CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHÁY BỘT THAN
2.5. Quá trình cháy than bột trong lò hơi
2.5.2. Quá trình cháy trong buồng lửa đốt than bột
Các giai đoạn cháy của bột than xảy ra tuần tự theo chiều dài ngọn lửa: sấy, sinh và cháy chất bốc, cháy cốc và tạo xỉ. Song do kích thước của hạt than rất bé nên quá trình cháy diễn ra rất nhanh (khoảng 1- 2 giây). Bột than đưa vào được hỗn hợp với không khí và cháy thành ngọn lửa, chiếm hầu khắp thể tích buồng lửa.
Vùng có nhiệt độ cao nhất trong buồng lửa gọi là vùng trung tâm cháy. Vùng trung tâm cháy thường ở ngang mức đặt vòi phun. Càng ra xa vùng trung tâm cháy nhiệt độ càng giảm dần.
Nguồn nhiệt để sấy nhiên liệu chủ yếu là do bức xạ của ngọn lửa và do tiếp xúc với những hạt nóng hơn. Qua thí nghiệm người ta thấy ở vùng trước miệng vòi phun quá trình cháy xảy ra mãnh liệt nhất. Nồng độ chất khí do cháy tạo thành thay đổi nhiều nhất. Theo chiều dài ngọn lửa nồng độ các chất khí này tăng lên. Tốc độ tăng xảy ra rất nhanh ở khoảng cách 1 m so với miệng vòi phun. Sau đó nồng độ các chất khí tạo thành giảm đi và nồng độ tro tạo thành tăng lên.
Ở trung tâm ngọn lửa, nhiệt độ đạt tới 1500 – 16000C và có thể cao hơn. Để tăng cường việc cháy kiệt bột than, trong ngọn lửa cần duy trì nhiệt độ đủ cao. Điều này đặc biệt quan trọng ở vùng cuối cùng ngọn lửa do nồng độ oxy ở đây giảm đi nhiều.
Thời gian cần thiết để bốc cháy bột than cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
tính chất nhiên liệu, độ mịn bột than, nhiệt độ ban đầu và nồng độ ban đầu của dòng hỗn hợp- không khí - bột than, tỷ số giữa lượng không khí cấp một và hai, phương pháp đưa không khí cấp hai. Dưới đây ta sẽ khảo sát một số ảnh hưởng này.
Ảnh hưởng của chất nhiên liệu đến quá trình bốc cháy bột than.
Than càng có nhiều chất bốc thì bốc cháy càng dễ và càng sớm. Ví dụ với than có chất bốc 25- 30% thì chỉ cần vùng sấy có nhiệt độ khoảng 300- 3500 C thì đủ sinh ra chất bốc. Nhưng đối với than Antraxit thì đòi hỏi phải có nhiệt độ
27
tới 900 – 11000C thì chất bốc mới có thể bốc cháy được. Quá trình cháy kiệt bột than sẽ kéo dài hơn, tỷ lệ cháy kiệt than (%) theo bề dài ngọn lửa đối với than Antraxit. Ta thấy bột than Antraxit chỉ cháy kiệt hoàn toàn sau khi đã đi một quãng đường dài 14m. Khi đốt những bột than khó cháy như vậy người ta dùng các biện pháp sau đây để rút ngắn giai đoạn bốc cháy bột than:
+ Bảo đảm cho vùng bốc cháy có nhiệt độ cao bằng cách hạn chế hấp thu nhiệt. Do đó người ta đã bọc cách nhiệt một phần ống ở xung quanh miệng phun bằng một lớp cách nhiệt (cromit).
+ Dùng không khí nóng để vận chuyển bột than và hạn chế lượng không khí cấp một ở miệng phun, ví dụ đối với than Antraxit nhiệt độ không khí nóng tới 350 ÷ 4000C.
+ Tổ chức xáo trộn tốt dòng hỗn hợp khí- bột than phun vào với dòng khói nóng trong buồng lửa bằng cách sử dụng miệng phun có khả năng tạo nên xáo động mạnh.
Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của bột than trong dòng hỗn hợp.
Kinh nghiệm đã cho hay rằng tốc độ phát triển của ngọn lửa phụ thuộc vào nồng độ bột than trong hỗn hợp bột than - không khí. Lúc đầu khi tăng nồng độ bột than, tốc độ phát triển ngọn lửa tăng lên và đạt tới giá trị cực đại, sau đó nếu tiếp tục tăng nồng độ nữa, tốc độ này giảm đi. Điều này có thể giải thích như sau:
Lúc đầu khi tăng nồng độ bột than, lượng nhiệt sinh ra tăng lên do chất bốc đã tham gia phản ứng cháy, do đó tạo điều kiện cho sự bốc cháy dễ dàng. Mặt khác lượng nhiệt chi cho sấy nóng không khí cấp một bé. Nhưng khi tăng quá nhiều nồng độ bột than, lượng chất bốc sinh ra nhiều, trong khi đó không khí lại thiếu nên tốc độ cháy giảm đi nhiều. Nồng độ bột than tốt nhất để tốc độ cháy đạt tới cực đại khác nhau đối với từng loại nhiên liệu khác nhau.
Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp không khí- bột than đến quá trình bốc cháy.
28
Quá trình bốc cháy của nhiên liệu phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp. Tốc độ bốc cháy xảy ra mạnh nhất khi nhiệt độ dòng hỗn hợp trên 5000C. Nhiệt độ ban đầu của dòng càng cao thì tốc độ bốc cháy càng nhanh, thời gian cháy càng ngắn. Vì vậy cần sử dụng không khí cấp một có nhiệt độ cao. Nói chung hiện nay đốt những bột Than khó cháy, nhiệt độ không khí nóng chỉ tới 380- 4200C,vì nếu tăng nhiệt độ không khí lên nữa thì bộ sấy không khí phải chế tạo bằng kim loại tốt để chịu được nhiệt độ cao.
Ảnh hưởng của tốc độ của dòng bột than đến quá trình bốc cháy.
Mức độ đốt nóng dòng hỗn hợp không những phụ thuộc vào số lượng và nhiệt độ của dòng mà còn phụ thuộc vào cả nhiệt phát ra do phản ứng hoá học tạo nên. Khi tăng tốc độ lưu động thì nhiệt phát ra của phản ứng hoá học giảm xuống vì khi ấy nhiệt lượng mang đi của dòng tăng lên (hệ số truyền nhiệt tăng lên). Như vậy sẽ gây khó khăn cho quá trình bốc cháy. Đồng thời nếu tốc độ dòng quá lớn thì ngọn lửa sẽ đập vào tường đối diện với miệng phun, gây nên đóng xỉ lên tường. Nhưng mặt khác khi tăng tốc độ dòng thì mức độ khuếch tán của dòng tăng lên tạo điều kiện tốt cho việc hỗn hợp dòng với khói buồng lửa.
Nếu tăng quá mức tốc độ của dòng thì ảnh hưởng của việc tăng mức độ khuếch tán không bù lại được với sự giảm lượng nhiệt phát ra nghĩa là quá trình bốc cháy sẽ bị xấu đi. Ngược lại nếu tốc độ dòng quá bé thì mức độ hỗn hợp của dòng sẽ thấp, phản ứng xảy ra ngay ở miệng vòi phun và cũng gây nên đóng xỉ ở phần tường đặt miệng vòi phun, thậm chí có thể đốt cháy miệng phun. Như vậy nhiên liệu càng có khả năng tạo nên dòng khuếch tán nhiều thì tốc độ càng có thể bé (vòi phun tròn).
Ảnh hưởng của việc đưa không khí đến quá trình bốc cháy.
Việc tổ chức đưa không khí có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình bốc cháy.
Ở phần đầu của dòng hỗn hợp với bột than khi ra khỏi vòi phun, nhiên liệu được chuẩn bị cho đến khi bốc cháy. Lúc đó lượng không khí cần vừa đủ theo yêu cầu. Nếu lượng không khí thừa nhiều thì phải tốn nhiều nhiệt để đốt nóng lượng không khí này tới nhiệt độ bốc cháy, như vậy sẽ không có lợi cho việc bốc cháy
29
nhiên liệu. Nhưng nếu đến khi đã cháy rồi mà vẫn không đưa thêm không khí vào thì thời gian cháy sẽ bị kéo dài, các tổn thất q3, q4 tăng lên. Vì vậy khi ấy cần phải bổ sung không khí bằng cách đưa gió cấp hai. Việc đưa gió cấp hai và tỷ lệ của nó so với gió cấp một phải đảm bảo sao cho không có tác dụng làm lạnh trung tâm ngọn lửa, gây khó khăn cho quá trình phản ứng hoá học, cũng như không kìm hãm quá trình phản ứng do thiếu oxy.
Thông thường để dễ bốc cháy người ta hạn chế tới mức tối thiểu lượng không khí cấp một. Nhiên liệu càng có nhiều chất bốc thì tỷ lệ không khí cấp một càng lớn, ngược lại vòi phun càng có khả năng khuếch tán nhiều thì tỷ lệ gió cấp một càng ít.