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 ga[r]
(1)T¹p chÝ Hãa häc, T 40, sè 1, Tr 71 - 76, 2002
Nghiên cứu chế độ nhiệt q trình tạo khí phản ng chỏy cacbon ca 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
Nghiờn cu ch nhit v qỳa 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 lớn lý thuyết v thực tế cho tr5ớc điều kiện ban đầu tính tốn lý thuyết xác định đ5ợc điều kiện thích hợp
để thu đ5ợc sản phẩm, nâng cao hiệu suất trình nh5tìm đ5ợc biện pháp giảm nhiễm mơi tr5ờng trình cháy than tạo
II - Thùc nghiƯm
Than sư dơng gåm lo¹i than antraxit v than gỗ kích th5ớc hạt d = - mm v cã chÊt l5ỵng nh5:
Loại than Độ tro, %
Chất bốc, %
Độ ẩm,
%
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
Tiến 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); ph©n tÝch khÝ ph¶n øng v khÝ s¶n phÈm ph¶n øng máy sắc ký khí
III - Kết v th¶o ln
Cơ sở ph5ơng pháp tính tính tốn: Ph5ơng trình chế độ nhiệt lớp than phản ứng có dạng [1] :
K np
K c
T T
T T
= m S +
1
(1) Trong đó:
Tnp l nhiệt độ cháy lý thuyết cực đại;
Tc, TK l nhiệt độ bề mặt than v
khÝ
Sml chuÈn sè Semenov
Giải ph5ơng trình (1), xác định đ5ợc nhiệt độ bề mặt than (Tc) v nhiệt độ sản phẩm
(2)động học ( = w) v biết tr5ớc đặc tính hóa lý ban đầu than đem sử dụng thể qua Knp= K
o npe
-E/RTc Ph5ơng trình chế độ nhiệt
chỉ ứng với giá trị Tc cđa bỊ mỈt
than xác định đ5ợc t5ơng ứng giá trị nhiệt độ Tkcủa khí biết tr5ớc Tnp
Trong vùng cháy với việc lựa chọn điều
kiƯn thùc nghiƯm hỵp lý [2 - 7], cã thĨ coi chØ x¶y ph¶n øng tỉng céng C + O2= CO2
quá trình cháy Từ ph5ơng trình cân nhiệt phân lớp ta rút ra:
T2=
[ ] ) 295 273 T ].( C ). 1 ( C . . C ). 1 .( .[ V Q ) 295 273 T .( 4 , 22 Q . . T . C ). 1 ( C . V 2 T N T CO T O bx 1 T N T o + + + + + + (2) Trong đó:
Q l hiệu ứng nhiệt phản ứng cháy V1l thĨ tÝch cđa khÝ thỉi v o
l nồng độ oxi gió ban đầu, phần thể tích l mức độ cháy
CT1j, C T2
jl 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 đổi nồng độ O2 theo
chiều cao lớp than, tr5ờng hợp không đẳng nhiệt v bỏ qua khuếch tán phân tử, có dạng sau [1]:
-dz dC
w = Fk.C
m S + 1 K c T T (3) Trong đó:
W l tốc độ khí
l hệ số khuếch tán tổng cộng C l nồng độ oxi
Fkl bỊ mỈt ngo i cđa h¹t than
Z l chiỊu cao líp than w
= l h m vận chuyển
Giải ph5ơng trình (3) với điều kiện biên z = C = Cota cã:
o C
C
= exp (- Fk.z
m S + 1 K c T T ) (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 tốn q trình tạo khí theo chiều cao lớp nhiên liệu
Cơ sở tính tốn 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 phụ thuộc v o điều kiện cụ thể qúa 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 độ lớp, chuẩn số Sm v
nồng độ khí ởmỗi phần phân lớp nhỏ q trình khơng 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 công thức (2)
khi = 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 TCn 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
(3)Nhiệt độ khí đ5ợc xác định từ ph5ơng trình cân nhiệt trình phân lớp thứ khơng tính tới xạ v tính tới xạ từ lớp than tới 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, Tkv nồng độ khí phản ứng C
Việc tính tốn phần phân lớp thứ đ5ợc tiến h nh t5ơng tự nh5 tính tốn phần phân lớp thứ Nhiệt độ khí v nồng độ khí khỏi phần phân lớp thứ đ5ợc coi l số liệu v o phần phân lớp thứ hai Tính tốn đ5ợc tiến h nh chiều cao định tr5ớc lớp nhiên liệu
Sử dụng phần mềm EXCEL để tính tốn 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 tốn 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 khơng đẳng nhiệt qúa trình cháy C + O2thể khác v có
ảnh h5ởng lớn tới tốc độ tiêu tốn O2v o phản
øng:
Nhiệt độ bắt đầu phản ứng c ng thấp 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, tốc độ tiêu tốn O2v o phản ứng c ng thấp
C ng sau theo chiều chuyển động khí (c ng gần cuối vùng cháy) khác Tc v Tk c ng lớn v tốc độ tiêu tốn O2
c ng lớn, đ5ờng biểu diễn nhiệt độ (Tc, Tk) theo chiều cao lớp tăng rõ rệt, ng5ợc lại
đ5ờng biểu diễn nồng độ O2 khí giảm
m¹nh Së dÜ nh5 vËy phản ứng C + O2 l
phn ng toả nhiệt lớn nên c ng phản ứng l5ợng nhiệt toả c ng lớn, nhiệt độ c ng tăng
ởcuối vùng cháy nồng độ O2xấp xỉ 0% đạt
nhiệt độ cực đại
Trong điều kiện thực nghiệm nghiên cứu n y thấy lớp than ban đầu theo chiều chuyển động ca khớ, chun s Smcú
giá trị lớn, c ng vỊ ci vïng ch¸y Sm c ng
giảm Với đa số thực nghiệm hai loại than antraxit v than gỗ miền phản ứng phản ứng C + O2lúc đầu l miền động học (Sm
> 9), sau chuyển v o miền chuyển tiếp ngoại 0,1 < Sm<
So sánh hai loại than thấy điều kiện thực nghiệm nh5nhau 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 phụ thuộc nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2
v o chiỊu cao líp 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
(4)H×nh 1:Sù phơ thc cđa Tk,Tcv o chiỊu cao líp Than antraxit 750
950 1150 1350
0 Z, mm10
oC
Tk-775 Tc-775 ®iĨm Tn-775 Tk-900 Tc-900 điểm Tn-900
Hình 2: Sự phụ thuộc cđa [O2] v o chiỊu cao líp
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
0 10
z, mm [O2], Phần t.t
O2-775 điểm Tn-775 O2-900 điểm Tn-900
H×nh 3: Sù phơ thc cđa Tk, Tcv o chiỊu cao lớp Than gỗ
500 1000 1500
0 10 11 12
z, mm
oC
(5)Bảng 3: Sự phụ thuộc nhiệt độ lớp, nhiệt độ khí v nồng độ O2
v o chiỊu cao líp tÝnh tíi bøc x¹ Than gỗ Chiều
cao lớp, Mm
Nhit khớ Tk,
oC
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
H×nh 4: 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 10 11 12
z, mm [O2], PhÇn tt
(6)IV - KÕt ln
Đ|tiến h nh tính tốn lý thuyết phân bố nhiệt độ lớp v nhiệt độ khí v nồng độ O2theo
chiều cao lớp than hai loại than nhiệt độ khác (than antraxit từ 700 đến 900oC, than gỗ từ 525 đến 750oC) Tính tốn có
chú 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 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) Nguyễn Quốc Thịnh Báo cáo tổng kết
t i Nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt v giảm ô nhiễm môi tr5ờng lò công nghiệp ghi tĩnh, Viện KHCN mỏ, H Nội (1998)