Đang tải... (xem toàn văn)
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.
T¹p chÝ Hãa häc, T 40, sè 1, Tr 71 - 76, 2002 Nghiên cứu chế độ nhiệt trình tạo khí phản ứng cháy cacbon 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% 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 - Mở đầu Nghiên cứu chế độ nhiệt v qúa trình tạo khí cho phép ta lý thuyết tính toán phân bố nhiệt độ bề mặt than, nhiệt độ khí v nồng độ khí theo chiều cao lớp than Điều có ý nghĩa lín vỊ lý thut v thùc tÕ v× cho tr5íc điều kiện ban đầu tính toán lý thuyết xác định đ5ợc điều kiện thích hợp để thu đ5ợc sản phẩm, nâng cao hiệu suất trình nh5 tìm đ5ợc biện pháp giảm ô nhiễm môi tr5ờng trình cháy than tạo II - Thùc nghiƯm Than sư dơng gåm lo¹i than antraxit v than gỗ kích th5ớc hạt d = - mm v có chất l5ợng nh5: Loại than §é tro, % ChÊt bèc, % §é Èm, % Nhiệt l5ợng Qk , cal/g Cacbon Ck, % Hiđrô Hk, % L5u huúnh 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 TiÕn h nh nghiên cứu 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 máy sắc ký khí III - Kết v thảo luận Cơ sở ph5ơng pháp tính tính toán: Ph5ơng trình chế độ nhiệt lớp than phản ứng có dạng [1] : Tc TK = + Sm Tnp TK (1) Trong đó: Tnp l nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại; Tc, TK l nhiệt độ bề mặt than v cđa khÝ Sm l chn sè Semenov Gi¶i ph5ơng trình (1), xác định đ5ợc nhiệt độ bề mặt than (Tc) v nhiệt độ sản phẩm cháy (TK) cho tr5ớc điều kiện thủy 71 động học ( = w) v biết tr5ớc đặc tính hóa lý ban đầu than đem sử dụng thể qua Knp = Konpe-E/RTc Ph5ơng trình chế độ nhiệt ứng với giá trị Tc bề mặt than xác định đ5ợc t5ơng ứng giá trị nhiƯt ®é Tk cđa khÝ biÕt tr5íc Tnp V1 [ V1.[ (1 ] Q T + 273 ( ) Qbx 22,4 295 T + 273 ).CTO22 + CTCO2 + (1 ).CTN22 ].( ) 295 CTo 21 + (1 T2 = Trong vïng ch¸y víi viƯc lựa chọn điều kiện thực nghiệm hợp lý [2 - 7], cã thĨ coi chØ x¶y ph¶n øng tỉng cộng C + O2 = CO2 trình cháy Từ ph5ơng trình cân nhiệt phân lớp ta rót ra: ).CTN12 T1 + (2) Trong ®ã: Q l hiệu ứng nhiệt phản ứng cháy V1 l thĨ tÝch cđa khÝ thỉi v o l nång ®é cđa oxi giã ban ®Çu, phÇn thĨ tÝch l mức độ cháy CT1j , CT2j l nhiệt dung riêng khí j nhiệt độ T1, T2 Qbx l nhiệt xạ từ lớp than phản ứng đến th nh ống phản ứng Ph5ơng trình tạo khí qúa trình tạo khí cháy, xác định thay ®ỉi nång ®é O2 theo chiỊu cao líp than, tr5ờng hợp không đẳng nhiệt v bỏ qua khuếch tán phân tử, có dạng sau [1]: - dC Tc w = Fk.C dz + S m TK (3) Trong ®ã: W l tèc ®é khÝ l hệ số khuếch tán tổng cộng C l nồng độ oxi Fk l bề mặt ngo i hạt than Z l chiỊu cao líp than = w l h m vận chuyển Giải ph5ơng trình (3) với điều kiƯn biªn z = C = Co ta cã: C Tc = exp (- Fk.z ) Co + S m TK (4) Ph5ơng trình (4) cho biết phân bố nồng độ O2 theo chiều cao lớp than điều kiện không đẳng nhiệt, bỏ qua khuếch tán phân tử Ph ơng pháp giải ph ơng trình chế độ nhiệt v% tính toán trình tạo khí theo chiều cao lớp nhiên liệu 72 Cơ sở tính toán l dùng ph5ơng pháp sai số cuối Thực chất ph5ơng pháp n y l thay trình liên tục trình b5ớc theo không gian Lớp đ5ợc chia th nh nhiều phần phân lớp nhỏ v đại l5ợng phần phân lớp nhỏ phơ thc v o ®iỊu kiƯn thĨ cđa qóa trình (nhiệt độ ban đầu, kích th5ớc hạt, tốc độ khí, ), ứng với phần phân lớp nhỏ nhận giá trị không đổi cuả nhiệt độ khí, nhiệt ®é líp, chuÈn sè Sm v nång ®é khÝ ë phần phân lớp nhỏ trình không đẳng nhiệt có sai khác giá trị Tc v Tk Tùy thuộc v o điều kiện cụ thể ban đầu phản ứng (nhiệt độ ban đầu trình T0 = Tk = Tc, kích th5ớc hạt, tốc độ khí v nồng độ oxy khí phản ứng) xác định đ5ợc nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại (Tnp) theo c«ng thøc (2) = 1, Qbx = Tiếp theo lựa chọn chiều cao phần phân lớp v đồ thị giải ph5ơng trình chế độ nhiệt, xuất phát từ nhiệt độ ban đầu khí To v nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại Tnp Khi xác định đ5ợc nhiệt độ bề mặt phần phân lớp thứ (TC), giá trị TC n y coi nh5 không đổi cuối phân lớp n y Xác định số tốc độ Knp ứng với giá trị n y Tc Trên sở Knp đ| biết, xác định chuẩn số Semenov (Sm) Nhiệt độ khí đ5ợc xác định từ ph5ơng trình cân nhiệt trình phân lớp thứ không tính tới xạ v tính tới bøc x¹ tõ líp than tíi th nh èng KÕt thúc việc xác định nhiệt độ phần phân lớp thứ theo ph5ơng trình chế độ nhiệt v ph5ơng trình tạo khí ta đ5ợc giá trị Tc, Tk v nồng độ khí phản ứng C Việc tính toán phần phân lớp thứ đ5ợc tiến h nh t5ơng tự nh5 tính toán phần phân líp thø nhÊt NhiƯt ®é cđa khÝ v nång ®é khí khỏi phần phân lớp thứ đ5ợc coi l số liệu v o phần phân lớp thứ hai Tính toán đ5ợc tiến h nh chiều cao định tr5ớc lớp nhiên liệu Sử dụng phần mềm EXCEL để tính toán lý thuyết phân bố nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ oxy theo chiều cao lớp than nhiệt độ ban đầu khác Kết tính toán v nghiên cứu thực nghiệm đ5ợc trình b y bảng 2, v hình vẽ 2, Từ số liệu bảng 2, v hình 1, 2, v chứng tỏ không đẳng nhiệt qúa trình cháy C + O2 thể khác v có ảnh h5ởng lớn tới tốc độ tiêu tốn O2 v o phản ứng: Nhiệt độ bắt đầu phản ứng c ng thấp chênh lệch nhiệt ®é líp (Tc), nhiƯt ®é khÝ (Tk) víi nhiƯt ®é ban đầu (T0) c ng thấp Sự chênh lệch nhiệt ®é líp víi nhiƯt ®é khÝ c ng thÊp, th× tốc độ tiêu tốn O2 v o phản ứng c ng thÊp C ng vỊ sau theo chiỊu chun ®éng khí (c ng gần cuối vùng cháy) khác Tc v Tk c ng lớn v tốc độ tiêu tốn O2 c ng lớn, ®5êng biĨu diƠn cđa nhiƯt ®é (Tc, Tk) theo chiỊu cao lớp tăng rõ rệt, ng5ợc lại đ5ờng biểu diễn nồng độ O2 khí giảm mạnh Sở dĩ nh5 phản ứng C + O2 l phản ứng toả nhiệt lớn nên c ng phản ứng l5ợng nhiệt toả c ng lớn, nhiệt độ c ng tăng cuối vùng cháy nồng độ O2 xấp xỉ 0% đạt nhiệt độ cực đại Trong điều kiện thùc nghiƯm cđa nghiªn cøu n y thÊy r»ng ë lớp than ban đầu theo chiều chuyển động khí, chuẩn số Sm có giá trị lớn, c ng cuối vùng cháy Sm c ng giảm Với đa số thực nghiệm hai loại than antraxit v than gỗ miền phản ứng phản ứng C + O2 lúc đầu l miền động học (Sm > 9), sau chuyển v o miền chuyển tiếp ngoại 0,1 < Sm < So sánh hai loại than thÊy r»ng cïng mét ®iỊu kiƯn thùc nghiƯm nh5 than gỗ có khả hoạt động lớn than antraxit nên dễ d ng tiến đến miền chuyển tiếp ngoại so với antraxit Bảng 2: Sự phơ thc cđa nhiƯt ®é líp, nhiƯt ®é khÝ v nång ®é O2 v o chiỊu cao líp tÝnh tíi bøc x¹ Than antraxit ChiỊu cao líp, Mm NhiƯt ®é khÝ Tk, oC NhiÖt ®é khÝ Tk, K NhiÖt ®é líp Tc, K Tèc ®é khÝ W m/s ChuÈn sè Sm [O2], phÇn thĨ tÝch Qbx, Kcal/phót 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 10 Z, mm H×nh 1: Sù phơ thc cđa Tk , T c v o chiỊu cao líp Than antraxit [O ], Phần t.t 0,10 O2-775 0,08 điểm Tn-775 O2-900 0,06 ®iĨm Tn-900 0,04 0,02 0,00 10 z, mm H×nh 2: Sù phơ thc cđa [O2 ] v o chiỊu cao líp o C 1500 Tk-575 Tc-575 ®iĨm Tn-575 Tk-750 Tc-750 ®iĨm Tn-750 1000 500 0 H×nh : Sù phơ thc cđa Tk , T c v o chiỊu cao lớp Than gỗ 74 10 11 12 z, mm Bảng 3: Sự phụ thuộc nhiệt độ lớp, nhiệt ®é khÝ v nång ®é O2 v o chiÒu cao lớp tính tới xạ Than gỗ [O2], phần thĨ tÝch ChiỊu cao líp, Mm NhiƯt ®é khÝ Tk, oC NhiƯt ®é khÝ Tk, K NhiƯt ®é líp Tc, K Tèc ®é khÝ 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 ChuÈn sè Sm Qbx, Kcal/phót 0,09710 0,09710 [O ], PhÇn tt 0,10 0,08 O2-575 ®iĨm Tn-575 O2- 750 ®iĨm Tn-750 0,06 0,04 0,02 0,00 H×nh : Sù phơ thc cđa [O2 ] v o chiều cao lớp Than gỗ 10 11 12 z, mm 75 IV - KÕt luËn §| tiÕn h nh tính toán lý thuyết phân bố nhiệt độ líp v nhiƯt ®é khÝ v nång ®é O2 theo chiều cao lớp than hai loại than nhiệt độ khác (than antraxit từ 700 đến 900oC, than gỗ từ 525 đến 750oC) Tính toán có ý tới xạ nhiệt từ lớp than phản ứng tới th nh ống phản ứng Các số liệu thực nghiệm t5ơng đối phù hợp với tính toán lý thuyết T i liệu tham khảo Z Ph Trukhanov Nhekator5e problem5 topliva i enhergitiki Iz® AN SSSR M (1961) B V Kantorovich Acn«v5teoii gorenhia i gaziphikaxii tviôrđôva topliva izđ AN 76 SSSR M (1958) X A Evxeeva Ixleđovanhie prôxexxa gorenhia Ugoln5x traxtix Kanđ Đix., igi M (1975) M X orenbax Reakxionnaia paverxnost pri geterogennom gorenhii Nauka, Novoxibirxk (1973) D Merriek Coal Combustion and Conversion technology, Elsevier, Newyork (1984) Nguyễn Quốc Thịnh Báo cáo tổng kết đề t i Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt v giảm ô nhiễm môi tr5ờng lò công nghiệp ghi tĩnh, Viện KHCN mỏ, H Néi (1998) B V Kantorovich, V I Mitkalinn5i, G N Đeliagin, V M Ivanov Giđrôđinamika i teôria gorenhia potoka topliva Metalurgia, M (1971) ... phần thể tích l mức độ cháy CT1j , CT2j l nhiệt dung riêng khí j nhiệt độ T1, T2 Qbx l nhiệt xạ từ lớp than phản ứng đến th nh ống phản ứng Ph5ơng trình tạo khí qúa trình tạo khí cháy, xác định sù... Tïy thc v o ®iỊu kiƯn thĨ ban đầu phản ứng (nhiệt độ ban đầu trình T0 = Tk = Tc, kích th5ớc hạt, tốc độ khí v nồng độ oxy khí phản ứng) xác định đ5ợc nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại (Tnp) theo... bøc x¹ tõ líp than tíi th nh ống Kết thúc việc xác định nhiệt độ phần phân lớp thứ theo ph5ơng trình chế độ nhiệt v ph5ơng trình tạo khí ta đ5ợc giá trị Tc, Tk v nồng độ khí phản ứng C Việc tính