CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY THAN
Quá trình cháy trong buồng lửa lò hơi (quá trình động học của phản ứng cháy) là sự tổng hợp các hiện tượng của các quá trình phóng thích năng lượng, truyền nhiệt và chuyển hoá năng lượng. Trong quá trình cháy phản ứng hoá học xảy ra mãnh liệt, phát ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao, đồng thời kéo theo một loạt sự biến hoá vật chất khác. Việc nghiên cứu quá trình cháy giúp tìm ra được các mối liên hệ và các yếu tố ảnh huởng đến nó.
Định luật khối lượng tác dụng và hằng số cân bằng: Tốc độ phản ứng hoá học là tốc độ thay đổi nồng độ các vật chất tham gia phản ứng:
V= .
dt dc
(2.1) Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng:
ln 2 RT Q dT K d , (2.2) Trong đó Q - hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở trạng thái đẳng tích (Qv) hay đẳng áp (Qp), kJ/mol; K- hằng số cân bằng.
Từ phương trình (2.2), cùng với sự tăng nhiệt độ thì hằng số cân bằng sẽ tăng lên trong phản ứng thu nhiệt (Q>0) và giảm xuống trong phản ứng phát nhiệt (Q<0). Khi hằng số cân bằng tăng lên nghĩa là tăng nồng độ vật chất ban đầu mà giảm nồng độ sản phẩm sinh ra. Hay nói cách khác, ở nhiệt độ thấp có thể tiến hành hoàn toàn phản ứng thu nhiệt, còn ở nhiệt độ rất cao thì dễ tiến hành hoàn toàn phản ứng phát nhiệt.
Năng lượng hoạt hoá: Phản ứng hoá học giữa hai phân tử chỉ có thể xảy ra khi chúng va chạm với nhau. Năng lượng cần thiết nhỏ nhất để gây nên phản ứng được gọi là năng lượng hoạt hoá của phản ứng.
Năng lượng hoạt động được xác định trên cơ sở định luật khối lượng tác dụng (Arêniut) và được biểu thị qua hằng số tốc độ phản ứng hoá học:
RT E e k k 0 (2.3) Trong đó:
k 0– hằng số tương ứng với tổng số lần va chạm của phân tử; E- năng lượng hoạt động, kj/mol;
T- nhiệt độ phản ứng, 0K
Từ phương trình 2.3, năng lượng hoạt động càng bé thì lượng nhiệt chi phí cho việc phá vỡ liên kết cũ càng bé, dẫn đến tốc độ phản ứng hoá học tăng lên càng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
Phản ứng dây chuyền: Khi nghiên cứu quá trình cháy, những phản ứng 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 tạo thành sản phẩm trung gian (là những trung tâm hoạt động gồm nguyên tử tự do, những gốc, những vật chất có hoá trị ,…) sau đó mới tiếp tục phản ứng để tạo thành sản phẩm cuối cùng.
Những phản ứng trung gian có cấp phản ứng thấp, năng lượng hoạt động nhỏ sẽ dễ dàng tiến hành hơn. Sau mỗi giai đoạn phản ứng ngoài những sản phẩm cháy, còn có rất nhiều trung tâm hoạt động mới thay thế cho những trung tâm hoạt động cũ đã mất đi, đảm bảo cho phản ứng xảy ra liên tục. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền.
Quá trình bốc cháy nhiên liệu và tắt: Quá trình cháy của nhiên liệu than được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn bốc cháy và giai đoạn cháy mãnh liệt.
Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy than một phần để nâng cao nhiệt độ của vật chất phản ứng và chất oxy hoá, còn một phần bị bề mặt buồng lửa hấp thụ. Do đó, sự phát triển của quá trình cháy phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nhiệt lượng phát ra và lượng nhiệt mất đi. Đối với nhiên liệu than theo tỷ lệ đốt thiết kế thì tỷ lệ đó phụ
thuộc vào chế độ nhiệt của quá trình cháy. Nhiệt độ bốc cháy không phải là một hằng số vật lý mà nó phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu (chất bốc, nhiệt trị), vào áp suất và chế độ nhiệt của quá trình cháy.
Quá trình vật lý cơ bản xảy ra trong quá trình cháy than: Quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào mức độ trao đổi khối và trao đổi nhiệt trong buồng lửa, với điều kiện nhiệt độ cao, nồng độ cũng cao thì tốc độ phản ứng hoá học sẽ rất lớn, nếu như các quá trình vật lý (trao đổi nhiệt và khối) cũng tiến hành với tốc độ như vậy.
Sự trao đổi khối và trao đổi nhiệt trong môi trường tĩnh xảy ra là nhờ có sự chuyển động nhiệt cuả các phân tử, đặc trưng bởi định luật dẫn nhiệt và khuyếch tán phân tử.
Đặc điểm của quá trình cháy nhiên liệu: Vùng động học và khuyếch tán của phản ứng. Tổng thời gian cháy gồm hai phần: thời gian cần thiết để sinh ra các hằng số vật lý tv và thời gian chi cho việc xảy ra bản thân phản ứng hoá học t h.
t v h (2-4)
+ Vùng động học: Ở giai đoạn đầu của phản ứng nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng nhỏ, không sử dụng hết toàn bộ lượng oxy mang tới. Do vậy quá trình phản ứng bị kìm hãm bởi yếu tố động học là nhiệt độ. Lúc này nếu tăng tốc độ thổi oxy tới bề mặt vật cứng cháy (tăng nồng độ vật chất phản ứng) hoặc là tăng bề mặt phản ứng (như tăng độ mịn của than) thì tốc độ phản ứng vẫn hầu như không thay đổi. Tốc độ này chỉ phụ thuộc vào những yếu tố động học hoá học như năng lượng hoạt động, áp suất trong không gian phản ứng và nồng độ chất phản ứng.
+ Vùng khuyếch tán: Theo mức độ tăng nhiệt độ, yêu cầu về oxy tăng lên. Nếu yêu cầu này không thoả mãn thì phản ứng này sẽ chuyển vào vùng khuyếch tán.
Vùng động học và vùng khuyếch tán của quá trình cháy là những vùng giới hạn. Giữa hai vùng này là vùng trung gian, được đặc trưng bởi tác dụng đồng thời của cả hai giai đoạn (v h). Hầu hết quá trình phản ứng cháy nhiên liệu than trong lò hơi đều xảy ra trong vùng này. Việc xác định vùng xảy ra phản ứng khi
cháy cacbon là một điều phức tạp do trong quá trình cháy cacbon có thể xảy ra nhiều dạng phản ứng khác nhau và trong cùng một điều kiện nhiệt độ, vùng xảy ra của mỗi phản ứng lại khác nhau (hình 2.1):
Hình 2.1. Sự chuyển của quá trình phản ứng từ vùng động học sang vùng khuyếch tán
1-vùng động học; 2-vùng khuyếch tán; 3- giới hạn giữa vùng khuyếch tán và vùng trung gian; 4- vùng trung gian
Như vậy, các giai đoạn của quá trình cháy nhiên liệu than như sau: sấy, bốc chất bốc, bắt lửa, cháy cốc còn lại. Trong các giai đoạn trên thì giai đoạn cháy cốc là chủ yếu. Chất bốc hơi và bắt lửa hình thành lớp bọc xung quanh hạt nhiên liệu. Lớp này hạn chế sự khuyếch tán trực tiếp của oxy lên bề mặt than. Tuỳ theo mức độ cháy chất bốc mà quá trình tiếp đó chuyển sang cháy cốc còn lại. Trước hết quá trình xảy ra trên bề mặt sau đó phát triển vào sâu trong hạt nhiên liệu, quá trình cháy càng tốt thì nhiệt sẽ sinh ra càng nhiều.
* Đặc điểm quá trình cháy tầng sôi
Đặc tính khí động lực học của quá trình cháy than có liên quan mật thiết với kích thước hạt than. Khi tốc độ gió đi qua lớp nhiên liệu than trên mặt ghi vượt quá tốc độ gió tới hạn lớp nhiên liệu than sẽ bị thổi bay ra khỏi lớp, nếu như hạt than
tương đối thô thì do ảnh hưởng của trọng lực nó sẽ quay trở về trên mặt ghi (hình 2.2).
Hình 2.2. Sự thay đổi trạng thái của lớp nhiên liệu than trên mặt ghi theo sự thay đổi của tốc độ dòng
Trong đó, p: độ dáng áp của lớp nhiên liệu than (hay là trở lực của lớp nhiên liệu than), mmH2O; h: chiều dày lớp nhiên liệu, m.
Nếu tiếp tục nâng cao tốc độ gió thì có thể một bộ phận hoặc toàn bộ nhiên liệu than trên mặt ghi đứng vào trạng thái chuyển động hai hướng: một hướng đi lên do lực nâng, một hướng đi xuống rơi trở về mặt ghi do trọng lượng hạt than, trạng thái này giống như trạng thái sôi của chất lỏng. Lúc đó lớp nhiên liệu trên mặt ghi từ trạng thái lớp cố định chuyển sang trạng thái lớp sôi hay là tầng sôi. Như vậy, tốc độ không khí tới hạn của quá trình cháy tầng sôi có quan hệ mật thiết với kích thước của nhiên liệu than.
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa tốc độ dòng và chiều cao lớp nhiên liệu và trở lực lớp than
Từ hai hình 2.2 và 2.3 nhận thấy khi tốc độ gió bé hơn tốc độ tới hạn thì lớp nhiên liệu nằm cố định trên mặt ghi ở trạng thái tĩnh khi ta tăng tốc độ của dòng thì chiều cao của lớp than hgvẫn không thay đổi, nhưng trở lực của lớp than thì tăng lên khi tốc độ dòng tăng (đoạn hg-T và 0-T trên hình 2.2).
Khi tiếp tục tăng tốc độ của dòng khi crthì hạt bắt đầu rời khỏi mặt ghi và sau đó sẽ chuyển động xoáy mạnh ở một độ cao nhất định tính từ mặt ghi, nếu ta tiếp tục tăng tốc độ dòng. Lúc đó chiều dày của lớp nhiên liệu sẽ tăng lên nhưng trở lực của lớp liệu sẽ không thay đổi khi tiếp tục tăng tốc độ của dòng (đoạn T-f trên hình 2.3).
Để đảm bảo lớp nhiên liệu nằm vào trạng thái sôi thì phải tăng hệ số nở giửa kẽ hở tăng lên. Hệ số kẽ hỡ được định nghĩa như sau:
z d z 2.5 z khối lượng riêng của than
Tuỳ theo sự tăng trưởng của hệ số nở mà chiều cao của (lớp liệu) lớp sôi sẽ tăng lên.
Ở trạng thái sôi ổn định thì giáng áp của dòng khi đi qua lớp sôi vừa bằng trọng lượng của hạt khi sôi, điều này được thể hiện như sau:
p zgho1ozgh1 2.6 Trong công thức trên :
oHệ số nở của lớp liệu trên ghi ở trạng thái nằm cố định Hệ số nở của lớp liệu ở trạng thái sôi
g Gia tốc trọng trường
ho chiều cao lớp nhiên liệu trên ghi h chiều cao lớp sôi
Từ công thức 2.7, thể tìm được tỷ số giữa chiều cao lớp sôi và lớp liệu trên ghi là: 1 1 o o h h R 2.7 hoặc R o 11 2.7
Từ công thức cùng với sự tăng tốc độ dòng hệ số dãn nở sẽ tăng lên, cuối cùng khi fthì lúc đó chiều cao của lớp nhiên liệu đạt tới chiều cao của buồng lửa và như vậy toàn bộ than trên mặt ghi bị cuốn theo vào buồng lửa và lúc ấy trong buồng lửa đạt tới trạng thái mang hạt (vận chuyển hạt) khí động. Nghĩa là tỷ số R do vậy 1 và lúc ấy quá trình cháy đã chuyển từ cháy tầng sôi chuyển sang cháy bột than. Tốc độ không khí tới hạn của quá trình cháy tầng sôi có quan hệ với kích thước của hạt nhiên liệu.