quá trình cháy nhiên liệu trong FBC 3.1 Những phản ứng cơ bản của quá trình cháy nhiên liệu
3.3.4. Xác định khoảng vận tốc dòng thực hiện chế độ khí động
Dòng khí chảy qua khe trống trong lòng lớp vật liệu mịn, vận tốc dòng trong khe đ−ợc xác định theo độ xốp của lớp. Mối liên quan giữa vân tốc dòng tính theo mặt cắt ngang của tầng (vận tốc biểu kiến) và vận tốc trong kênh trống
ω0 đ−ợc xác định bằng ph−ơng trình:
ω0 = ω/ε (3.17)
ε: độ xốp của lớp hạt trong không gian chứa hạt;
ε = (V1 - V2)/ V1 =(1 - V2)/ V1 (3.18) V1: Thể tích của không gian chứa hạt;
V2: Tổng thể tích các hạt rắn trong không gian chứa hạt
Khi lớp hạt bất động, dòng khí chảy luồn qua khe trống. Khi tăng vận tốc dòng lực tác động lên hạt rắn tăng lên, và đến một thời điểm trở lực thuỷ lực bằng trọng lực của hạt, hạt bắt đầu chuyển sang trạng thái chuyển động. Tiếp tục tăng dòng, các hạt rắn bị khuấy trộn mạnh hơn và lớp vật liệu bắt đầu gián nở. Trạng thái đó gọi là tầng sôi. Vận tốc dong khí khi lớp hạt bắt đầu chuyển sang trạng thái tầng sôi đ−ợc
gọi là vận tốc lơ lửng của hạt. Tiếp tục tăng tốc độ dòng, lớp hạt sẽ linh động mạnh hơn và dãn nở nhiều hơn và bắt đầu suất hiện bọt khí gây nên xáo trộn mãnh liệt. ở những thiết bị tầng sôi có chiều dày lớn, đ−ờng kính nhỏ có thể thấy những bọt khí tụ lại tạo thành những vùng riêng biệt xen ke lớp vật liệu đặc (dạng Piston). Hạt trong dạng tầng sôi này ít bị khuấy trộn. Tiếp tục tăng vận tốc, các hạt lần l−ợt bị cuốn ra khỏi tầng bắt đầu từ hạt nhỏ, sau đến hạt lớn hơn. Tầng sôi đã chuyển sang trạng thái vận chuyển. Vận tốc dòng khi đó đ−ợc gọi là vận tốc cuốn theo. Độ lớn của nó đ−ợc quyết định bởi kính th−ớc hạt, tính chất vật lý của nó và của pha rắn. Khi lớp hạt là đa phân tán, quá trình chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xẩy ra trong một vùng tốc độ. Bằng thực nghiệm các tác giả đã xây dựng biểu đồ trạng thái của vật liệu phân tán thông qua quan hệ giữa trở lực và vận tốc (Hình 3.1).
∆p ωy ωkp ωkk 5 4 3 2 1
Hình 3.1: Biểu đồ trạng thái của vật liệu phân tán thông qua quan hệ giữa trở lực
và vận tốc
Đ−ờng 1 t−ơng ứng với chế độ lọc khí ở vật liệu đồng nhất. Đ−ờng 2 t−ơng ứng với chế độ lọc khí của vật liệu đa phân tán.
Đ−ờng 3 t−ơng ứng với quá trình giảm vận tốc khí sau khi thực hiện tầng sôi. Đ−ờng 4 là khoảng thực hiện tầng sôi.
Đ−ờng 5 là khoảng thực hiện chế độ vận chuyển.
ωkp: vận tốc tới hạn hay vận tốc lơ lửng, m/s;
Lựa chọn vận tốc khí chính là lựa chọn chế độ thực hiện công nghệ. Các lò cũ có vận tốc dòng ω < ωkp. Nh−ợc điểm của nó đã phân tích ở mục 1. Các lò tầng sôi có vận tốc dòng ωkp < ω< ωy. Hoạt động trong khoảng vận tốc này có nhiều −u điểm hơn so với ở vận tốc thấp song vẫn còn nhiều nh−ợc điểm: tải trọng theo mặt cắt ngang thấp, gây nên tốn diện tích mặt bằng và nhiệt độ không đồng đều trong không gian lò, tập hợp hạt bị phân tầng theo kích th−ớc, khối l−ợng riêng, hạt nhiên liệu có khối l−ợng riêng khác biệt nhiều so với khối l−ợng riêng hạt trơ sẽ bị phân ly làm giảm c−ờng độ trao đổi nhiệt. Một số dạng hạt không thể thực hiện chế độ tầng sôi này (vì kích th−ớc hình dạng, ma sát bề mặt) Thiết bị hoạt động trong miền ω > ωγ khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm trên lò đốt hoạt động theo ph−ơng pháp đốt nhiên liệu dùng dòng khí chứa hạt trơ làm tác nhân tải nhiệt. Hạt nhiên liệu và hạt trơ cùng đ−ợc vận chuyển trong dòng. Mục đích chính là làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, giảm thời gian cháy của hạt nhiên liệu. Để đạt đ−ợc mục đích trên phải biết đ−ợc mối quan hệ giữa vận tốc dòng khí và hàm l−ợng pha rắn đ−ợc cuốn theo. Những chỉ tiêu của các quá trình phản ứng, quá trình truyền nhiệt, truyền khối đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp tầng sôi đ−ợc xác định bởi đặc điểm thuỷ động của nó. Giải các bài toán về quá trình công nghệ xảy ra trong thiết bị tầng sôi hầu hết phải dùng đến ph−ơng pháp giải mới, cần phải thực hiện những công việc nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong Pilot với các tiêu chuẩn khí động học. Giải quyết những bài toán công nghệ sẽ đ−ợc trọn vẹn nếu dùng những công thức thực nghiệm hoăc tính toán thực nghiệm. Cần phải sử dụng những công thức thực nghiệm để tính kiểm tra điều kiện vận chuyển xem thích hợp với điều kiện công nghệ hay không. Điều quan trọng ở đây là thiết bị phản ứng cũng là thiết bị vận chuyển. Chế độ dòng trong thiết bị phải thoả mãn các yêu cầu công nghệ của quá trình cháy. Dựa trên các phản ứng cháy trong thiết bị sẽ xác định đ−ợc l−u l−ợng không khí cần thiết. Kết quả tính ổn định nhiệt độ cho biết hàm l−ợng pha rắn, dòng khí cần phải tải,
vận tốc dòng khí khi tải l−ợng chất rắn đó. Bài toán vận tải giải quyết vấn đề phân bố hạt trong không gian cháy. Để thực hiện đ−ợc mục đích đó, tr−ớc hết cần phải tìm hiểu các đặc tính của hình thức vận tải khí, các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm của các tác giả. ở đây, lò đốt là thiết bị vận chuyển có các đặc điểm:
a. H−ớng vận chuyển: thẳng đứng;
b. Mật độ pha rắn: thấp (trình bày ở phần 4)
c. Kích th−ớc hạt: từ 0 ữ 1 mm; (trình bày ở phần 4) d. Đặc điểm công nghệ: nhiệt độ cao
Muốn giảm đ−ờng kính thiết bị, phải tăng tải trọng trên mặt cắt ngang thiết bị. Điều đó liên quan đến hiệu suất quá trình vận tải. Các nghiên cứu cho thấy vận tải theo chiều thẳng đứng hiệu quả nhất khi nông độ thể tích pha rắn thấp. Theo một số tài liệu, khi vận tải bằng không khí có hàm l−ợng pha rắn thấp thì hiệu suất η = 8 ữ 12%. Một yêu cầu quan trọng đối với bài toán vận tải trong thiết bị phản ứng là khả năng điều chỉnh năng suất để đáp ứng đ−ợc yêu cầu của quá trình cháy nhiên liệu và đảm bảo phân bố hạt trơ và hạt nhiên liệu đồng đều trong không gian. Các tác giả khẳng định phân bố hạt rắn trong quá trình vận chuyển liên quan đến vận tốc dòng. Khi vận tốc dòng ω > 1,5 ωy pha rắn đ−ợc phân bố đều trong không gian thiết bị. Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào hàm l−ợng pha rắn trong dòng, thông qua đại l−ợng độ xốp của tầng ε.