LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU
----------

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

Họ và tên học viên: DOÃN ANH TUẤN
MSHV:

2960520301064

Lớp:

Cao học Kỹ Thuật Hóa Học – K29

Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ LINH

HÀ NỘI, 6/2016

1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện tiểu luân này đầu tiên tôi xin giử lời cảm ơn chân thành đến
thầy TS. Nguyễn Thị Linh là người đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn để tôi thực
hiện tiểu luận này. Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp Cao học kỹ thuật
hóa học K29 đã góp ý và sửa chữa để giúp tôi hoàn thành tốt tiểu luận này.

Hà Nội, 16 tháng 06 năm 2016

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Doãn Anh Tuấn

2


MỞ ĐẦU
Trong lịch sử phát triển xã hội, đã có một thời kỳ, than từng được xem là
nguồn nhiên liệu bị quên lãng “forgotten fuel”, có lẽ là do nhận thức chưa đầy đủ về
vai trò của than trong nền kinh tế toàn cầu. Thực tế là, trong thập kỷ qua, nguồn
nhiên liệu than có mức tăng trưởng hàng năm cao nhất và từ năm 2000 đến năm
2010, than đã đáp ứng được nhu cầu năng lượng bổ sung của thế giới ngang bằng
với các nguồn nhiên liệu khác. Tới nay, theo tính toán, than đóng góp tới 41% trong
tổng nguồn nhiên liệu cho sản xuất điện trên thế giới, gần gấp hai lần so với nguồn
nhiên liệu đứng thứ hai là khí tự nhiên. Như vậy, than đóng vai trò trụ cột trong sản
xuất và cung cấp điện tại hầu khắp các châu lục và cũng là nguồn cung cấp năng
lượng ổn định và an toàn cho những nước trên thế giới. Một trong những lý do
khiến than đóng vai trò quan trọng trong sản xuất điện là khả năng huy động của nó.
Không như dầu mỏ và khí đốt, trữ lượng than được phân bố ở hầu hết các nước trên
thế giới, nhiều nhất được tập trung tại Mỹ, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ và tới nay,
có trên 80 nước đã tiến hành khai thác than. Hầu hết lượng than được khai thác đã
đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nước, do vậy, cần phải có chính sách đảm bảo an
ninh năng lượng than. Bên cạnh ưu điểm về khả năng huy động, một lý do nữa
khiến cho than trở lên quan trọng đối với sản xuất điện là khả năng cạnh tranh cao
về chi phí so với dầu mỏ và khí tự nhiên. Trong nhiều trường hợp, đốt than rẻ hơn
nhiều so với các nguồn nhiên liệu khác, đặc biệt là các nhiên liệu tái tạo.

3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG
Tên hình, bảng

Trang

Hình 1: Sơ đồ một nhà máy nhiệt điện

7

Hình 2: Máy nghiền than

14

Hình 3: Cháy lớp tĩnh

15

Hình 4: Đốt bụi than

16

Hình 5: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và
cacbon monoxit khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học.
Hình 6: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon.
Hình 7: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than
khác nhau.

21
21

22

Bảng 1: Dải nhiệt trị của các loại than

9

Bảng 2: Một số GCV điển hình

9

Bảng 3: Phân tích tương đối một số loại than điển hình

11

Bảng 4: Phân tích tuyệt đối một số loại than điển hình

12

4


CHƯƠNG 1. QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA THAN TRONG
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1.

Nhiên liệu rắn

1.1.1. Định nghĩa
Nhiên liệu rắn là loại nhiên liệu có từ cổ nhất và hiện vẫn đang phổ biến vào
bậc nhất. Đầu tiên là củi gỗ, sau là các loại thực vật và than củi. Than đá mở đầu

thời đại công nghiệp hoá. Các tên lửa nhiên liệu rắn là các thiết bị tối tân bậc nhất
ngày nay. Các ví dụ về hoả hoạn, cháy rừng, cho ta những bức tranh về sức mạnh
của quá trình cháy chất rắn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao một số chất rắn thăng
hoa (naphtalene, long não…), một số chảy lỏng rồi bay hơi. Ngọn lửa của các nhiên
liệu loại này nằm trong pha khí, dừng cách mặt rắn một khoảng ngắn bao bọc quanh
mặt đó. Nó có thể khá giống với ngọn lửa của giọt nhiên liệu lỏng. Phần lớn than đá
đều bị nhiệt phân một phần, biến thành khí đưới tác dụng của nhiệt độ cao. Phần
này còn gọi là chất bốc. Phần còn lại là carbon dạng rắn. Than càng trẻ về tuổi địa
chất thì càng chứa nhiều chất bốc, ít carbon cứng. Than gầy (anthracite) có ít chất
bốc nhất, cho nên nó có thành phần (hàm lượng) carbon cao nhất trong các loại
than.
1.1.2. Đặc tính nhiên liệu rắn
Thành phần:
 Phân tích sơ bộ (proximate analysis): tìm độ ẩm, phần chất bốc, phần carbon
rắn và độ tro.
 Phân tích cuối cùng (ultimate analysis): tìm thành phần khối lượng của C, S,
H, O và tro trong than, đơn vị đo là % khối lượng.
Nhiệt trị: nhiệt trị thấp LHV; nhiệt trị cao HHV
Than tiêu chuẩn: kgCE, TCE (kg of coal equivalent, ton of coal equivalent)
Tro: tính chất theo nhiệt độ, nhiệt độ biến dạng mềm, nhiệt độ nóng chảy. Phải biết
tính chất của tro để chọn phương án thải xỉ thích hợp vì trong các buồng đốt công
nghiệp khối lượng tro thải ra rất lớn, có thể đạt nhiều tấn/h.
5


1.1.3. Mô hình nhiệt phân của Nusselt (lõi teo dần – shrinking core)
Quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn trong chừng mực nào đó có thể nhìn nhận rất
giống với mô hình nhiệt phân của hạt theo Nusselt. Các giả thiết cho mô hình này là
hạt có hình cầu đường kính d0=2R, nhiệt độ ban đầu đồng đều T0, rồi tại thời điểm
t≥0 bề mặt hạt đột nhiên được nâng nhiệt độ lên đến T∞ và giữ ổn định ở đó; các

thông số vật lý của hạt xem đã biết và không đổi, nhiệt sẽ được dẫn vào trong hạt
làm nhiệt độ tăng lên. Nếu nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ nhất định là Tp thì mặt có
nhiệt độ này sẽ tiến vào tận tâm hạt sau một thời gian. Vị trí (bán kính r) của mặt
đẳng nhiệt Tp theo thời gian có thể tính được qua công thức dẫn nhiệt không ổn
định cho hình cầu là:

Năng suất phân huỷ trung bình của hạt là:

trong đó Kp là hằng số phụ thuộc từng chất, W0 là khối lượng ban đầu của hạt. Hạt
càng nhỏ càng dễ phân huỷ để cháy, năng suất phát nhiệt từ 1m3 càng cao.
1.2.

Nhà máy nhiệt điện

1.2.1. Định nghĩa
Trong nhà máy nhiệt điện, cơ năng được tạo ra bởi động cơ nhiệt. Động cơ
nhiệt tạo ra cơ năng bằng nhiệt được lấy bằng cách đốt nhiên liệu. Cơ năng ở đây
được lưu trữ dưới dạng động năng quay của tuabin. Khoảng 80% các nhà máy điện
dùng tuabin hơi nước, tức là dùng sử dụng hơi nước đã được làm bốc hơi bởi nhiệt
để quay tuabin. Theo định luật hai nhiệt động lực học, nhiệt năng không thể chuyển
hết thành cơ năng. Do đó luôn có mất mát nhiệt ra môi trường. Lượng nhiệt mất mát
này có thể được sử dụng vào các mục đích khác như sửi ấm, khử muối của nước...
6


Hình 1: Sơ đồ một nhà máy nhiệt điện
1.2.2. Phân loại
Nhà máy nhiệt điện có thể được phân loại dựa trên hai tiêu chí: loại nhiên liệu
được sử dụng và phương pháp tạo ra động năng quay.
Dựa vào loại nhiên liệu



Nhà máy điện hạt nhân dùng nhiệt tạo bởi phản ứng hạt nhân để quay tuabin
hơi.



Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng hóa thạch (khí đồng hành, dầu
diesel...) có thể dùng tuabin khí (khi dùng khí đồng hành) hoặc hơi (khi dùng
dầu).



Nhà máy địa nhiệt lấy sức nóng từ những tầng sâu của trái đất.



Nhà máy năng lượng tái tạo lấy nhiệt bằng cách đốt bã mía, rác thải, khí
biogas...

7




Nhà máy điện lấy nhiệt dư thừa từ các khu công nghiệp (nhà máy thép), sức
nóng của người và động vật, lò sưởi. Tuy nhiên các nhà máy này có công
suất thấp.

Dựa vào phương pháp tạo động năng quay



Nhà máy tuabin hơi: làm sôi nước và dùng áp suất do hơi phát ra làm quay
cánh tuabin.



Nhà máy tuabin khí: dùng áp suất do dòng khí di chuyển qua cánh tuabin làm
quay tuabin. Do nó làm cho tuabin khởi động nhanh nên nó có thể được dùng
cho việc tạo động năng đầu cho tuabin trong các nhà máy điện mặc dù tốn
kém hơn.



1.3.

Nhà máy tua bin kết hợp hơi - khí: kết hợp ưu điểm của hai loại tuabin trên.
Than

1.3.1. Định nghĩa
Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái
đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy
bởi sinh vật. Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố
khác như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có
màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất
điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất,
được xem là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên
toàn cầu. Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất.
1.3.2. Phân loại than
Than được phân loại thành những loại chính bao gồm anthraxit, bitum và than

non. Tuy nhiên, ranh rới giữa chúng cũng không rõ ràng. Than còn được phân thành
loại thành than bán anthraxit, bán bitum, và bitum phụ. Nếu xét trên góc độ địa chất,
anthraxit là than lâu đời nhất. Nó là than cứng chứa chủ yếu là cacbon với một ít
hàm lượng chất bốc và thường không có độ ẩm. Than non là than trẻ nhất. Loại than
này mềm và chứa chủ yếu là chất bốc, hàm lượng ẩm và ít cacbon cố định. Cacbon
8


cố định là cacbon ở trạng thái tự do, không kết hợp với các chất khác. Chất bốc liên
quan đến các chất cháy được của than, bị bốc hơi khi than được gia nhiệt.
Loại than thường được sử dụng nhất, ví dụ như trong ngành công nghiệp Ấn
độ là than bitum và sub-bitum. Phân loại than Ấn Độ dựa trên nhiệt trị như sau:
Bảng 1: Dải nhiệt trị của các loại than

Thông thường, than D, E và F sẵn có trong ngành công nghiệp Ấn Độ.
Thành phần hoá chất ảnh hưởng nhiều đến khả năng cháy của than. Đặc tính
của than được phân loại phổ biến thành đặc tính hoá và đặc tính lý.
1.3.3. Đặc tính hoá lý của than
Các đặc tính hoá lý của than bao gồm nhiệt trị, hàm ẩm, các chất bốc và tro xỉ.
Đặc tính hoá của than liên quan đến các thành phần hoá học khác nhau như
cacbon, hydro, oxy, và lưu huỳnh.
Nhiệt trị của các loại than khác nhau. Bảng dưới đây liệt kê một số GCV điển
hình của than.
Bảng 2: Một số GCV điển hình

9


1.3.4. Phân tích than
Có hai phương pháp phân tích than: phân tích tuyệt đối và phân tích tương đối.

Phân tích tuyệt đối xác định tất cả các thành phần của than, rắn hoặc khí còn phân
tích tương đối chỉ xác định cacbon cố định, các chất bốc, độ ẩm và phần trăm tro xỉ.
Phân tích tuyệt đối được thực hiện trong phòng thí nghiệm trang bị đầy đủ bởi các
nhà hoá học giỏi, còn phân tích tương đối được thực hiện bằng dụng cụ đơn giản
(cần lưu ý là từ “tương đối” ở đây không có liên hệ gì với từ “xấp xỉ”).
1.3.4.1.

Đo độ ẩm

Việc xác định hàm ẩm được tiến hành bằng cách đặt một mẫu than thô nghiền
nhỏ có kích thước 200-micron vào một nồi không bọc kín, đậy nắp đặt trong lò ở
nhiệt độ 108 +2 oC. Sau đó làm nguội mẫu xuống mức nhiệt độ trong phòng và cân
lại. Phần khối lượng mất đi là độ ẩm.
1.3.4.2.

Đo lường các chất bốc

Cân một mẫu than đã đập, đặt vào một nồi bọc kín, và nung trong lò ở nhiệt độ
900 + 15 oC. . Phần khối lượng mất đi là độ ẩm và chất bốc. Phần còn lại là cốc
(cacbon cố định và tro xỉ). Phương pháp chi tiết (bao gồm cách xác định hàm lượng
carbon và tro xỉ) tham khảo IS 1350 phần I: 1984, phần III, IV.
1.3.4.3.

Đo hàm lượng cacbon và tro xỉ

Phần bọc ngoài nồi sử dụng trong phép đo trước được bỏ đi và nung nồi trong
lò Bunsen cho đến khi cacbon bị cháy. Cân phần còn lại, là tro xỉ không cháy. Sự
khác biệt giữa khối lượng ở lần cân trước và lần này là cacbon cố định. Theo kinh
nghiệm thực tế, cacbon cố định hay FC được tính bằng cách lấy 100 trừ đi giá trị
của độ ẩm, chất bốc và tro xỉ.

1.3.4.4.

Phân tích tương đối

Phân tích tương đối cho thấy phần trăm khối lượng của carbon cố định, chất
bốc, tro xỉ và hàm ẩm trong than. Khối lượng carbon cố định và chất bốc đóng góp
trực tiếp vào nhiệt trị của than. Carbon cố định đóng vai trò là yếu tố tạo nhiệt chính
trong quá trình cháy. Hàm lượng chất bốc cao có nghĩa là nhiên liệu dễ bắt lửa. Hàm
10


lượng tro xỉ cũng rất quan trọng đối với thiết kế của ghi lò, thể tích đốt, thiết bị
kiểm soát ô nhiễm và thiết bị xử lý tro xỉ của lò đốt. Phân tích tương đối điển hình
các loại than khác nhau cho trong bảng 3.

Bảng 3: Phân tích tương đối một số loại than điển hình

 Những thông số này được mô tả dưới đây
Cacbon cố định:
Cacbon cố định là nhiên liệu rắn còn lại trong lò sau khi các chất bốc đã bay
hơi. Nó bao gồm chủ yếu là carbon và một ít hydro, oxy, lưu huỳnh và nitơ, không
bay hơi với khí. Cacbon cố định đưa ra ước tính sơ bộ về nhiệt trị của than.
Các chất bốc:
Các chất bốc là mêtan, hydrocacbon, hydro, CO và các khí không cháy như
CO2, nitơ có trong than. Khoảng điển hình của các chất bốc là từ 20 - 35%. Các
chất bốc :
 Tăng tương ứng chiều dài của ngọn lửa, và giúp than bắt lửa dễ hơn.
 Thiết lập giới hạn tối thiểu độ cao của lò và thể tích lò
 Ảnh hưởng đến yêu cầu khí thứ cấp và các vấn đề phân phối
 Ảnh hưởng đến hỗ trợ dầu thứ cấp

Hàm lượng tro xỉ:
11


 Tro xỉ là một tạp chất không bị cháy. Hàm lượng thường chiếm từ 5% đến
40%. Tro xỉ than làm:
 Giảm công suất xử lý và đốt cháy
 Tăng chi phí xử lý
 Ảnh hưởng đến hiệu suất cháy và hiệu suất của nồi hơi
 Gây ra tạo tro xỉ và clanke hoá
Hàm ẩm
Độ ẩm trong than phải được vận chuyển, xử lý và lưu trữ. Vì nó làm mất khả năng
dễ cháy nên làm giảm lượng nhiệt trên mỗi kg than. Dải điển hình là 0,5 - 10%. Độ
ẩm:
 Tăng tổn thất nhiệt, do bốc hơi và hơi quá nhiệt
 Về một khía cạnh nào đó, giúp giải quyết các hạt than mịn dính với nhau
 Giúp truyền nhiệt bức xạ
Hàm lượng lưu huỳnh:
Khoảng điển hình là từ 0,5 đến 0,8% . Lưu huỳnh:
 Ảnh hưởng đến xu hướng tạo tro xỉ và clinke
 Ăn mòn ống khói và các thiết bị khác như bộ sấy khí và các thiết bị trao đổi
nhiệt
 Hạn chế nhiệt độ khí lò thải
1.3.4.5.

Phân tích tuyệt đối

Phân tích tuyệt đối xác định tất cả các thành phần hoá học như carbon, hydro,
oxy, lưu huỳnh, vv… Phân tích này giúp xác định khối lượng khí cấp cần cho quá
trình cháy và thể tích, thành phần của khí cháy. Thông tin này cần thiết cho tính

toán nhiệt độ ngọn lửa và thiết kế ống khói, vv… Bảng dưới đây cho biết các phân
tích tuyệt đối điển hình của các loại than khác nhau.
Bảng 4: Phân tích tuyệt đối một số loại than điển hình
12


1.3.5. Dự trữ, xử lý và chuẩn bị than
Nếu khả năng sẵn có và vận chuyển không ổn định, cần phải bảo quản và xử
lý than. Dự trữ than có một số nhược điểm như phải xây nhà kho, hạn chế về
khoảng trống, suy giảm chất lượng và tiềm ẩn nguy cơ cháy. Những tổn thất do bảo
quản than bao gồm sự oxy hoá, tổn thất do gió và trải thảm than. Mỗi 1% than oxy
hoá sẽ tạo ra 1% tro xỉ. Tổn thất do gió chiếm khoảng 0,5 – 1,0 % trên tổng mức tổn
thất.
Mục tiêu chính đối với việc dự trữ than là giảm thiểu tổn thất do trải thảm than
và tổn thất do cháy tự phát. Hình thành lớp thảm mềm bao gồm bụi than và đất sẽ
gây ra tổn thất do trải than. Nói cách khác, nếu nhiệt độ trong đống than tăng từ từ,
oxy hoá sẽ dẫn tới bùng cháy tự phát than trong kho. Tổn thất do trải thảm than có
thể giảm bằng cách:
 Chuẩn bị bề mặt rắn cứng để trải than
 Chuẩn bị nhà kho chứa than chuẩn xây bằng bê tông hoặc gạch

13


Trong công nghiệp, phương pháp vận chuyển than có thể là thủ công hoặc
dùng hệ thống băng tải. Chúng tôi khuyên rằng nên giảm thiểu việc vận chuyển than
để tránh than bị vụn vỡ và giảm các tác động khác.
Chuẩn bị than trước khi đưa vào lò hơi cũng là một bước quan trọng để đạt
được độ cháy tốt. Những viên than to và không chuẩn sẽ gây ra những vấn đề sau:
 Điều kiện cháy kém và nhiệt độ lò không phù hợp

 Khí dư cao hơn dẫn đến tổn thất khí lò cao hơn
 Tăng lượng carbon không cháy trong xỉ
 Hiệu suất nhiệt thấp
1.3.6. Quá trình cháy một hạt than
Quá trình cháy than thực ra là cháy từng hạt trong một lớp hay trong một đám,
do đó cần phải được nghiên cứu qua một hạt. Quá trình cháy một hạt than có thể
phân đoạn ra như sau:
 Truyền nhiệt từ ngoài vào hạt than
 Phân huỷ phần chất bốc trong hạt
 Khuyếch tán chất bốc ra ngoài
 Khuyếch tán oxy vào và phản ứng cháy
 Truyền nhiệt của phản ứng cháy ra xung quanh
 Cháy khuyếch tán lõi carbon rắn còn lại
1.3.6.1.

Nghiền than (coal pulverization)

Nghiền than hay biến bụi than là bước quan trọng trong công nghệ đốt than. Hạt
than nhỏ dễ đốt và cháy nhanh. Bụi than cháy gần giống với bụi nhiên liệu lỏng.
Đốt than dạng bụi là công nghệ đốt tốt nhất về công suất và hiệu suất nhiệt, ít tổn
thất hoá học và cơ học nhất.
 Chuẩn bị thiết bị: Bãi chứa, băng tải, máy nghiền, kho chứa bụi than
 Sấy than: trước khi đưa vào máy nghiền phải sấy than cho khô.
14


 Tính nổ của bụi than: bụi than trong không khí là hỗn hợp có tính cháy nổ
cao, rất nguy hiểm

Hình 2: Máy nghiền than

1.3.6.2.

Buồng đốt than

1.3.6.2.1. Buồng đốt lớp chặt, tĩnh
Hình 3: Cháy lớp tĩnh
Thủ công, ghi cố định, lớp than cố định; nạp thêm than, chỉnh gió và cào xỉ
bằng tay.
Bán thủ công, ghi xích
 Ưu điểm: chi phí ban đầu thấp, đốt được tất cả các loại than, chế độ vận hành
mềm dẻo
15


 Nhựơc điểm: công suất thấp, qui mô nhỏ; hiệu suất thấp (tổn thất cao) ô
nhiễm
Kiểm soát/gia công kích thước than trước khi vào lò, tầng sôi chỉ hoạt động
khi các hạt than nằm trong vùng kích thước nhất định. Các hạt cháy trong tầng giả
lỏng (tầng sôi), nhiệt độ lớp khá đồng đều. Nhiệt độ lớp sôi phải thấp hơn nhiệt độ
mềm xỉ (chống bết dính)
1.3.6.2.2. Buồng đốt than bụi
Là kiểu đốt hiện đại nhất
 Hệ thống nghiền than (kho bãi, tiếp nhận, tải, nghiền, kho chứa...)
 Hệ thống làm nóng không khí và quạt gió
 Vòi phun, tạo xoáy, rất giống đốt dầu
Đốt bụi than ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại, nó có công suất
lớn, hiệu suất cao, điều khiển tăng giảm lửa dễ dàng (tốt).

Hình 4: Đốt bụi than

16


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN
2.1.

Quá trình cháy của than
Cháy than là sự cháy không đồng thể, với than ở dạng hạt rắn và chất oxi hóa

là khí oxi có trong không khí. Quá trình cháy của than phức tạp gồm nhiều giai
đoạn và có nhiều phản ứng xảy ra. Có thể phân quá trình thành 3 giai đoạn chính
theo thứ tự xảy ra như sau:
 Giai đoạn 1: Các hạt than được nung nóng, chất bốc và hơi nước thoát ra
khỏi than.
 Giai đoạn 2: Chất bốc, bốc cháy tạo nhiệt độ cao để khởi động sự cháy của
than thành cốc.
 Giai đoạn 3: Thành phần cốc cháy.
Giai đoạn 1: Trong giai đoạn này, đàu tiên than nóng lên và thành phần nước trong
than bốc hơi trước. Sự bốc hơi nước diễn ra nhanh do nước có hàm lượng nhỏ và
nhiệt độ sôi thấp (100oC) so với nhiệt độ trong lò. Tiếp đó là quá trình bốc hơi của
chất bốc, đây là quá trình chi phối trong giai đoạn 1. Phương trình phản ứng của quá
trình này có thể được viết như sau:
Than + nhiệt = Cốc + chất bốc
Quá trình bốc hơi chất bốc là quá trình thoát ra của thành phần chất bốc khi
than
bị đốt nóng. Đây là một đặc điểm quan trọng của quá trình cháy của than. Chất bốc
ở dạng khí cháy nhanh hơn nhiều so với hạt cốc còn lại và do đó nó có vai trò quan
trọng tạo ra sự khởi đầu và ổn định ngọn lửa, và quan trọng trong hình thành các
oxit của nitơ (NOx), là các khí thải gây ô nhiễm. Hơn nữa, quá trình bốc hơi này sẽ
xác định lượng cốc còn lại bị đốt cháy cũng như các đặc tính vật lý của cốc sinh ra,

với những tác động đến sau lên tính chất cháy của cốc. Các loại than khác nhau có
hàm lượng chất bốc khác nhau, tối đa có thể chiếm tới 50% khối lượng của than.
Bản chất của quá trình bốc hơi chất bốc là sự phá vỡ các liên kết yếu trong cấu
trúc phân tử của than. Số lượng chất bốc thoát ra và cấu trúc hóa học của nó phụ
thuộc vào nhiệt độ và tốc độ nóng lên của hạt than; kích thước hạt và cấu trúc hóa
17


học của than, trong đó tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh nhất.
Với tầm quan trọng của quá trình bốc hơi tới sự cháy của hạt rắn và tính phức tạp
của các quá trình vật lý và hóa học khi bốc hơi, nhiều mô hình đã được phát triển để
mô tả tốc độ bốc hơi của chất bốc từ than. Các mô hình đơn giản nhất dùng tốc độ
Arrhenius đơn hoặc đa. Mô hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate
model) giả thiết rằng tốc độ bốc hơi phụ thuộc bậc nhất vào hàm lượng chất bốc còn
lại trong hạt than.
dV
 k (V�  V )
 E / RT
dt
và k  Be

Đồng nhất phương trình (1.2) với dữ liệu thực nghiệm tìm ra được năng lượng
hoạt hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với năng lượng hoạt hóa để phá vỡ
các liên kết yếu trong phân tử than. Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (1.2)
phù hợp với tốc độ bốc hơi ở vùng nhiệt độ cao, nhưng không xét tới được sự thay
đổi lượng chất bốc thoát ra theo hàm của nhiệt độ. Để làm được điều này,
Kobayashi và các cộng sự đã đề xuất mô hình hai phản ứng đồng thời, với năng
lượng hoạt hóa và lượng chất bốc tạo ra của mỗi phản ứng khác nhau. Mô hình này
được gọi là mô hình Kobayashi. Cơ chế của nó được mô tả như phương trình dưới
đây:

k1

k2

Than �V1  (1  V1 )char

Than �V2  (1  V2 )char

hoặc
k1 = B1e-E1 /RT

-E
, k 2 = B2 e

2 /RT

(Mô hình Kobayashi) (1.3)

và V1, V2 là lượng chất bốc tạo ra ở mỗi phản ứng.

Với mô hình này, tốc độ bay hơi tức thời bằng tổng hai tốc độ k1 và k2:
dc
dV
 (k1  k2 )c
 (V1 k1  V2 k2 )c
dt
và dt

Với c là khối lượng hạt than còn lại trong quá trình bốc hơi.
Một cách tiếp cận khác được biết đến là mô hình năng lượng hoạt hóa được phân bố

(Distributed Activation Energy Model – DAEM). Mô hình này công nhận rằng sự
bốc hơi xảy ra thông qua nhiều phản ứng đồng thời. Để biểu diễn quá trình này theo
dạng toán học, tất cả các phản ứng được coi là bậc nhất và có thể được miêu tả bởi
18


một phân bố liên tục của các tốc độ động học với một hệ số chung và một hàm phân
bố đã xác định của năng lượng hoạt hóa.
�
�t
�
V�  V
�
exp � �
k ( E )dt �
f ( E )dE
V�
0
�0
�

Nếu một phân bố Gauss được sử dụng cho năng lượng hoạt hóa, hàm phân bố
có dạng.
f (E) 

exp �
( E  E0 )2 / 2 2 �
�
�

 (2 )1/2

và phân bố của tốc độ động học được mô tả bởi một độ lệch trung bình và độ lệch
chuẩn của năng lượng động học, do vậy chỉ một tham số bổ sung được đưa vào liên
hệ tới cách tiếp cận đơn giản nhất của việc sử dụng tốc độ Arrhenius đơn.
Giai đoạn 2: Cháy chất bốc
Trong giai đoạn này, chất bốc sinh ra từ giai đoạn I sẽ bốc cháy khi nhiệt độ
đạt trên 500oC. Vì thành phần chính của chất bốc là các khí hiđrocacbon C xHy nên
phương trình cháy của chất bốc có thể được viết như sau:
CxHy + (x+y/4) O2 = xCO2 + y/2 H2O

(1.7)

Nhiệt lượng sinh ra của quá trình phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất
bốc. Tốc độ của phản ứng (1.7) là nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của khí
O2, do vậy tốc độ của quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O 2 tới
vùng khí hiđrocacbon. Từ giả thiết này, ta có thể sử dụng mô hình xoáy – phân tán
(Eddy – Dissipation Model) để mô hình hóa quá trình cháy chất bốc. Theo mô hình
này, tốc độ phản ứng thực của chất I trong phản ứng thứ k, Rk, trong chuỗi phản
ứng là biểu thức có giá trị nhỏ hơn trong hai biểu thức dưới đây:
� I  �

Rk  A min � ' �
k
�vkI �

 �� ( I )W
Rk  AB � p '' I
k�
��p vkI W I

�
�
�
�

Trong đó:
19


[I] là nồng độ mol của chất phản ứng I.
(I) là nồng độ mol của chất sản phẩm I.
WI là khối lượng mol của chất I.
v'kI là hệ số tỉ lượng của chất phản ứng I trong phản ứng k.
v”kI là hệ số tỉ lượng của chất sản phẩm I trong phản ứng k.
∑P là lấy tổng theo tổng số các chất sản phẩm P.
ε, k lần lượt là tốc độ phân tán và động năng rối (Dissipation Rate, Turbulent
Kinetic Energy – TKE).
A, B là các hằng số thực nghiệm. Thông thường A = 4 và B = 0,5.
Từ đó tốc độ xảy ra của toàn bộ quá trình đối với chất I sẽ là:
K

S1  W1 � vhI''  vkI'  Rk
k 1

Giai đoạn 3: Cháy hạt cốc
Sau khi trải qua 2 giai đoạn trên, hạt còn lại lúc này là hạt cốc với thành phần
gồm cacbon cố định và xỉ, trong đó thành phần xỉ không tham gia vào quá trình
cháy. Sự cháy hạt cốc là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt đô xung quanh
hạt và kích thước của hạt. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt nhỏ thì quá trình cháy

sẽ sinh ra chủ yếu là khí cacbon monoxit CO. Nếu nhiệt độ cao và kích thước hạt
lớn hơn thì sẽ có nhiều khí CO2 được sinh ra. Phân tích dưới đây coi toàn bộ hạt cốc
là cacbon.
Hệ số tỉ lượng thích hợp cho phản ứng oxi hóa cacbon thực sự không rõ ràng,
vì có hai trạng thái oxi hóa khác nhau của cacbon là cacbon monoxit CO và cacbon
đioxit CO2 đều có thể xuất hiện khi bề mặt hạt cacbon bị oxi hóa.
2C + O2 → 2CO H  110kJ / mol.C
C + O2 → 2CO2 H  394kJ / mol.C
Sự khác biệt lớn ở lượng nhiệt năng sinh ra của hai phản ứng này và hai điểm
khác biệt trong tốc độ khí hóa cacbon trên 1 mol oxi phản ứng là vấn đề cần xem
20


xét để hiểu đúng về phản ứng oxi hóa cacbon. Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành
để cố gắng làm rõ các phản ứng này. Qua các thí nghiệm người ta tìm ra rằng lượng
CO2 sinh ra từ oxi hóa trực tiếp cacbon chỉ đáng kể khi ở nhiệt độ tương đối thấp so
với nhiệt độ cháy, và có thể giả thiết rằng ở nhiệt độ cháy chỉ có CO được sinh ra.
Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể giả thiết thêm rằng CO sinh ra sẽ khuếch
tán ra ngoài mà không phản ứng thêm nữa, thường gọi là mô hình lớp biên ổn định
như được minh họa trong hình 1.1.

Hình 5: Cơ chế của mô hình lớp biên ổn định, trong đó oxi và cacbon monoxit
khuếch tán tới hạt mà không có phản ứng hóa học.
Thực tế nếu nhiệt độ đủ cao (trên 1000K) và hạt đủ lớn, khí CO sẽ bị oxi hóa
thành CO2 ở vùng lớp biên này:
2CO + O2 → 2CO2 H  273kJ / mol.C
Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt sẽ bị giảm xuống vì một phần đã bị dùng để
oxi hóa CO, và CO2 trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard:
C + CO2 → 2CO H  172kJ / mol.C
Như vậy khi gặp đủ điều kiện thì hạt cacbon sẽ bị oxi hóa theo một mô hình

màng kép (double-film model) với hàm lượng các chất được minh họa theo hình vẽ
dưới đây.

21


Hình 6: Cơ chế mô hình màng kép của quá trình cháy hạt cacbon.
Cacbon đioxit oxi hóa cacbon với tốc độ chậm hơn đáng kể so với oxi tại cùng
nhiệt độ cháy. Kết quả là sự chuyển tiếp từ cháy kiểu màng đơn sang kiểu màng kép
tạo ra sự giảm tốc độ oxi hóa cacbon.
Trong phản ứng oxi hóa hạt cacbon dạng rắn tạo ra khí CO (bởi O 2 hoặc CO2),
hai mol khí CO được tạo ra từ một mol khí chất phản ứng, lượng khí sinh ra nhiều
hơn lượng khí phản ứng nên hình thành một dòng chất khí chảy ra xa bề mặt của
hạt. Dòng chảy này có tên là dòng Stefan, nó làm giảm tốc độ truyền nhiệt và khối
lượng từ lớp biên tới bề mặt hạt. Như vậy để mô hình hóa chính xác quá trình oxi
hóa cacbon cần tính tới ảnh hưởng của dòng Stefan làm giảm tốc độ khuếch tán oxi
tới bề mặt hạt.
Sự xuất hiện của các lỗ tổ ong trong hạt cốc cho phép các chất oxi hóa đi sâu
vào bên trong hạt và do đó làm tăng diện tích tiếp xúc cho các phản ứng lên đáng
kể. Các hạt cốc thường có tỉ lệ xốp lớn hơn 0,3, phụ thuộc vào lượng chất bốc có
trong hạt than ban đầu và sự nở ra hay co lại của hạt trong quá trình bốc hơi. Diện
tích bề mặt bên trong của hạt cốc thường trên 100 m 2/g. Với khối lượng riêng của
cốc thường là 0,8 g/cm2, ta có thể chỉ ra rằng diện tích mặt trong lớn hơn diện tích
mặt ngoài của một hạt khoảng 10 lần trên 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần trên
100 μm hạt và 10000 lần trên 1 mm hạt.
Tốc độ của phản ứng cháy hạt cốc cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước
của hạt. Hình 1.3 mô tả ba chế độ cháy khác nhau:

22

Hình 7: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ và kích thước hạt than khác nhau.
- Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy này chiếm ưu thế khi nhiệt độ bao quanh hạt
thấp và kích thước hạt nhỏ, khi đó tốc độ cháy sẽ được điều khiển hoàn toàn bởi tốc
độ phản ứng trên bề mặt hạt. Khi đó tốc độ khuếch tán của oxi nhanh hơn nhiều so
với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt và bên trong lớp biên của hạt bằng nhau
và bằng nồng độ oxi bên ngoài. Sự cháy vùng I xảy ra tại một tốc độ tổng thể bằng
với sản phẩm của tốc độ cháy bên trong, được ước lượng tại nồng độ khí oxi bên
ngoài, và tổng diện tích mặt trong. Đường kính hạt cốc được coi là hằng số và khối
lượng riêng của hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt không đổi).
- Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy được quyết định bởi tổ hợp
của các hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên trong và xung quanh hạt) và tốc độ độ
cháy bề mặt. Đây là chế độ thường diễn ra trong các quá trình cháy than. Sự cháy ở
vùng II diễn ra với sự xâm nhập một phần của khí oxi, kết quả là sự thay đổi đồng
thời của đường kính và khối lượng riêng của hạt khí các lỗ gần bề mặt hạt và mặt
ngoài hạt bị oxi hóa. Tỉ số giữa tốc độ cháy thực tế so với tốc độ cháy tối đa có thể
nếu toàn bộ hạt chịu áp suất cục bộ của khí oxi tại bề mặt ngoài của hạt được gọi là
hệ số hiệu suất.
- Trong vùng III tốc độ cháy bề mặt nhanh hơn nhiều do oxi không xâm nhập
hiệu quả vào bên trong hạt trước khi phản ứng. Đây là sự cháy khuếch tán bị giới
hạn. Vùng III cháy ở nhiệt độ cao (tăng tốc độ cháy bề mặt) và kích thước hạt lớn
(giảm thông lượng khuếch tán phần tử bề mặt). Tốc độ cháy được xác định bởi
thông lượng khuếch tán oxi qua lớp biên hạt. Khối lượng riêng của hạt không đổi
khi cháy và kích thước hạt giảm liên tục khi khối lượng hạt bị lấy đi duy nhất từ bề
mặt hạt (cháy khối lượng riêng hạt không đổi).

23


Mô hình cháy ở vùng I và vùng III đơn giản là các giới hạn của các điều kiện

ở quá trình cháy vùng II.
Than nghiền đạt chuẩn thương mại cần có trên 70% khối lượng các hạt than có
kích thước nhỏ hơn 74μm và dưới 2% có kích thước trên 300 μm. Với kích thước
nhỏ cùng nhiệt độ cao trong lò, hạt cốc thường sẽ cháy ở vùng II với sự kết hợp
điều khiển của khuếch tán và tốc độ phản ứng. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng
vào áp suất riêng phần của oxi thường được biểu diễn bởi một luật năng lượng, sinh
ra một biểu thức tốc độ tham chiếu tới biểu thức động học tường minh bậc n của
Arrhenius:
*

w = Ae

-E/RTp

P n O2,s

*

Với w  bằng tốc độ cháy tức thời của hạt chia cho diện tích mặt ngoài của
nó (= πd2p) và luôn được biểu diễn bằng đơn vị kg/(m 2s). Theo phân tích các phản
ứng trong các chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa được báo cáo lần đầu tiên bởi
Thiele năm 1939, trong sự cháy vùng II năng lượng hoạt hóa E và bậc phản ứng n
xuất hiện trong (1.15) có thể liên hệ tới các tham số động học thực tế và ẩn như E =
Eint/2 và n = (m+1)/2 với Eint là năng lượng hoạt hóa ẩn và m là bậc phản ứng ẩn.
Năng lượng hoạt hóa ẩn của sự oxi hóa cacbon hoặc cốc được xác định xấp xỉ bằng
180 kJ/mol và bậc phản ứng ẩn được đo (ở các nhiệt độ trung bình) là nằm trong
khoảng 0,6 – 1,0. Smith đã hiệu chỉnh dữ liệu oxi hóa cho các loại cacbon khác
nhau, bao gồm các hạt cốc xốp và cacbon không thấm nước như bồ hóng để nhận
được biểu thức sau cho các động học oxi hóa cốc ẩn với áp suất riêng phần của oxi
là 101 kPa:

*
� 179, 4 �
w = 3050exp �

�
� RT �

Vì sự biến thiên trong các bậc phản ứng được suy diễn với các dữ liệu thực
nghiệm khác nhau và loại cacbon, một biểu thức chung cho tốc độ động học bao
gồm sự phụ thuộc của oxi không thể được xác định.

24


Trong thực tế, sự oxi hóa bề mặt hạt diễn ra thông qua sự hút bám oxi, giải
phóng tức thời một phân tử cacbon monoxit hoặc cacbon đioxit hoặc hình thành
một sự phức tạp bề mặt ổn định oxi mà có thể thoát ra muộn hơn như CO hoặc CO 2.
Nhiều loại cơ chế phản ứng nhiều bước được đưa ra để mô tả quá trình này, nhưng
thông tin thực nghiệm và lý thuyết sẵn có tới nay không đủ để xác định bất kỳ cơ
chế oxi hóa bề mặt nào với mức độ tin cậy có thể chấp nhận được.

25