LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA DẦU KHÍ BỘ MƠN LỌC – HĨA DẦU - - TIỂU LUẬN MƠN HỌC LÝ THUYẾT Q TRÌNH CHÁY Họ tên học viên: DOÃN ANH TUẤN MSHV: 2960520301064 Lớp: Cao học Kỹ Thuật Hóa Học – K29 Cán hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ LINH HÀ NỘI, 6/2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện tiểu luân xin giử lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Thị Linh người trực tiếp giảng dạy hướng dẫn để thực tiểu luận Bên cạnh tơi xin cảm ơn bạn lớp Cao học kỹ thuật hóa học K29 góp ý sửa chữa để giúp tơi hồn thành tốt tiểu luận Hà Nợi, 16 tháng 06 năm 2016 HỌC VIÊN THỰC HIỆN Doãn Anh Tuấn MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển xã hội, có thời kỳ, than xem nguồn nhiên liệu bị quên lãng “forgotten fuel”, có lẽ nhận thức chưa đầy đủ vai trò than kinh tế toàn cầu Thực tế là, thập kỷ qua, nguồn nhiên liệu than có mức tăng trưởng hàng năm cao từ năm 2000 đến năm 2010, than đáp ứng nhu cầu lượng bổ sung giới ngang với nguồn nhiên liệu khác Tới nay, theo tính tốn, than đóng góp tới 41% tổng nguồn nhiên liệu cho sản xuất điện giới, gần gấp hai lần so với nguồn nhiên liệu đứng thứ hai khí tự nhiên Như vậy, than đóng vai trò trụ cột sản xuất cung cấp điện hầu khắp châu lục nguồn cung cấp lượng ổn định an toàn cho nước giới Một lý khiến than đóng vai trò quan trọng sản xuất điện khả huy động Khơng dầu mỏ khí đốt, trữ lượng than phân bố hầu giới, nhiều tập trung Mỹ, Nga, Trung Quốc Ấn Độ tới nay, có 80 nước tiến hành khai thác than Hầu hết lượng than khai thác đáp ứng nhu cầu sử dụng nước, vậy, cần phải có sách đảm bảo an ninh lượng than Bên cạnh ưu điểm khả huy động, lý khiến cho than trở lên quan trọng sản xuất điện khả cạnh tranh cao chi phí so với dầu mỏ khí tự nhiên Trong nhiều trường hợp, đốt than rẻ nhiều so với nguồn nhiên liệu khác, đặc biệt nhiên liệu tái tạo DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG Tên hình, bảng Trang Hình 1: Sơ đồ nhà máy nhiệt điện Hình 2: Máy nghiền than 14 Hình 3: Cháy lớp tĩnh 15 Hình 4: Đốt bụi than 16 Hình 5: Cơ chế mơ hình lớp biên ổn định, oxi cacbon monoxit khuếch tán tới hạt mà khơng có phản ứng hóa học Hình 6: Cơ chế mơ hình màng kép q trình cháy hạt cacbon Hình 7: Các chế độ cháy ứng với nhiệt độ kích thước hạt than khác 21 21 22 Bảng 1: Dải nhiệt trị loại than Bảng 2: Một số GCV điển hình Bảng 3: Phân tích tương đối số loại than điển hình 11 Bảng 4: Phân tích tuyệt đối số loại than điển hình 12 CHƯƠNG Q TRÌNH CHÁY CỦA THAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Nhiên liệu rắn 1.1.1 Định nghĩa Nhiên liệu rắn loại nhiên liệu có từ cổ phổ biến vào bậc Đầu tiên củi gỗ, sau loại thực vật than củi Than đá mở đầu thời đại cơng nghiệp hố Các tên lửa nhiên liệu rắn thiết bị tối tân bậc ngày Các ví dụ hoả hoạn, cháy rừng, cho ta tranh sức mạnh trình cháy chất rắn Dưới tác dụng nhiệt độ cao số chất rắn thăng hoa (naphtalene, long não…), số chảy lỏng bay Ngọn lửa nhiên liệu loại nằm pha khí, dừng cách mặt rắn khoảng ngắn bao bọc quanh mặt Nó giống với lửa giọt nhiên liệu lỏng Phần lớn than đá bị nhiệt phân phần, biến thành khí đưới tác dụng nhiệt độ cao Phần gọi chất bốc Phần lại carbon dạng rắn Than trẻ tuổi địa chất chứa nhiều chất bốc, carbon cứng Than gầy (anthracite) có chất bốc nhất, có thành phần (hàm lượng) carbon cao loại than 1.1.2 Đặc tính nhiên liệu rắn Thành phần:  Phân tích sơ (proximate analysis): tìm độ ẩm, phần chất bốc, phần carbon rắn độ tro  Phân tích cuối (ultimate analysis): tìm thành phần khối lượng C, S, H, O tro than, đơn vị đo % 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 tro để chọn phương án thải xỉ thích hợp buồng đốt công nghiệp khối lượng tro thải lớn, đạt nhiều tấn/h 1.1.3 Mơ hình nhiệt phân Nusselt (lõi teo dần – shrinking core) Quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn chừng mực nhìn nhận giống với mơ hình nhiệt phân hạt theo Nusselt Các giả thiết cho mơ hình hạt có hình cầu đường kính d0=2R, nhiệt độ ban đầu đồng T0, thời điểm t≥0 bề mặt hạt nâng nhiệt độ lên đến T∞ giữ ổn định đó; thơng số vật lý hạt xem biết không đổi, nhiệt dẫn vào hạt làm nhiệt độ tăng lên Nếu nhiệt phân xảy nhiệt độ định Tp mặt có nhiệt độ tiến vào tận tâm hạt sau thời gian Vị trí (bán kính r) mặt đẳng nhiệt Tp theo thời gian tính qua công thức dẫn nhiệt không ổn định cho hình cầu là: Năng suất phân huỷ trung bình hạt là: Kp số phụ thuộc chất, W0 khối lượng ban đầu hạt Hạt nhỏ dễ phân huỷ để cháy, suất phát nhiệt từ 1m3 cao 1.2 Nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Định nghĩa Trong nhà máy nhiệt điện, tạo động nhiệt Động nhiệt tạo nhiệt lấy cách đốt nhiên liệu Cơ lưu trữ dạng động quay tuabin Khoảng 80% nhà máy điện dùng tuabin nước, tức dùng sử dụng nước làm bốc nhiệt để quay tuabin Theo định luật hai nhiệt động lực học, nhiệt chuyển hết thành Do ln có mát nhiệt mơi trường Lượng nhiệt mát sử dụng vào mục đích khác sửi ấm, khử muối nước Hình 1: Sơ đồ một nhà máy nhiệt điện 1.2.2 Phân loại Nhà máy nhiệt điện phân loại dựa hai tiêu chí: loại nhiên liệu sử dụng phương pháp tạo động quay Dựa vào loại nhiên liệu  Nhà máy điện hạt nhân dùng nhiệt tạo phản ứng hạt nhân để quay tuabin  Nhà máy nhiệt điện sử dụng lượng hóa thạch (khí đồng hành, dầu diesel ) dùng tuabin khí (khi dùng khí đồng hành) (khi dùng dầu)  Nhà máy địa nhiệt lấy sức nóng từ tầng sâu trái đất  Nhà máy lượng tái tạo lấy nhiệt cách đốt bã mía, rác thải, khí biogas  Nhà máy điện lấy nhiệt dư thừa từ khu công nghiệp (nhà máy thép), sức nóng người động vật, lò sưởi Tuy nhiên nhà máy có cơng suất thấp Dựa vào phương pháp tạo động quay  Nhà máy tuabin hơi: làm sôi nước dùng áp suất phát làm quay cánh tuabin  Nhà máy tuabin khí: dùng áp suất dòng khí di chuyển qua cánh tuabin làm quay tuabin Do làm cho tuabin khởi động nhanh nên dùng cho việc tạo động đầu cho tuabin nhà máy điện tốn  1.3 Nhà máy tua bin kết hợp - khí: kết hợp ưu điểm hai loại tuabin Than 1.3.1 Định nghĩa Than đá loại nhiên liệu hóa thạch hình thành hệ sinh thái đầm lầy nơi xác thực vật nước bùn lưu giữ khơng bị ơxi hóa phân hủy sinh vật Thành phần than đá cacbon, ngồi có ngun tố khác lưu huỳnh Than đá, sản phẩm trình biến chất, lớp đá có màu đen đen nâu đốt cháy Than đá nguồn nhiên liệu sản xuất điện lớn giới, nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, xem nguyên nhân hàng đầu gây nên tượng nóng lên tồn cầu Than đá khai thác từ mỏ than lộ thiên lòng đất 1.3.2 Phân loại than Than phân loại thành loại bao gồm anthraxit, bitum than non Tuy nhiên, ranh rới chúng khơng rõ ràng Than phân thành loại thành than bán anthraxit, bán bitum, bitum phụ Nếu xét góc độ địa chất, anthraxit than lâu đời Nó than cứng chứa chủ yếu cacbon với hàm lượng chất bốc thường khơng có độ ẩm Than non than trẻ Loại than mềm chứa chủ yếu chất bốc, hàm lượng ẩm cacbon cố định Cacbon cố định cacbon trạng thái tự do, không kết hợp với chất khác Chất bốc liên quan đến chất cháy than, bị bốc than gia nhiệt Loại than thường sử dụng nhất, ví dụ ngành cơng nghiệp Ấn độ than bitum sub-bitum Phân loại than Ấn Độ dựa nhiệt trị sau: Bảng 1: Dải nhiệt trị các loại than Thông thường, than D, E F sẵn có ngành cơng nghiệp Ấn Độ Thành phần hoá chất ảnh hưởng nhiều đến khả cháy than Đặc tính than phân loại phổ biến thành đặc tính hố đặc tính lý 1.3.3 Đặc tính hố lý than Các đặc tính hố lý than bao gồm nhiệt trị, hàm ẩm, chất bốc tro xỉ Đặc tính hoá than liên quan đến thành phần hoá học khác cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh Nhiệt trị loại than khác Bảng liệt kê số GCV điển hình than Bảng 2: Mợt số GCV điển hình 1.3.4 Phân tích than Có hai phương pháp phân tích than: phân tích tuyệt đối phân tích tương đối Phân tích tuyệt đối xác định tất thành phần than, rắn khí phân tích tương đối xác định cacbon cố định, chất bốc, độ ẩm phần trăm tro xỉ Phân tích tuyệt đối thực phòng thí nghiệm trang bị đầy đủ nhà hố học giỏi, phân tích tương đối thực dụng cụ đơn giản (cần lưu ý từ “tương đối” khơng có liên hệ với từ “xấp xỉ”) 1.3.4.1 Đo độ ẩm Việc xác định hàm ẩm tiến hành cách đặt mẫu than thơ nghiền nhỏ có kích thước 200-micron vào nồi khơng bọc kín, đậy nắp đặt lò nhiệt độ 108 +2 oC Sau làm nguội mẫu xuống mức nhiệt độ phòng cân lại Phần khối lượng độ ẩm 1.3.4.2 Đo lường chất bốc Cân mẫu than đập, đặt vào nồi bọc kín, nung lò nhiệt độ 900 + 15 oC Phần khối lượng độ ẩm chất bốc Phần lại cốc (cacbon cố định tro xỉ) Phương pháp chi tiết (bao gồm cách xác định hàm lượng carbon tro xỉ) tham khảo IS 1350 phần I: 1984, phần III, IV 1.3.4.3 Đo hàm lượng cacbon tro xỉ Phần bọc nồi sử dụng phép đo trước bỏ nung nồi lò Bunsen cacbon bị cháy Cân phần lại, tro xỉ khơng cháy Sự khác biệt khối lượng lần cân trước lần cacbon cố định Theo kinh nghiệm thực tế, cacbon cố định hay FC tính cách lấy 100 trừ giá trị độ ẩm, chất bốc tro xỉ 1.3.4.4 Phân tích tương đối Phân tích tương đối cho thấy phần trăm khối lượng carbon cố định, chất bốc, tro xỉ hàm ẩm than Khối lượng carbon cố định chất bốc đóng góp trực tiếp vào nhiệt trị than Carbon cố định đóng vai trò yếu tố tạo nhiệt q trình cháy Hàm lượng chất bốc cao có nghĩa nhiên liệu dễ bắt lửa Hàm 10 CHƯƠNG TÍNH TỐN 2.1 Q trình cháy than Cháy than cháy không đồng thể, với than dạng hạt rắn chất oxi hóa khí oxi có khơng khí Q trình cháy than phức tạp gồm nhiều giai đoạn có nhiều phản ứng xảy Có thể phân q trình thành giai đoạn theo thứ tự xảy sau:  Giai đoạn 1: Các hạt than nung nóng, chất bốc nước khỏi than  Giai đoạn 2: Chất bốc, bốc cháy tạo nhiệt độ cao để khởi động cháy than thành cốc  Giai đoạn 3: Thành phần cốc cháy Giai đoạn 1: Trong giai đoạn này, đàu tiên than nóng lên thành phần nước than bốc trước Sự bốc nước diễn nhanh nước có hàm lượng nhỏ nhiệt độ sôi thấp (100oC) so với nhiệt độ lò Tiếp q trình bốc chất bốc, trình chi phối giai đoạn Phương trình phản ứng q trình viết sau: Than + nhiệt = Cốc + chất bốc Quá trình bốc chất bốc q trình thành phần chất bốc than bị đốt nóng Đây đặc điểm quan trọng trình cháy than Chất bốc dạng khí cháy nhanh nhiều so với hạt cốc lại có vai trò quan trọng tạo khởi đầu ổn định lửa, quan trọng hình thành oxit nitơ (NOx), khí thải gây nhiễm Hơn nữa, q trình bốc xác định lượng cốc lại bị đốt cháy đặc tính vật lý cốc sinh ra, với tác động đến sau lên tính chất cháy cốc Các loại than khác có hàm lượng chất bốc khác nhau, tối đa chiếm tới 50% khối lượng than Bản chất trình bốc chất bốc phá vỡ liên kết yếu cấu trúc phân tử than Số lượng chất bốc cấu trúc hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ nóng lên hạt than; kích thước hạt cấu trúc hóa 17 học than, tốc độ làm nóng hạt có ảnh hưởng mạnh Với tầm quan trọng trình bốc tới cháy hạt rắn tính phức tạp q trình vật lý hóa học bốc hơi, nhiều mơ hình phát triển để mơ tả tốc độ bốc chất bốc từ than Các mơ hình đơn giản dùng tốc độ Arrhenius đơn đa Mơ hình tốc độ Arrhenius đơn (single Arrhenius rate model) giả thiết tốc độ bốc phụ thuộc bậc vào hàm lượng chất bốc lại hạt than dV  k (V�  V )  E / RT dt k  Be Đồng phương trình (1.2) với liệu thực nghiệm tìm lượng hoạt hóa hiệu dụng khoảng 230 kJ/mol, phù hợp với lượng hoạt hóa để phá vỡ liên kết yếu phân tử than Cách tiếp cận tốc độ đơn định nghĩa theo (1.2) phù hợp với tốc độ bốc vùng nhiệt độ cao, không xét tới thay đổi lượng chất bốc thoát theo hàm nhiệt độ Để làm điều này, Kobayashi cộng đề xuất mơ hình hai phản ứng đồng thời, với lượng hoạt hóa lượng chất bốc tạo phản ứng khác Mơ hình gọi mơ hình Kobayashi Cơ chế mơ tả phương trình đây: k1 k2 Than �V1  (1  V1 )char Than �V2  (1  V2 )char k1 = B1e-E1 /RT -E , k = B2 e /RT (Mơ hình Kobayashi) (1.3) V1, V2 lượng chất bốc tạo phản ứng Với mơ hình này, tốc độ bay tức thời tổng hai tốc độ k1 k2: dc dV  (k1  k2 )c  (V1 k1  V2 k2 )c dt dt Với c khối lượng hạt than lại trình bốc Một cách tiếp cận khác biết đến mơ hình lượng hoạt hóa phân bố (Distributed Activation Energy Model – DAEM) Mơ hình công nhận bốc xảy thông qua nhiều phản ứng đồng thời Để biểu diễn trình theo dạng toán học, tất phản ứng coi bậc miêu tả 18 phân bố liên tục tốc độ động học với hệ số chung hàm phân bố xác định lượng hoạt hóa � �t � V�  V � exp � � k ( E )dt � f ( E )dE V� �0 � Nếu phân bố Gauss sử dụng cho lượng hoạt hóa, hàm phân bố có dạng f (E)  exp � ( E  E0 )2 / 2 � � �  (2 )1/2 phân bố tốc độ động học mơ tả độ lệch trung bình độ lệch chuẩn lượng động học, tham số bổ sung đưa vào liên hệ tới cách tiếp cận đơn giản việc sử dụng tốc độ Arrhenius đơn Giai đoạn 2: Cháy chất bốc Trong giai đoạn này, chất bốc sinh từ giai đoạn I bốc cháy nhiệt độ đạt 500oC Vì thành phần chất bốc khí hiđrocacbon C xHy nên phương trình cháy chất bốc viết sau: CxHy + (x+y/4) O2 = xCO2 + y/2 H2O (1.7) Nhiệt lượng sinh trình phụ thuộc vào thành phần hóa học chất bốc Tốc độ phản ứng (1.7) nhanh nhiều so với tốc độ khuếch tán khí O2, tốc độ trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khí O tới vùng khí hiđrocacbon Từ giả thiết này, ta sử dụng mơ hình xốy – phân tán (Eddy – Dissipation Model) để mơ hình hóa q trình cháy chất bốc Theo mơ hình này, tốc độ phản ứng thực chất I phản ứng thứ k, Rk, chuỗi phản ứng biểu thức có giá trị nhỏ hai biểu thức đây: � I  �  Rk  A � ' � k �vkI �  �� ( I )W Rk  AB � p '' I k� ��p vkI W I � � � � Trong đó: 19 [I] nồng độ mol chất phản ứng I (I) nồng độ mol chất sản phẩm I WI khối lượng mol chất I v'kI hệ số tỉ lượng chất phản ứng I phản ứng k v”kI hệ số tỉ lượng chất sản phẩm I phản ứng k ∑P lấy tổng theo tổng số chất sản phẩm P ε, k tốc độ phân tán động rối (Dissipation Rate, Turbulent Kinetic Energy – TKE) A, B số thực nghiệm Thông thường A = B = 0,5 Từ tốc độ xảy tồn q trình chất I là: K S1  W1 � vhI''  vkI'  Rk k 1 Giai đoạn 3: Cháy hạt cốc Sau trải qua giai đoạn trên, hạt lại lúc hạt cốc với thành phần gồm cacbon cố định xỉ, thành phần xỉ khơng tham gia vào q trình cháy Sự cháy hạt cốc trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiệt xung quanh hạt kích thước hạt Nếu nhiệt độ cao kích thước hạt nhỏ trình cháy sinh chủ yếu khí cacbon monoxit CO Nếu nhiệt độ cao kích thước hạt lớn có nhiều khí CO2 sinh Phân tích coi tồn hạt cốc cacbon Hệ số tỉ lượng thích hợp cho phản ứng oxi hóa cacbon thực khơng rõ ràng, có hai trạng thái oxi hóa khác cacbon cacbon monoxit CO cacbon đioxit CO2 xuất 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 lượng nhiệt sinh hai phản ứng hai điểm khác biệt tốc độ khí hóa cacbon mol oxi phản ứng vấn đề cần xem 20 xét để hiểu phản ứng oxi hóa cacbon Nhiều thí nghiệm tiến hành để cố gắng làm rõ phản ứng Qua thí nghiệm người ta tìm lượng CO2 sinh từ oxi hóa trực tiếp cacbon đáng kể nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ cháy, giả thiết nhiệt độ cháy có CO sinh Trong trường hợp đơn giản nhất, giả thiết thêm CO sinh khuếch tán ngồi mà khơng phản ứng thêm nữa, thường gọi mơ hình lớp biên ổn định minh họa hình 1.1 Hình 5: Cơ chế mơ hình lớp biên ổn định, oxi và cacbon monoxit khuếch tán tới hạt mà khơng có phản ứng hóa học Thực tế nhiệt độ đủ cao (trên 1000K) hạt đủ lớn, khí CO bị oxi hóa thành CO2 vùng lớp biên này: 2CO + O2 → 2CO2 H  273kJ / mol.C Khi đó, lượng oxi đến bề mặt hạt bị giảm xuống phần bị dùng để oxi hóa CO, CO2 trở thành chất oxi hóa cacbon theo phản ứng Boudouard: C + CO2 → 2CO H  172kJ / mol.C Như gặp đủ điều kiện hạt cacbon bị oxi hóa theo mơ hình màng kép (double-film model) với hàm lượng chất minh họa theo hình vẽ 21 Hình 6: Cơ chế mơ hình màng kép quá trình cháy hạt cacbon Cacbon đioxit oxi hóa cacbon với tốc độ chậm đáng kể so với oxi nhiệt độ cháy Kết chuyển tiếp từ cháy kiểu màng đơn sang kiểu màng kép tạo giảm tốc độ oxi hóa cacbon Trong phản ứng oxi hóa hạt cacbon dạng rắn tạo khí CO (bởi O CO2), hai mol khí CO tạo từ mol khí chất phản ứng, lượng khí sinh nhiều lượng khí phản ứng nên hình thành dòng chất khí chảy xa bề mặt hạt Dòng chảy có tên dòng Stefan, làm giảm tốc độ truyền nhiệt khối lượng từ lớp biên tới bề mặt hạt Như để mơ hình hóa xác q trình oxi hóa cacbon cần tính tới ảnh hưởng dòng Stefan làm giảm tốc độ khuếch tán oxi tới bề mặt hạt Sự xuất lỗ tổ ong hạt cốc cho phép chất oxi hóa sâu vào bên hạt làm tăng diện tích tiếp xúc cho phản ứng lên đáng kể Các hạt cốc thường có tỉ lệ xốp lớn 0,3, phụ thuộc vào lượng chất bốc có hạt than ban đầu nở hay co lại hạt trình bốc Diện tích bề mặt bên hạt cốc thường 100 m 2/g Với khối lượng riêng cốc thường 0,8 g/cm2, ta diện tích mặt lớn diện tích mặt hạt khoảng 10 lần 10 μm (đường kính) hạt, 1000 lần 100 μm hạt 10000 lần mm hạt Tốc độ phản ứng cháy hạt cốc phụ thuộc vào nhiệt độ kích thước hạt Hình 1.3 mơ tả ba chế độ cháy khác nhau: 22 Hình 7: Các chế đợ cháy ứng với nhiệt đợ và kích thước hạt than khác - Zone I – Chế độ I: Chế độ cháy chiếm ưu nhiệt độ bao quanh hạt thấp kích thước hạt nhỏ, tốc độ cháy điều khiển hồn tồn tốc độ phản ứng bề mặt hạt Khi tốc độ khuếch tán oxi nhanh nhiều so với tốc độ cháy, nồng độ oxi bao quanh hạt bên lớp biên hạt nồng độ oxi bên Sự cháy vùng I xảy tốc độ tổng thể với sản phẩm tốc độ cháy bên trong, ước lượng nồng độ khí oxi bên ngồi, tổng diện tích mặt Đường kính hạt cốc coi số khối lượng riêng hạt giảm liên tục (cháy đường kính hạt khơng đổi) - Zone II – Chế độ II: Trong vùng II tốc độ cháy định tổ hợp hiệu ứng khuếch tán oxi (cả vào bên xung quanh hạt) tốc độ độ cháy bề mặt Đây chế độ thường diễn trình cháy than Sự cháy vùng II diễn với xâm nhập phần khí oxi, kết thay đổi đồng thời đường kính khối lượng riêng hạt khí lỗ gần bề mặt hạt mặt ngồi hạt bị oxi hóa Tỉ số tốc độ cháy thực tế so với tốc độ cháy tối đa tồn hạt chịu áp suất cục khí oxi bề mặt hạt gọi hệ số hiệu suất - Trong vùng III tốc độ cháy bề mặt nhanh nhiều oxi không xâm nhập hiệu vào bên hạt trước phản ứng Đây cháy khuếch tán bị giới hạn Vùng III cháy nhiệt độ cao (tăng tốc độ cháy bề mặt) kích thước hạt lớn (giảm thơng lượng khuếch tán phần tử bề mặt) Tốc độ cháy xác định thông lượng khuếch tán oxi qua lớp biên hạt Khối lượng riêng hạt không đổi cháy kích thước hạt giảm liên tục khối lượng hạt bị lấy từ bề mặt hạt (cháy khối lượng riêng hạt khơng đổi) 23 Mơ hình cháy vùng I vùng III đơn giản giới hạn điều kiện trình cháy vùng II Than nghiền đạt chuẩn thương mại cần có 70% khối lượng hạt than có kích thước nhỏ 74μm 2% có kích thước 300 μm Với kích thước nhỏ nhiệt độ cao lò, hạt cốc thường cháy vùng II với kết hợp điều khiển khuếch tán tốc độ phản ứng Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào áp suất riêng phần oxi thường biểu diễn luật lượng, sinh biểu thức tốc độ tham chiếu tới biểu thức động học tường minh bậc n Arrhenius: * w = Ae -E/RTp P n O2,s * Với w  tốc độ cháy tức thời hạt chia cho diện tích mặt ngồi (= πd2p) biểu diễn đơn vị kg/(m 2s) Theo phân tích phản ứng chất xúc tác dạng xốp lý tưởng hóa báo cáo lần Thiele năm 1939, cháy vùng II lượng hoạt hóa E bậc phản ứng n xuất (1.15) liên hệ tới tham số động học thực tế ẩn E = Eint/2 n = (m+1)/2 với Eint lượng hoạt hóa ẩn m bậc phản ứng ẩn Năng lượng hoạt hóa ẩn oxi hóa cacbon cốc xác định xấp xỉ 180 kJ/mol bậc phản ứng ẩn đo (ở nhiệt độ trung bình) nằm khoảng 0,6 – 1,0 Smith hiệu chỉnh liệu oxi hóa cho loại cacbon khác nhau, bao gồm hạt cốc xốp cacbon khơng thấm nước bồ hóng để nhận biểu thức sau cho động học oxi hóa cốc ẩn với áp suất riêng phần oxi 101 kPa: * � 179, � w = 3050exp �  � � RT � Vì biến thiên bậc phản ứng suy diễn với liệu thực nghiệm khác loại cacbon, biểu thức chung cho tốc độ động học bao gồm phụ thuộc oxi xác định 24 Trong thực tế, oxi hóa bề mặt hạt diễn thông qua hút bám oxi, giải phóng tức thời phân tử cacbon monoxit cacbon đioxit hình thành phức tạp bề mặt ổn định oxi mà muộn CO CO Nhiều loại chế phản ứng nhiều bước đưa để mô tả trình này, thơng tin thực nghiệm lý thuyết sẵn có tới khơng đủ để xác định chế oxi hóa bề mặt với mức độ tin cậy chấp nhận 25 Câu 1: Bài tập chung Giả sử cơng thức hóa học vật liệu CxHyOz ta có tỉ lệ: x: y:z  51 42 : : 12 16 => Cơng thức đơn giản (C3H5O2) Ta có phương trình phản ứng cháy: C3H5O2 + 13/4 (O2 + 3,76 N2) → 3CO2 + 5/2H2O + 12,22 N2 Tỉ lệ nhiên liệu khơng khí f  1.(12.3+5+16.2)  1, 21 13 29 Tính khối lượng sản phẩm cháy Số mol gỗ thông tham gia phản ứng: n gỗ thông= 100 / 114 = 0.877 kg.mol Khối lượng sản phẩm cháy: mCO2 = 0,877 x 3.44 = 115.74 kg mH2O =0,877 x x 18 = 39.465 kg m N2 = 0,877 x 12.22 x 28 = 300.74 kg Tính áp suất riêng phần H2O hỗn hợp sản phẩm Tổng số mol khí chất tham gia là: n tham gia = 13/4 x (1 + 3.76) = 15.47 kg mol Tổng số mol khí sản phẩm là: n sản phẩm = + 5/2 + 12.22 = 17.72 kg mol Mà tỉ lệ số mol tỉ lệ áp suất nên: P tham gia / P sản phẩm = 15.47 / 17.72 = 0.873 Áp suất sau phản ứng : P sản phẩm = 1/ 0.873 = 1.145 atm Áp suất riêng phần H 2O hỗn hợp là: P H2O = (5/2) / 17.72 x 1,145 = 0.16 atm 26 Câu 2: Bài tập nhóm Do nhà máy đốt nhiên liệu than với mức dư 50% khơng khí, theo đề bải hỗn hợp sản phẩm có CO2, H2O, O2 nước phản ứng oxi hóa phản ứng oxi hóa hồn tồn Phương trình phản ứng sau Sơ đồ mơ tả q trình: Xét với 100kg than nhiên liệu có: STT % KL KL(kg) Số kmol % mol Cacbon 70 70 5,833 0,638 Hydro 5 2,5 0,273 Oxi 15 15 0,468 0,051 Ẩm (H2O) 5 0,278 0,03 Tro 5 0,063 0,008 Tổng 100 100 9,142 27 Riêng với tro trình ta coi chúng hỗ hợp SiO 2, Al2O3, Fe2O3 CaO với tỉ lệ phần trăm khối lượng (25% tro) từ ta tinhd khối lượng phân từ trung bình tro 79 dvC Ta có phương trình phản ứng sau: Sau cân phản ứng với tỷ lệ theo bảng tính bên ta phương trình phản ứng: a Tìm tỉ lệ nguyên liệu – khơng khí Từ phương trình phản ứng (*) theo số liệu đầu sử dụng dư 50% lượng khơng khí từ phương trình (*) viết lại sau: Theo phương trình (**) ta có tỷ lệ ngun liệu/khơng khí 1/1,701 = 0,589 b Tính thể tích sản phẩm khơ Ta có hỗn hợp sản phẩm khơ gồm: khí Cacbonic, Nitơ Oxi Hỗn hợp khơng khí ban đầu đưa vào 25 oC 1atm, ngồi có thành phần khí O2, khí Hidro nước than, ta coi chúng điều kiện với khơng khí Trong phản ứng cháy than có phản ứng Cacbon với oxi Hydro với oxi phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt lượng tỏa lò đốt coi nung nóng tồn khói lò (sản phẩm phản ứng phần khơng khí dư), giả sử nhiệt độ khói lò đồng điểm T Hiệu ứng nhiệt phản ứng(tra sổ tay): Từ ta có nhiệt lượng tỏa phản ứng là: Tra bảng hệ số nhiệt dung riêng nhiệt hóa số chất: 28 Phương trình tính nhiệt dung riêng Cp: với T nhiệt độ tuyệt đối K Bảng tra hệ số: Tên chất Trạng a.101 b.104 c.10-4 thái Khối lượng sản phẩm cháy (kg) CO2 Khí 23,49 4,349 256,652 CaO Rắn 21,14 1,368 2,933 1,25 Al2O3 Rắn 25,78 4,15 7,26 1,25 Fe2O3 Rắn 17,8 8,14 1,25 H2O Hơi 40 15 49,872 N2 Khí 23,8 3,58 1044,518 O2 Khí 23,5 2,535 2,817 105,834 SiO2 Rắn 18,12 4,05 4,02 1,25 Nhiệt dung riêng nước 4200 J/kg.độK nhiệt hóa L=2260kJ/kg Ta có tổng nhiệt lượng cần cung cấp để hỗn hợp khí sau phản ứng giãn nở với áp suất không đổi từ 25oC lên tới nhiệt độ T là: Với T > 373K Áp dụng cơng thức tính Cp với hệ số khối lượng hợp chất ta phương trình nhiệt lượng thu vào theo giá trị T Do Q tỏa = Q thu ta thiết lập phương trình bậc theo ẩn T: Giả phương trình bậc ta thu T = 458,63K Từ áp dụng công thức Với n tổng số mol sản phẩm khí khơ (khơng chứa nước) n = 5,833 + 3,307 + 37,306 = 46,446 kmol Trong p = 1atm R= 0,0821 Thay vào ta V= 46,446x103x458,63x0,0821= 1748,86 m3 29 c Tìm nhiệt tạo than Nhiệt tạo than hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol than điều kiện đẳng nhiệt (điều kiện tiêu chuẩn 25 oc 1atm) theo tỉ lệ thành phần than, 1mol than có 0,638 mol Cacbon 0,273 mol khí hidro, theo hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy cacbon hidro tạo dktc ta có hiệu ứng nhiệt đoot cháy mol than hay nhiệt tạo than là: d Tìm nhiệt độ lửa đoạn nhiệt than đốt cháy với 50% khơng khí dư 25oC 1atm Nhiệt độ lửa đoạn nhiệt than đốt với khơng khí dư 50% nhiệt luồng khí sản phẩm theo 458,63K So sánh với giá trị nhiệt đọ lửa hình 1,2 ta nhận thấy giá trị thấp nhiều, với tỷ lệ ngun liệu/khơng khí cao hơn, ngun nhân việc sử dụng mức dư thừa lượng khơng khí tới 50% dư e Hiệu suất lò đốt Theo đề đưa trình đốt diễn lò đốt cố định ta có cơng thức tính hiệu suất lò đốt sau: Coi trình nhiệt lượng mât mát phản ứng đôt cháy 4% tông lượng nhiệt tỏa từ phản ứng truyền nhiệt xạ, dẫn nhiệt thành bình thiết bị đốt… Hiệu suất lò đốt 30 CHƯƠNG KẾT LUẬN Ngoài sản xuất điện năng, than nguồn nhiên liệu để sản xuất thép xi măng, vật liệu xây dựng tối cần thiết sử dụng xây dựng sở hạ tầng… Chính quan trọng than mà ngày người ta không ngừng nghiên cứu, tính tốn cải tiến hệ thơng sử dụng than cho hiệu quả, tiết kiệm tránh nhiễm mơi trường Trong tiểu luận có tính tồn số thơng số đặc trưng cho q trình đốt than lò cố định mong nhận gốp ý, bổ xung thầy cô bạn để tiểu luận hoàn thiện 31 ... Tăng lượng carbon không cháy xỉ  Hiệu suất nhiệt thấp 1.3.6 Quá trình cháy hạt than Quá trình cháy than thực cháy hạt lớp hay đám, cần phải nghiên cứu qua hạt Quá trình cháy hạt than phân đoạn... Q trình cháy than Cháy than cháy khơng đồng thể, với than dạng hạt rắn chất oxi hóa khí oxi có khơng khí Q trình cháy than phức tạp gồm nhiều giai đoạn có nhiều phản ứng xảy Có thể phân q trình. .. than  Phân huỷ phần chất bốc hạt  Khuyếch tán chất bốc  Khuyếch tán oxy vào phản ứng cháy  Truyền nhiệt phản ứng cháy xung quanh  Cháy khuyếch tán lõi carbon rắn lại 1.3.6.1 Nghiền than (coal