CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY THAN
2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình cháy than
a) Quá trình cháy gần bề mặt hạt than trong môi trường Re <100
Khi nhiệt độ thấp hơn 700oC
Trong trạng thái này, oxy khuếch tán đền bề mặt hạt than sẽ tiến hành phản ứng hóa học theo (2.13). Nồng độ sản phẩm cháy CO và CO2 bằng nhau và đều được khuếch tán ra xa. Lúc đó nhiệt độ chưa đủ cao đạt tới nhiệt độ bắt cháy của CO. Phản ứng giữa CO2 và than cũng không thể xảy ra. Chính vì vậy ở nhiệt độ thấp ảnh hưởng của phản ứng thứ cấp hầu như không đáng kể.
Khi nhiệt độ bằng 800oC ~ 1200oC
Lúc này tốc độ phản ứng giữa oxy và than vẫn chưa cao, oxy từ môi trường khuếch tán tời bề mặt than và tiến hành phản ứng theo (2.13). Sản phẩm cháy của phản ứng sơ cấp CO gặp phải oxy khuếch tán tới tại một khoảng cách gần bề mặt hạt và tiến hành phản ứng hóa học thứ cấp (2.4) Khí CO cháy ở khoảng cách gần bề mặt hình thành nên mặt ngọn lửa và tạo ra sản phẩm cháy là CO2. Lúc đó nồng độ
31
CO khuếch tán ra ngoài giảm xuống và hiển nhiên nồng độ CO2 ở khoảng cách gần bề mặt hạt đạt tới giá trị lớn nhất như trên hình 2.3a. Lúc này phía mặt ngoài ngọn lửa sẽ không có CO, còn khí CO2 rời khỏi mặt hạt than lại có thể khuếch tán trở vể mặt hạt than để tiến hành phản ứng thứ cấp và hoàn nguyên thành khí CO. Có điều là khi nhiệt độ không cao quá 800oC ~ 1200oC thì tốc độ phản ứng hoàn nguyên CO2là rất nhỏ, nên ảnh hưởng của nó không lớn lắm.
Khi nhiệt độ lớn hơn 1200oC ~ 1300oC
Lúc này tốc độ phản ứng sơ cấp trên bề mặt sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng dần và sinh ra khí CO càng nhiều, phản ứng bắt đầu chuyển sang dạng (2.16). Mặt khác vì nhiệt độ nâng cao nên tốc độ phản ứng giữa CO và oxy cũng tăng dần, cho nên trong quá trình khuếch tán ra xa đã tiêu hao hết lượng oxy từ bên ngoài dự định khuếch tán đến bề mặt hạt than và tạo nên CO2. Điều này đã chấm dứt phản ứng sơ cấp của oxy và hạt than trên bề mặt, cho nên trên bề mặt xảy ra phản ứng hoàn nguyên CO2 để tạo thành CO và tiếp tục khuếch tán tới bề mặt ngọn lửa để tiến hành phản ứng thứ cấp tạo thành CO2. Vì vậy nồng độ khí CO2 trên bề mặt ngọn lửa đạt giá trị lớn nhất (hình 2.3b).
a. Phân bố nồng độ chất khí gần bề mặt hạt ở trạng thái tĩnh, nhiệt độ 800 ÷ 1200oC
b. Phân bố nồng độ chất khí gần bề mặt hạt ở trạng thái tĩnh, nhiệt độ > 1200 ÷ 1300oC
Hình 2.3: Các trạng thái cháy của hạt than lớn theo nhiệt độ [10]
32
Hình 2.4: Thay đổi trạng thái hạt than theo nhiệt độ [10]
b) Quá trình cháy hạt than trong môi trường Re > 100
Trong điều kiện tốc độ của dòng tăng lên (Re > 100), chẳng những hỗn lưu sẽ tăng lên mà cơ chế cháy cũng thay đổi.
Từ hình 2.5 ta có thể thấy, trên bề mặt hạt hướng về dòng gió chảy (1) thì oxy và than tiến hành phản ứng cháy sơ cấp tạo thành CO và CO2, nhưng vì có chuyển động mạnh nên quá trình cháy xung quanh hạt than không đồng đều. Lượng CO sinh ra trong phản ứng chưa kịp cháy đã bị cuốn đi và đưa đến bề mặt biên của vùng hồi lưu sau hạt. Nếu nồng độ CO đủ lớn và do tác dụng của vùng hồi lưu thì có thể hình thành mặt ngọn lửa CO bao bọc cho nên không tiếp nhận được oxy bổ sung, do vậy trong vùng hồi lưu chứa đầy CO2 và CO. Lúc đó nếu nhiệt độ đủ cao thì CO2 sẽ tiến hành phản ứng hoàn nguyên trên bề mặt sau (2), nhưng nếu nhiệt độ không cao lắm 1200oC ~ 1300oC thì phản ứng hoàn nguyên CO2 không rõ ràng và lúc đó phía sau hạt cầu không có phản ứng.
Quá trình cháy của hạt than trên lò hơi đốt tầng thường xảy ra theo nguyên lý trên.
Khi quá trình cháy hạt than ở vào trạng thái cháy khuếch tán khống chế thì tốc độ cháy tổng tăng lên khi tốc độ tương đối của dòng tăng lên.
Như hình 2.5 biểu thị, khi tốc độ tương đối lớn (đường cong 3) thì tốc độ phản ứng tổng sẽ mạnh hơn.
33
Nhiệt độ thấp, quá trình cháy ở trạng thái cháy động lực khống chế nên việc nâng cao tốc độ tương đối của dòng không giúp gì cho việc tăng cường tốc độ cháy.
Hình 2.5: Tốc độ cháy của hạt than anthraxit [10]