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

T¹p chÝ Hãa häc, T. 40, sè 1, Tr. 71 - 76, 2002 Nghiªn cøu chÕ ®é nhiÖt vµ qu¸ tr×nh t¹o khÝ cña ph¶n øng ch¸y cacbon cña than §Õn Tßa so¹n 4-9-2001 NguyÔn Quèc ThÞnh, NguyÔn ThÕ D©n, §o V¨n T−êng Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa H% Néi 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 - Më ®Çu ®Ó thu ®5îc s¶n phÈm, n©ng cao hiÖu suÊt qu¸ tr×nh còng nh5 t×m ®5îc c¸c biÖn ph¸p gi¶m « Nghiªn cøu chÕ ®é nhiÖt v qóa tr×nh t¹o nhiÔm m«i tr5êng do qu¸ tr×nh ch¸y than t¹o ra. khÝ cho phÐp ta b»ng lý thuyÕt tÝnh to¸n sù ph©n bè nhiÖt ®é cña bÒ mÆt than, nhiÖt ®é cña khÝ v II - Thùc nghiÖm nång ®é khÝ theo chiÒu cao líp than. §iÒu ®ã cã ý nghÜa lín vÒ lý thuyÕt v thùc tÕ v× cho tr5íc Than sö dông gåm 2 lo¹i than antraxit v nh÷ng ®iÒu kiÖn ban ®Çu th× b»ng tÝnh to¸n lý than gç kÝch th5íc h¹t d = 2 - 5 mm v cã chÊt thuyÕt cã thÓ x¸c ®Þnh ®5îc ®iÒu kiÖn thÝch hîp l5îng nh5: §é NhiÖt L5u §é tro, ChÊt Cacbon Hi®r« Ni t¬ Lo¹i than Èm, l5îng Qk , huúnh % bèc, % Ck, % Hk, % Nk, % % cal/g Sk, % Antraxit 2,54 4,13 2,12 8390 94,06 1,03 0,44 0,84 Than gç 6,30 10,57 6,14 7460 86,96 2,31 0,22 0,60 TiÕn hnh nghiªn cøu ë d¹ng líp chÆt; èng Tc − TK 1 ph¶n øng cã d = 2,03 cm; tèc ®é khÝ ph¶n øng = (1) 0 T − T 1+ S V= 1,359 l/ph (0,14 m/s); ph©n tÝch khÝ ph¶n np K m øng v khÝ s¶n phÈm ph¶n øng b»ng m¸y s¾c ký Trong ®ã: khÝ. Tnp l nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt cùc ®¹i; Tc, TK l nhiÖt ®é cña bÒ mÆt than v cña III - KÕt qu¶ vµ th¶o luËn khÝ Sm l chuÈn sè Semenov. C¬ së cña ph5¬ng ph¸p tÝnh tÝnh to¸n: Gi¶i ph5¬ng tr×nh (1), x¸c ®Þnh ®5îc nhiÖt Ph5¬ng tr×nh chÕ ®é nhiÖt cña líp than ®ang ®é bÒ mÆt than (Tc) v nhiÖt ®é cña s¶n phÈm ph¶n øng cã d¹ng [1] : ch¸y (TK) khi cho tr5íc nh÷ng ®iÒu kiÖn thñy 71 ®éng häc ( = .w) v khi biÕt tr5íc ®Æc tÝnh Trong vïng ch¸y. víi viÖc lùa chän ®iÒu hãa lý ban ®Çu cña than ®em sö dông thÓ hiÖn kiÖn thùc nghiÖm hîp lý [2 - 7], cã thÓ coi chØ o -E/RTc qua Knp = K npe . Ph5¬ng tr×nh chÕ ®é nhiÖt x¶y ra ph¶n øng tæng céng C + O2 = CO2 cña chØ ra r»ng øng víi mçi gi¸ trÞ Tc cña bÒ mÆt qu¸ tr×nh ch¸y. Tõ ph5¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt than sÏ x¸c ®Þnh ®5îc t5¬ng øng gi¸ trÞ nhiÖt ®é cña ph©n líp ta rót ra: Tk cña khÝ khi biÕt tr5íc 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 ®ã: Q l hiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng ch¸y V1 l thÓ tÝch cña khÝ thæi vo α l nång ®é cña oxi trong giã ban ®Çu, phÇn thÓ tÝch γ l møc ®é ch¸y T1 T2 C j , C j l nhiÖt dung riªng cña khÝ j ë nhiÖt ®é T1, T2 Qbx l nhiÖt bøc x¹ tõ líp than ®ang ph¶n øng ®Õn thnh èng ph¶n øng. Ph5¬ng tr×nh t¹o khÝ cña qóa tr×nh t¹o khÝ C¬ së tÝnh to¸n l dïng ph5¬ng ph¸p sai sè ch¸y, x¸c ®Þnh sù thay ®æi nång ®é O2 theo cuèi cïng. Thùc chÊt cña ph5¬ng ph¸p ny l chiÒu cao líp than, trong tr5êng hîp kh«ng thay thÕ qu¸ tr×nh liªn tôc b»ng qu¸ tr×nh tõng ®¼ng nhiÖt v bá qua khuÕch t¸n ph©n tö, cã b5íc theo kh«ng gian. Líp ®5îc chia thnh d¹ng sau [1]: nhiÒu phÇn ph©n líp nhá v c¸c ®¹i l5îng cña tõng phÇn ph©n líp nhá phô thuéc vo ®iÒu dC 1 Tc - w = β. Fk.C . (3) kiÖn cô thÓ cña qóa tr×nh (nhiÖt ®é ban ®Çu, dz 1+ Sm TK kÝch th5íc h¹t, tèc ®é khÝ, ...), øng víi mçi Trong ®ã: phÇn ph©n líp nhá nhËn c¸c gi¸ trÞ kh«ng ®æi W l tèc ®é khÝ cu¶ nhiÖt ®é khÝ, nhiÖt ®é líp, chuÈn sè Sm v β l hÖ sè khuÕch t¸n tæng céng nång ®é khÝ. ë mçi phÇn ph©n líp nhá cña qu¸ C l nång ®é oxi tr×nh kh«ng ®¼ng nhiÖt chØ cã sai kh¸c gi¸ trÞ Tc Fk l bÒ mÆt ngoi cña h¹t than v Tk. Z l chiÒu cao líp than Tïy thuéc vo ®iÒu kiÖn cô thÓ ban ®Çu cña β ph¶n øng (nhiÖt ®é ban ®Çu cña qu¸ tr×nh T = ϕ = l hm vËn chuyÓn 0 w Tk = Tc, kÝch th5íc h¹t, tèc ®é khÝ v nång ®é oxy cña khÝ ph¶n øng) x¸c ®Þnh ®5îc nhiÖt ®é Gi¶i ph5¬ng tr×nh (3) víi ®iÒu kiÖn biªn z = ch¸y lý thuyÕt cùc ®¹i (Tnp) theo c«ng thøc (2) 0 → C = Co ta cã: khi γ = 1, Qbx = 0. C 1 T = exp (-ϕ.F .z. c ) (4) TiÕp theo lùa chän chiÒu cao cña phÇn ph©n C k 1+ S T o m K líp v b»ng ®å thÞ gi¶i ph5¬ng tr×nh chÕ ®é nhiÖt, xuÊt ph¸t tõ nhiÖt ®é ban ®Çu cña khÝ T Ph5¬ng tr×nh (4) cho biÕt sù ph©n bè nång o v nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt cùc ®¹i T . Khi ®ã ®é O theo chiÒu cao líp than trong ®iÒu kiÖn np 2 x¸c ®Þnh ®5îc nhiÖt ®é bÒ mÆt cña phÇn ph©n kh«ng ®¼ng nhiÖt, bá qua khuÕch t¸n ph©n tö. líp thø nhÊt (TC), gi¸ trÞ TC ny coi nh5 kh«ng Ph−¬ng ph¸p gi¶i ph−¬ng tr×nh chÕ ®é nhiÖt v% ®æi cho tíi cuèi ph©n líp ny. X¸c ®Þnh h»ng sè tÝnh to¸n qu¸ tr×nh t¹o khÝ theo chiÒu cao líp tèc ®é Knp øng víi gi¸ trÞ ny cña Tc. Trªn c¬ së nhiªn liÖu Knp ®| biÕt, x¸c ®Þnh chuÈn sè Semenov (Sm). 72 NhiÖt ®é cña khÝ ®5îc x¸c ®Þnh tõ ph5¬ng víi nhiÖt ®é ban ®Çu (T0) cng thÊp. Sù chªnh tr×nh c©n b»ng nhiÖt cña qu¸ tr×nh ®èi víi ph©n lÖch nhiÖt ®é líp víi nhiÖt ®é khÝ cng thÊp, th× líp thø nhÊt khi kh«ng tÝnh tíi bøc x¹ v khi tèc ®é tiªu tèn O2 vo ph¶n øng cng thÊp. tÝnh tíi bøc x¹ tõ líp than tíi thnh èng. Cng vÒ sau theo chiÒu chuyÓn ®éng cña KÕt thóc viÖc x¸c ®Þnh nhiÖt ®é cña phÇn khÝ (cng gÇn cuèi vïng ch¸y) th× sù kh¸c nhau ph©n líp thø nhÊt theo ph5¬ng tr×nh chÕ ®é gi÷a Tc v Tk cng lín v tèc ®é tiªu tèn O2 nhiÖt v ph5¬ng tr×nh t¹o khÝ ta ®5îc c¸c gi¸ trÞ cng lín, do ®ã ®5êng biÓu diÔn cña nhiÖt ®é Tc, Tk v nång ®é khÝ ph¶n øng C. (Tc, Tk) theo chiÒu cao líp t¨ng râ rÖt, ng5îc l¹i ViÖc tÝnh to¸n ®èi víi phÇn ph©n líp thø 2 ®5êng biÓu diÔn nång ®é O2 trong khÝ gi¶m ®5îc tiÕn hnh t5¬ng tù nh5 tÝnh to¸n ®èi víi m¹nh. Së dÜ nh5 vËy v× ph¶n øng C + O2 l phÇn ph©n líp thø nhÊt. NhiÖt ®é cña khÝ v ph¶n øng to¶ nhiÖt lín nªn cng ph¶n øng th× nång ®é cña khÝ ra khái phÇn ph©n líp thø nhÊt l5îng nhiÖt to¶ ra cng lín, nhiÖt ®é cng t¨ng. ®5îc coi l sè liÖu ®i vo ®èi víi phÇn ph©n líp ë cuèi vïng ch¸y khi nång ®é O2 xÊp xØ 0% ®¹t thø hai. TÝnh to¸n ®5îc tiÕn hnh ®èi víi chiÒu nhiÖt ®é cùc ®¹i. cao ®Þnh tr5íc cña líp nhiªn liÖu. Trong ®iÒu kiÖn thùc nghiÖm cña nghiªn Sö dông phÇn mÒm EXCEL ®Ó tÝnh to¸n lý cøu ny thÊy r»ng ë nh÷ng líp than ban ®Çu thuyÕt sù ph©n bè nhiÖt ®é líp, nhiÖt ®é khÝ v theo chiÒu chuyÓn ®éng cña khÝ, chuÈn sè Sm cã nång ®é oxy theo chiÒu cao líp than ë c¸c nhiÖt gi¸ trÞ lín, cng vÒ cuèi vïng ch¸y Sm cng ®é ban ®Çu kh¸c nhau. gi¶m. Víi ®a sè c¸c thùc nghiÖm trªn hai lo¹i KÕt qu¶ tÝnh to¸n v nghiªn cøu thùc than antraxit v than gç th× miÒn ph¶n øng cña nghiÖm ®5îc tr×nh by trªn b¶ng 2, 3 v h×nh vÏ ph¶n øng C + O2 lóc ®Çu l miÒn ®éng häc (Sm 2, 3. Tõ c¸c sè liÖu ë c¸c b¶ng 2, 3 v h×nh 1, 2, > 9), sau ®ã chuyÓn vo miÒn chuyÓn tiÕp ngo¹i 3 v 4 chøng tá sù kh«ng ®¼ng nhiÖt cña qóa 0,1 < Sm < 9. tr×nh ch¸y C + O2 thÓ hiÖn rÊt kh¸c nhau v cã So s¸nh hai lo¹i than thÊy r»ng trong cïng ¶nh h5ëng lín tíi tèc ®é tiªu tèn O2 vo ph¶n mét ®iÒu kiÖn thùc nghiÖm nh5 nhau do than gç øng: cã kh¶ n¨ng ho¹t ®éng lín h¬n than antraxit NhiÖt ®é b¾t ®Çu ph¶n øng cng thÊp th× nªn dÔ dng tiÕn ®Õn miÒn chuyÓn tiÕp ngo¹i chªnh lÖch nhiÖt ®é líp (Tc), nhiÖt ®é khÝ (Tk) h¬n so víi antraxit. B¶ng 2: Sù phô thuéc cña nhiÖt ®é líp, nhiÖt ®é khÝ v nång ®é O2 vo chiÒu cao líp khi tÝnh tíi bøc x¹. Than antraxit ChiÒu cao NhiÖt ®é NhiÖt ®é NhiÖt ®é Tèc ®é khÝ ChuÈn sè [O2], phÇn Qbx, o líp, Mm khÝ Tk, C khÝ Tk, K líp Tc, K W m/s Sm thÓ tÝch 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 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 oC 1350 Tk-775 Tc-775 1150 ®iÓm Tn-775 Tk-900 950 Tc-900 ®iÓm Tn-900 750 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Z, mm H×nh 1: Sù phô thuéc cña Tk, T c vo chiÒu cao líp. Than antraxit [O2], 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] vo chiÒu cao líp oC 1500 1000 Tk-575 Tc-575 ®iÓm Tn-575 Tk-750 500 Tc-750 ®iÓm Tn-750 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 z, mm H×nh 3 : Sù phô thuéc cña Tk, T c vo chiÒu cao líp. Than gç 74 B¶ng 3: Sù phô thuéc cña nhiÖt ®é líp, nhiÖt ®é khÝ v nång ®é O2 vo chiÒu cao líp khi tÝnh tíi bøc x¹. Than gç ChiÒu [O ], NhiÖt ®é NhiÖt ®é NhiÖt ®é Tèc ®é ChuÈn sè 2 Q , cao líp, phÇn thÓ bx khÝ T , oC khÝ T , K líp T , K khÝ W m/s S Kcal/phót Mm k k c m tÝch 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], PhÇn tt 0,10 0,08 O2-575 0,06 ®iÓm Tn-575 O2- 750 ®iÓm Tn-750 0,04 0,02 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 z, mm H×nh 4 : Sù phô thuéc cña [O2] vo chiÒu cao líp. Than gç 75 IV - KÕt luËn SSSR. M. (1958). 3. X. A. Evxeeva. Ixle®ovanhie pr«xexxa §| tiÕn hnh tÝnh to¸n lý thuyÕt sù ph©n bè gorenhia Ugoln5x traxtix. Kan®. §ix., igi. nhiÖt ®é líp v nhiÖt ®é khÝ v nång ®é O2 theo M. (1975). chiÒu cao líp than ®èi víi hai lo¹i than ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau (than antraxit tõ 700 ®Õn 4. M. X. orenbax. Reakxionnaia paverxnost 900oC, than gç tõ 525 ®Õn 750oC). TÝnh to¸n cã pri geterogennom gorenhii. Nauka, chó ý tíi bøc x¹ nhiÖt tõ líp than ®ang ph¶n Novoxibirxk (1973). øng tíi thnh èng ph¶n øng. C¸c sè liÖu thùc 5. D. Merriek. Coal Combustion and Conver- nghiÖm t5¬ng ®èi phï hîp víi c¸c tÝnh to¸n lý sion technology, Elsevier, Newyork (1984). thuyÕt. 6. NguyÔn Quèc ThÞnh. B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò ti “Nghiªn cøu n©ng cao hiÖu suÊt nhiÖt v Ti liÖu tham kh¶o gi¶m « nhiÔm m«i tr5êng trong c¸c lß h¬i c«ng nghiÖp ghi tÜnh”, ViÖn KHCN má, H 1. Z. Ph. Trukhanov. Nhekator5e problem5 Néi (1998). topliva i enhergitiki. Iz®. AN. SSSR. M. 7. B. V. Kantorovich, V. I. Mitkalinn5i, G. N. (1961). §eliagin, V. M. Ivanov. Gi®r«®inamika i 2. B. V. Kantorovich. Acn«v5teoii gorenhia i te«ria gorenhia potoka topliva. Metalurgia, gaziphikaxii tvi«r®«va topliva. iz®. AN M (1971). 76