Tính lượng không khí cần thiết cho một chất đốt
Trịnh Minh Chính                                                   Ngày  8 tháng 3 năm 2004
 
  Xem tiểu sử  Lavoisier

 

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

Các chất đốt lỏng (dầu nặng, dầu hôi, v.v.) hay rắn (than đá, gỗ, v.v.) thường được đo bằng kg/giờ hay kg/giây và không khí (KK) được thổi vào vào lò bằng một máy thổi và đơn vị đo là m3/giờ hay m3/giây. Tính lượng KK cần thiết để đốt cháy một lượng chất đốt

Hiện tại mặc dù với kỷ nghệ thông tin với những máy tính nhanh nhất thế giới vẫn chưa tính chính xác cho ngọn lửa của dầu hoặc than đá vì một phần lý thuyết vẫn chưa hoàn toàn hoàn chỉnh và một phần độ nhanh của những máy tính hiện đại ngày nay vẫn chưa tính được các mô hình phức tạp. Do đó những tính toán bằng máy tính bỏ túi dưới đây chỉ là phỏng chừng, độ sai có thể quá 50%. Phương pháp (PP) đo các chất sa thải sau khi đốt vẫn là PP tốt nhất. 

PP trình bày dưới đây không chính xác vì chúng ta đã đơn giản hoá nhiều vấn đề. Thí dụ như N2 không tham gia phản ứng cháy hay các phản ứng xảy ra cùng một lúc, điều này không xảy ra trong thực tế. PP này vẫn xử dụng được nếu chúng ta chưa có PP nào tốt hơn.

Sự đốt cháy của hydrocarbon

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

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

                                                             (1)

tương tự phản ứng cháy cho hydrocarbon như sau

                           (2)

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

                                    (3)

hay

                         (4)

 

Như vậy (12x+y) kg hydrocarbon sẽ cần (32x+8y) kg oxygen và sẽ sa thải 44x kg CO2 và 9y kg hơi nước (H2O). Trong thực tế chúng ta không lấy oxygen nguyên chất mà chúng ta dùng không khí (KK).

 

Thành phần hoá học và tỉ lệ phần trăm theo thể tích và trọng lượng của “KK khô” hay gọi tắt là KK (KK không có độ ẩm hay hơi nước) như sau

 
  N2 O2 Ar CO2 H2 Andet Tổng cộng
Thể tích (%) 78,03 20,99 0,94 0,03 0,01 < 0,003 100
Trọng lượng (%) 75,47 23,20 1,28 0,046 0,001 < 0,003 100

Bảng 1:  Thí dụ tỉ lệ phần trăm của thể tích và trọng lượng KK. KK tại VN chứa rất nhiều hơi nước và tỉ lệ phần trăm của chất khí có thể khác nhau. 

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

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

Thành phần hóa học Công thức Tỉ lệ %

thể tích		 Tỉ lệ %

mol		 Tỉ lệ %

trọng lượng

Methane (mê tan)

Ethane (ê tan)

Propane (pro pan)

Butane (bu tan)

Pentane (pen tan)

Hexane (hex xan)

Nitrogen (ni tơ)

Oxygen (o xi)

Carbondioxide

 

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

N2

O2

CO2

81,30

2,85

0,37

0,14

0,04

0,05

14,35

0,01

0,89

 

81,29

2,87

0,38

0,15

0,04

0,05

14,32

0,01

0,89

 

69,97

4,63

0,90

0,47

0,16

0,23

21,52

0,02

2,10

 

Tổng cộng

 

100

100

100

 

Bảng 2: Thành phần hoá học và tỉ lệ phần trăm của khí đốt thiên nhiên tại một mỏ . (Sydgar AB(1981)).

 

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

 

(12x+y) kg  CxHy   cần    (32x+8y) kg  O2

hay

1 kg CxHy   cần    O2                          (5)

hay

1 kg CxHy   cần    KK             (6)

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

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

1 kg CxHy   cần    KK             (7)

 Thí dụ 1: đốt cháy hoàn toàn 1 kg C2H6

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

                            

 

Như vậy thể tích của KK sẽ trở thành

                          

 

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

Tương tự cho carbondioxide và hơi nước, ta có          

1 kg CxHy  sa thải              CO2

                       1 kg CxHy  sa thải              CO2

1 kg CxHy  sa thải              H2O

1 kg CxHy  sa thải              H2O

                      

Ngoài CO2 và H2O còn có N2 trong khói (N2 trong KK mà chúng ta giả sử rằng N2 không tham gia phản ứng cháy).

II    Tính sự đốt cháy của chất đốt lỏng và rắn

Thông thường các chất đốt ở thể lỏng và rắn phân tích gồm có các thành phần nguyên tố như C (carbon), H (hydrogen), S (lưu huỳnh), O (oxygen), N (nitrogen), H2O (hơi nước) và Chất bẩn (không đốt cháy được như cát, sỏi đá, v.v.) (xem Bảng 3). 

 

Than đá

Dầu nặng

Dầu nhẹ

Gỗ

Rơm từ
lúa mì

Khí đốt
thiên nhiên
Carbon, C 0,594 0,857 0,865 0,375 0,430 0,746
Lưu huynh, S 0,008 0,024 0,005 0,000 0,001 0,000
Hydrogen, H 0,037 0,114 0,130 0,046 0,054 0,236
Nitrogen, N 0,010 0,002 0,000 0,001 0,000 0,009

Oxygen, O

0,074 0,000 0,000 0,320 0,380 0,009

Hơi nước, H2O

0,129 0,001 0,000 0,250 0,100 0,000

Chất bẩn

0,148 0,002 0,000 0,008 0,035 0,000

Tổng cộng

1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000

Bảng 3: Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt.(N. Bech and J. Dahæin (1986))

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

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

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

a kg chất bẩn

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

                                                       (8)

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

                                                                     (9)

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

Giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn, có nghĩa là C sẽ cháy hết và cho ra CO2 và H sẽ cháy cho ra H2O và S sẽ cho SO2.

1.        C             +             O2                   =              CO2              (10)

                  1 kmol C       +                1 kmol O2           =        1 kmol CO2

                   12 kg C        +                1 kmol O2           =        1 kmol CO2

                    1 kg C         +               kmol O2           =        kmol CO2

                    c kg C         +               kmol O2           =        kmol CO2

                    c kg C         +           nm3 O2       =    nm3 CO2

                    c kg C         +              kg O2           =         kg CO2

 

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

 

2.                  2H2           +                   O2                  =           2H2O      (11)

                 2 kmol H2       +                1 kmol O2          =        2 kmol H2O

                   4 kg H2         +                1 kmol O2          =        2 kmol H2O

                   1 kg H2         +                kmol O2          =        kmol H2O

                   h kg H2         +                kmol O2          =        kmol H2O

                   h kg H2         +            nm3 O2        =    nm3 H2O

                   h kg H2         +               kg O2           =          kg H2O

                   h kg H2         +                 8 h kg O2           =             9 h kg H2O

   

3.                     S             +                   O2                   =          SO2       (12)

                  1 kmol S        +                1 kmol O2           =         1 kmol SO2

                   32 kg S         +                1 kmol O2           =         1 kmol SO2

                    1 kg S          +               kmol O2          =        kmol SO2

                    s kg S          +               kmol O2          =        kmol SO2

                    s kg S          +           nm3 O2       =    nm3 SO2

                    s kg S          +              kg O2          =       kg SO2

                    s kg S          +                  s  kg O2             =         2 s  kg SO2

 

4.  Giả sử N2 (nitrogen) không tham gia phản ứng cháy.

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

 

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

 

                                 (13)

theo trọng lượng

                          (14)

và trọng lượng KK tối thiểu là

   (15)

 

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

 

Thể tích O2 tối thiểu

           (16)

 

Và thể tích KK tối thiểu là

        (17)

 

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

 

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

Trong khói sẽ gồm có:

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

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

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

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

-         a kg chất bẩn, không cháy được.

III.   Kết luận

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

-         Các phản ứng không xảy ra cùng một lúc.

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

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

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

 

Tất cả những sự phức tạp này hy vọng sẽ trình bày vào dịp khác. Tài liệu tham khảo được ghi ở phía cuối cho các bạn nào muốn tìm hiểu thêm.

 

Tài liệu tham khảo thêm

 

Về sự đốt cháy

 

1)      R. Borghi (1988). Turbulent Combustion Modelling. Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 114, pp. 245-292.

2)      J. Chomiak (1990). Combustion – A Study in Theory, Fact and Application. Abacus Press – Gordon & Breach Science Publishers.

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

4)      R. T. Haslam and R. P. Russell (1926). Fuels and Their Combustion. McGraw-Hill Book Company, Inc.

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

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

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

A.     Stambuleanu (1976). Flame Combustion Processes in Industry. Abacus Press.

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

 

Về sự tạo thành NOx and SOx

 

9)      P. Falholt, P. Glarborg, N. H. Olesen and S. Hadvig (1984). Nox formation in The Combustion of Natural Gas. Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish).

10)  P. Glarborg, N. B. K. Rasmussen, and S. Hadvig (1987). Reduction of NOx Emission from the natural Gas Furnace. Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish).

11)  P. Glarborg and S. Hadvig (1988). Nox formation in The Gas Phase of Coal Combustion. Laboratory of Heat and Air Conditioning, Technical University of Denmark (in Danish).

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

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

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