Nghiên cứu chế độ nhiệt và quá trình tạo khí của phản ứng cháy cacbon của than

Nội dung text: Nghiên cứu chế độ nhiệt và quá trình tạo khí của phản ứng cháy cacbon của than

1. Tạp chí Hóa học, T. 40, số 1, Tr. 71 - 76, 2002 Nghiên cứu chế độ nhiệt và quá trình tạo khí của phản ứng cháy cacbon của than Đến Tòa soạn 4-9-2001 Nguyễn Quốc Thịnh, Nguyễn Thế Dân, Đo Văn T−ờng Tr−ờng Đại học Bách khoa H% Nội Summary Study on the combustion reaction of cacbon of two kind of coals in the the conditions close to the isothermal, and on the changes of the temperature on the coal surface layer, in the gas and the oxygen concentration depending on the height of the coal layer. I - Mở đầu để thu đ5ợc sản phẩm, nâng cao hiệu suất quá trình cũng nh5 tìm đ5ợc các biện pháp giảm ô Nghiên cứu chế độ nhiệt v qúa trình tạo nhiễm môi tr5ờng do quá trình cháy than tạo ra. khí cho phép ta bằng lý thuyết tính toán sự phân bố nhiệt độ của bề mặt than, nhiệt độ của khí v II - Thực nghiệm nồng độ khí theo chiều cao lớp than. Điều đó có ý nghĩa lớn về lý thuyết v thực tế vì cho tr5ớc Than sử dụng gồm 2 loại than antraxit v những điều kiện ban đầu thì bằng tính toán lý than gỗ kích th5ớc hạt d = 2 - 5 mm v có chất thuyết có thể xác định đ5ợc điều kiện thích hợp l5ợng nh5: Độ Nhiệt L5u Độ tro, Chất Cacbon Hiđrô Ni tơ Loại than ẩm, l5ợng Qk , huỳnh % bốc, % Ck, % Hk, % Nk, % % cal/g Sk, % Antraxit 2,54 4,13 2,12 8390 94,06 1,03 0,44 0,84 Than gỗ 6,30 10,57 6,14 7460 86,96 2,31 0,22 0,60 Tiến hnh nghiên cứu ở dạng lớp chặt; ống Tc − TK 1 phản ứng có d = 2,03 cm; tốc độ khí phản ứng = (1) 0 T − T 1+ S V= 1,359 l/ph (0,14 m/s); phân tích khí phản np K m ứng v khí sản phẩm phản ứng bằng máy sắc ký Trong đó: khí. Tnp l nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại; Tc, TK l nhiệt độ của bề mặt than v của III - Kết quả và thảo luận khí Sm l chuẩn số Semenov. Cơ sở của ph5ơng pháp tính tính toán: Giải ph5ơng trình (1), xác định đ5ợc nhiệt Ph5ơng trình chế độ nhiệt của lớp than đang độ bề mặt than (Tc) v nhiệt độ của sản phẩm phản ứng có dạng [1] : cháy (TK) khi cho tr5ớc những điều kiện thủy 71
2. động học ( = .w) v khi biết tr5ớc đặc tính Trong vùng cháy. với việc lựa chọn điều hóa lý ban đầu của than đem sử dụng thể hiện kiện thực nghiệm hợp lý [2 - 7], có thể coi chỉ o -E/RTc qua Knp = K npe . Ph5ơng trình chế độ nhiệt xảy ra phản ứng tổng cộng C + O2 = CO2 của chỉ ra rằng ứng với mỗi giá trị Tc của bề mặt quá trình cháy. Từ ph5ơng trình cân bằng nhiệt than sẽ xác định đ5ợc t5ơng ứng giá trị nhiệt độ của phân lớp ta rút ra: Tk của khí khi biết tr5ớc Tnp.  T1 T1 Q  T1 + 273 V1[]α.Co2 + (1− α).CN2 .T1 + γ.α. .( ) − Qbx 22,4 295 T =   (2) 2 T + 273 V .[α.(1− γ).CT2 + γ.α.CT2 + (1− ).CT2 ].( 2 ) 1 O2 CO2 N2 295 Trong đó: Q l hiệu ứng nhiệt của phản ứng cháy V1 l thể tích của khí thổi vo α l nồng độ của oxi trong gió ban đầu, phần thể tích γ l mức độ cháy T1 T2 C j , C j l nhiệt dung riêng của khí j ở nhiệt độ T1, T2 Qbx l nhiệt bức xạ từ lớp than đang phản ứng đến thnh ống phản ứng. Ph5ơng trình tạo khí của qúa trình tạo khí Cơ sở tính toán l dùng ph5ơng pháp sai số cháy, xác định sự thay đổi nồng độ O2 theo cuối cùng. Thực chất của ph5ơng pháp ny l chiều cao lớp than, trong tr5ờng hợp không thay thế quá trình liên tục bằng quá trình từng đẳng nhiệt v bỏ qua khuếch tán phân tử, có b5ớc theo không gian. Lớp đ5ợc chia thnh dạng sau [1]: nhiều phần phân lớp nhỏ v các đại l5ợng của từng phần phân lớp nhỏ phụ thuộc vo điều dC 1 Tc - w = β. Fk.C . (3) kiện cụ thể của qúa trình (nhiệt độ ban đầu, dz 1+ Sm TK kích th5ớc hạt, tốc độ khí, ), ứng với mỗi Trong đó: phần phân lớp nhỏ nhận các giá trị không đổi W l tốc độ khí cuả nhiệt độ khí, nhiệt độ lớp, chuẩn số Sm v β l hệ số khuếch tán tổng cộng nồng độ khí. ở mỗi phần phân lớp nhỏ của quá C l nồng độ oxi trình không đẳng nhiệt chỉ có sai khác giá trị Tc Fk l bề mặt ngoi của hạt than v Tk. Z l chiều cao lớp than Tùy thuộc vo điều kiện cụ thể ban đầu của β phản ứng (nhiệt độ ban đầu của quá trình T = ϕ = l hm vận chuyển 0 w Tk = Tc, kích th5ớc hạt, tốc độ khí v nồng độ oxy của khí phản ứng) xác định đ5ợc nhiệt độ Giải ph5ơng trình (3) với điều kiện biên z = cháy lý thuyết cực đại (Tnp) theo công thức (2) 0 → C = Co ta có: khi γ = 1, Qbx = 0. C 1 T = exp (-ϕ.F .z. c ) (4) Tiếp theo lựa chọn chiều cao của phần phân C k 1+ S T o m K lớp v bằng đồ thị giải ph5ơng trình chế độ nhiệt, xuất phát từ nhiệt độ ban đầu của khí T Ph5ơng trình (4) cho biết sự phân bố nồng o v nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại T . Khi đó độ O theo chiều cao lớp than trong điều kiện np 2 xác định đ5ợc nhiệt độ bề mặt của phần phân không đẳng nhiệt, bỏ qua khuếch tán phân tử. lớp thứ nhất (TC), giá trị TC ny coi nh5 không Ph−ơng pháp giải ph−ơng trình chế độ nhiệt v% đổi cho tới cuối phân lớp ny. Xác định hằng số tính toán quá trình tạo khí theo chiều cao lớp tốc độ Knp ứng với giá trị ny của Tc. Trên cơ sở nhiên liệu Knp đ| biết, xác định chuẩn số Semenov (Sm). 72
3. Nhiệt độ của khí đ5ợc xác định từ ph5ơng với nhiệt độ ban đầu (T0) cng thấp. Sự chênh trình cân bằng nhiệt của quá trình đối với phân lệch nhiệt độ lớp với nhiệt độ khí cng thấp, thì lớp thứ nhất khi không tính tới bức xạ v khi tốc độ tiêu tốn O2 vo phản ứng cng thấp. tính tới bức xạ từ lớp than tới thnh ống. Cng về sau theo chiều chuyển động của Kết thúc việc xác định nhiệt độ của phần khí (cng gần cuối vùng cháy) thì sự khác nhau phân lớp thứ nhất theo ph5ơng trình chế độ giữa Tc v Tk cng lớn v tốc độ tiêu tốn O2 nhiệt v ph5ơng trình tạo khí ta đ5ợc các giá trị cng lớn, do đó đ5ờng biểu diễn của nhiệt độ Tc, Tk v nồng độ khí phản ứng C. (Tc, Tk) theo chiều cao lớp tăng rõ rệt, ng5ợc lại Việc tính toán đối với phần phân lớp thứ 2 đ5ờng biểu diễn nồng độ O2 trong khí giảm đ5ợc tiến hnh t5ơng tự nh5 tính toán đối với mạnh. Sở dĩ nh5 vậy vì phản ứng C + O2 l phần phân lớp thứ nhất. Nhiệt độ của khí v phản ứng toả nhiệt lớn nên cng phản ứng thì nồng độ của khí ra khỏi phần phân lớp thứ nhất l5ợng nhiệt toả ra cng lớn, nhiệt độ cng tăng. đ5ợc coi l số liệu đi vo đối với phần phân lớp ở cuối vùng cháy khi nồng độ O2 xấp xỉ 0% đạt thứ hai. Tính toán đ5ợc tiến hnh đối với chiều nhiệt độ cực đại. cao định tr5ớc của lớp nhiên liệu. Trong điều kiện thực nghiệm của nghiên Sử dụng phần mềm EXCEL để tính toán lý cứu ny thấy rằng ở những lớp than ban đầu thuyết sự phân bố nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v theo chiều chuyển động của khí, chuẩn số Sm có nồng độ oxy theo chiều cao lớp than ở các nhiệt giá trị lớn, cng về cuối vùng cháy Sm cng độ ban đầu khác nhau. giảm. Với đa số các thực nghiệm trên hai loại Kết quả tính toán v nghiên cứu thực than antraxit v than gỗ thì miền phản ứng của nghiệm đ5ợc trình by trên bảng 2, 3 v hình vẽ phản ứng C + O2 lúc đầu l miền động học (Sm 2, 3. Từ các số liệu ở các bảng 2, 3 v hình 1, 2, > 9), sau đó chuyển vo miền chuyển tiếp ngoại 3 v 4 chứng tỏ sự không đẳng nhiệt của qúa 0,1 < Sm < 9. trình cháy C + O2 thể hiện rất khác nhau v có So sánh hai loại than thấy rằng trong cùng ảnh h5ởng lớn tới tốc độ tiêu tốn O2 vo phản một điều kiện thực nghiệm nh5 nhau do than gỗ ứng: có khả năng hoạt động lớn hơn than antraxit Nhiệt độ bắt đầu phản ứng cng thấp thì nên dễ dng tiến đến miền chuyển tiếp ngoại chênh lệch nhiệt độ lớp (Tc), nhiệt độ khí (Tk) hơn so với antraxit. Bảng 2: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2 vo chiều cao lớp khi tính tới bức xạ. Than antraxit Chiều cao Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ Tốc độ khí Chuẩn số [O2], phần Qbx, o lớp, Mm khí Tk, C khí Tk, K lớp Tc, K W m/s Sm thể tích Kcal/phút 0,0 775 1048 1048 0,49736 0,09710 1,4 814 1087 1092 0,51586 9,30165 0,09044 0,01486 2,8 909 1182 1195 0,56095 2,583374 0,07250 0,05739 4,2 1068 1341 1416 0,63641 0,32258 0,03631 0,19386 5,6 1123 1396 1480 0,66251 0,237344 0,01729 0,24743 7,0 1120 1393 1494 0,66108 0,228043 0,00820 0,26012 0,0 900 1173 1173 0,55668 0,09710 1,4 1152 1425 1575 0,67627 0,09470 0,03826 0,29350 2,8 1210 1483 1613 0,70380 0,10192 0,01569 0,33592 4,2 1195 1468 1620 0,69668 0,10415 0,00650 0,34407 73
4. oC 1350 Tk-775 Tc-775 1150 điểm Tn-775 Tk-900 950 Tc-900 điểm Tn-900 750 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Z, mm Hình 1: Sự phụ thuộc của Tk, T c vo chiều cao lớp. Than antraxit [O2], Phần t.t 0,10 O2-775 0,08 điểm Tn-775 O2-900 0,06 điểm Tn-900 0,04 0,02 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 z, mm Hình 2: Sự phụ thuộc của [O2] vo chiều cao lớp oC 1500 1000 Tk-575 Tc-575 điểm Tn-575 Tk-750 500 Tc-750 điểm Tn-750 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 z, mm Hình 3 : Sự phụ thuộc của Tk, T c vo chiều cao lớp. Than gỗ 74
5. Bảng 3: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2 vo chiều cao lớp khi tính tới bức xạ. Than gỗ Chiều [O ], Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ Tốc độ Chuẩn số 2 Q , cao lớp, phần thể bx khí T , oC khí T , K lớp T , K khí W m/s S Kcal/phút Mm k k c m tích 0,0 575 848 848 0,40244 0,09710 1,4 615 888 894 0,42142 7,507505 0,09005 0,00838 2,8 780 1053 1095 0,49973 0,651937 0,05637 0,06342 4,2 890 1163 1230 0,55193 0,253724 0,02922 0,12206 5,6 929 1202 1261 0,57044 0,23468 0,01506 0,13857 7,0 932 1205 1270 0,57186 0,231548 0,00776 0,14359 8,4 915 1188 1271 0,56380 0,230761 0,00400 0,14416 0,0 750 1023 1023 0,48549 0,09710 1,4 985 1258 1407 0,59702 0,06883 0,03989 0,19454 2,8 1051 1324 1424 0,62834 0,08787 0,01741 0,20782 4,2 1053 1326 1430 0,62929 0,09237 0,00770 0,21263 5,6 1026 1299 1441 0,61647 0,08673 0,00337 0,22160 [O 2], Phần tt 0,10 0,08 O2-575 0,06 điểm Tn-575 O2- 750 điểm Tn-750 0,04 0,02 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 z, mm Hình 4 : Sự phụ thuộc của [O2] vo chiều cao lớp. Than gỗ 75
6. IV - Kết luận SSSR. M. (1958). 3. X. A. Evxeeva. Ixleđovanhie prôxexxa Đ| tiến hnh tính toán lý thuyết sự phân bố gorenhia Ugoln5x traxtix. Kanđ. Đix., igi. nhiệt độ lớp v nhiệt độ khí v nồng độ O2 theo M. (1975). chiều cao lớp than đối với hai loại than ở các nhiệt độ khác nhau (than antraxit từ 700 đến 4. M. X. orenbax. Reakxionnaia paverxnost 900oC, than gỗ từ 525 đến 750oC). Tính toán có pri geterogennom gorenhii. Nauka, chú ý tới bức xạ nhiệt từ lớp than đang phản Novoxibirxk (1973). ứng tới thnh ống phản ứng. Các số liệu thực 5. D. Merriek. Coal Combustion and Conver- nghiệm t5ơng đối phù hợp với các tính toán lý sion technology, Elsevier, Newyork (1984). thuyết. 6. Nguyễn Quốc Thịnh. Báo cáo tổng kết đề ti “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt v Ti liệu tham khảo giảm ô nhiễm môi tr5ờng trong các lò hơi công nghiệp ghi tĩnh”, Viện KHCN mỏ, H 1. Z. Ph. Trukhanov. Nhekator5e problem5 Nội (1998). topliva i enhergitiki. Izđ. AN. SSSR. M. 7. B. V. Kantorovich, V. I. Mitkalinn5i, G. N. (1961). Đeliagin, V. M. Ivanov. Giđrôđinamika i 2. B. V. Kantorovich. Acnôv5teoii gorenhia i teôria gorenhia potoka topliva. Metalurgia, gaziphikaxii tviôrđôva topliva. izđ. AN M (1971). 76