1. Quá tình tự cháy theo cơ cấu nhiệt.
Bắt đầu quá trình cháy của nhiên liệu nào cũng có thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn bốc cháy và giai đoạn cháy mãnh liệt.
Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy một phần dùng để nâng cao nhiệt độ của khói lò, còn một phần bị bề mặt buồng lửa hấp thụ. Bởi vậy sự phát triển của quá trình cháy phụ thuộc vào tỉ lệ nhiệt phát ra và lượng nhiệt mất đi. Đối với mỗi loại nhiên liệu cho trước thì tỷ lệ đó phụ thuộc vào chế độ nhiệt độ của quá trình cháy.
Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy có một bộ phận nào đó mà ở đó lượng nhiệt phát ra vượt quá lượng nhiệt mất đi thì quá trình cháy sẽ dẫn đến sự nâng cao nhiệt độ lên, tốc độ phản ứng oxy hoá sẽ tăng nhanh, quá trình tiếp tục cho đến lúc lượng nhiệt đưa vào và lượng mất đi tự cân bằng nhau. Từ đó quá trình cháy tiếp theo dẫn đến sự tự bốc cháy nhiên liệu.
Khi phản ứng xảy ra trong một thể tích V, với tốc độ 0) thì lượng nhiệt phát ra trong toàn bộ thể tích là:
Qpr=V.Q'.co = V.^.co [1-67] Trong đó:
Q’: nhiệt lượng thoát ra của một phần tử chất tham gia phản ứng.
Q: hiệu ứng nhiệt của phản ứng
N: số Avôgađrô bằng 6,02.102 3
Trong giai đoạn đầu của quá trình cháy, tốc độ phản ứng hoá học: co = a".K0.e" [1-67]
Trong đó:
a: số phân tử vật chất ban đầu
n: bậc của phản ứng.
K0: hằng số tốc độ phản ứng khi T = co E: năng lượng hoạt động của phản ứng
T: nhiệt độ phản ứng
Từ 2 công thức trên ta có: Ọ „ —
Qpr = V.V.K0.a".e KT (*) Lượng nhiệt truyền từ hỗn hợp khí đến thành thiết bị.
Qtr=a.(T-T0).S (**)
Trong đó:
a: hệ số cấp nhiệt giữa khí và thành thiết bị.S: bề mặt thiết bị. S: bề mặt thiết bị.
Biểu đồ biểu diễn quan hệ qpr = f(T) và qtr = f(T) khi thay đổi điều kiện trao đổi nhiệt.
Trên hình vẽ biểu diễn hai phương trình (*) và (**) khi thay đỏi áp suất của hỗn hợp mà nhiệt độ nung nóng ban đầu không thay đổi, ta có các đường cong qpr khác nhau.
Trên đồ thị a.s và nhiệt độ không đổi nên qtr là đường thẳng. Đường cong qpr ứng với áp suất lớn nhất, đường còn qpt ứng với áp suất nhỏ nhất, và
đường sinh nhiệt qpi. không cắt qtr. Trong trường hợp này ứng với bất kì một nhiệt độ nào thì lượng nhiệt sinh ra cũng lớn hơn lượng nhiệt toả ra môi trường xung quanh, phản ứng luôn nâng cao nhiệt độ và dẫn tới sự bốc cháy.
Nếu quá trình sinh nhiệt xảy ra theo đường cong qpr ngoài tiếp điểm tại B ra ứng với bất kỳ một nhiệt độ nào nhiệt lượng sinh ra cũng lớn hơn nhiệt toả ra cho thành thiết bị, còn tại tiếp điểm thì qtr = qpr và Tg là nhiệt độ tự bốc cháy.
được nâng cao dần tới Tị, tại T, lượng nhiệt sinh ra bằng lượng nhiệt toả ra và sau đó hỗn họp khí không được gia nhiệt nữa vì lúc đó lượng nhiệt toả ra lớn hơn lượng nhiệt sinh ra. Chỉ đến lúc ta gia nhiệt cho khí tới nhiệt độ T2 thì lượng nhiệt sinh ra mới thật ổn định và lớn hơn lượng nhiệt toả ra cho thành thiết bị, khi đo phản ứng không ngừng nâng cao nhiệt độ, dẫn đến sự bốc cháy.
2. Quá trình tự bốc cháy theo cơ câu chuỗi.
Khi nghiên cứu quá trình cháy chúng ta thấy có rất nhiều trường hợp tốc độ phản ứng xảy ra rất mãnh liệt, hoặc rất chậm so với mức bình thường. Đồng thời không thể dựa vào định luật khối lượng tác dụng và năng lượng hoạt động để giải thích một cách cặn kẽ, vì rằng những phản ứng đó không chỉ xảy ra trực tiếp từ chất tham gia phản ứng ban đầu đến sản phẩm cuối cùng ngay, mà tiến hành qua phản ứng trung gian để tạo thành sản phẩm trung gian sau đó mới tiếp tục để tạo thành sản phẩm cuối cùng.
Xét quá trình cháy của hỗn hợp khí thiên nhiên.
- Đầu tiên là quá trình sinh mạch: có thể do phân tử hydrocacbon bị phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ hay phản ứng với phân tử oxy.
RH —> R* + H* RH + 02 —> R* + HO;
(RH là các hydrocacbon nhưCH4, C2H6...) R + O-, —y R02
R02 +RH->ROOH + R*
Vì năng lượng liên kết -O-O- trong phân tử khá nhỏ, chỉ khoảng 40kcal/mol, nên ROOH sẽ tự phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ tạo nên những tâm hoạt động mới.
Hỗn hợp với không khí
Hỗn hợp với oxy
Hydro 2,5 9,0
Metan 0,37 4,5
Cacbonoxit với các khí phụ: hơi nước, hydro
0,42 1 , 1
Đồ án tốt nghiệp Thân Trọng Cường
Trong cơ cấu chuỗi, nguyên nhân gây ra sự tự bốc cháy của hỗn họp khí là phản ứng giữa các tâm hoạt động với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Các tâm hoạt động có thể là các gốc tự do mang hoá trị như OH *, COOH *, CH3 *, C2H50 *... hay là các nguyên tử ở trạng thái tự do mang hoá trị như H ’, o s ”...
- Nhờ các tâm hoạt động mang hoá trị đó nên chúng rất dễ phản ứng với các phân tử bão hoà hoá trị của hỗn hợp khí ban đầu. Do đó tốc độ phản ứng nhanh chóng đạt tới giá trị lớn và khi đó quá trình bốc cháy xảy ra. Như vậy, trong cơ cấu chuỗi, nhiệt lượng toả ra do phản ứng hoá học chỉ là hệ quả mà không phải là nguyên nhân của quá trình tự bốc cháy.
Trong lò đốt của nồi hơi nhà máy nhiệt điện thường nhiệt độ rất cao từ 1200 - 1600°c, do đó quá trình cháy càng dễ dàng hơn nhiều do hỗn hợp khí liên tục được năng lượng bức xạ của ngọn lửa và tường buồng đốt.
III. Sự LAN TRUYỀN NGỌN LỬA
Nếu hỗn hợp khí cháy (khí thiên nhiên và không khí)đã được trộn lẫn đồng đều trước và chuyển động trong một ống bất kỳ, thì khi cháy bề mặt bắt lửa sẽ phân dòng khí thành 2 phần: phần sau bề mặt lửa là phần sản phẩm cháy, còn phần trước là vật chất chưa tham gia phản ứng cháy. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng cho hỗn hợp khí chưa cháy làm cho nó bắt lửa, đồng thời làm cho bề mặt bắt lửa lan truyền vào hỗn hợp khí cháy.
Tốc độ lan truyền bề mặt bắt lửa theo phương pháp tuyến của nó được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa bình thường.
Hình 15. Trình bày mô hình bề mặt ngọn lửa đốt khí.
Đồ án tốt nghiệp Thân Trọng Cường
Bề mặt bắt lửa có 3 đặc điểm sau;
Không phải là một bề mặt hình học mà có một chiều dày nhất định
Trường nhiệt độ trong chiều dày không đồng đều nhau mà chia làm
2 khu vực: khu vực gia nhiệt và khu vực phản ứng
Trong khu vực phản ứng thì trường nhiệt độ cũng không đồng đều
Tốc độ lan truyền ngọn lửa phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ vật chất tham gia phản ứng, vào nhiệt độ và tạp chất nằm trong hỗn hợp khí, còn áp suất thì ảnh hưởng rất ít đến tốc độ lan truyền mặt bắt lửa.
Bảng trị số lan truyền tốc độ ngọn lửa bình thường của mộ tố chất khí [1-71].
IV. CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ cơ BẢN XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY. Quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào mức độ trao đổi khối và trao đổi nhiệt. Ở trong buồng lửa, với điều kiện nhiệt độ cao, nồng độ cũng cao thì tốc độ phản ứng hoá học sẽ rất lớn, nên các quá trình vật lý (trao đổi nhiệt, trao đổi khối) cũng tiến hành với tốc độ như vậy.
dn w/m
2 [1-72]
- Định luạt khuếch tán phân tử Fick:
dn [1-72]
Trong đó: