Quá Trình Cháy Trong Lò Hơi

Nhiệt lượng giải phóng từ quá trình cháy là nguồn cung cấp nhiệt chính cho hầu hết các lò hơi. Mặc dù tồn tại các loại lò hơi điện, nhưng lò hơi đốt nhiên liệu rắn vẫn là phổ biến nhất. Do mối liên hệ mật thiết giữa quá trình đốt nhiên liệu và sản xuất hơi nước, việc hiểu rõ quá trình cháy là cần thiết để nắm bắt nguyên lý vận hành lò hơi.

1. Phản Ứng Hóa Học của Quá Trình Cháy

Đốt cháy là quá trình oxy hóa nhiên liệu diễn ra nhanh, kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Dưới đây là một số ký hiệu hóa học quan trọng:

Ký hiệu Hóa học	Nguyên tố hoặc Hợp chất
C	Carbon
H	Hydro
CxHy	Hydrocacbon (thành phần chính của nhiên liệu)
O2	Khí Oxy (trong không khí)
CO2	Khí Cacbonic
H2O	Nước (dạng hơi)
N2	Khí Nitơ (trong không khí)
CO	Khí Cacbon Monoxide

Phản ứng hóa học cơ bản khi đốt cháy nhiên liệu hydrocarbon (CxHy) với oxy (O₂) được biểu diễn như sau:

Nhiên liệu (CxHy) + Oxy (O₂) → Cacbonic (CO₂) + Hơi nước (H₂O) + Nhiệt lượng (ΔH)

Ký hiệu ΔH (delta H) biểu thị nhiệt phản ứng (enthalpy of reaction), đại diện cho lượng năng lượng được giải phóng. Giá trị ΔH phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của quá trình cháy.

2. Các Điều Kiện Cần cho Sự Cháy

Quá trình cháy chỉ xảy ra khi đồng thời tồn tại ba yếu tố, được minh họa bằng Tam giác Lửa (hoặc Tứ diện Lửa khi bao gồm cả phản ứng dây chuyền):

1. Nhiên liệu: Các loại phổ biến cho lò hơi là khí tự nhiên, dầu nhiên liệu và than.
2. Oxy: Được cung cấp từ không khí (chứa khoảng 21% oxy).
3. Nhiệt: Cần thiết để đạt đến điểm bắt cháy của nhiên liệu, thường được cung cấp bởi tia lửa điện từ đầu đốt.

Ba yếu tố này phải được phối trộn với tỷ lệ phù hợp. Quá nhiều hoặc quá ít không khí so với nhiên liệu đều có thể ngăn cản quá trình cháy diễn ra.

3. Các Trạng Thái Của Quá Trình Cháy

Quá trình cháy trong lò hơi được phân loại thành ba trạng thái:

• Cháy Hoàn Hảo (Perfect Combustion): Lượng không khí cung cấp vừa đúng để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Đây là trạng thái lý thuyết, chỉ đạt được trong điều kiện phòng thí nghiệm.
• Cháy Hoàn Toàn (Complete Combustion): Lượng không khí được cung cấp ở mức tối thiểu đủ để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Đây là mục tiêu vận hành tối ưu mà mọi nhà vận hành lò hơi cần hướng tới.
• Cháy Không Hoàn Toàn (Incomplete Combustion): Lượng không khí cung cấp không đủ, dẫn đến nhiên liệu không được đốt cháy hết.

Hậu quả của cháy không hoàn toàn:

• Giảm hiệu suất lò hơi: Sản phẩm cháy như muội than (soot) và khói bám vào bề mặt trao đổi nhiệt, làm giảm khả năng truyền nhiệt.
• Nguy cơ an toàn: Sản sinh ra Khí Cacbon Monoxide (CO) – một loại khí cực độc, dễ cháy, gây nguy hiểm cho sức khỏe và an toàn.

4. Không Khí Sơ Cấp, Thứ Cấp và Dư Thừa

Tổng lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy được phân loại chi tiết như sau:

• Không Khí Sơ Cấp (Primary Air): Được trộn với nhiên liệu trước khi đưa vào buồng đốt. Nó kiểm soát lượng nhiên liệu được đốt cháy.
• Không Khí Thứ Cấp (Secondary Air): Được đưa trực tiếp vào buồng đốt để hỗ trợ quá trình cháy. Nó kiểm soát hiệu quả của quá trình cháy.
• Không Khí Dư Thừa (Excess Air): Là phần không khí thứ cấp vượt quá lượng cần thiết cho quá trình cháy hoàn toàn. Một tỷ lệ dư thừa nhất định là cần thiết trong thực tế để đảm bảo cháy hoàn toàn, nhưng quá nhiều sẽ làm giảm hiệu suất.
• Tổng Lượng Không Khí (Total Air): Tổng của không khí sơ cấp, thứ cấp và dư thừa.

Đánh giá hiệu quả cháy:
Bằng cách phân tích khí thải (flue gas), có thể đánh giá được hiệu quả của quá trình cháy:

• Hàm lượng Oxy (O2) cao: Cho thấy quá nhiều không khí dư thừa, cần giảm lượng gió cấp.
• Hàm lượng Cacbon Monoxide (CO) cao: Cho thấy thiếu không khí, cháy không hoàn toàn, cần tăng lượng gió cấp.

Một số màn hình điều khiển lò hơi có hiển thị thông số “Oxy dư” để đánh giá sự hiệu quả cháy diễn ra trong buồng đốt.