Đây là vùng nằm bên dưới vùng nhiệt phân, là nơi diễn ra các phản ứng chế tạo khí than. Lớp than có nhiệt độ khoảng 8000C dịch chuyển từ vùng nhiệt phân xuống sẽ phản ứng với dòng tác nhân khí hóa chủ yếu là hỗn hợp của hơi nước và CO2 có nhiệt độ cao đi từ vùng cháy lên. Trong vùng khử sẽ xảy ra các phản ứng sau:
2 2 C H O+ ↔CO H+ − ∆H31 32 33 34 (1) 2 2 C CO+ ↔ CO− ∆H (2) 2 4 C H+ ↔CH + ∆H (3) 2 2 2 CO H O+ ↔CO +H + ∆H (4)
Trong bốn phản ứng trên thì hai phản ứng đầu đều là phản ứng dị thể thu nhiệt mạnh, phản ứng (3) là phản ứng dị thể tỏa nhiệt, chỉ có duy nhất phản ứng (4) là phản ứng đồng thể tỏa nhiệt. Hiệu ứng nhiệt ∆Hi và hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa của bốn phản ứng trên được cho dưới bảng 2.1 [6]
0 k Phản ứng ∆H cal mol( . −1) k0 1 ( . E kcal mol− ) (1) Carbon-hơi nước 32457 3,098.107 42000 (2)Carbon-carbon dioxit 40300 1,222.109 53305 (3) Carbon-hydro -21854 1,472.10-6 16050 (4) Carbomonoxit-nước -7860 0,0265 − Bảng 2.1:Hiệu ứng nhiệt và hằng số vận tốc phản ứng k0
Qua bảng 2.1 ta thấy rằng vận tốc phản ứng của phản ứng (3), (4) là rất nhỏ so với vận tốc của phản ứng (1), (2) nên có thể bỏ qua hai phản ứng này và xem như trong vùng khử chỉ xảy ra hai phản ứng dị thể (1) và (2)
Chương 2-Xây dựng mô hình toán
2 2 3
C CO+ → CO− ∆H 2
Hai phản ứng trên là trường hợp rất điển hình của loại phản ứng dị thể rắn-khí không xúc tác. Về phương diện lý thuyết để mô ta định lượng loại phản ứng dị thể trên người ta sử dụng phổ biến hai mô hình sau:
• Mô hình nhân chất rắn với lớp vỏ bọc (Shringking core model)
Trong mô hình này người ta giả thiết rằng bán kính của hạt rắn không bị thay đổi, phản ứng hóa học chỉ xảy ra trên bề mặt của hạt rắn, bán kính bề mặt phản ứng thu nhỏ dần. Vận tốc tổng thể của quá trình phụ thuộc vào các yếu tố như: nồng độ của cấu tử tham ra phản ứng trong pha khí, hệ số cấp khối từ pha khí đến bề mặt hạt rắn, hệ số khuếch tán trong lớp vỏ trơ, hằng số vận tốc phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt hạt rắn, bán kính của bề mặt phản ứng và do đó phụ thuộc vào độ chuyển hóa của quá trình. Mô hình này được sử dụng tốt trong trường hợp độ xốp của phần chất rắn chưa tham gia phản ứng đủ nhỏ và lớp vỏ trơ cũng đủ xốp hoặc trong trường hợp phản ứng xảy ra rất nhanh và vùng phản ứng được giới hạn trong một lớp mỏng của vùng tiếp giáp giữa nhân chất rắn chưa phản ứng và lớp vỏ trơ.[2]
• Mô hình giả đồng thể (Continuous reaction model)
Trong mô hình này người ta giả thiết rằng phản ứng hóa học xảy ra đồng thời trong toàn bộ thể tích của hạt rắn với một vận tốc phản ứng hiệu dụng reff
n
eff kC
r = .
Hằng số tốc độ phản ứng k và bậc phản ứng n sẽ được xác định bằng thực nghiệm. Khi tính toán thiết bị phản ứng dị thể sử dụng mô hình giả đồng thể thì xem như vận tốc xảy ra tại mọi điểm trong thiết bị là bằng nhau và bằng vận tốc hiệu dụng . Mô hình này được sử dụng khi độ xốp của hạt rắn đủ lớn để các cấu tử pha khí có thể khuếch tán dễ dàng vào trong lòng hạt rắn. [2]
eff
r
Chương 2-Xây dựng mô hình toán
cháy. Do nhiệt độ của vùng khử cao (khoảng 800÷1100OC), tác nhân khí hóa là CO2 và hơi nước (là khí có khả năng bức xạ nhiệt) nên trong vùng khử sẽ diễn ra đồng thời cả hai quá trình trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ.
Ở đây than nguyên liệu dùng để khí hóa có hàm lượng chất bốc cao, sau khi thoát ẩm và chất bốc than có độ xốp đủ lớn do vậy có thể sử dụng mô hình giả đồng thể để mô tả động học của hai phản ứng dị thể (1) và (2), điều đó có nghĩa là vận tốc tiêu hao carbon chính là vận tốc hiệu dụng . n
eff
r =k C
Vùng khử trong lò khí hóa than có vai trò rất quan trọng, nó là nơi xảy ra hệ phản ứng hóa học chế tạo khí than. Trong vùng khử xảy ra đồng thời các quá trình vận tải nhiệt, vận tải chất kết hợp với hệ các phản ứng hóa học do đó để mô tả được vùng khử phải xây dựng các phương trình cân bằng nhiệt cho từng pha rắn và pha khí, phương trình cân bằng chất cho các cấu tử như đồng thời kết hợp với động học của các phản ứng hóa học. Sau đây sẽ đi vào thiết lập mô hình toán mô tả vùng khử của lò khí hóa than lớp chuyển động.
2 2
, , , ,
C H O CO CO H2