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

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<i>T¹p chÝ Hãa häc, T. 40, sè 1, Tr. 71 - 76, 2002</i>

<b>Nghiên cứu chế độ nhiệt và q trình tạo khí của </b>

<b>phản ứng cháy cacbon ca than </b>

<i>Đến Tòa soạn 4-9-2001 </i>

Nguyễn Quốc Thịnh, Nguyễn Thế Dân, Đ o Văn T ờng

<i>Tr ờng Đại học Bách khoa H%Nội </i>

Summary

<i>Study on the combustion reaction of cacbon of two kind of coals in the the conditions close </i>
<i>to the isothermal, and on the changes of the temperature on the coal surface layer, in the gas </i>
<i>and the oxygen concentration depending on the height of the coal layer. </i>

I - Mở đầu

Nghiờn cứu chế độ nhiệt v qúa trình tạo
khí cho phép ta bằng lý thuyết tính tốn 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 tốn lý
thuyết có thể xác định đ5ợc điều kiện thích hợp

để thu đ5ợc sản phẩm, nâng cao hiệu suất quá
trình cũng nh5tìm đ5ợc các biện pháp giảm ơ
nhiễm mơi tr5ờng do q trình cháy than tạo ra.

II - Thùc nghiƯm

Than sư dơng gåm 2 loại than antraxit v
than gỗ kích th5ớc hạt d = 2 - 5 mm v cã chÊt
l5ỵng nh5:

Loại than Độ tro,
%

Chất
bốc, %

Độ
ẩm,

%

Nhiệt
l5ợng Qk_,

cal/g

Cacbon
Ck_{, %}

Hiđrô
Hk_{, %}

L5u
huỳnh

Sk_{, %}

Ni t¬
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 qu¶ v th¶o ln

Cơ sở của ph5ơng pháp tính tính tốn:
Ph5ơng trình chế độ nhiệt của lớp than đang
phản ứng có dạng [1] :

<i>K</i>
<i>np</i>

<i>K</i>
<i>c</i>

<i>T</i>

<i>T</i>

<i>T</i>

<i>T</i>

=
<i>m</i>
<i>S</i>
+
1

1

(1)
Trong đó:

Tnp l nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại;

Tc, TK l nhiệt độ của bề mặt than v của

khÝ

Sml chuÈn sè Semenov.

Giải ph5ơng trình (1), xác định đ5ợc nhiệt
độ bề mặt than (Tc) v nhiệt độ của sản phẩm

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

động học ( = .w) v khi biết tr5ớc đặc tính
hóa lý ban đầu của than đem sử dụng thể hiện
qua Knp= K

o
npe

-E/RTc_{. Ph}₅_{ơng trình chế độ nhiệt}

chØ ra rằng ứng với mỗi giá trị Tc của bề mỈt

than sẽ xác định đ5ợc t5ơng ứng giá trị nhiệt độ
Tkcủa khí khi biết tr5ớc Tnp.

Trong vïng ch¸y. với việc lựa chọn điều

kiện thực nghiệm hợp lý [2 - 7], cã thĨ coi chØ
x¶y ra ph¶n ứng tổng cộng C + O2= CO2 của

quá trình cháy. Từ ph5ơng trình cân bằng nhiệt
của phân lớp ta rót ra:

T2=

[

]

)

295

273

T

].(

C

).

1

(

C

.

.

C

).

1

.(

.[

V

Q

)

295

273

T

.(

4

,

22

Q

.

.

T

.

C

).

1

(

C

.

V

2
2
T
2
N
2
T
2
CO
2
T
2
O
1
bx
1
1
1
T
2
N
1
T
2
o
1

+

+

+

+

+

+

(2)
Trong đó:

Q l hiƯu ứng nhiệt của phản ứng cháy
V1l thể tích của khÝ thỉi v o

l nồng độ của oxi trong gió ban đầu, phần thể tích
l mức độ cháy

CT1j, C
T2

jl 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]:

<i>-dz</i>
<i>dC</i>

w = . Fk.C .

<i>m</i>
<i>S</i>
+
1
1
<i>K</i>
<i>c</i>
<i>T</i>
<i>T</i>
(3)
Trong đó:

W l tốc độ khí

l hệ số khuếch tán tổng cộng
C l nồng oxi

Fkl bề mặt ngo i của hạt than

Z l chiỊu cao líp than
<i>w</i>

= l h m vận chuyển

Giải ph5ơng trình (3) với điều kiện biên z =
0 C = Cota cã:

<i>o</i>
<i>C</i>

<i>C</i>

= exp (- .Fk.z.

<i>m</i>
<i>S</i>
+
1
1
<i>K</i>
<i>c</i>
<i>T</i>
<i>T</i>
) (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.

<i>Ph ơng pháp giải ph ơng trình chế độ nhiệt v%</i>
<i>tính tốn q trình tạo khí theo chiều cao lớp </i>
<i>nhiên liệu </i>

Cơ sở tính tốn 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 khơng 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. ởmỗi phần phân lớp nhỏ của q
trình khơng 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 q 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 TCn 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

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

Nhiệt độ của khí đ5ợc xác định từ ph5ơng
trình cân bằng nhiệt của quá trình đối với phân
lớp thứ nhất khi khơng 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, Tkv nồng độ khí phản ứng C.

Việc tính tốn đối với phần phân lớp thứ 2
đ5ợc tiến h nh t5ơng tự nh5 tính tốn 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 tốn đ5ợc tiến h nh đối với chiều
cao định tr5ớc của lớp nhiên liệu.

Sử dụng phần mềm EXCEL để tính tốn 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 tốn 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 khơng đẳng nhiệt của qúa
trình cháy C + O2thể hiện rất khác nhau v có

ảnh h5ởng lớn tới tốc độ tiêu tốn O2v o phản

øng:

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 O2v 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

m¹nh. Së dÜ nh5 vËy vì phản ứng C + O2 l

phn ng to nhit lớn nên c ng phản ứng thì
l5ợng nhiệt toả ra c ng lớn, nhiệt độ c ng tăng.

ởcuối vùng cháy khi nồng độ O2xấp 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 Smcó

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 + O2lúc 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 nh5nhau 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.

<i>Bảng 2</i>: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2

v o chiỊu cao líp khi tÝnh tíi bøc x¹. Than antraxit

ChiỊu cao
líp, Mm

Nhiệt độ
khí Tk,

o

C

Nhiệt độ
khí Tk, K

Nhiệt độ
lớp Tc, K

Tốc độ khí
W m/s

Chn sè
Sm

[O2], phÇn

thĨ tÝch

Qbx,

Kcal/phót

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

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

<i>H×nh 1</i><b>:</b>Sù phơ thc cđa T_k<b>,</b>T<b>_c</b>v o chiỊu cao líp. Than antraxit
750

950
1150
1350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 _{Z, mm}10

<b>o</b>_C

Tk-775
Tc-775
điểm Tn-775
Tk-900
Tc-900
điểm Tn-900

<i>Hình 2</i>: Sự phụ thuộc của [O2] v o chiỊu cao líp

0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

z, mm
[O2], Phần t.t

O2-775
điểm Tn-775
O2-900
điểm Tn-900

<i>H×nh 3</i>: Sù phơ thc cđa T<b>_k</b>, T<b>_c</b>v o chiỊu cao lớp. Than gỗ
0

500
1000
1500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

z, mm

o_C

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

<i>Bảng 3</i>: Sự phụ thuộc của nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2

v o chiỊu cao líp khi tính tới bức xạ. Than gỗ
Chiều

cao lớp,

Mm

Nhiệt độ
khí Tk,

o_C

Nhiệt độ
khí Tk, K

Nhiệt độ
lớp Tc, K

Tốc độ
khí W m/s

Chn sè
Sm

[O2],

phÇn thĨ
tÝch

Qbx,

Kcal/phót

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

<i>H×nh 4</i>: Sù phơ thc cđa [O2] v o chiều cao lớp. Than gỗ

0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

z, mm
[O<b>2</b>], PhÇn tt

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

IV - KÕt luËn

Đ|tiến h nh tính tốn lý thuyết sự phân bố
nhiệt độ lớp v nhiệt độ khí v nồng độ O2theo

chiều cao lớp than đối với hai loại than ở các
nhiệt độ khác nhau (than antraxit từ 700 đến
900o_{C, than gỗ từ 525 đến 750}o_{C). Tính tốn 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 tốn lý
thuyết.

T i liƯu tham kh¶o

1. Z. Ph. Trukhanov. Nhekator5e problem5

topliva i enhergitiki. Iz®. AN. SSSR. M.
(1961).

2. B. V. Kantorovich. Acnôv5teoii gorenhia i
gaziphikaxii tviôrđôva topliva. izđ. AN

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
Conver-sion technology, Elsevier, Newyork (1984).
6. Nguyễn Quốc Thịnh. Báo cáo tổng kt

t i Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt v
giảm ô nhiễm môi tr5ờng trong các lò hơi
c«ng nghiƯp ghi tÜnh”, ViƯn KHCN má, H
Néi (1998).

</div>

<!--links-->