quá trình cháy nhiên liệu trong FBC 3.1 Những phản ứng cơ bản của quá trình cháy nhiên liệu
3.2. Quá trình cháy nhiên liệu
Lò đốt là thiết bị phản ứng trong đó xẩy ra các phản ứng oxi hoá các chất trong nhiên liệu với oxi trong không khí để toả ra nhiệt phản ứng. Các phản ứng xẩy ra trong lò theo công thức (3.1), (3.2), (3.3) phụ thuộc vào hai quá trình: vận tải nhiệt và vận tải chất (điều kiện tiếp xúc của chất tham gia phản ứng).
a. Vận tải nhiệt: phản ứng cháy chỉ xẩy ra ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu, để thực hiện quá trình cháy phải đảm bảo nhiệt độ nhiên liệu và nhiệt độ không khí lớn hơn nhiệt độ bắt cháy. Mặt khác, hiệu xuất quá trình cháy phụ thuộc vào nhiệt độ. Để đạt hiệu suất quá trình cháy cao cần khống chế nhiệt độ trong một khoảng nhất định. Vì vậy quá trình vận tải nhiệt phải duy trì nhiệt độ của các thành phần tham gia cháy trong giới hạn đã tính toán.
b. Vận tải chất: Đảm bảo các chất tham gia phản ứng đ−ợc tiếp xúc với nhau. Trong quá trình phản ứng, các chất tham gia phản ứng đ−ợc vận chuyển đến tiếp xúc với nhau trong vùng phản ứng, sản phẩm phản ứng đ−ợc vận chuyển ra khỏi vùng phản ứng. ở nhiên liệu khí điều kiện tiếp xúc phụ thuộc vào tốc độ khuyếch tán của của chất với nhau. ở nhiên liệu rắn, điều kiện đó phụ thuộc vào quá trình vận tải không khí tới bề mặt hạt rắn và vận tải sản phẩm phản ứng ra khỏi bề mặt hạt rắn.
Hai yếu tố trên có liên quan mật thiết với nhau. Tốc độ quá trình vận tải chất ở bề mặt tiếp xúc pha phụ thuộc chủ yếu vào quá trình khuyếch tán. Quá trình khuyêch tán phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt của phản ứng toả ra đồng thời làm tăng c−ờng quá trình vận tải chất đồng thời cấp ng−ợc trở lại cho quá trình nâng nhiệt của nhiên liệu và không khí. Trong quá trình cháy, tại vùng phản ứng xảy ra hai quá trình song song: truyền nhiệt và chuyển đổi khí. Quá trình truyền nhiệt từ vùng phản ứng ra không gian xung quanh đ−ợc mô tả bằng ph−ơng trình:
q = α.(TW – Tf) ( 3.4)
Trong đó:
q: là nhiệt l−ợng cấp từ vùng phản ứng sang không gian lân cận tính cho một đơn vị diện tích bề mặt biên của vùng phản ứng, W/m2;
TW: nhiệt độ bề mặt của nhiên liệu, 0C;
Tf: nhiệt độ không gian lân cận vùng cháy, 0C.
Mặt khác quá trình chuyển khối của các thành phần tham gia phản ứng là : q = jn . Qp
B ( 3.5)
Trong đó:
jn: là dòng các thành phần tham gia phản ứng cháy, kg/m2s; Qp
B: nhiệt trị của nhiên liệu, kJ/kg.
Từ (3.4) và (3.5) rút ra đ−ợc điều kiện cháy ổn định là:
α.(TW – Tf) = jn . Qp
B TW = jn . Qp
B / α + Tf (3.6)
Điều kiện nhiệt độ để nhiên liệu cháy đ−ợc là nhiệt độ bề mặt của nó lớn hơn nhiệt độ bắt cháy: TW > Tbc
TW = (jn . Qp
B / α + Tf ) > Tbc (3.7)
Khi nhiên liệu là cácbon, dòng nhiên liệu (vật chất) jC liên quan với dòng không khí theo ph−ơng trình:
12/32. jO2 = jC (3.8) Chỉ số 12/32 đ−ợc rút ra từ cân bằng phản ứng: C + O2 = CO2 (12 32 44) Dòng khí O2 đ−ợc xác định theo: jO2 = β.CO2 (3.9)
β: là hệ số chuyển khối của Oxy;
CO2: nồng độ Oxy trong dòng khí phản ứng. Thay các giá trị từ (3.9), (3.8), vào (3.7), ta có:
TW = (12/32.β.CO2 Qp
B / α + Tf ) > Tbc (3.10) ở các ph−ơng trình trên CO2 là hằng số, Tbc, Qp
B là hằng số phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu; vậy còn ba đại l−ợng ảnh h−ởng đến chế độ cháy là hệ số chuyển khối β, hệ số truyền nhiệt α và nhiệt độ không gian lân cận vùng cháy Tf. Nếu Tf > Tbc, điều kiện nhiệt độ để quá trình cháy ổn định đã đ−ợc thoả mãn. Điều đó đ−ợc thể hiện trong không gian lò có nhiệt độ cao, quá trình cháy rất ổn định. Nếu Tf < Tbc thì hệ số chuyển khối β và hệ số truyền nhiệt α phải t−ơng đ−ơng với nhau. Quá trình chuyển khối đặc tr−ng cho nguồn sinh nhiệt ở vùng phản ứng; quá trình truyền nhiệt đặc tr−ng cho vùng mất nhiệt của vùng phản ứng. Điều kiện này th−ờng xảy ra cho tất cả các loại lò đốt nhiên liệu.