Lý thuyết và phương pháp phân tích quá trình đốt cháy để cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu (Phần 1)

Cơ bản về quá trình đốt cháy

Quá trình đốt cháy diễn ra khi nhiên liệu tác dụng với Oxy trong không khí và sản sinh ra nhiệt lượng. Nhiên liệu bao gồm các Hydrocarbon được hình thành nên từ những thành phần cơ bản là Carbon và Hydro. Khi nhiên liệu được đốt cháy, khí carbonic CO2 và nước H2O là những sản phẩm hóa học chính được sinh ra từ các chất phản ứng là Carbon C và Hydro H ở trong nhiên liệu với Oxi có trong không khí.

Ví dụ đơn giản nhất của sự đốt cháy nhiên liệu Hydrocarbon là phản ứng của khí Metan CH4 với O2 trong không khí (CH4 là thành phần nhiều nhất trong khí tự nhiên)

Khi phản ứng này cân bằng, mỗi một phân tử khí Metan CH4 tác dụng với hai phân từ khí O2 để sinh ra một phân từ khí CO2 và hai phân tử nước H2O. Khi phản ứng này diễn ra, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt năng.

CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O

Các chất phản ứng-à các sản phẩm tạo thành + nhiệt năng

Tuy nhiên, trong thực tế của một quá trình đốt cháy, thường có các chất khác được sinh ra nữa ngoài CO2 và nước H2O.

Một ví dụ điển hình của quá trình đốt cháy được chỉ ra trong hình 1 dưới đây. Nhiên liệu tác dụng với không khí và sinh ra các chất sản phẩm được mô tả phía bên phải.

Sự kết hợp của Oxy trong không khí và Carbon trong nhiên liệu hình thành nên Carbondioxit CO2 và sinh ra nhiệt năng là một quá trình phức tạp. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố:

·         Sự trộn lẫn các chất phản ứng

·         Nhiệt độ

·         Thời gian cho các chất tham gia phản ứng tiếp xúcvà kết hợp với nhau

Trừ trường hợp sự đốt cháy được kiểm soát riêng biệt, một lượng lớn của các chất không mong muốn có thể được hình thành:

Ví dụ:

• Carbon oxit CO và muội than sinh ra do nhiên liệu kém phẩm chất, hoặc tỉ lệ hòa trộn giữa các chất phản ứng không phù hợp hoặc có quá ít không khí.
• Những sản phẩm không mong muốn khác, như là NO, NO2 cũng được sinh ra nhiều khi nhiệt độ của ngon lửa đốt quá cao.
• Nếu nhiên liệu chứa lưu huỳnh S thì chất lưu huỳnh đi oxit SO2 cũng sẽ được tạo ra
• Đối với nhiên liệu rắn như là than và gỗ thì tro được sinh ra từ các vật liệu đốt cháy trong nhiên liệu.

Phân tích sự cháy

Phân tích sự cháy là một tiến trình có dụng ý nhằm để cải thiện tính kinh tế của việc sử dụng nhiên liệu trong quá trình đốt, nhằm làm giảm thiểu những thất thoát không mong muốn và cải thiện mức độ an toàn của các thiết bị đốt cháy nhiên liệu.

Phân tích sự cháy bắt đầu bằng việc đo nồng độ khói thải và nhiệt độ của các khí này, và cũng bao gồm cả việc đo áp suất khí lưu, lượng muội than sinh ra từ sự cháy.

Để đo nồng độ các chất khí thải, một đầu dò được đưa vào bên trong đường dẫn chất thải buồng đốt (Ống khói) và sẽ phải trích ra một mẫu khí.

Nhiệt độ của khí thải được đo bằng việc sử dụng một cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ cao nhất của khí thải

Muội than được đo từ mẫu khí lấy ra trong ống khói

Áp suất khí lưu là sự chênh áp giữa bên trong và bên ngoài của ống khói

Một khi những phép đo này được thực hiện, dữ liệu được xử lí để tính toán các tham số của sự cháy như là hiệu suất của sự cháy và khí thừa. Một sự phân tích sâu hơn sẽ đánh giá nồng độ của các chất không mong muốn sinh ra từ sự cháy như đã đề cập ở trên.

Cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu

Những nguyên nhân thất thoát nhiệt của lò đốt, buồng nung được chỉ ra ở hình 2 dưới đây

Nhiệt năng thoát khỏi ống khói thường là nguồn mất mát lớn nhất của sự cháy trong buồng đốt, lò nung và được hợp thành bởi sự mất nhiệt của hơi khô và mất nhiệt do hóa hơi. Mặc dù một số sự mất mát là không thể tránh khỏi nhưng một hệ thống thiết bị mà được kiểm soát và phân tích sự cháy thường có thể giảm thiểu những nguồn thất thoát này một cách đáng kể và tiết kiệm được chi phí bởi sự cải thiện hiệu suất của sự đốt cháy nhiên liệu.

Những sự thất thoát và hiệu suất năng lượng

Một trong những mục tiêu quan trọng nhất của việc phân tích sự cháy là tiết kiệm năng lượng. Các tiêu chuẩn kỹ thuật của công nghệ nhiệt yêu cầu rằng mỗi hệ thống phải đươc kiểm soát trên quan điểm hiệu suất.

Hiệu suất được xác định là tỉ số giữa lượng nhiệt truyền tới dung môi, chất khí để nung nóng nó và nhiệt làm nóng lò nung, buồng đốt.

Ví dụ:

Lò nung:

20.000kcal/giờ

10 lit/phút. Chên lệch nhiệt độ là 30⁰ C.

Nước sử dụng 300kCal/phú tương đương với 18.000kCal/giờ.

Hiệu suất là (18.000/20.000)

Hiệu suất của sự cháy

Công thức xác định

Hiệu suất = 100- Qs (Tổn thất ống khói)

Trong đó, tổn thất ống khói được xác định

Qs=k* (Tg-Ta)/CO2

Qs:  Tổn thất ống khói

K:  Hệ số tương đối của sự cháy

Tg: Nhiệt độ khí đốt

Ta: Nhiệt độ không khí

Giải pháp để cải thiện hiệu suất là phải có giá trị CO2 cao nhất, tiếp đó là phả tối ưu hóa sự cháy: Đó là vai trò của khí thừa.

Làm giảm thiểu sự phát xạ nhiệt

Carbon Oxit CO, Lưu huỳnh dioxit S02, Nitơ oxit NO và các hạt bụi là các phát xạ nhiện không mong muốn có liên quan tới việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Những hợp chất này là độc hai, đóng góp vào mưa axit và khói mù, chúng có thể là nguyên nhân gây ra các vấn đề về hô hấp.

Phân tích sự cháy được thực hiện để kiểm soát chất độc, mưa axít hình thành từ các chất bức xạ này nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường của luật bảo vệ môi trường.

Cải thiện điều kiện an toàn

Trong điều kiện thường xuyên duy trì hoạt động bảo dưỡng, bảo trì cho các thiết bị của hệ thống đốt, bao gồm cả công tác phân tích sự cháy, các kỹ thuật viên nồi hơi, lò đốt và buồng nung sẽ nâng cao khả năng kiểm tra giám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật, hoạt động của hệ thống thiết bị trong điều kiện an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống

Cải thiện điều kiện an toàn-khí thừa

Rất nhiều các nhà sản xuất buồng đốt, nồi hơi đề xuất rằng việc phân tích khói thải nên được thực hiện định kỳ hàng tháng. Yêu cầu về điều chỉnh chất lượng hoạt động của nồi hơi, buồng đốt hay lò nung ảnh hưởng tới sự cháy sẽ có xu hướng tăng lên theo thời gian. Điều kiện về gió, thời tiết thay đổi cũng có thể gây ra tình trạng khí thừa cho hệ thống và tính ổn định của hệ thống. Một sự thay đổi của khí thừa theo hướng giảm xuống cũng ngược lại sẽ ảnh hưởng tới mức độ tăng cao của các chất độc hại như CO, khả năng phát nổ và đe dọa tới tính an toàn và mức độ hiệu quả của hệ thống.

Hình 3 dưới đây chỉ ra sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các yếu tố này. Khi Oxy O2 thiếu, CO sẽ được sinh ra. Khi khí thừa tăng lên một giá trị nào đó, khí CO2 sẽ giảm xuống và hiệu suất của sự cháy sẽ giảm.

Khi sự cháy được thực hiện mà không có đủ Oxy O2, chúng ta có thể nói sự cháy là không hoàn toàn. Lúc đó muội than và chất khi CO sẽ sinh ra.

Chất khi CO là rất nguy hiểm.  Mũi của con người không thể phát hiện ra ó, khi nó đi vào máu, Chiếm mất phần Oxy trong máu làm giảm khả năng vận chuyển máu tới các tế bào như não, tim…). Các nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ với một hàm lượng nhỏ 0.2% trong máu sẽ gây ra cái chết trong vòng 30 phút của con người.

Các điều kiện khách quan khác như (gió, áp suât không khí, nhiệt độ bên ngoài sẽ đóng góp vào hiện tượng gọi là “Exces air reduction”

Hiện tượng Excess air reduction này sẽ hình thành bởi hàm lượng CO tăng cao và khí nổ có thể gây mất an toàn cho hệ thống cũng như tính hiệu quả của hệ thống.

 (Còn nữa)