III. NGUYấN Lí LÀM VIỆC.
PHẦN VI: ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRèNH CHÁY NHIấN LIỆU TRONG BUỒNG LỬA
TRONG BUỒNG LỬA
I. KHÁI NIỆM CHUNG
Quỏ trỡnh chỏy trong buồng lửa là sự tổng hợp của cỏc hiện tượng của cỏc quỏ trỡnh phúng thớch năng lượng, truyền nhiệt và chuyển húa năng lượng. Trong quỏ trỡnh chỏy phản ứng hoỏ học xảy ra mĩnh liệt, phỏt ra ỏnh sỏng và nhiệt lượng rất cao, đồng thời kộo theo một loạt sự biến hoỏ vật chất khỏc.
Nghiờn cứu quỏ trỡnh chỏy tức là tỡm hiểu kỹ lưỡng bản chất cỏc hiện tượng trờn, tỡm ra được cỏc mối liờn hệ và cỏc yếu tố ảnh hưởng tới nú, mà trung tõm là nghiờn cứu quỏ trỡnh động học của phản ứng chỏy.
II. QUÁ TRèNH CHÁY CỦA NHIấN LIỆU.
1. Quỏ tỡnh tự chỏy theo cơ cấu nhiệt.
Bắt đầu quỏ trỡnh chỏy của nhiờn liệu nào cũng cú thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn bốc chỏy và giai đoạn chỏy mĩnh liệt.
Nhiệt lượng sinh ra trong quỏ trỡnh chỏy một phần dựng để nõng cao nhiệt độ của khúi lũ, cũn một phần bị bề mặt buồng lửa hấp thụ. Bởi vậy sự phỏt triển của quỏ trỡnh chỏy phụ thuộc vào tỉ lệ nhiệt phỏt ra và lượng nhiệt mất đi. Đối với mỗi loại nhiờn liệu cho trước thỡ tỷ lệđú phụ thuộc vào chếđộ nhiệt độ của quỏ trỡnh chỏy.
Trong giai đoạn đầu của quỏ trỡnh chỏy cú một bộ phận nào đú mà ởđú lượng nhiệt phỏt ra vượt quỏ lượng nhiệt mất đi thỡ quỏ trỡnh chỏy sẽ dẫn đến sự nõng cao nhiệt độ lờn, tốc độ phản ứng oxy hoỏ sẽ tăng nhanh, quỏ trỡnh tiếp tục cho đến lỳc lượng nhiệt đưa vào và lượng mất đi tự cõn bằng nhau. Từđú quỏ trỡnh chỏy tiếp theo dẫn đến sự tự bốc chỏy nhiờn liệu.
Khi phản ứng xảy ra trong một thể tớch V, với tốc độ ω thỡ lượng nhiệt phỏt ra trong tồn bộ thể tớch là:
[ ]pr pr Q Q =V.Q'.ω = .V .ω I−67 Ν Trong đú:
Q’: nhiệt lượng thoỏt ra của một phần tử chất tham gia phản ứng. Q: hiệu ứng nhiệt của phản ứng
N: số Avụgađrụ bằng 6,02.1023
Trong giai đoạn đầu của quỏ trỡnh chỏy, tốc độ phản ứng hoỏ học: E n RT 0 a .K .e− ω = [I-67] Trong đú: a: số phõn tử vật chất ban đầu n: bậc của phản ứng. K0: hằng số tốc độ phản ứng khi T = ω E: năng lượng hoạt động của phản ứng T: nhiệt độ phản ứng Từ 2 cụng thức trờn ta cú: E n RT pr 0 Q Q V. .K .a .e N − = (*)
Lượng nhiệt truyền từ hỗn hợp khớ đến thành thiết bị.
( ) tr 0 Q = α. T−T .S (**) Trong đú: α: hệ số cấp nhiệt giữa khớ và thành thiết bị. S: bề mặt thiết bị. T0: nhiệt độ thành thiết bị.
Biểu đồ biểu diễn quan hệ qpr = f(T) và qtr = f(T) khi thay đổi điều kiện trao đổi nhiệt.
Trờn hỡnh vẽ biểu diễn hai phương trỡnh (*) và (**) khi thay đỏi ỏp suất của hỗn hợp mà nhiệt độ nung núng ban đầu khụng thay đổi, ta cú cỏc đường cong qpr khỏc nhau.
Trờn đồ thị α.S và nhiệt độ khụng đổi nờn qtr là đường thẳng. Đường cong 1
pr
q ứng với ỏp suất lớn nhất, đường cũn 3 pt
q ứng với ỏp suất nhỏ nhất, và đường sinh nhiệt 1
pr
q khụng cắt qtr. Trong trường hợp này ứng với bất kỡ một nhiệt độ nào thỡ lượng nhiệt sinh ra cũng lớn hơn lượng nhiệt toả ra mụi trường xung quanh, phản ứng luụn nõng cao nhiệt độ và dẫn tới sự bốc chỏy.
Nếu quỏ trỡnh sinh nhiệt xảy ra theo đường cong 2 pr
q ngồi 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, cũn tại tiếp điểm thỡ qtr = qpr và TB là nhiệt độ tự bốc chỏy. 0 To Tb 1 B 2 q3 pr pr 2 q pr 1 q qtr qpr qtr T
Nếu quỏ trỡnh sinh nhiệt theo đường cong 3 pr
q thỡ ban đầu lượng nhiệt sinh ra lớn hơn lượng nhiệt tỏa ra cho thành thiết bị, nhiệt độ của hỗn hợp được nõng cao dần tới T1, tại T1 lượng nhiệt sinh ra bằng lượng nhiệt toả ra và sau đú hỗn hợp khớ khụng được gia nhiệt nữa vỡ lỳc đú lượng nhiệt toả ra lớn hơn lượng nhiệt sinh ra. Chỉ đến lỳc ta gia nhiệt cho khớ tới nhiệt độ T2 thỡ lượng nhiệt sinh ra mới thật ổn định và lớn hơn lượng nhiệt toả ra cho thành thiết bị, khi đo phản ứng khụng ngừng nõng cao nhiệt độ, dẫn đến sự bốc chỏy.
2. Quỏ trỡnh tự bốc chỏy theo cơ cấu chuỗi.
Khi nghiờn cứu quỏ trỡnh chỏy chỳng ta thấy cú rất nhiều trường hợp tốc độ phản ứng xảy ra rất mĩnh liệt, hoặc rất chậm so với mức bỡnh thường. Đồng thời khụng thể dựa vào định luật khối lượng tỏc dụng và năng lượng hoạt động để giải thớch một cỏch cặn kẽ, vỡ rằng những phản ứng đú khụng chỉ xảy ra trực tiếp từ chất tham gia phản ứng ban đầu đến sản phẩm cuối cựng ngay, mà tiến hành qua phản ứng trung gian để tạo thành sản phẩm trung gian sau đú mới tiếp tục để tạo thành sản phẩm cuối cựng.
Xột quỏ trỡnh chỏy của hỗn hợp khớ thiờn nhiờn.
- Đầu tiờn là quỏ trỡnh sinh mạch: cú thể do phõn tử hydrocacbon bị phõn huỷ dưới tỏc dụng của nhiệt độ hay phản ứng với phõn tử oxy.
2 2 RH R H RH O R HO • • • • → + + → + (RH là cỏc hydrocacbon như CH4, C2H6…) 2 2 2 R O RO RO RH ROOH R • • + → + → +
Vỡ năng lượng liờn kết -O-O- trong phõn tử khỏ nhỏ, chỉ khoảng 40kcal/mol, nờn ROOH sẽ tự phõn huỷ dưới tỏc dụng của nhiệt độ tạo nờn những tõm hoạt động mới.
ROOH→RO• +OH•
Trong cơ cấu chuỗi, nguyờn nhõn gõy ra sự tự bốc chỏy của hỗn hợp khớ là phản ứng giữa cỏc tõm hoạt động với cỏc phõn tử bĩo hồ hoỏ trị của hỗn hợp khớ ban đầu. Cỏc tõm hoạt động cú thể là cỏc gốc tự do mang hoỏ trị như OH •, COOH •, CH3 •, C2H5O •… hay là cỏc nguyờn tửở trạng thỏi tự do mang hoỏ trị như H •, O ••, S ••…
- Nhờ cỏc tõm hoạt động mang hoỏ trị đú nờn chỳng rất dễ phản ứng với cỏc phõn tử bĩo hồ hoỏ trị của hỗn hợp khớ ban đầu. Do đú tốc độ phản ứng nhanh chúng đạt tới giỏ trị lớn và khi đú quỏ trỡnh bốc chỏy xảy ra. Như vậy, trong cơ cấu chuỗi, nhiệt lượng toả ra do phản ứng hoỏ học chỉ là hệ quả mà khụng phải là nguyờn nhõn của quỏ trỡnh tự bốc chỏy.
Trong lũ đốt của nồi hơi nhà mỏy nhiệt điện thường nhiệt độ rất cao từ 1200 - 16000C, do đú quỏ trỡnh chỏy càng dễ dàng hơn nhiều do hỗn hợp khớ liờn tục được năng lượng bức xạ của ngọn lửa và tường buồng đốt.
III. SỰ LAN TRUYỀN NGỌN LỬA
Nếu hỗn hợp khớ chỏy (khớ thiờn nhiờn và khụng khớ)đĩ được trộn lẫn đồng đều trước và chuyển động trong một ống bất kỳ, thỡ khi chỏy bề mặt bắt lửa sẽ phõn dũng khớ thành 2 phần: phần sau bề mặt lửa là phần sản phẩm chỏy, cũn phần trước là vật chất chưa tham gia phản ứng chỏy. Lượng nhiệt sinh ra trong quỏ trỡnh phản ứng cho hỗn hợp khớ chưa chỏy làm cho nú bắt lửa, đồng thời làm cho bề mặt bắt lửa lan truyền vào hỗn hợp khớ chỏy.
Tốc độ lan truyền bề mặt bắt lửa theo phương phỏp tuyến của nú được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa bỡnh thường.
Bề mặt bắt lửa cú 3 đặc điểm sau;
- Khụng phải là một bề mặt hỡnh học mà cú một chiều dày nhất định - Trường nhiệt độ trong chiều dày khụng đồng đều nhau mà chia làm
2 khu vực: khu vực gia nhiệt và khu vực phản ứng
- Trong khu vực phản ứng thỡ trường nhiệt độ cũng khụng 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 khớ, cũn ỏp suất thỡ ảnh hưởng rất ớt đến tốc độ lan truyền mặt bắt lửa.
Bảng trị số lan truyền tốc độ ngọn lửa bỡnh thường của mộ tố chất khớ [I-71].
Khớ Tốc độ làn truyền, m/s Hỗn hợp với khụng khớ Hỗn hợp với oxy Hydro 2,5 9,0 Metan 0,37 4,5 Cacbonoxit với cỏc khớ phụ: hơi nước, hydro 0,42 1,1
IV. CÁC QUÁ TRèNH VẬT Lí CƠ BẢN XẢY RA TRONG QUÁ TRèNH CHÁY.
Quỏ trỡnh chỏy 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 thỡ tốc
Ngọn lửa Mặt cháy hình cơn
Dịng khí ch−a cháy
độ phản ứng hoỏ học sẽ rất lớn, nờn cỏc quỏ trỡnh vật lý (trao đổi nhiệt, trao đổi khối) cũng tiến hành với tốc độ như vậy.
Sự trao đổi nhiệt và trao đổi khối trong mụi trường tĩnh xảy ra là nhờ cú sự chuyển động nhiệt của phõn tửđặc trưng bởi định luật dẫn nhiệt và khuếch tỏn phõn tử. - Định luật dẫn nhiệt và Furie. 2 dT q . , w / m dn = −λ [I-72] - Định luạt khuếch tỏn phõn tử Fick: 3 2 dc V D. , m / m .s dn = − [I-72] Trong đú: λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m0C dT dn : gradien nhiệt độ, 0C/m D: hệ số khuếch tỏn, m3/s dc dn: gradien nồng độ, l/m
Quỏ trỡnh chỏy vật lý trong mụi trường tĩnh tại chỉ nhờ vào dẫn nhiệt và khuếch tỏn phõn tử nờn rất bộ. Song trong dũng chảy rối thỡ trao đổi nhiệt gồm: dẫn nhiệt và đối lưu được biểu diễn bằng định luật Furie và Niutơn; cũn trao đổi khối gồm: khuếch tỏn phõn tử và chuyển động vật chất cưỡng bức. Do đú ta cú: [ ] 2 p x dT q . C . . .T, W / m I 72 dn = −λ + ρ ω − 3 2 x dc V D. C, m / m .s dn = − + ω + [I-72]
Trong đú:
Cp: tỉ nhiệt của dũng khớ chỏy, KJ/kg độ ρ: mật độ chất khớ
ωx: tốc độ dũng theo phương X, m/s
Cỏc số hạng thứ hai ở vế phải của 2 phương trỡnh trờn làm cho quỏ trỡnh vật lý mạnh lờn hẳn.
Dũng khớ được gọi là tự do nếu như nú khụng bị hạn chế bởi cỏc vỏch cứng và phõn bố trong khụng gian cú cựng tớnh chất vật lý với vật chất của dũng. Dũng nguyờn liệu khớ trong buồng lửa là những dũng ở chếđộ chảy rối tự do. Do chảy rối mà một bộ phận chất khớ vượt ra khỏi dũng đem năng lượng của mỡnh truyền cho cỏc phõn tử khớ trong mụi trường xung quanh. Trong quỏ trỡnh chuyển động, dũng khụng ngưng cuốn vào mỡnh vật chất của mụi trường xung quanh làm cho bề rộng của dũng này càng tăng, cũn tốc độ lớp trờn bị giảm đi.
V. BUỒNG LỬA PHUN.
Cú thể núi buồng lửa phun là loại buồng lửa hồn thiện nhất. Trong buồng này cú thểđốt được bất kỳ loại nhiờn liệu nào từ nhiờn liệu rắn đến cỏc nhiờn liệu lỏng và khớ. Đặc điểm của buồng lửa phun là khụng cú ghi và cần thiết phải chuẩn bị sơ bộ nhiờn liệu trước khi vào buồng lửa.
Do trong buồng lửa phun quỏ trỡnh chỏy xảy ra theo dạng ngọn lửa nờn quỏ trỡnh đốt nhiờn liệu khớ thiờn nhiờn trong buồng lửa là hồn tồn hợp lý. Sản lượng hơi sản xuất ra khụng cú giới hạn thường lớn hơn 20 tấn/h.
Nhiờn liệu sử dụng để đốt là khớ thiờn nhiờn cú rất ớt khoỏng chất nờn buồng lửa cú cấu tạo rất đơn giản và khụng cú thiết bị thỏo tro, xỉ. Trờn thế giới, việc khai thỏc khớ thiờn nhiờn ngày càng phỏt triển mạnh mẽ, tỷ lệ lũ hơi sử dụng dạng khớ thiờn nhiờn ngày càng tăng lờn nhiều.
Cũng như cỏc thiết bị buồng lửa khỏc, buồng lửa phun phải đảm bảo chỏy được hồn tồn nhiờn liệu ở hệ số khụng khớ thừa nhỏ nhất. Khúi sinh ra trong buồng lửa cần phải được tận dụng nhiệt của nú một cỏch tối đa. Tất cả cỏc yếu tố kể trờn chịu ảnh hưởng trực tiếp của thể tớch buồng lửa, thể hiện ở nhiệt thế thể tớch. lv t bl B.Q , V W/m3 [I-139].
Khi bề mặt hấp thụ bằng bức xạ trong buồng lửa quỏ bộ, nhiệt độ khúi thải ra trong buồng lửa sẽ lớn, gõy ra mất mỏt nhiệt theo khúi lũ lớn. Vỡ vậy, tỷ lệ hấp thụ nhiệt của buồng lửa hay núi cỏch khỏc bề mặt hấp thụ nhiệt của buồng lửa phải chọn cho thoảđỏng.
Kớch thước buồng lửa càng lớn thỡ vốn đầu tư cho buồng lửa tăng vỡ tăng chi phớ cho việc bảo ụn, khung lũ…Do đú, để giảm giỏ thành cho buồng lửa cần phải chọn thể tớch buồng lửa tới giỏ trị tối thiểu, nghĩa là phải chọn nhiệt thế thể tớch của buồng lửa tới giỏ trị lớn nhất cho phộp cú thểđược.
Đồng thời tổ chức tốt chếđộ khớ động trong buồng lửa để sử dụng thể tớch khụng gian của buồng lửa vỡ chế độ khớ trong buồng lửa đảm bảo cho nhiờn liệu và khụng khớ được hỗn hợp với nhau và phõn bố đồng đều trong buồng lửa.
VI. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRèNH CHÁY NHIấN LIỆU KHÍ TRONG BUỒNG LỬA.
Theo quan điểm hiện đại, quỏ trỡnh chỏy chọn là một quỏ trỡnh hoỏ lý phức tạp, trong đú những phản ứng hoỏ học bao giờ cũng xảy ra trong cỏc điều kiện vật lý nhất định. Do đú tốc độ chung của quỏ trỡnh chỏy sẽ phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoỏ học, và tốc độ của quỏ trỡnh vật lý. Trong đú quỏ trỡnh nào xảy ra chậm hơn sẽ quyết định tốc độ chung của quỏ trỡnh chỏy.
Khớ thiờn nhiờn là loại khớ được sử dụng nhiều nhất trong lũ hơi. Thành phần chủ yếu làm nờn khớ thiờn nhiờn là: metan (CH4) sau đú là những
cacbon hydro ổn định. Khi nhiệt độ vượt quỏ 8000C thỡ khớ thiờn nhiờn tạo thành một số hạt “mồ húng”. Những hạt này rất khú chỏy, nờn cú thể bay theo khúi hoặc bỏm trờn cỏc mặt đốt.
Quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu khớ cú thể tiến hành trong vựng động học hoặc trong vựng khuếch tỏn. Đối với quỏ trỡnh chỏy trong vựng động học thỡ khụng khớ và nhiờn liệu khớ đĩ được hỗn hợp trước. Nếu như hỗn hợp chất chỏy được đốt núng nhanh chúng đạt tới và vượt qua nhiệt độ bốc chỏy thỡ quỏ trỡnh oxy hoỏ này được tăng nhanh và hầu như loại trừđược sự phõn huỷ nhiệt của cỏc cacbua hydro. Trong trường hợp này ngọn lửa khụng cú cỏc hạt than nghĩa là “khụng sỏng”.
Trong quỏ trỡnh chỏy khuếch tỏn dũng nhiờn liệu và dũng khụng khớ đưa vào buồng lửa riờng lẻ, hoặc cú một phần nhỏ hỗn hợp trước khi tồn bộ thời gian chỏy lớn hơn tồn bộ thời gian chỏy trong vựng động học rất nhiều, số lượng cỏc hạt cacbua hydro bị phõn huỷ cũng tăng lờn, ngọn lửa lỳc này là ngọn lửa “sỏng”.
Trong trường hợp tổng quỏt, tổng thời gian chỏy của hỗn hợp khớ gồm 2 phần: thời gian cần thiết để thực hiện cỏc quỏ trỡnh vật lý τv và thời gian chi cho việc xảy ra bản thõn phản ứng hỗn hợp τh, ta cú
τc = τv + τh [I-75]
Ở giai đoạn đầu của phản ứng khi nhiệt độ cũn thấp tốc độ của phản ứng nhỏ, trong phản ứng khụng sử dụng hết oxy mang tới. Do đú, quỏ trỡnh phản ứng bị kỡm hĩm bởi yếu tốđộng học là nhiệt độ. Thời gian chỏy chủ yếu là thời gian thực hiện cỏc phản ứng hoỏ học, trong khi đú thời gian thực hiện quỏ trỡnh vật lý quỏ nhỏ, ta cú:
τh ≥τv→ τc≈τh
Trong trường hợp này quỏ trỡnh chỏy xảy ra trong vựng động học. Lỳc này nếu tăng tốc độ thổi oxy thỡ tốc độ phản ứng vẫn hầu như khụng thay đổi
mà nú chỉ phụ thuộc vào những yếu tốđộng học hoỏ học như năng lượng hoạt động, ỏp suất trong khụng gian phản ứng, nồng độ hydrocacbon khớ và nhất là nhiệt độ. Như vậy trong vựng động học quỏ trỡnh phản ứng khụng bị kỡm hĩm bởi cỏc yếu tố vật lý.