Nghiên cứu chế độ khí động siêu xoáy trong buồng lửa và ứng dụng của nó trên thực tế tại các lò hơi nhà máy nhiệt điện ninh bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

NGUYỄN CHIẾN THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ KHÍ ĐỘNG SIÊU XỐY TRONG
BUỒNG LỬA VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRÊN THỰC TẾ
TẠI CÁC LỊ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NINH BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ NHIỆT - LẠNH

HÀ NỘI 2008


i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------------------

NGUYỄN CHIẾN THẮNG
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ KHÍ ĐỘNG SIÊU XỐY TRONG
BUỒNG LỬA VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRÊN THỰC TẾ
TẠI CÁC LỊ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NINH BÌNH
Chun ngành: Cơng nghệ Nhiệt - Lạnh

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠNG NGHỆ NHIỆT - LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TSKH. NGUYỄN SĨ MÃO

HÀ NỘI 2008


ii

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sĩ này do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn của
GS.TSKH. Nguyễn Sĩ Mão. Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài các tài liệu
tham khảo đã liệt kê, tôi cam đoan khơng sao chép các cơng trình hoặc thiết kế tốt
nghiệp của người khác.
Hà Nội, ngày 21 tháng 06 năm 2008
Người cam đoan

Nguyễn Chiến Thắng


iii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy hướng dẫn
GS.TSKH. Nguyễn Sĩ Mão, người đã trực tiếp dành nhiều thời gian tận tình hướng
dẫn, cung cấp những kiến thức và thơng tin q báu giúp đỡ tơi hồn thành luận văn
này.
Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các thầy giáo trong Viện KH&CN
Nhiệt - Lạnh, trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt
quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện bản luận văn này.

Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn tới tập thể cán bộ công nhân viên Nhà máy nhiệt
điện Ninh Bình, Trung tâm thí nghiệm điện I, Xưởng thiết bị áp lực, Phịng thí
nghiệm cháy Bộ mơn Nhiệt trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho
tơi đến làm việc, thí nghiệm cũng như cung cấp các tài liệu giúp tơi hồn thành bản
luận văn này.
Cuối cùng tơi xin tỏ lịng biết ơn tới gia đình cùng bạn bè, đồng nghiệp, đặc
biệt là KS. Nguyễn Tuấn Nghiêm, TS Hồng Tiến Dũng đã giúp tơi rất nhiều
trong q trình hồn thiện bản luận văn này.

Hà Nội, ngày 21 tháng 06 năm 2008
Người thực hiện

Nguyễn Chiến Thắng


iv

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Mục lục

iv

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1-CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT CHÁY NHIÊN LIỆU

4

1.1 - Tốc độ phản ứng hoá học

4

1.2 - Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng hoá học

5

1.3 - Định luật khối lượng tác dụng

5

1.4 - Bậc phản ứng

7

1.5 - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hoá học

11

1.6 - Cách xác định năng lượng hoạt hoá bằng thực nghiệm

14

1.7 - Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng

14

CHƯƠNG 2 - CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CHÁY BỘT THAN

17

2.1 - Cháy hạt than bột

17

2.2 - Thời gian cháy kiệt hạt than

19

2.3 - Đặc tính khí động học của các dịng phun

21

2.3.1 - Dịng phun tự do đẳng nhiệt

21

2.3.2 - Dịng phun khơng đẳng nhiệt

24

2.3.3 - Ngọn lửa dòng phun

33

2.4 - Những vấn đề kỹ thuật cơng nghệ đặt ra trong q trình cháy than

35

2.4.1 - Vấn đề bắt cháy than

35

2.4.2 - Vấn đề cháy kiệt than, cháy ổn định

40

2.4.3 - Hạn chế, loại bỏ đóng xỉ buồng lửa và đề phịng ăn mịn nhiệt độ
cao
2.4.4 - Giảm chất phát thải khí và các thành phần ô nhiễm khác

41
41


v

2.5 - Nghiên cứu cơ bản về phân ly

43

2.5.1 - Ngun lý phân ly khí rắn trong dịng hai pha bằng trọng lực

43

2.5.2 - Phân ly theo nguyên lý lực ly tâm

44

2.5.3 - Phân ly theo lực quán tính

45

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT VÀ THÀNH TỰU NGHIÊN
CỨU

47

3.1 - Nghiên cứu trên mơ hình

48

3.1.1 - Hệ thống thí nghiệm

50

3.1.2 - Sơ đồ bố trí điểm đo và các phương pháp đo đạc

52

3.1.3 - Dụng cụ đo và phương pháp thí nghiệm

52

3.1.4 - Đặc tính máy cấp than bột

52

3.1.5 - Các kích thước cơ bản của bộ phân ly

53

3.1.6 - Kết quả của thí nghiệm trên mơ hình lạnh

53

3.2 - Ứng dụng vòi phun kiểu UD cho lò hơi số 4 tại nhà máy Nhiệt điện
Ninh Bình

54

3.3 - Ứng dụng vịi phun kiểu UD kết hợp siêu xốy cho lị hơi số 3

56

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ ỨNG DỤNG TRÊN THỰC TẾ

58

4.1 - Thí nghiệm, hiệu chỉnh sau đại tu và đánh giá vịi phun UD

58

4.1.1 - Mục đích thí nghiệm

58

4.1.2 - Đặc tính thiết bị

58

4.1.3 - Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

58

4.1.4 - Phương pháp đo trong thí nghiệm

60

4.1.5 - Nội dung và các kết quả thí nghiệm

61

4.2 - Các thơng số kết quả
4.2.1 - Lị hơi Ninh Bình áp dụng vịi phun UD - Lị hơi số 4
4.2.2 - Lị hơi Ninh Bình áp dụng vịi phun UD kết hợp siêu xốy - Lị

hơi số 3
4.3 - Đánh giá kết quả
4.3.1 - Các đánh giá sơ bộ kết quả ứng dụng trên lò hơi số 3

62
62
82
105
105


vi

4.3.2 - Kiểm nghiệm trong thực tế vận hành

107

4.3.3 - Hiệu quả kinh tế

117

KẾT LUẬN

118

TÀI LIỆU THAM KHẢO

119

1

Mở đầu
Năng lượng là một yếu tố hết sức cần thiết trong đời sống xà hội loài
người. Trong lịch sử phát triển của nhân loại, năng lượng đóng một vai trò rất
quan trọng và nó là một trong những nhân tố quyết định đến sự phát triển, tiến
hoá của loài ng­êi. Cã thĨ nãi loµi ng­êi chØ thùc sù tiÕn hoá khi biết sử dụng
lửa, biểu tượng sơ đẳng nhất của năng lượng trong thời tiền sử. Con người đÃ
tìm tòi và phát minh ra nhiều dạng năng lượng khác nhau, sử dụng nó để phục
vụ cho đời sống dân sinh và nhu cầu xà hội. Các nguồn năng lượng ngày càng
được phát hiện ra nhiều, đa dạng và phong phú hơn.
Tuy nhiên, xà hội càng phát triển, càng văn minh thì nhu cầu sử dụng
năng lượng càng lớn, trong khi các nguồn năng lượng sơ cấp là rất hạn chế và
đang có nguy cơ càng ngày càng cạn kiệt, khan hiếm. Kinh nghiệm của các
nước đà trải qua các cuộc khủng hoảng năng lượng đà chuyển sang phát triển
nền kinh tế của mình theo hướng tiết kiệm năng lượng. Các nước xuất khẩu
năng lượng cũng chuyển sang khai thác một cách hợp lý. Nhiều nước đÃ
nghiên cứu và đưa ra các đạo luật về tiết kiệm năng lượng. Việc nghiên cứu
tìm kiếm các công nghệ chuyển đổi năng lượng và sử dụng năng lượng có hiệu
suất cao đang được hết sức quan tâm. Một cuộc cách mạng thực sự về tiết
kiệm năng lượng đà hình thành.
Trong bối cảnh toàn cÇu nh­ vËy, ë n­íc ta tiÕt kiƯm nãi chung và tiết
kiệm năng lượng nói riêng cũng đà trở thành một quốc sách của nhà nước.
Điện lực Việt Nam là ngành sử dụng năng lượng sơ cấp lớn nhất trong
nền kinh tế quốc dân. Trong thời gian gần đây, do nhu cầu phát triển của nền
kinh tế quốc dân, hệ thống điện Việt Nam đà phát triển mạnh mẽ về nguồn,
lưới cũng như phân phối điện năng. Bên cạnh các nhà máy nhiệt điện mới,
công nghệ hiện đại, các nhà máy nhiệt điện phía Bắc hiện đang vận hành, hầu
hết là công nghệ cũ do Liên Xô cũ và Trung Quốc giúp xây dựng từ những

2

năm 1960 đến nay, còn một số ít các nhà máy điện phía Nam do các hÃng của
Mỹ, Nhật Bản cung cấp, tuy nhiên các loại công nghệ này cũng lạc hậu từ
những năm 1970 đến nay, do vậy tổn hao nhiên liệu năng lượng lớn dẫn đến
giá thành sản xuất điện năng cao. Những năm qua chúng ta đà có rất nhiều cố
gắng để đảm bảo an toàn cung cấp điện năng cho sự phát triển kinh tế xà hội,
nhưng nhìn chung hiệu quả sử dụng năng lượng sơ cấp và phân phối điện năng
còn nhiều hạn chế, tổn thất nhiên liệu, điện năng còn lớn. Do đó, việc nghiên
cứu về vấn đề sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong ngành điện có ý
nghĩa rất quan trọng, và nó là một trong những nhân tố làm giảm giá thành
điện năng, nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc sản suất điện năng phục vụ xÃ
hội.
Về vấn đề này, trên thế giới đà và đang có nhiều nghiên cứu, đề xuất
các giải pháp công nghệ để tiết kiệm năng lượng trong sản xuất điện cũng như
đưa ra các mô hình tối ưu nhằm quản lý tiết kiệm năng lượng trong các cơ sở
sản xuất. Đi đầu trong lĩnh vực này vẫn là các nước phát triển Nhật, Đức, Mỹ,
Pháp, Anh...
Để sử dụng nguồn năng lượng nói chung và nguồn năng lượng than nói
riêng một cách có hiệu quả và hạn chế được tối đa khả năng gây ô nhiễm môi
trường thì cần phải đổi mới công nghệ đốt than, điều đó đòi hỏi chúng ta phải
nhanh chóng tiếp cận, nắm vững, làm chủ những công nghệ và thiết bị đốt
than tiên tiến mới nhập, đồng thời phải nhanh chóng từng bước cải tạo các
thiết bị đốt than cũ. Mặt khác phải nâng cao tiềm lực khoa học công nghệ nội
sinh để có thể tự chế tạo được các thiết bị sản xuất, sử dụng năng lượng nhiệt
phù hợp với điều kiện Việt Nam , đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cao và có tính cạnh
tranh.
Trên cơ sở tiếp cận, nghiên cứu, ứng dụng lí thuyết cơ bản, hiện đại về kĩ
thuật cháy nhiên liệu, đi sâu nghiên cứu đặc tính cháy và thực trạng công nghệ

cháy nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam. TiÕn hµnh


3

nghiên cứu và chuyển giao ứng dụng trong thực tế sản xuất các giải pháp khoa
học, các thiết bị đốt đạt hiệu quả cao trong chuyển hoá năng lượng nhằm mục
đích tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Phát triển ứng dụng thành tựu nghiên cứu trong vòi phun dòng đậm đặc
UD (Vòi phun kiểu phân ly hạt, tách dòng theo lực ly tâm), phạm vi của đề tài
này là Nghiên cứu chế độ khí động siêu xoáy trong buồng lửa và ứng dụng
của nó trên thực tế tại các lò hơi nhà máy nhiệt điện Ninh Bình, một nhà
máy nhiệt điện cũ, có tuổi thọ trên 25 năm ở thời điểm nghiên cứu, thiết bị đÃ
xuống cấp, hiệu suất thấp ... vì vậy mà làm cho đề tài càng có ý nghĩa thực
tiễn và cần thiết hơn.


4

Chương I
Cơ sở lí thuyêt về kĩ thuật cháy nhiên liệu
Cháy là quá trình phản ứng hoá học mÃnh liệt, phát nhiệt, phát quang
với tốc độ cao và đồng thời tạo nên một loạt quá trình vật lý khác. Bởi vậy quá
trình cháy sẽ bao gồm một loạt quá trình hoá lý sau: quá trình sinh nhiệt của
phản ứng hoá học, quá trình chuyển động, truyền nhiệt và truyền chất giữa các
dòng vật chất, quá trình chuyển hoá năng lượng lẫn nhau. Nghiên cứu quá
trình cháy thực chất là nghiên cứu bản chất của các quá trình đà nêu trên.
1.1. Tốc độ phản ứng hoá học
Tốc độ phản ứng hoá học là lượng thay đổi nồng độ vật chất tham gia
phản ứng (hoặc sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian. Bởi vậy cho

dù các điều kiện ngoại biên không thay đổi thì tốc độ phản ứng hoá häc cịng
thay ®ỉi theo thêi gian.

VÝ dơ: Ta cã mét phản ứng đơn giản sau:
A+BG+H

Tốc độ phản ứng tức thời sẽ được biểu thị như sau:
v=

dC
dC A
dC
dC
= B =+ G =+ H
d
d
d
d

(1.1)

trong đó:
- CA,CB,CG,CH là nồng độ chất tham gia phản ứng và sản phẩm phản
ứng(mol/cm3).
- v là tốc độ phản ứng ( mol/ cm3.s).
Thông thường các phản ứng hoá học có dạng tổng quát sau:
aA + bB gG + hH
Trong công thức trên a, b, g, h: hệ số nồng độ của vật chất tham gia phản ứng
(A, B) và sản phẩm phản ứng ( G, H ).

5

Khi đó tốc độ phản ứng được xác định như sau:
−

1 dC H
1 dCG
1 dC B
1 dC A
=+
=+
=−
h dτ
g dτ
b d
a d

(1.2)

Về nguyên tắc, ta có thể lấy bất kỳ sự thay đổi nồng độ một chất nào đó
trong phản ứng để biểu thị tốc độ phản ứng hoá học.Trong thùc tÕ, ng­êi ta
dïng sù thay ®ỉi nång ®é cđa chất dễ xác định để biểu thị tốc độ phản ứng hoá
học.Tốc độ phản ứng hoá học thông thường thông qua con đường thực nghiệm
để xác định
1.2. ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng hoá học
Phản ứng hoá học là một quá trình tổ hợp lại các chất có cấu trúc
nguyên tử khác nhau. Dựa vào sự khác nhau đó của nguyên lý phản ứng mà ta
phân ra hai loại phản ứng là: phản ứng đơn giản và phản ứng phức tạp. Phản
ứng hoá học chỉ có một bước cơ bản gọi là phản ứng đơn giản, còn phản ứng

hoá học có từ hai bước cơ bản trở lên và có cơ lý phản ứng phức tạp thì được
gọi là phản ứng phức tạp. Trong quá trình tham gia phản ứng thì dựa vào số
lượng phân tử tham gia phản ứng mà ta có thể phân phản ứng đơn giản thành
phản ứng đơn phân tử, phản ứng 2 phân tử, phản ứng 3 phân tử. Điều kiện
ngoại lai như nhiệt độ, áp suất, nồng độ trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng.
1.3. Định luật khối lượng tác dụng
Thực nghiệm chứng minh rằng: với nhiệt độ nhất định thì tốc độ phản
ứng là hàm số của nồng độ chất phản ứng. Đối với một phản ứng đơn giản,
hoặc bất kỳ một bước nào đó trong phản ứng phức tạp như:

aA + bB gG + hH
thì tốc độ phản ứng được viết dưới dạng sau:
v = kCaA CbB

(1.3)


6

Trong công thức trên k: hệ số tốc độ phản ứng
Công thức 1.3 được gọi là định luật khối lượng tác dụng, nó phản ánh mối
quan hệ giữa nồng độ vật chất tham gia phản ứng và tốc độ phản ứng. Đối với
phản ứng đơn giản thì tốc độ tỷ lƯ thn víi tÝch cđa nång ®é vËt chÊt tham
gia. Chúng ta cũng có thể dựa vào thuyết động học phân tử để giải thích định
luật khối lượng tác dụng như sau: Tốc độ phản ứng hoá học tỷ lệ thuận với số
lần va đập của phân tử vật chất phản ứng trong 1 đơn vị thời gian trong 1 đơn
vị thể tích. Hiển nhiên là số lần va đập của các phân tử vật chất phản ứng liên
quan mật thiết với nồng độ vật chất tham gia phản ứng.
Đối với phản ứng đơn giản:

I 2 2I
H 2 + Cl ⋅ → HCl + H ⋅
2Cl ⋅ + M Cl 2 + M

Tốc độ phản ứng của chóng ta sÏ lµ:
v= k CI

2

v = kCH 2 CCl⋅

v= kCCl2



Đối với phản ứng phức tạp thì định luật khối lượng tác dụng sẽ không thích
hợp nữa.
Ví dụ như:
H 2 + Br2 = 2HBr

Nếu dựa vào định luật khối lượng tác dụng thì:
v = kC H 2 C Br

Song thực nghiệm cho kết quả tốc độ phản ứng của chúng lại là:
kCH 2 C0.5
Br2
v=
C
1 + k ' HBr
CBr2

7

Hai công thức trên rõ ràng là không giống nhau. Song định luật khối lượng tác
dụng lại thích ứng với từng bước phản ứng của phản ứng phức tạp.
k1
Br2 + M →
2 Br ⋅ + M ..............v1 = k1C Br2
k2
Br ⋅ + H 2 →
HBr + H ⋅ .............v 2 = k 2 C Br C H 2

1.4. BËc ph¶n ứng
Như trước đây đà trình bày một số phương trình tốc độ phản ứng hoá
học có dạng như sau:
v = kC aA C bB .......

(1.4)

Khi đó tổng số mũ các nồng độ vật chất tham gia phản ứng n = a+b.... thì
được gọi là bậc phản ứng. Nếu n = 2 thì gọi phản ứng đó là phản ứng bậc 2, và
cứ như vậy sẽ suy diễn ra. Bậc phản ứng phải thông qua con đường thực
nghiệm để xác định.
Đối với một số phản ứng phức tạp thì phương trình tốc độ phản ứng không
được thể hiện dưới dạng 1.4, lúc ấy khái niệm về bậc phản ứng như trên sẽ
không còn đúng nữa. Cần phải chỉ ra rằng bậc phản ứng và số lượng phân tử
phản ứng là hai khái niệm khác nhau, dù rằng với phản ứng đơn giản thì bậc
phản ứng của nó thông thường là bằng số phân tử vật chất tham gia phản ứng.
Ví dụ: phản ứng đơn giản I2 2I ' là phản ứng bậc 1, nó cũng là phản

ứng đơn phân tử. Song đối với phản ứng H2 + I2 thì bậc phản ứng là 2 nhưng
nó không phải là phản ứng hai phân tử mà là một phản ứng phức tạp. Bậc phản
ứng phản ánh mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng hoá học và nồng độ vật chất
tham gia phản ứng. Bậc phản ứng được xác định thông qua con đường thực
nghiệm. Biết được cấp phản ứng ta có thể định lượng để xác định tốc độ phản
ứng hoá học.
Dưới đây giới thiệu một số đặc điểm của phản ứng có bậc phản ứng giản
đơn.


8

Phản ứng bậc 1: Trong phản ứng đó tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận nồng độ
vật chất tham gia phản ứng , tốc độ phản ứng được thể hiện bằng công thức:
v=

dC
= k1C
d

(1.5)

Tích phân phương trình (1-5) với điều kiện ban đầu =0, C= C0 ta được
ln

hoặc

Co
= k1
C

(1.6)

1 Co
ln
τ
C

(1.7)

k1 =

C = C o exp(− k 1 τ )

(1.8)

Tõ công thức 1.8 ta thấy nồng độ vật chất phản ứng của phản ứng cấp 1
sẽ giảm dần theo quy luật hàm số mũ đối với thời gian. Nói một cách khác để
tiêu hao hết vật chất tham gia phản ứng cần phải kinh qua một thời gian vô
cùng dài.
Các phản ứng cấp 1 thường thấy là: phần lớn các phản ứng phân huỷ
nhiệt, một số phản ứng trong quá trình cháy, quá trình phân rà của các nguyên
tố phóng xạ, một số phản ứng thuỷ phân trong các dung dịch lỏng.
Phản ứng bậc 2: Trong phản ứng này thì tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với
bình phương nồng độ vật chất tham gia phản ứng ( hoặc tích nồng độ 2 loại
vật chất tham gia phản ứng). Để thuận lợi cho việc phân tích, chúng ta giả
thiết rằng chỉ có một loại vật chất tham gia phản ứng. Khi đó tốc độ phản ứng
sẽ được xác định .
v=

dC
= k 2C 2
d

(1.9)

tích phân phương trình 1.9 và đưa vào điều kiện ban đầu =0 thì C= C0 ta cã
1 1
−
= k 2τ
C Co

(1.10)


9

Từ đó có thể xác định được"hệ số tốc độ phản ứng hoá học" và "bán kỳ
suy giảm " của ph¶n øng bËc 2 nh­ sau:
1 1 1 

k 2 =  −
τ  C Co 

(1.11)

1
k 2Co

(1.12)

τ1 =
2

Ph¶n øng cấp 2 thường thấy là: hầu hết các phản ứng hoá hữu cơ trong dung
dịch, phản ứng cháy nhiên liệu khí ga, dầu nhẹ đều là phản ứng cấp 2 hoặc
gần cấp 2.
Phản ứng bậc n: Ta có dạng tổng quát công thức tính toán tốc độ của phản
ứng:
v=

dC
= kC n
d

(1.13)

Xác định nồng độ vật chất phản ứng ở các thời điểm khác nhau và biểu diễn
trên đồ thị nồng ®é (C) theo thêi gian (τ). HƯ sè gãc cđa đường tiếp tuyến
đường cong tại một điểm bất kỳ nào đó chính là tốc độ phản ứng tức thời của
phản ứng.
Trên đường cong đó ta lấy 2 điểm, thì lúc ®ã:
v1 = k C1n
v2 = k C2n


10

Biểu 1.1 giới thiệu một số đặc điểm chủ yếu của các bậc phản ứng
Hình thức tích phân

Bán kì suy

độ

1

k1C

2

k 2C 2

Đồ thị

giảm

ln


co

=k
1
C

1 1

= k 2
C Co

ln 2

1

k1

k1

lnCA

Tốc

1/CA

Bậc

Co k 2

+k2

k 3C 3

4
knC n

3 1
2 C o2 k 3

+2k3

τ

1
1
− n −1 = (n − 1)k n τ
n −1
C
Co

2 n −1 − 1
1
⋅ n −1
n − 1 C kn

1/Cn-1A

3

1
1
− 2 = 2k 3 τ
2
C Co

1/C2A

τ

+(n-1)kn

τ


11

Từ đó ta được:

n=

ln v1 ln v 2
ln C1 ln C 2

(1.14)

ngoài ra từ công thức chung tính tốc độ phản ứng ta có:
lnv=lnk+lnC

(1.15)

Ta biểu diễn mối quan hệ lnv và lnC trên đồ thị trên cơ sở thí nghiệm. Như

c1

lnv

nồng độ chất phản ứng C

vậy hệ số góc của đường thẳng chính là cấp phản ứng như hình 1.1

hệ số góc = tốc độ

C2
n . hệ số góc
C3
Thời gian

lnC

Hình 1.1: Phương pháp xác định cấp phản ứng bằng vi phân
1.5. ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hoá học
Thực nghiệm chứng minh được rằng nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến tốc
độ phản ứng cháy. Tuy nhiên sự ảnh hưởng đó rất phức tạp. Cho đến nay
người ta đà tìm ra được 5 loại hình quan hệ giữa tốc độ và nhiệt độ như hình
vẽ 1.2:
- loại I là phản ứng thường gặp nhất ,
- loại II và V là một số ít phản ứng thường gặp
- loại II là phản ứng nổ,
- loại III là phản ứng trung gian
- loại IV là phản ứng oxy hoá các hợp chất cacbua hydro


12

- loại V là phản ứng hợp thành NO2 .

III

v

v

v

II

I

T

T

T

IV
v

v

V

T

T

Hình 1.2: Các loại phản ứng và mối quan hệ v với T
Tốc độ phản ứng hoá học trong quá trình cháy hầu như đều tăng khi
tăng nhiệt độ. Arrhenius đà đưa ra được một mối quan hệ giữa hệ số tốc độ
phản ứng k ( loại I ) và nhiệt độ phản ứng T.
k = k0 exp(- E/RT)

(1.16)

trong các công thức trên đơn vị của k có quan hệ với bậc phản ứng,
k = v/ Cn
v: là tốc độ phản ứng (mol/cm3.s)
R: hằng số khí

( J/(kg.0K)

T: nhiệt độ phản ứng ( 0K )
k0: hệ số liên quan tới tần số va đập của các phân tử
Trong phản ứng hoá học, do kết quả chuyển động của các phân tử sẽ
gây ra sự va đập giữa các phân tử vật chất đà phá vỡ kết cấu vật chất sẵn có để
tạo nên kết cấu vật chất mới. Song không phải bất cứ sự va đập nào giữa các
phân tử vật chất đều gây ra phản ứng mà chỉ có những sự va đập giữa các


13

phân tử có mức năng lượng đủ lớn mới có thể gây ra phản ứng. Những phân tử
nào có mức năng lượng có thể gây ra phản ứng được gọi là phân tử họat hoá.
Trị số chênh lệch giữa năng lượng trung bình của các phân tử hoạt hoá và
năng lượng trung bình của các phân tử vật chất thường được gọi là năng lượng
hoạt hoá.
Theo quan điểm của Arrhenius thì từ chất phản ứng đến sản phẩm phản
ứng đi qua một trạng thái trung gian. Sự chênh lệch giữa năng lượng chất phản
ứng đến chất trung gian là năng lượng hoạt hoá của phản ứng thuận E+ nghĩa
là năng lượng mà phản ứng thuận cần phải vượt qua để tiến hành phản ứng.
Còn năng lượng hoạt hoá của phản ứng nghịch từ sản phẩm trung gian đến sản
phẩm cuối cùng của phản ứng là E- nghĩa là năng lượng mà phản ứng nghịch
phải vượt qua để tiến hành phản ứng. Sự chênh lệch về năng lượng hoạt hoá

của phản ứng thuận và nghịch tức là hiệu số giữa năng lượng chất phản ứng và
sản phẩm cuối cùng là sự biến đổi tổng năng lượng của toàn hệ thống U dưới
điều kiện đẳng tích thì nó là nhiệt hiệu ứng của phản ứng Q.
Lúc năng lượng của chất phản ứng cao hơn năng lượng của sản phẩm
phản ứng nghĩa là năng lượng hoạt hoá của phản ứng thuận thấp hơn năng
lượng hoạt hoá của phản ứng nghịch thì phản ứng là phản ứng sinh nhiệt, còn
ngược lại là phản ứng hÊp thơ nhiƯt. C«ng thøc Arrhenius k = k0.exp ( -E/RT )
tập trung phản ánh ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đối với tốc độ phản ứng.
Đối với một phản ứng đà cho nhiệt độ càng cao k sẽ càng lớn. Điều này
được giải thích như sau: khi nhiệt độ cao thì năng lượng của các phân tử càng
cao và như vậy số lượng các phân tử hoạt hóa sẽ càng nhiều, do vậy tăng
nhanh tốc độ phản ứng hoá học. Mặt khác chúng ta cũng thấy rằng lúc k0 có
giá trị gần giống nhau thì khi phản ứng có năng lượng hoạt hoá E càng lớn thì
k sẽ càng bé, do vậy tốc độ phản ứng sẽ biến nhỏ. Ngược lại E càng nhỏ thì k
sẽ càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn.


14

1.6. Cách xác định năng lượng hoạt hoá bằng thưc nghiệm
Biết được năng lượng hoạt hoá của 1 phản ứng nào đó ta có thể biết
được khả năng tiến hành phản ứng nhanh hay chậm, đồng thời ta có thể tính
được hệ số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ nhất định từ đó có thể tính được tốc độ
phản ứng.
Năng lượng hoạt hoá của phản ứng được xác định băng phương pháp thực
nghiệm trên cơ sở công thức Arrhenius. Thông thường có hai cách xác định:
phương pháp đồ thị và phương pháp thế.
+Phương pháp đồ thị:

Từ công thức 1.16 ta cã :

lnk = lnk o −

E
RT

(1.17)

Th«ng qua thùc nghiƯm ta đo đạc và vẽ được đồ thị biểu thị mối quan
hệ giữa lnk và 1/T. Thường mối quan hệ này thành một đường thẳng.Hệ số góc
của đường thẳng này là -E/R vì vậy
E =-(hệsố góc ).R

(1.18)

+ Phương pháp thế:
Tại hai điểm nhiệt độ khác nhau ta đo được hai trị số k thay vào công thức
1.16 ta sẽ được:
E=

R
1 1

T1 T2

ln

k T2
k T1

(1.19)

1.7. ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng
Trong thực tế, trong rất nhiều trường hợp quá trình cháy xảy ra trong
môi trường có áp suất cao ví dụ quá trình cháy trong tăng áp. Bởi vậy cần phải
nghiên cứu sự ảnh hưởng của áp suất tới tốc độ phản ứng. Để phân tích được
đơn giản ta giả thiết đối tượng nghiên cứu là phản ứng đơn giản của chất A và
B thể khí dưới nhiệt độ nhất định và chất phản ứng thể khí tuân theo các quy
luật của khí lý tưởng nghĩa là:


15

pV = nRT hay p = CRT
Gi¶ thiÕt r»ng: pA phân áp suất chất A
NA khối lượng chất A (mol)
Ta cã:

pAV = nART hay pA = CART

NÕu gäi xA lµ tû sè mol vËt chÊt A trong thĨ tÝch th×: pA = xAp
+Đối với phản ứng bậc 1
v=

dC A
p
= k1C A = k1x A
dτ
RT

v=−

dC A
 p 
= k 2 C 2A = k 2 x 2A 

dτ
 RT 

+ §èi với phản ứng bậc 2
2

hoặc

dC
p
v = A = k 2C A C B = k 2 x A x B

d
RT

2

+ Đối với phản ứng bËc n
dC
 p 
v = − Α = k n C nA = k n x nA 

dτ
 RT 

Tãm lại: + Đối với phản ứng bậc1

v p

+ Đối với phản ứng bậc 2

v p2

+ Đối với phản ứng bậc n

v pn

n

Hiển nhiên là áp suất càng tăng thì tốc độ phản ứng hoá học càng nhanh.
Trong quá trình cháy thực tế thì áp suất không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ
phản ứng cháy mà còn ảnh hưởng đến cả quá trình khuếch tán và tản nhiệt, vì
vậy không thể chỉ dựa vào sự thay đổi tốc độ phản ứng để giải thích sự ảnh
hưởng của việc tăng áp hay giảm áp đến quá trình cháy. Lưu ý rằng mối quan
hệ giữa tốc độ cháy với áp suất cịng cã thĨ biĨu hiƯn qua sù thay ®ỉi nång độ
tương đối của vật chất sản phẩm phản ứng với áp suất:
ã Đối với phản ứng bậc 1 :

v=

dCA
= k1CA = k1x A C
dτ

16

nên

C
d A
C

= k1x A
d

ã Đối với ph¶n øng bËc 2:
v=−

dC A
 p 
= k 2C 2A = k 2 x 2A C 2 = k 2 x 2A C

dτ
 RT 

C 
d A 
C 
 p 
− 
= k 2 x A2 

dτ

 RT 

cïng lý luận tương tự ta có
ã Đối với phản ứng cấp n:
C 
d A 
n −1
p
-  C  = k n x nA
d
RT

Những cơ sở lí thuyết về nhiệt động hóa học nói trên giúp chúng ta
phân tích những vấn đề về kĩ thuật cháy trong các phần sau được thuận
lợi và chính xác.


17

Chương 2
Công nghệ kĩ thuật cháy bột than
2.1. Cháy hạt than bột
ở trạng thái nhiệt độ cao, thì tốc độ phản ứng hoá học giữa cacbon và
oxy trên mặt hạt cầu than được xác định như sau:
(2.1)

SK so2 = k ∗ SC s = kSC s

Trong ®ã

k ∗ = k hệ số tốc độ phản ứng hóa học giửa cacbon và oxy

Cs nồng độ o xy trên bề mặt cầu của hạt than
Trong trường hợp nhiệt độ tăng từ thấp lên cao thì tốc độ tổng của phản
ứng dị pha có thể được biểu diễn như sau:
k = k (1 + S i )

Trong đó =

r
3

(2.2)

gọi là độ sâu thâm nhập oxy vào hạt than

Đồng thời xét đến cả phản ứng trong và ngoài mặt hạt than rỗng ta có
công thức tính tốc độ phản ứng tổng của sự tiêu hao than thông qua tính tốc độ
tiêu hao oxy nh­ sau:
K so2 = k ∗ C s = k (1 + S i )C o

(2.3)

Đối với hạt than hình cầu thì lượng oxy khuếch tán lên bề mặt ®­ỵc tÝnh
nh­ sau:
q mo2 = α d (C ∞ − C s ) =

Nu ∗ D

δo

(C ∞ − C s )

ở trạng thái cân bằng thì lượng tiêu hao oxy cho phản ứng sẽ bằng
lượng oxy khuếch tán lên bề mặt nghĩa là:

K so2 = q mo2

do vậy tốc độ phản

ứng tổng sẽ là:
K so2 =

1

o
1
+
k (1 + S i ) Nu ∗ D

C∞ = k ,C∞

(2.4)


18

trong ®ã:
k' =

1

δo
1
+
k (1 + εS i ) Nu ∗ D

(2.5)

k , được gọi là hệ số tốc độ quy dẫn tổng của phản ứng .

Ta đặt

1
gọi là trở lực của phản ứng tổng , nó gồm hai phần "trở lực khuếch
k,

tán trong" và "trở lực khuếch tán mặt ngoài" ta cã:
δo
1
1
+
=
,
k (1 + εS i ) Nu ∗ D
k

tõ đó ta có 4 trạng thái cháy như sau:
Khi k (1 + S i ) >>

Nu D

o

Đấy là lúc phản ứng xẩy ra ở trạng thái nhiệt độ rất cao nên tốc độ phản
ứng cháy phụ thuộc rất lớn vào sự khuếch chất khí ở ngoài bề mặt hạt than.
Khi đó có thể bỏ qua trở lực phản ứng hóa học nên:
K so2 =

Nu D

o

(2.6)

C

Trạng thái cháy này nồng độ oxy trên bề mặt ngoài hạt than và trong
các kẽ đều nhỏ hơn rất nhiều ở môi trường bên ngoài Cso<
o

vì vậy trạng

thái cháy này được gọi là "cháy khuếch tán ngoài".
Khi

Nu D

o

>> k (1 + S i ), ro >> >>

Trong đó: ro bán kính hạt than, độ thâm nhập phản ứng hữu hiệu,
đường kính quy dẫn của mặt trong các kẽ của hạt than.
Trong trạng thái này nhiệt độ phản ứng tương đối thấp, hạt than tương đối lớn
mà các kẽ hỡ nội bộ tương đối bé. Lúc này hệ số trun chÊt α d rÊt lín chÝnh