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

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, Đ o 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
Nghiên cứu chế độ nhiệt v qúa trình tạo
khí cho phép ta bằng lý thuyết tính toán sự phân
bố nhiệt độ của bề mặt than, nhiệt độ của khí v
nồng độ khí theo chiều cao lớp than. Điều đó có
ý nghĩa lớn về lý thuyết v thực tế vì cho tr5ớc
những điều kiện ban đầu thì bằng tính toán lý
thuyết có thể xác định đ5ợc điều kiện thích hợp

để thu đ5ợc sản phẩm, nâng cao hiệu suất quá
trình cũng nh5 tìm đ5ợc các biện pháp giảm ô
nhiễm môi tr5ờng do quá trình cháy than tạo ra.
II - Thực nghiệm
Than sử dụng gồm 2 loại than antraxit v
than gỗ kích th5ớc hạt d = 2 - 5 mm v có chất
l5ợng nh5:

Loại than

Độ tro,
%

Chất
bốc, %

Độ
ẩm,
%

Nhiệt
l5ợng Qk ,
cal/g

Cacbon
Ck, %

Hiđrô
Hk, %

L5u
huỳnh
Sk, %

Ni tơ
Nk, %

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 h nh nghiên cứu ở dạng lớp chặt; ống
phản ứng có d0 = 2,03 cm; tốc độ khí phản ứng
V= 1,359 l/ph (0,14 m/s); phân tích khí phản
ứng v khí sản phẩm phản ứng bằng máy sắc ký
khí.
III - Kết quả v thảo luận
Cơ sở của ph5ơng pháp tính tính toán:
Ph5ơng trình chế độ nhiệt của lớp than đang
phản ứng có dạng [1] :

1
Tc TK
=
1 + Sm
Tnp TK

(1)

Trong đó:
Tnp l nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại;
Tc, TK l nhiệt độ của bề mặt than v của
khí
Sm l chuẩn số Semenov.
Giải ph5ơng trình (1), xác định đ5ợc nhiệt
độ bề mặt than (Tc) v nhiệt độ của sản phẩm
cháy (TK) khi cho tr5ớc những điều kiện thủy
71

động học ( = .w) v khi biết tr5ớc đặc tính
hóa lý ban đầu của than đem sử dụng thể hiện
qua Knp = Konpe-E/RTc. Ph5ơng trình chế độ nhiệt
chỉ ra rằng ứng với mỗi giá trị Tc của bề mặt
than sẽ xác định đ5ợc t5ơng ứng giá trị nhiệt độ
Tk của khí khi biết tr5ớc Tnp.

V1

[

V1.[ .(1

]

Q
T + 273
.( 1
) Qbx
22,4
295
T + 273
).CTO22 + . .CTCO2 2 + (1 ).CTN22 ].( 2
)
295

.CTo 21 + (1

T2 =

Trong vùng cháy. với việc lựa chọn điều
kiện thực nghiệm hợp lý [2 - 7], có thể coi chỉ
xảy ra phản ứng tổng cộng C + O2 = CO2 của
quá trình cháy. Từ ph5ơng trình cân bằng nhiệt
của phân lớp ta rút ra:

).CTN12 .T1 + . .

(2)

Trong đó:
Q l hiệu ứng nhiệt của phản ứng cháy
V1 l thể tích của khí thổi v o
l nồng độ của oxi trong gió ban đầu, phần thể tích
l mức độ cháy
CT1j , CT2j l nhiệt dung riêng của khí j ở nhiệt độ T1, T2
Qbx l nhiệt bức xạ từ lớp than đang phản ứng đến th nh ống phản ứng.
Ph5ơng trình tạo khí của qúa trình tạo khí
cháy, xác định sự thay đổi nồng độ O2 theo
chiều cao lớp than, trong tr5ờng hợp không
đẳng nhiệt v bỏ qua khuếch tán phân tử, có
dạng sau [1]:
-

dC
1 Tc
w = . Fk.C .
dz

1 + S m TK

(3)

Trong đó:
W l tốc độ khí
l hệ số khuếch tán tổng cộng
C l nồng độ oxi
Fk l bề mặt ngo i của hạt than
Z l chiều cao lớp than

=
0

w

l h m vận chuyển

Giải ph5ơng trình (3) với điều kiện biên z =
C = Co ta có:

C
1 Tc
= exp (- .Fk.z.
)
Co
1 + S m TK

(4)

Ph5ơng trình (4) cho biết sự phân bố nồng
độ O2 theo chiều cao lớp than trong điều kiện
không đẳng nhiệt, bỏ qua khuếch tán phân tử.
Ph ơng pháp giải ph ơng trình chế độ nhiệt v%
tính toán quá trình tạo khí theo chiều cao lớp
nhiên liệu
72

Cơ sở tính toán l dùng ph5ơng pháp sai số
cuối cùng. Thực chất của ph5ơng pháp n y l
thay thế quá trình liên tục bằng quá trình từng
b5ớc theo không gian. Lớp đ5ợc chia th nh
nhiều phần phân lớp nhỏ v các đại l5ợng của
từng phần phân lớp nhỏ phụ thuộc v o điều
kiện cụ thể của qúa trình (nhiệt độ ban đầu,
kích th5ớc hạt, tốc độ khí, ...), ứng với mỗi
phần phân lớp nhỏ nhận các giá trị không đổi
cuả nhiệt độ khí, nhiệt độ lớp, chuẩn số Sm v
nồng độ khí. ở mỗi phần phân lớp nhỏ của quá
trình không đẳng nhiệt chỉ có sai khác giá trị Tc
v Tk.
Tùy thuộc v o điều kiện cụ thể ban đầu của
phản ứng (nhiệt độ ban đầu của quá trình T0 =
Tk = Tc, kích th5ớc hạt, tốc độ khí v nồng độ
oxy của khí phản ứng) xác định đ5ợc nhiệt độ
cháy lý thuyết cực đại (Tnp) theo công thức (2)
khi = 1, Qbx = 0.
Tiếp theo lựa chọn chiều cao của phần phân
lớp v bằng đồ thị giải ph5ơng trình chế độ
nhiệt, xuất phát từ nhiệt độ ban đầu của khí To

v nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại Tnp. Khi đó
xác định đ5ợc nhiệt độ bề mặt của phần phân
lớp thứ nhất (TC), giá trị TC n y coi nh5 không
đổi cho tới cuối phân lớp n y. Xác định hằng số
tốc độ Knp ứng với giá trị n y của Tc. Trên cơ sở
Knp đ| biết, xác định chuẩn số Semenov (Sm).


Nhiệt độ của khí đ5ợc xác định từ ph5ơng
trình cân bằng nhiệt của quá trình đối với phân
lớp thứ nhất khi không tính tới bức xạ v khi
tính tới bức xạ từ lớp than tới th nh ống.
Kết thúc việc xác định nhiệt độ của phần
phân lớp thứ nhất theo ph5ơng trình chế độ
nhiệt v ph5ơng trình tạo khí ta đ5ợc các giá trị
Tc, Tk v nồng độ khí phản ứng C.
Việc tính toán đối với phần phân lớp thứ 2
đ5ợc tiến h nh t5ơng tự nh5 tính toán đối với
phần phân lớp thứ nhất. Nhiệt độ của khí v
nồng độ của khí ra khỏi phần phân lớp thứ nhất
đ5ợc coi l số liệu đi v o đối với phần phân lớp
thứ hai. Tính toán đ5ợc tiến h nh đối với chiều
cao định tr5ớc của lớp nhiên liệu.
Sử dụng phần mềm EXCEL để tính toán lý
thuyết sự phân bố nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v
nồng độ oxy theo chiều cao lớp than ở các nhiệt
độ ban đầu khác nhau.
Kết quả tính toán v nghiên cứu thực
nghiệm đ5ợc trình b y trên bảng 2, 3 v hình vẽ
2, 3. Từ các số liệu ở các bảng 2, 3 v hình 1, 2,

3 v 4 chứng tỏ sự không đẳng nhiệt của qúa
trình cháy C + O2 thể hiện rất khác nhau v có
ảnh h5ởng lớn tới tốc độ tiêu tốn O2 v o phản
ứng:
Nhiệt độ bắt đầu phản ứng c ng thấp thì
chênh lệch nhiệt độ lớp (Tc), nhiệt độ khí (Tk)

với nhiệt độ ban đầu (T0) c ng thấp. Sự chênh
lệch nhiệt độ lớp với nhiệt độ khí c ng thấp, thì
tốc độ tiêu tốn O2 v o phản ứng c ng thấp.
C ng về sau theo chiều chuyển động của
khí (c ng gần cuối vùng cháy) thì sự khác nhau
giữa Tc v Tk c ng lớn v tốc độ tiêu tốn O2
c ng lớn, do đó đ5ờng biểu diễn của nhiệt độ
(Tc, Tk) theo chiều cao lớp tăng rõ rệt, ng5ợc lại
đ5ờng biểu diễn nồng độ O2 trong khí giảm
mạnh. Sở dĩ nh5 vậy vì phản ứng C + O2 l
phản ứng toả nhiệt lớn nên c ng phản ứng thì
l5ợng nhiệt toả ra c ng lớn, nhiệt độ c ng tăng.
ở cuối vùng cháy khi nồng độ O2 xấp xỉ 0% đạt
nhiệt độ cực đại.
Trong điều kiện thực nghiệm của nghiên
cứu n y thấy rằng ở những lớp than ban đầu
theo chiều chuyển động của khí, chuẩn số Sm có
giá trị lớn, c ng về cuối vùng cháy Sm c ng
giảm. Với đa số các thực nghiệm trên hai loại
than antraxit v than gỗ thì miền phản ứng của
phản ứng C + O2 lúc đầu l miền động học (Sm
> 9), sau đó chuyển v o miền chuyển tiếp ngoại
0,1 < Sm < 9.

So sánh hai loại than thấy rằng trong cùng
một điều kiện thực nghiệm nh5 nhau do than gỗ
có khả năng hoạt động lớn hơn than antraxit
nên dễ d ng tiến đến miền chuyển tiếp ngoại
hơn so với antraxit.

Bảng 2: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2
v o chiều cao lớp khi tính tới bức xạ. Than antraxit
Chiều cao
lớp, Mm

Nhiệt độ
khí Tk, oC

Nhiệt độ
khí Tk, K

Nhiệt độ
lớp Tc, K

Tốc độ khí
W m/s

Chuẩn số
Sm

[O2], phần
thể tích

Qbx,

Kcal/phút

0,0

775

1048

1048

0,49736

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

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

0,09710

0,09710

73


o

C

1350

Tk-775
Tc-775
®iÓm Tn-775
Tk-900
Tc-900
®iÓm Tn-900

1150
950
750
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Z, mm

H×nh 1: Sù phô thuéc cña Tk , T c v o chiÒu cao líp. Than antraxit
[O 2 ], PhÇn t.t
0,10
O2-775

0,08

®iÓm Tn-775
O2-900

0,06

®iÓm Tn-900

0,04
0,02
0,00
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10
z, mm

H×nh 2: Sù phô thuéc cña [O2 ] v o chiÒu cao líp
o

C

1500
Tk-575
Tc-575
®iÓm Tn-575
Tk-750
Tc-750
®iÓm Tn-750

1000
500
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

H×nh 3 : Sù phô thuéc cña Tk , T c v o chiÒu cao líp. Than gç
74

10

11

12
z, mm


Bảng 3: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2
v o chiều cao lớp khi tính tới bức xạ. Than gỗ
[O2],
phần thể
tích

Chiều
cao lớp,
Mm

Nhiệt độ
khí Tk, oC

Nhiệt độ
khí Tk, K

Nhiệt độ
lớp Tc, K

Tốc độ
khí W m/s

0,0

575

848

848

0,40244

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

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

Chuẩn số
Sm

Qbx,
Kcal/phút

0,09710

0,09710

[O 2 ], Phần tt
0,10
0,08
O2-575
điểm Tn-575
O2- 750
điểm Tn-750

0,06
0,04
0,02
0,00
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Hình 4 : Sự phụ thuộc của [O2 ] v o chiều cao lớp. Than gỗ

10

11
12
z, mm

75


IV - Kết luận

Đ| tiến h nh tính toán lý thuyết sự phân bố
nhiệt độ lớp v nhiệt độ khí v nồng độ O2 theo
chiều cao lớp than đối với hai loại than ở các
nhiệt độ khác nhau (than antraxit từ 700 đến
900oC, than gỗ từ 525 đến 750oC). Tính toán có
chú ý tới bức xạ nhiệt từ lớp than đang phản
ứng tới th nh ống phản ứng. Các số liệu thực
nghiệm t5ơng đối phù hợp với các tính toán lý
thuyết.
T i liệu tham khảo
1. Z. Ph. Trukhanov. Nhekator5e problem5
topliva i enhergitiki. Izđ. AN. SSSR. M.
(1961).
2. B. V. Kantorovich. Acnôv5teoii gorenhia i
gaziphikaxii tviôrđôva topliva. izđ. AN

76

SSSR. M. (1958).
3. X. A. Evxeeva. Ixleđovanhie prôxexxa
gorenhia Ugoln5x traxtix. Kanđ. Đix., igi.
M. (1975).
4. M. X. orenbax. Reakxionnaia paverxnost
pri geterogennom gorenhii. Nauka,
Novoxibirxk (1973).
5. D. Merriek. Coal Combustion and Conversion technology, Elsevier, Newyork (1984).
6. Nguyễn Quốc Thịnh. Báo cáo tổng kết đề
t i Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt v
giảm ô nhiễm môi tr5ờng trong các lò hơi
công nghiệp ghi tĩnh, Viện KHCN mỏ, H

Nội (1998).
7. B. V. Kantorovich, V. I. Mitkalinn5i, G. N.
Đeliagin, V. M. Ivanov. Giđrôđinamika i
teôria gorenhia potoka topliva. Metalurgia,
M (1971).