kÕt h÷u c¬ S , kho¸ng chÊt S vµ liªn kÕt hc k Sunfat S . SP S = S + S + S hc k sp
L−u huúnh h÷u c¬ vµ kho¸ng chÊt cã thÓ tham gia qu¸ tr×nh ch¸y gäi lµ l−u
huúnh ch¸y, cßn l−u huúnh Sunfat th−êng n»m d−íi d¹ng CaSO , MgSO ...kh«ng 4 4
tham gia qu¸ tr×nh ch¸y mµ t¹o thµnh tro cña nhiªn liÖu. *
Nit¬: Nit¬ lµ thµnh phÇn v« Ých trong nhiªn liÖu v× sù cã mÆt cña nã trong
nhiªn liÖu sÏ lµm gi¶m c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu, do ®ã lµm gi¶m nhiÖt
trÞ chung cña nhiªn liÖu. Ë nhiÖt ®é thÊp h¬n 10000C th× nit¬ kh«ng tham gia ph¶n øng
mµ gi¶i phãng ra ë d¹ng tù do, khi nhiÖt ®é trªn 10000C th× nit¬ ch¸y ®−îc t¹o thµnh
oxynit¬ NO g©y nguy h¹i cho m«i tr−êng. Trong nhiªn liÖu nit¬ chiÕm kho¶ng 0,5 x ®Õn 2,5%.
* ¤xi: Tuy lµ thµnh phÇn ch¸y, nh−ng cã rÊt nhiÒu trong kh«ng khÝ, nªn sù cã
mÆt cña nã trong nhiªn liÖu sÏ lµm gi¶m c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu, do
®ã lµm gi¶m nhiÖt trÞ chung cña nhiªn liÖu, do ®ã sù cã nÆt cña oxy trong nhiªn liÖu lµ
kh«ng cÇn thiÕt. Nhiªn liÖu cµng non th× l−îng oxy cµng nhiÒu.
* C¸ch biÓu thÞ thµnh phÇn nhiªn liÖu r¾n hoÆc láng:
Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng ph©n tÝch nhiªn liÖu theo thµnh phÇn khèi l−îng
ë c¸c d¹ng mÉu kh¸c nhau nh−: mÉu lµm viÖc, mÉu kh«, mÉu ch¸y, dùa vµo ®ã cã thÓ
®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña c¸c qu¸ tr×nh khai th¸c, vËn chuyÓn vµ b¶o qu¶n ®Õn thµnh phÇn nhiªn liÖu.
B¶ng 2.3. B¶ng tÝnh ®æi c¸c mÉu nhiªn liÖu Méu MÉu cÇn t×m ®· biÕt Lµm viÖc Kh« Ch¸y H÷u c¬ Lµm 100 100 100 viÖc 1 lv lv lv lv 100 − lv lv W 100 − A − W 100 − S − A − W k 12 Kh« lv 100 − W 1 100 100 k − k k − + 100 100 A 100 (S A ) k Ch¸y lv lv 100 − A − W k 100 − A 100 1 c − 100 100 100 Sk H÷u c¬ lv lv lv 100 − A − W − S k k 100 − A − S c 100 − S k k k 1 100 100 100
§èi víi nhiªn liÖu r¾n hoÆc láng, thµnh phÇn nhiªn liÖu ®−îc x¸c ®Þnh theo
phÇn tr¨m khèi l−îng, cã thÓ biÓu thÞ theo c¸c lo¹i mÉu nhiªn liÖu sau:
MÉu lµm viÖc: lµ mÉu ë tr¹ng th¸i thùc tÕ, lÊy t¹i b·i chøa nhiªn liÖu tr−íc khi
cÊp vµo lß, ë mÉu nµy cã mÆt tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña nhiªn liÖu:
Clv + Hlv + S lv + Nlv + Olv + Alv + Wlv = 100% (2-2) c MÉu
kh«: SÊy mÉu lµm viÖc ë nhiÖt ®é 105 0C, thµnh phÇn Èm sÏ t¸ch khái
nhiªn liÖu (W= 0), khi ®ã ta cã mÉu nhiªn liÖu kh«:
Ck + Hk + S k + Nk + Ok + Ak = 100% (2-3) c
MÉu ch¸y: lµ mÉu trong ®ã chØ cã mÆt c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu: Cch + Hch + S + Nch + Och = 100% (2-4) c
MÉu h÷u c¬: lµ mÉu trong ®ã chØ cã mÆt c¸c thµnh phÇn h÷u c¬ cña nhiªn liÖu:
Cch + Hch + S ch + Nch + Och = 100% (2-5) c
Cã thÓ tÝnh ®æi tõ mÉu nhiªn liÖu nµy sang mÉu kh¸c theo c¸c c«ng thøc tõ (2-
3) ®Õn (2-5), ®−îc biÓu thÞ trªn b¶ng 2.3. 100 k 100 − A k k 100 − A − S vÝ dô: Ck = Clv. = Cch. = Chc. k lv 100 − W 100 100
2.1.3. §Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu
ViÖc lùa chän ph−¬ng ph¸p ®èt vµ sö dông nhiÖt l−îng gi¶i phãng tõ qu¸ tr×nh
ch¸y nhiªn liÖu phô thuéc nhiÒu vµo c¸c ®Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu. Trong
c«ng nghiÖp, ng−êi ta coi c¸c ®Æc tÝnh sau ®©y lµ ®Æc tÝnh c«ng nghÖ cña nhiªn liÖu:
®é Èm, chÊt bèc, cèc, tro vµ nhiÖt trÞ. 2.1.3.1. §é Èm:
§é Èm ký hiÖu lµ W, lµ l−îng n−íc chøa trong nhiªn liÖu, v× l−îng n−íc nµy
nªn nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu gi¶m xuèng. MÆt kh¸c khi nhiªn liÖu ch¸y cÇn cung cÊp
mét nhiÖt l−îng ®Ó bèc Èm thµnh h¬i n−íc.
§é Èm cña nhiªn liÖu ®−îc chia ra 2 lo¹i: §é Èm trong vµ ®é Èm ngoµi. 13
§é Èm trong cã s½n trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh nhiªn liÖu, th−êng ë d¹ng tinh
thÓ ngËm n−íc vµ chØ t¸ch ra khái nhiªn liÖu khi nung nhiªn liÖu ë nhiÖt ®é kho¶ng 8000C
§é Èm ngoµi xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh khai th¸c, vËn chuyÓn vµ b¶o qu¶n
nhiªn liÖu. §é Èm ngoµi t¸ch ra khái nhiªn liÖu khi sÊy ë nhiÖt ®é kho¶ng 1050C
2.1.3.2. ChÊt bèc vµ cèc:
Khi ®èt nãng nhiªn liÖu trong ®iÒu kiÖn kh«ng cã «xi ë nhiÖt ®é tõ 3000C trë
lªn th× cã chÊt khÝ tho¸t ra do sù ph©n hñy nhiÖt c¸c liªn kÕt h÷u c¬ cña nhiªn liÖu.
Nã lµ thµnh phÇn ch¸y ë thÓ khÝ gåm: hy®r«, cacbuahy®r«, cacbon, oxitcacbon, oxi vµ
nit¬ . . . . ®−îc gäi lµ chÊt bèc, ký hiÖu lµ Vc. Nhiªn liÖu cµng giµ th× l−îng chÊt bèc
cµng Ýt, nh−ng nhiÖt trÞ cña chÊt bèc cµng cao, l−îng chÊt bèc cña nhiªn liÖu thay ®æi
trong ph¹m vi: than Anfratxit 2-8%, than ®¸ 10-45%, than bïn 70%, gç 80%. Nhiªn
liÖu cµng nhiÒu chÊt bèc cµng dÔ ch¸y.
Sau khi chÊt bèc bèc ra, phÇn r¾n cßn l¹i cña nhiªn liÖu cã thÓ tham gia qu¸
tr×nh ch¸y gäi lµ cèc. Nhiªn liÖu cµng nhiÒu chÊt bèc th× cèc cµng xèp, nhiªn liÖu
cµng cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao. Khi ®èt nhiªn liÖu Ýt chÊt bèc nh− than antraxit, cÇn
thiÕt ph¶i duy tr× nhiÖt ®é ë vïng bèc ch¸y cao, ®ång thêi ph¶i t¨ng chiÒu dµi buång
löa ®Ó ®¶m b¶o cho cèc ch¸y hÕt tr−íc khi ra khái buång löa.
2.1.3.3. §é tro:
§é tro ký hiÖu lµ A, tro cña nhiªn liÖu lµ phÇn r¾n ë d¹ng chÊt kho¸ng cßn l¹i
sau khi nhiªn liÖu ch¸y. Thµnh phÇn cña nã gåm mét sè hçn hîp kho¸ng nh− ®Êt sÐt,
c¸t, pyrit s¾t, oxit s¾t, . . . Sù cã mÆt cña nã lµm gi¶m thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn
liÖu, do ®ã gi¶m nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu. Trong qóa tr×nh ch¸y, d−íi t¸c dông cña nhiÖt
®é cao mét phÇn bÞ biÕn ®æi cÊu tróc, mét phÇn bÞ ph©n hñy nhiÖt, bÞ oxy hãa nh−ng chñ yÕu biÕn thµnh tro.
§é tro cña mét sè lo¹i nhiªn liÖu trong kho¶ng: Than 15-30%, gç 0,5 ®Õn
1,0%, mazut 0,2 ®Õn 0,3%, khÝ 0%, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®èt nhiªn liÖu ë nhiÖt ®é
8500C víi nhiªn liÖu r¾n, ë 5000C víi nhiªn liÖu láng cho ®Õn khi khèi l−îng cßn l¹i
hoµn toµn kh«ng thay ®æi.
T¸c h¹i cña tro: sù cã mÆt cña tro trong nhiªn liÖu lµm gi¶m nhiÖt trÞ cña
nhiªn liÖu, c¶n trë qu¸ tr×nh ch¸y. Khi bay theo khãi qua c¸c bÒ mÆt ®èt, tro sÏ mµi
mßn c¸c bÒ mÆt ®èt cña lß h¬i. Mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh quan träng cña tro ¶nh
h−ëng ®Õn ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña lß lµ nhiÖt ®é nãng ch¶y cña tro. ë nhiÖt ®é nµy tro
sÏ ch¶y láng nªn rÊt dÔ b¸m lªn v¸ch èng, ng¨n c¶n sù trao ®æi nhiÖt gi÷a khãi víi
m«i chÊt trong èng vµ lµm t¨ng nhiÖt ®é v¸ch èng g©y nguy hiÓm cho èng. NhiÖt ®é
nãng ch¶y cña tro trong kho¶ng tõ 12000C ®Õn 14250C. Tro cã nhiÖt ®é ch¶y cµng
thÊp th× cµng cã nhiÒu kh¶ n¨ng t¹o xØ b¸m lªn c¸c bÒ mÆt èng cña lß. 14
NhiÖt ®é nãng ch¶y cña tro ®−îc
x¸c ®Þnh trong phßng thÝ nghiÖm b»ng
c¸ch nung mÉu tro ®−îc Ðp thµnh h×nh
th¸p cao 20mm, cã ®¸y vu«ng mçi
c¹nh ®¸y b»ng 7mm. NhiÖt ®é mµ th¸p
b¾t ®Çu biÕn d¹ng gäi lµ nhiÖt ®é b¾t
H×nh 2.1. ®Æc tÝnh ch¶y cña tro.
®Çu biÕn d¹ng t . Khi th¸p tro b¾t ®Çu
1. b¾t ®Çu biÕn d¹ng; 2. b¾t ®Çu mÒm; 1
mÒm gäi lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu mÒm t . 1 3. b¾t ®Çu ch¶y.
Khi th¸p tro b¾t ®Çu ch¶y biÕn thµnh
láng gäi lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu ch¶y t . 3
Khi nhiÖt ®é b¾t ®Çu ch¶y t < 12000C lµ tro dÔ ch¶y, 3
12000C < t < 142500C lµ tro cã ®é ch¶y trung b×nh, 3
t > 142500C lµ tro khã ch¶y. 3
2.1.3.4. NhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu.
NhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu lµ l−îng nhiÖt to¶ ra khi ch¸y hoµn toµn 1kg nhiªn liÖu
r¾n hoÆc láng hay 1m3 tiªu chuÈn nhiªn liÖu khÝ (kj/kg, kj/m3 ). tc
Tuú thuéc vµo c¸ch ®èt vµ lµm nguéi s¶n phÈm ch¸y, ng−êi ta ph©n biÖt nhiÖt
trÞ cña nhiªn liÖu thµnh niÖt trÞ cao vµ nhiÖt trÞ thÊp.
§Ó so s¸nh c¸c lo¹i nhiªn liÖu víi nhau, ng−êi ta th−êng dïng kh¸i niÖm nhiªn
liÖu tiªu chuÈn, lµ nhiªn liÖu cã nhiÖt trÞ Q = 7000 Kcal/kg (29330 Kj/kg). t
*. NhiÖt trÞ thÊp Q lv [kJ/kg hay kJ/m3] t
NhiÖt trÞ thÊp lµ nhiÖt trÞ kh«ng kÓ ®Õn l−îng nhiÖt ng−ng tô h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y.
Trong c¸c buång löa thùc tÕ th«ng th−êng nhiÖt ®é cña khãi ra khái lß cao h¬n
nhiÖt ®é ng−ng tô h¬i n−íc, v× kh«ng cho phÐp lµm nguéi s¶n phÈm ch¸y xuèng nhiÖt
®é thÊp h¬n nhiÖt ®é ®äng s−¬ng ®Ó tr¸nh hiÖn t−îng ¨n mßn thiÕt bÞ ë nhiÖt ®é thÊp,
tøc lµ trong c¸c thiÕt bÞ c«ng nghiÖp kh«ng cã qu¸ tr×nh ng−ng tô h¬i n−íc trong khãi.
NghÜa lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu khi ch¸y trong thiÕt bÞ thùc tÕ lµ nhiÖt trÞ thÊp.
*. NhiÖt trÞ cao Q lv [kJ/kg hay kJ/m3], c
NhiÖt trÞ cao lµ nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu khi cã kÓ ®Õn l−îng nhiÖt to¶ ra do
ng−ng tô h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y khi s¶n phÈm ch¸y ®−îc lµm nguéi tíi nhiÖt
®é gèc (hay cßn gäi lµ nhiÖt ®é c©n b»ng, lµ nhiÖt ®é m«i tr−êng th−êng lÊy b»ng 250C).
Th«ng th−êng trong s¶n phÈm ch¸y cã h¬i n−íc, nÕu h¬i n−íc ®ã ng−ng tô
thµnh n−íc sÏ táa ra mét l−îng nhiÖt. Khi x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ cao, ng−êi ta ®· tÝnh ®Õn
nhiÖt l−îng ng−ng tô cña toµn bé l−îng h¬i n−íc cã nguån gèc tõ nhiªn liÖu cã trong
s¶n phÈm ch¸y, v× ë nhiÖt ®é gèc, phÇn lín l−îng n−íc nµy ®· ng−ng tô.
NhiÖt trÞ cao ®−îc dïng khi tÝnh to¸n trong ®iÒu kiÖn phßng thÝ nghiÖm.
NhiÖt trÞ thÊp chØ kh¸c nhiÖt trÞ cao ë chç lµ khi x¸c ®Þnh nã, ng−êi ta kh«ng
tÝnh ®Õn nhiÖt ng−ng tô cña h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y, mÆc dï cã thÓ ®−îc lµm
nguéi tíi nhiÖt ®é gèc nh−ng vÉn gi¶ thiÕt lµ trong s¶n phÈm ch¸y kh«ng x¶y ra qu¸
tr×nh ng−ng tô h¬i n−íc. 15
NÕu gäi l−îng n−íc ®−îc h×nh thµnh khi ch¸y mét ®¬n vÞ nhiªn liÖu lµ m H O 2
vµ nhiÖt Èn ho¸ h¬i cña n−íc ë 250C lµ r = 2442,5 kJ/kg, th× quan hÖ gi÷a Q vµ Q cã t c d¹ng: Q lv = Q lv + 2442,5. m ,kj/kg; (2-6a) c t H O 2 lv lv ⎛ w H ⎞ HoÆc: Q lv = Q lv + 2442,5. + 9 ,kj/kg; (2-6b) c t ⎜ ⎟ 100 100 ⎝ ⎠
*. X¸c ®Þnh nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu
Cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt trÞ theo hai c¸ch: Thùc nghiÖm vµ tÝnh to¸n.
Khi x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiªm, ng−êi ta ®o trùc tiÕp l−îng nhiÖt to¶ ra khi
ch¸y nhiªn liÖu bom nhiÖt l−îng kÕ (calorimet). H×nh 2.2 tr×nh bµy cÊu t¹o bom nhiÖt
l−îng kÕ. Mét l−îng nhiªn liÖu x¸c ®Þnh hay mét dßng nhiªn liÖu cã l−u l−îng æn
®Þnh ®−îc ®èt ch¸y hoµn toµn b»ng O ë ¸p suÊt tõ 2,5 ®Õn 3,0Mpa trong b×nh b»ng 2
thÐp gäi lµ “bom nhiÖt l−îng kÕ”. Bom ®−îc ®Æt trong thïng nhiÖt l−îng kÕ chøa ®Çy
n−íc (ngËp bom). §Ó gi¶m kh¶ n¨ng to¶ nhiÖt ra m«i tr−êng xung quanh, thïng nhiÖt
l−îng kÕ ®−îc ®Æt trong mét b×nh c¸ch nhiÖt hai vá. S¶n phÈm ch¸y ®−îc lµm nguéi
tíi nhiÖt ®é gèc nªn l−îng h¬i n−íc trong s¶n phÈm ch¸y còng ng−ng tô vµ to¶ nhiÖt.
NhiÖt l−îng to¶ ra khi nhiªn liÖu ch¸y b»ng nhiÖt l−îng nung nãng thiÕt bÞ vµ n−íc
trong ®ã. NÕu x¸c ®Þnh l−îng n−íc lµm m¸t vµ ®é chªnh nhiÖt ®é cña n−íc khi vµo vµ
ra khái ¸o n−íc, ta dÔ dµng x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt trÞ cao Q . NhiÖt trÞ thÊp Q ®−îc tÝnh c t
theo (2-6a) khi ®o l−îng n−íc ng−ng tô tõ s¶n phÈm ch¸y hoÆc (2-6b) khi tÝnh theo thµnh phÇn nhiªn liÖu.
Do nhiÖt trÞ cao kh«ng cã ý nghÜa trong c¸c thiÕt bÞ kü thuËt nªn ®Ó ®¬n gi¶n,
trong gi¸o tr×nh nµy ta nãi nhiÖt trÞ nghÜa lµ nhiÖt trÞ thÊp.
Chóng ta biÕt qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu lµ ch¸y c¸c thµnh phÇn cã thÓ ch¸y
®−îc cña nhiªn liÖu, nghÜa lµ nhiÖt l−îng to¶ ra sÏ phô thuéc vµo nhiÖt trÞ nhiªn liÖu.
Hay nãi c¸ch kh¸c, nhiÖt trÞ nhiªn liÖu phô thuéc vµo nhiÖt trÞ vµ tû lÖ thµnh phÇn c¸c
chÊt cÊu thµnh nhiªn liÖu. Bëi vËy trong tr−êng hîp kh«ng cã ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh b»ng
thùc nghiÖm c¸c lo¹i nhiÖt trÞ cña nhiªn liÖu, cã thÓ sö dông c¸c c«ng thøc kinh
nghiÖm sau ®©y ®Ó tÝnh to¸n:
+ Nhiªn liÖu r¾n vµ láng, [kJ/kg]
Q = 418,6.[81,3C + 297H + 15N + 45,6S - 23,5.O], (2-7a) C
Q = 418,6.[81,3C + 243H + 15N + 45,6S - 23,5.O – 6W], (2-7b) t
+ Nhiªn liÖu khÝ, [kJ/m3]
Q = 418,6.{30,2[CO] + 30,5[H ] + 95[CH ] + 166[C H ] + 237[C H ] + C 2 4 2 6 3 8
+ 307[C H ] + 377[C H ] + 150[C H ] + 220[C H ] + 4 10 5 12 2 4 3 6
+ 290[C H ] + 360[C H ] + 350[C H ] + 61[H S]}, (2-8a) 4 8 5 10 6 6 2
Q = 418,6.{30,2[CO] + 25,8[H ] + 85,5[CH ] + 155[C H ] + 218[C H ] + t 2 4 2 6 3 8
+ 283[C H ] + 349[C H ] + 141[C H ] + 205[C H ] + 4 10 5 12 2 4 3 6
+ 271[C H ] + 337[C H ] + 335[C H ] + 56[H S]}. (2-8b) 4 8 5 10 6 6 2
2.1.4.C¸c lo¹i nhiªn liÖu th−êng dïng trong lß h¬i 16
2.1.4.1.Nhiªn liÖu khÝ
Cã thÓ ph©n lo¹i nhiªn liÖu khÝ theo nh÷ng c¸ch kh¸c nhau: theo nguån gèc,
theo nhiÖt trÞ, theo môc ®Ých sö dông.... Thùc tÕ trong lß h¬i th−êng sö dông khÝ thiªn nhiªn, khÝ dÇu má.
a) KhÝ thiªn nhiªn: KhÝ thiªn nhiªn t¹o thµnh tõng má ë trong lßng ®Êt, thµnh
phÇn chñ yÕu cña khÝ thiªn nhiªn lµ khÝ metan CH (93 ÷99%), cßn l¹i lµ c¸c 4
khÝ kh¸c nh− etan (C H ), propan (C H ), butan (C H ); Q = 35- 45 MJ/m3. 2 6 3 8 4 10 t
b) KhÝ dÇu má: Gåm khÝ ®ång hµn vµ khÝ ng−ng tô:
* KhÝ ®ång hµnh cßn gäi lµ khÝ läc dÇu: lµ khÝ lÉn trong dÇu má, ®−îc h×nh
thµnh cïng víi dÇu, thµnh phÇn chñ yÕu lµ c¸c khÝ nÆng nh−: propan (C H ), butan 3 8
(C H ), Pentan(C H ) . . . . cßn ®−îc gäi lµ khÝ dÇu má. 4 10 5 12
* KhÝ ng−ng tô (condensate): thùc chÊt lµ d¹ng trung gian gi÷a dÇu má vµ khÝ
(phÇn cuèi cña khÝ vµ phÇn ®Çu cña dÇu), bao gåm c¸c hydrocacbon nh− propan,
butan vµ mét sè hydrocacbon láng kh¸c nh− pentan, hexam, thËm chÝ
hydrocacbon naphtenic vµ aromic ®¬n gi¶n . ë ®iÒu kiÖn th−êng khÝ ng−ng tô ë
d¹ng láng. KhÝ ng−ng tô lµ nguyªn liÖu quý ®Ó s¶n xuÊt LPG vµ sö dông trong
tæng hîp hãa dÇu. Khi hãa láng thÓ tÝch cña c¸c hydrocacbon gi¶m, vÝ dô 1 lÝt
propan láng cho 270 lÝt h¬i ë 1 at, 1 lÝt butan láng cho 238 lÝt h¬i ë 1 at.
2.1.4.2. Nhiªn liÖu láng
DÇu cã thÓ khai th¸c tõ 3 nguån sau ®©y: DÇu kho¸ng chÊt (chÕ biÕn tõ nguyªn
liÖu dÇu má); DÇu tæng hîp (chÕ biÕn tõ than ®¸ hoÆc than n©u); DÇu ®¸ (khai th¸c tõ c¸c vØa ®¸ dÇu).
DÇu th−êng dïng ®Ó ®èt trong lß h¬i thuéc nhãm dÇu kho¸ng. DÇu kho¸ng
®−îc chia thµnh 5 lo¹i: dÇu ®Æc biÖt nhÑ (EL), cßn gäi lµ dÇu DO; dÇu nhÑ (L); dÇu
nhÑ trung b×nh (M); dÇu nÆng (S) vµ dÇu ®Æc biÖt nÆng (ES).
Th−êng dïng ®Ó ®èt trong lß h¬i lµ 2 lo¹i: dÇu ®Æc biÖt nhÑ (EL), cßn gäi lµ
dÇu DO, cã khèi l−îng riªng nhá h¬n n−íc vµ dÇu nÆng (S) hay cßn gäi lµ dÇu FO, cã
khèi l−îng riªng lín h¬n n−íc.
B¶ng 2.4 tr×nh bµy tÝnh chÊt cña hai lo¹i dÇu kho¸ng quan träng nhÊt. C¸c gi¸
trÞ ë ®©y lµ yªu cÇu tèi thiÓu, trong thùc tÕ chóng th−êng cã tÝnh chÊt tèt h¬n.
B¶ng 2.4. TÝnh chÊt cña hai lo¹i dÇu quan träng nhÊt. TÝnh chÊt DÇu EL (DO) DÇu S (FO)
Khèi l−îng riªng ë 150C [kg/m3] 860 ≈ 940 §iÓm löa [0C] 55 65
§é nhít ®éng häc, max [mm2/s] ë: 200C 6 - 500C - 450 1000C - 40
Hµm l−îng l−u huúnh, max [%] 0,8 2,8
Hµm l−îng n−íc, max [%] 0,1 0,5
ChÊt kh«ng hoµ tan, max [%] 0,05 0,5 NhiÖt trÞ thÊp Q [Mj/kg] ≥ t 41,868 ≥ 39,775 §é tro, max [%] 0,01 0,15 17
2.1.4.3. C¸c lo¹i nhiªn liÖu r¾n
Theo tuæi h×nh thµnh tõ thÊp lªn cao ta cã c¸c lo¹i nhiªn liÖu r¾n theo thø tù
sau: Gç, than bïn, than n©u, than ®¸, than nöa antraxit vµ antraxit.
Nhiªn liÖu cµng non th× cµng nhiÒu chÊt bèc, cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao, cµng
dÔ ch¸y, cèc cµng xèp, nh−ng l−îng c¸cbon Ýt nªn nhiÖt trÞ thÊp.
Nhiªn liÖu cµng giµ (tuæi h×nh thµnh than cµng cao) th× l−îng chÊt bèc cµng Ýt,
cµng khã ch¸y, nh−ng l−îng c¸c bon chøa ë than cµng nhiÒu nghÜa lµ nhiÖt trÞ cµng cao.
Khi ®èt nhiªn liÖu Ýt chÊt bèc nh− than antraxit, cÇn thiÕt ph¶i duy tr× nhiÖt ®é
ë vïng bèc ch¸y cao, ®ång thêi ph¶i t¨ng chiÒu dµi buång löa ®Ó ®¶m b¶o cho cèc
ch¸y hÕt tr−íc khi ra khái buång löa.
* Gç vµ c¸c phô phÈm cña n«ng l©m s¶n: §©y lµ lo¹i nhiªn liÖu cã tuæi Ýt nhÊt.
L−îng chÊt bèc cao, kho¶ng 80 ®Õn 85% nªn dÔ ch¸y. Thµnh phÇn kh¸ æn ®Þnh gåm:
50% Cc, 43% Oc, 6% Hc, kho¶ng 0,5 ®Õn 1% Nc . Trong gç gÇn nh− kh«ng cã S, ®é tro
rÊt nhá, th−êng Ac chiÕm kho¶ng 0,5 ®Õn 2% cßn ®é Èm ®èi víi gç kh« kho¶ng 20-
30%, ®èi víi gç t−¬i th× kho¶ng 50 ®Õn 60%. NhiÖt trÞ thÊp ®èi víi gç kh« kho¶ng
19.000kj/kg, ®èi víi gç t−¬i kh«ng qu¸ 12.000kj/kg. B· mÝa ®−îc ®èt trong nhµ m¸y
®−êng còng cã thµnh phÇn t−¬ng tù.
* Than bïn: Than bïn cã ®é Èm rÊt cao, Wlv cã thÓ tíi 90%, ®é tro Alv kho¶ng
7-15%, lµ lo¹i nhiªn liÖu dÔ ch¸y v× chÊt bèc Vc tíi 70%, nh−ng nhiÖt trÞ kh«ng cao,
th−êng Q lv kho¶ng tõ 8.500 ®Õn 12.000 kj/kg nªn Ýt ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp. t
* Than n©u: Than n©u cã ®é Èm Wlv tõ kho¶ng 18 ®Õn 60%, ®é tro Alv kho¶ng
10-50%, chÊt bèc Vc kho¶ng 30 ®Õn 50%, còng lµ lo¹i nhiªn liÖu dÔ ch¸y nh−ng nhiÖt
trÞ kh«ng cao v× l−îng carbon thÊp, th−êng Q lv kho¶ng tõ 8.500 ®Õn 12.000 kj/kg nªn t
Ýt ®−îc xÕp vµo lo¹i nhiªn liÖu ®Þa ph−¬ng.
* Than ®¸: cã tuæi h×nh thµnh t−¬nh ®èi cao, l−îng carbon t−¬ng ®èi lín, ®é
Èm thÊp, cßn l−îng chÊt bèc th× thay ®æi trong ph¹m vi réng tõ 9 ®Õn 50%, nhiÖt trÞ
Q lv thay ®æi trong ph¹m vi tõ 33.000 ®Õn 38.000 kj/kg. Cã thÓ chia thµnh 4 lo¹i nh− t sau:
- Than cã l−îng chÊt bèc Vc trªn 42% víi ngän löa dµi vµ xanh;
- Than khÝ (gas) cã l−îng chÊt bèc Vc tõ 35 ®Õn 42% dÔ ch¸y vµ ch¸y nhanh;
- Than mì (luyÖn cèc) cã l−îng chÊt bèc Vc tõ 18 ®Õn 28% cã ngän löa ng¾n
vµ s¸ng, th−êng dïng ®Ó luyÖn cèc;
- Than gÇy cã l−îng chÊt bèc Vc d−íi 17%, cã ngän löa ng¾n vµ vµng;
* Than Antraxit: lµ than cã tuæi h×nh thµnh cao nhÊt, nhiÒu carbon nhÊt Clv cã
thÓ tíi 95% vµ chÊt bèc Ýt nhÊt Vc kho¶ng 7 ®Õn 8%. Tuy chøa l−îng carbon cao
nh−ng l−îng hy®r« trong nã thÊp h¬n than trong ®¸ nªn nhiÖt trÞ thÊp h¬n than ®¸. V×
l−îng chÊt bèc Ýt nªn nhiÖt ®é b¾t löa cao vµ khã ch¸y. Khi ch¸y cã ngän löa xanh vµ
kh«ng khãi nªn gäi lµ than kh«ng khãi. Than cña ViÖt Nam chñ yÕu lµ lo¹i nµy. 18
2.2. C¬ së lý thuyÕt ch¸y
2.2.1. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n
2.2.1.1. Qu¸ tr×nh ch¸y
Qu¸ tr×nh ch¸y lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng ho¸ häc xÈy ra m·nh liÖt, ph¸t ra ¸nh
s¸ng vµ to¶ ra l−îng nhiÖt rÊt lín, ®ång thêi kÌm theo mét lo¹t c¸c biÕn hãa vËt chÊt
kh¸c, ®ã lµ tæng hîp c¸c hiÖn t−îng cña qu¸ tr×nh gi¶i phãng n¨ng l−îng, truyÒn nhiÖt
vµ chuyÓn hãa n¨ng l−îng.
Nghiªn cøu qu¸ tr×nh ch¸y tøc lµ nghiªn cøu b¶n chÊt c¸c hiÖn t−îng trªn, t×m
ra ®−îc c¸c mèi liªn hÖ vµ c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn nã, mµ trung t©m lµ nghiªn cøu
qu¸ tr×nh ®éng häc cña ph¶n øng ch¸y.
Qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng hãa häc gi÷a c¸c nguyªn tè
hãa häc cña nhiªn liÖu víi oxi vµ sinh ra nhiÖt, qu¸ tr×nh ch¸y cßn lµ qu¸ tr×nh oxi hãa.
ChÊt oxi hãa chÝnh lµ oxi cña kh«ng khÝ cÊp vµo cho qu¸ tr×nh ch¸y, chÊt bÞ
oxy hãa lµ c¸c nguyªn tè ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu. S¶n phÈm t¹o thµnh sau qu¸ tr×nh
ch¸y gäi lµ s¶n phÈm ch¸y (khãi).
Qu¸ tr×nh ch¸y cã thÓ xÈy ra hoµn toµn hoÆc kh«ng hoµn toµn.
Qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn: Qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn lµ qu¸ tr×nh ch¸y trong
®ã c¸c thµnh phÇn ch¸y ®−îc cña nhiªn liÖu ®Òu ®−îc oxi hãa hoµn toµn vµ s¶n phÈm
ch¸y cña nã gåm c¸c khÝ CO , SO , H O, N , vµ O . 2 2 2 2 2
Qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn: Qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn lµ qu¸ tr×nh
ch¸y trong ®ã cßn nh÷ng chÊt cã thÓ ch¸y ®−îc ch−a ®−îc « xi hãa hoµn toµn. Khi
ch¸y kh«ng hoµn toµn, ngoµi nh÷ng s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn trong khãi
cßn cã nh÷ng s¶n phÈm kh¸c: CO, H , CH . . . . 2 4
Nguyªn nh©n cña qu¸ tr×nh ch¸y kh«ng hoµn toµn cã thÓ lµ do: - Kh«ng ®ñ kh«ng khÝ,
- §ñ nh−ng ph©n bè kh«ng khÝ kh«ng ®Òu,
- Thµnh phÇn ch−a ch¸y bÞ gi¶m nhiÖt ®é xuèng d−íi nhiÖt ®é b¾t löa.
Trong c¸c thiÕt bÞ gia nhiÖt th× khi ch¸y kh«ng hoµn toµn sÏ l·m gi¶m n¨ng
suÊt to¶ nhiÖt vµ do ®ã lµm gi¶m hiÖu suÊt thiÕt bÞ.
2.2.1.2. VËn tèc ph¶n øng ho¸ häc
VËn tèc ph¶n øng hãa häc lµ vËn tèc thay ®æi nång ®é cña c¸c vËt chÊt tham gia ph¶n øng: dc v = ± τ , mol/m3.s; (2-9) d
C lµ nång ®é vËt chÊt tham gia ph¶n øng, mol/m3;
VËn tèc ph¶n øng ho¸ häc lµ ®¹o hµm bËc nhÊt cña nång ®é theo thêi gian, v×
vËy lu«n lu«n d−¬ng. Nã mang dÊu (+) khi x¸c ®Þnh ph¶n øng theo biÕn thiªn nång ®é
c¸c chÊt t¹o thµnh vµ dÊu (-) khi x¸c ®Þnh theo chÊt tham gia ph¶n øng. 19
2.2.1.3. §Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông
Theo ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông th× vËn tèc ph¶n øng tû lÖ víi tÝch s« nång
®é vËt chÊt tham gia ph¶n øng. VËn tèc ph¶n øng hãa häc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm.
Thùc tÕ th× bÊt kú ph¶n øng nµo còng ®Òu xÈy ra hai chiÒu: ph¶n øng thuËn vµ ph¶n øng nghÞch.
+ Trong tr−êng hîp ®¬n gi¶n khi sè ph©n tö cña c¸c vËt chÊt tham gia ph¶n
øng b»ng nhau, nghÜa lµ ph¶n øng cã d¹ng: A + B → C + D
th× vËn tèc ph¶n øng thuËn (chiÒu tõ tr¸i sang ph¶i) sÏ lµ: v = k .C .C , (2-10) 1 1 A B
Cßn vËn tèc ph¶n øng nghÞch (chiÒu tõ ph¶i sang tr¸i) sÏ lµ: v = k .C .C , (2-11) 2 2 C D
trong ®ã C , C , C , C – nång ®é cña c¸c chÊt A, B , C , D; A B C D
k , k - h»ng sè vËn tèc ph¶n øng hãa häc. 1 2
+ NÕu c¸c vËt chÊt tham gia ph¶n øng cã sè mol kh¸c nhau nh− ph¶n øng: a.A + b.B → c.C + d.D,
trong ®ã a, b, c, d lµ sè mol cña c¸c nguyªn tè A, B, C, D th× vËn tèc cña c¸c ph¶n øng thuËn vµ nghÞch sÏ lµ: v = k a b C C (2-12) 1 1 A B v = k c d C C (2-13) 2 2 C D
2.2.1.4. C©n b»ng ho¸ häc vµ h»ng sè c©n b»ng ho¸ häc
Khi ph¶n øng xÈy ra, nång ®é cña vËt chÊt ban ®Çu gi¶m dÇn nªn vËn tèc cña
ph¶n øng thuËn sÏ gi¶m ®i liªn tôc. Trong khi ®ã nång ®é c¸c s¶n phÈm do ph¶n øng
t¹o ra l¹i t¨ng dÇn lªn, do ®ã vËn tèc ph¶n øng nghÞch kh«ng ngõng t¨ng lªn. §Õn mét
thêi ®iÓm nµo ®ã, v©n tèc ph¶n øng thuËn b»ng vËn tèc ph¶n øng nghÞch (v = v ) tøc 1 2
lµ ph¶n øng ®· ®¹t tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng hãa häc, nghÜa lµ: a b c d k C . C . = k C . C . (2-14) 1 A B 2 C D Trong ®ã a b c d
C , C , C , C - nång ®é vËt chÊt A, B , C , D ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. A B C D
Tõ ®ã ta suy ra h»ng sè c©n b»ng: a b k C C 2 A B k = = (2-15) C c d k C C 1 C D
H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc biÓu thÞ b»ng nång ®é vËt chÊt nªn cßn gäi lµ h»ng
sè c©n b»ng nång ®é. Khi c¸c chÊt tham gia ph¶n øng ®Òu ë thÓ khÝ th× h»ng sè c©n
b»ng cã thÓ ®−îc biÓu thÞ qua c¸c ¸p suÊt riªng phÇn cña c¸c chÊt ë tr¹ng th¸i c©n b»ng.
Tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ta cã: p = C .R.T, thay vµo (2-15) ta ®−îc: i i a b p p A B k = (2-16) p c d p p C D 20
k gäi lµ h»ng sè can b»ng ¸p suÊt p
Gi÷a k , k cã quan hÖ víi nhau nh− sau: C p ∆ k = k (RT) n (2-17) C p Trong ®ã:
R - h»ng sè chÊt khÝ, kJ/mol ®é;
T- nhiÖt ®é ph¶n øng, 0K;
∆n = (c+d) - (a+b) lµ hiÖu sè cña sè l−îng mol tr−íc vµ sau ph¶n øng.
NÕu ph¶n øng tiÕn hµnh ë ®iÒu kiÖn thÓ tÝch kh«ng ®æi v = const (∆n = 0) th× k = k . C p
H»ng sè c©n b»ng phô thuéc vµo nhiÖt ®é ph¶n øng: d ln k Q = , (2-18) 2 dT RT Trong ®ã:
Q- hiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng ë tr¹ng th¸i ®¼ng tÝch (Q ) hay ®¼ng ¸p (Q ), v p kJ/mol; Tõ
ph−¬ng tr×nh (2-18) ta thÊy: trong ph¶n øng ph¸t nhiÖt (Q > 0) khi nhiÖt ®é
t¨ng th× h»ng sè c©n b»ng sÏ t¨ng lªn, cßn trong ph¶n øng thu nhiÖt (Q < 0) th× ng−îc
l¹i, khi nhiÖt ®é t¨ng th× h»ng sè c©n b»ng sÏ gi¶m xuèng.
Theo (2-15) th× h»ng sè c©n b»ng t¨ng lªn cã nghÜa lµ t¨ng nång ®é vËt chÊt
ban ®Çu vµ gi¶m nång ®é s¶n phÈm sinh ra. Tõ ®ã ta cã thÓ suy ra: ë nhiÖt ®é thÊp cã
thÓ tiÕn hµnh hoµn toµn ph¶n øng ph¸t nhiÖt, cßn ë nhiÖt ®é rÊt cao th× dÔ tiÕn hµnh
hoµn toµn ph¶n øng thu nhiÖt.
Trong ®a sè c¸c tr−êng hîp, nhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn vËn tèc ph¶n
øng, cã thÓ lµ ¶nh h−ëng thuËn chiÒu, còng cã thÓ lµ ¶nh h−ëng ng−îc chiÒu víi chiÒu thay ®æi nhiÖt ®é.
Tèc ®é ph¶n øng ho¸ häc trong qu¸ tr×nh ch¸y hÇu nh− ®Òu t¨ng khi t¨ng nhiÖt
®é, tøc thuéc lo¹i thø nhÊt. Trong ®ã ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn vËn tèc ph¶n øng
chñ yÕu lµ ¶nh h−ëng ®Õn hÖ sè tèc ®é ph¶n øng k.
Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é víi hÖ sè tèc ®é ph¶n øng k ®· ®−îc Arrhenius ®−a ra nh− sau: k = k exp(-E/RT) (2-19) 0
Trong ®ã: ®¬n vÞ cña k cã quan hÖ víi bËc ph¶n øng, k = v/Cn,
v lµ v©n tèc ph¶n øng, mol/cm3.s;
R lµ h»ng sè chÊt khÝ, J/kg.0K ;
T lµ nhiÖt ®é ph¶n øng, 0K ;
k lµ hÖ sè cã liªn quan tíi tÇn sè va ®Ëp cña c¸c ph©n tö. 0
HÖ sè k cã liªn quan ®Õn nhiÖt ®é, nh−ng cã liªn quan rÊt Ýt so víi ¶nh h−ëng 0
cña nhiÖt ®é tíi exp(-E/RT)
BiÓu thøc (2-19) lµ biÓu thøc cña ®Þnh luËt Arrhenius. Nã kh«ng chØ thÝch øng
víi c¸c ph¶n øng ®¬n gi¶n hoÆc mét b−íc cña ph¶n øng phøc t¹p mµ cßn thÝch øng víi
c¶ nh÷ng p¶hn øng phøc t¹p cã bËc ph¶n øng vµ hÖ sè tèc ®é ph¶n øng ®· ®−îc x¸c ®Þnh.
Víi c¸c ph¶n øng phøc t¹p tèc ®é ph¶n øng kh«ng tÝnh ®−îc theo c«ng thøc v
= k.Ca . Cb . . . do kh«ng cã bËc ph¶n øng th× hÖ sè tèc ®é ph¶n øng kh«ng x¸c ®Þnh A B
®−îc b»ng c«ng thøc cña ®Þnh luËt Arrhenius nµy.
2.2.1.6. N¨ng l−îng ho¹t ho¸ 21
Theo thuyÕt ®éng häc ph©n tö th× nhiÖt ®é cµng t¨ng, c¸c ph©n tö vµ nguyªn tö
chuyÓn ®éng cµng m¹nh, khi ®ã lùc va ch¹m gi÷a c¸c ph©n tö cµng m¹nh nªn cµng dÔ
ph¸ vì c¸c liªn kÕt gi÷a chóng ®Ó t¹o nªn c¸c chÊt míi, nghÜa lµ c¸c ph¶n øng ho¸ häc
gi÷a chóng cµng dÔ xÈy ra. Song kh«ng ph¶i bÊt kú mét sù va ch¹m nµo còng cã thÓ
g©y nªn ph¶n øng hãa häc, mµ chØ lóc nµo sù va ch¹m ®ã ®ñ søc ph¸ vì liªn kÕt
nguyªn tö míi cã thÓ t¹o ra ph¶n øng. N¨ng l−îng c©n thiÕt nhá nhÊt ®Ó g©y nªn ph¶n
øng ®−îc gäi lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E cña ph¶n øng.
Víi mét ph¶n øng cho tr−íc th× n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E lµ mét trÞ sè cè ®Þnh.
Tõ hai chÊt ban ®Çu A vµ B, ®Ó t¹o ra s¶n phÈm cuèi cïng C vµ D th× cÇn ph¶i
t¹o ra mét chÊt trung gian AB. C¸c chÊt A vµ B cã n¨ng l−îng ban ®Çu lµ 0 Z + 0 Z a b
(møc n¨ng l−îng I, xem h×nh 2.3. n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn vµ
nghÞch). Song ®Ó cho A vµ B cã thÓ ph¶n øng víi nhau ®−îc cÇn ph¶i cung cÊp cho chóng mét n¨ng l−îng 0
Z (møc n¨ng l−îng I’) cao h¬n møc I ®Ó chóng t¹o thµnh ab
mét hîp chÊt AB ë tr¹ng th¸i trung gian kh«ng æn ®Þnh, sau ®ã biÕn thµnh c¸c s¶n
phÈm C vµ D cã n¨ng l−îng 0 Z + 0 Z (møc n¨ng l−îng II). c d
HiÖu sè gi÷a møc n¨ng l−îng I’ cña
chÊt trung gian AB vµ møc n¨ng l−îng I cña
c¸c chÊt A + B gäi lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸
cña ph¶n øng thuËn E (lµ n¨ng l−îng mµ 1
ph¶n øng thuËn ph¶i v−ît qua ®Ó tiÕn hµnh
ph¶n øng). Lý luËn t−¬ng tù, ®Ó cho C vµ D
t¸c dông ®−îc víi nhau t¹o thµnh A vµ B th×
ph¶i cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng møc I’
cao h¬n møc II cña C+D ®Ó t¹o thµnh hîp
chÊt AB sau ®ã biÕn thµnh A vµ B. HiÖu sè
gi÷a møc n¨ng l−îng I’ cña hîp chÊt AB vµ
møc n¨ng l−¬ng II cña c¸c chÊt C+D gäi lµ
n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng nghÞch E 2
(lµ n¨ng l−îng mµ ph¶n øng nghÞch ph¶i v−ît
qua ®Ó tiÕn hµnh ph¶n øng).
HiÖu sè gi÷a n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn E víi n¨ng l−îng ho¹t 1
ho¸ cña ph¶n øng nghÞch E chÝnh lµ biÕn ®æi tæng n¨ng l−îng cña toµn hÖ thèng ë 2
®iÒu kiÖn ®¼ng tÝch ®−îc gäi lµ hiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng.
Tõ tr¹ng th¸i ®Çu A, B biÕn thµnh tr¹ng th¸i cuèi C vµ D, néi n¨ng ®· biÕn thiªn mét l−îng lµ: Q = U - U = ( 0 Z + 0 Z ) - ( 0 Z + 0 Z ), (2-20a) 1 2 a b c d Q = ( 0 Z - ( 0 Z + 0 Z )) - ( 0 Z -( 0 Z + 0 Z )), (2-20b) ab c d ab a b Q = E - E (2-20c) 2 1
Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta thÊy: khi tæng n¨ng l−îng cña c¸c chÊt ban ®Çu ( 0 Z + 0
Z ) cao h¬n tæng n¨ng l−îng cña c¸c chÊt t¹o thµnh sau ph¶n øng ( 0 Z + 0 Z ), cã a b c d
nghÜa lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng thuËn E thÊp h¬n n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cña 1
ph¶n øng nghÞch E th× ph¶n øng lµ sinh nhiÖt, cßn ng−îc l¹i lµ ph¶n øng thu nhiÖt. 2 22
ThËt vËy, Qu¸ tr×nh ph¶n øng thuËn lµ tõ tr¸i sang ph¶i, tõ møc n¨ng
l−îng I chØ cã thÓ xÈy ra sau khi kh¾c phôc ®é c¶n trë E nhá h¬n sau ®ã ph¶n øng tù 1
tiÕn hµnh dÉn hÖ thèng kh¶o s¸t ®Õn møc míi II thÊp h¬n vµ ®ång thêi gi¶i phãng mét
l−îng nhiÖt t−¬ng øng b»ng Q = E - E . Qu¸ tr×nh ph¶n øng nghÞch tõ ph¶i sang tr¸i 1 2
chØ cã thÓ xÈy ra khi kh¾c phôc ®−îc c¶n trë E lín h¬n vµ sau ®ã ph¶n øng dÉn hÖ 2
thèng ®Õn møc I, ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh ng−îc nµy cÇn tiªu hao mét n¨ng l−îng t−¬ng øng Q = E - E . 2 1 N¨ng
l−îng ho¹t ho¸ ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông
(Arrhenius) vµ ®−îc hiÓn thÞ qua h»ng sè vËn tèc ph¶n øng hãa häc: E − RT k = k e , (2-21) 0 Trong ®ã:
k – H»ng sè ph¶n øng víi tæng sè lÇn va ch¹m cña ph©n tö; 0
E – n¨ng l−îng ho¹t ho¸, kJ/mol;
T- nhiÖt ®é ph¶n øng, 0K.
R = 8,314KkJ/kmom®é ≈ 2[kcal/kmol 0K] - h»ng sè phæ biÕn cña chÊt khÝ,
§èi víi mét ph¶n øng ®· cho, nhiÖt ®é cµng cao th× k sÏ cµng lín. Bëi v× khi
nhiÖt ®é cµng cao th× n¨ng l−îng cña c¸c ph©n tö cµng cao do ®ã sè l−îng c¸c ph©n tö
ho¹t ®éng cµng nhiÒu nªn lµm t¨ng vËn tèc ph¶n øng. Khi gi¸ trÞ k nh− nhau th× ph¶n 0
øng nµo cã n¨ng l−îng ho¹t ho¸ E cµng lín th× k cµng nhá, nghÜa lµ vËn tèc ph¶n øng
cµng bÐ. Ng−îc l¹i E cµng nhá th× k cµng lín vµ ph¶n øng xÈy ra cµng nhanh.
Tõ ph−¬ng tr×nh trªn ta thÊy, n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cµng bÐ th× l−îng nhiÖt chi
phÝ cho viÖc ph¸ vì c¸c liªn kÕt cò cµng bÐ, dÉn ®Õn vËn tèc ph¶n øng hãa häc t¨ng
lªn vµ cµng phô thuéc nhiÒu vµo nhiÖt ®é.
N¨ng l−îng ho¹t ho¸ ®Æc tr−ng cho tÝnh chÊt ho¹t ho¸ cña c¸c chÊt cã kh¶
n¨ng tham gia ph¶n øng víi nhau. Cã thÓ coi n¨ng l−îng ho¹t ho¸ nh− mét c¶n trë
n¨ng l−îng nµo ®ã mµ cÇn ph¶i kh¾c phôc ®Ó cã thÓ xÈy ra ph¶n øng.
V× ®¹i l−îng E ë mét møc ®é nµo ®ã ®Æc tr−ng cho tiªu thô n¨ng l−îng cÇn
thiÕt ®Ó ph¸ vì c¸c liªn kÕt nguyªn tö trong c¸c ph©n tö ph¶n øng, ta cã thÓ cã ®−îc
gi¸ trÞ cña n¨ng l−îng ho¹t ho¸ tõ viÖc kh¶o s¸t nh÷ng sè liÖu thùc nghiÖm.
LÊy logarit biÓu thøc (2-21) ta ®−îc: E ⎛ 1 ⎞ ln k = ln k − ⎜ . ⎟ (2-22) 0 R ⎝ T ⎠
HÖ sè k tû lÖ víi sè lÇn va ch¹m vµ víi vËn tèc trung b×nh ω cña c¸c ph©n tö, 0
vËn tèc nµy theo thuyÕt ®éng häc c¸c chÊt khÝ th× tû lÖ víi T (v× ω2 ∼ T). Do vËy
biÓu thøc ®èi víi k cã d¹ng sau: 0 k = C. T (2-23) 0 C lµ h»ng sè.
2.2.1.7. Ph¶n øng d©y chuyÒn
Trong qu¸ tr×nh ch¸y, nhiÒu tr−êng hîp vËn tèc ph¶n øng x¶y ra kh¸c th−êng,
rÊt m·nh liÖt hoÆc rÊt chËm so víi møc b×nh th−êng. Khi ®ã kh«ng thÓ gi¶i thÝch c¸c
tr−êng hîp trªn mét c¸ch cÆn kÏ b»ng ®Þnh luËt khèi l−îng t¸c dông vµ n¨ng l−îng 23

Tài liệu liên quan: