CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY THAN
2.4. Kh ống chế phản ứng cháy carbon
Nếu dùng suất tiêu hao carbon để biểu thị tốc độ cháy, ta có:
. 2 . .
C O
S S S
K =β K =β k C
(2.18)
Trong đó: β là tỷ số toán hóa học giữa tiêu hao carbon và oxy.
Vì phản ứng cháy carbon là phản ứng hóa học không đồng pha cho nên tốc độ phản ứng không chỉ phụ thuộc vào bản thân phản ứng hóa học mà còn phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán các phân tử oxy lên bề mặt hạt. Nếu giả thiết nồng độ oxy tại môi trường xa là C∞ thì lưu lượng oxy khuếch tán lên bề mặt hạt sẽ là:
2 ( )
mO d S
q =α Cα −C (2.19)
Trong đó αdlà hệ số truyền chất oxy khuếch tán lên bề mặt hạt carbon.
Trong điều kiện cân bằng thì lượng oxy truyền tới bề mặt bằng lượng oxy bị tiêu hao để cháy, ta có:
27
2 2
O
mO S
q = K hoặc:
. S d( S)
k C =α C∞ −C Vì rằng: S d .
d
C C
k α
α ∞
= + (2.20)
Nên khi đưa (2.20) vào (2.14) ta có:
2 1
1 1
.
O S
d
K
k α C∞
=
+ (2.21)
Đặt:
1
1 1
d
k
k α
=
+ (2.22)
Là hằng số tốc độ phản ứng quy dẫn, ta có:
2 .
O
KS =k C∞ (2.23)
Ta thấy rằng các yếu tố động lực học phản ứng k là yếu tố khuếch tán oxy đều ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
- Khi k >> αd, lúc đấy 1 1
d k
α >> , tức là trở lực khuếch tán lớn hơn nhiều trở lực phản ứng hóa học và ở nhiệt độ cao ta có thể viết:
2 .
O
S d
K =α C∞ (2.24)
Có nghĩa là lúc đó hệ có oxy khuếch tán lên bề mặt lập tức bị tiêu hao hết cho nên nồng độ oxy trên bề mặt bằng không, CS=0, toàn bộ quá trình cháy phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán, gọi tắt là cháy khuếch tán.
- Khi k << αd, lúc đấy 1 1
k >>αd , nghĩa là trở lực phản ứng hóa học lớn hơn rất nhiều trở lực khuếch tán oxy trên bề mặt sẽ không cao, tốc độ phản ứng hóa học thấp và ta có thể viết:
2 .
O
KS = k C∞ (2.25)
28
Quá trình cháy đó là quá trình cháy động học, yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là tốc độ phản ứng hóa học.
- Khi k =αd, trường hợp này cả hai yếu tố phản ứng hóa học và khuếch tán oxy đều không được bỏ qua, lúc đó phải dùng công thức (2.21) để tính tốc độ tiêu hao nhiên liệu. Quá trình cháy lúc này được gọi là cháy trong vùng quá độ
0 < CS < C∞
Hình 2.1 trình bày quan hệ giữa tốc độ cháy carbon và nhiệt độ, còn hình 2.2 trình bày sự phân bố oxy ở lân cận bề mặt hạt carbon.
Có hai tiêu chuẩn để phán đoán trạng thái cháy là:
Tiêu chuẩn Xemenov:
d
Sm
k
=α (2.26)
Tiêu chuẩn Damkoeler:
1
a
m d
D k
S α
= =
Và đồng thời cũng dùng nồng độ để phán đoán trạng thái cháy.
Hình 2.1: Tốc độ cháy hạt than theo nhiệt độ [10].
1.Vùng động học; 2. Vùng quá độ;
3. Vùng khuếch tán
Hình 2.2: Phân bố nồng độ oxy trên bề mặt trong quá trình cháy [10].
1.Vùng động học; 2. Vùng quá độ;
3. Vùng quá độ ; 4.Vùng khuếch tán
29
Bảng 2.3: Phán đoán trạng thái cháy theo Smvà nồng độ [10]
Cháy động học Cháy quá độ Cháy khuếch tán
Sm > 9,0 0,11 ÷ 9,0 < 0,11
CS/C∞ > 0,9 0,1 ÷ 0,9 < 0,9
Để tính toán tốc độ cháy, trước hết cần tính trị số k và αdtheo định luật Arrhenius:
0exp( E )
k k
= − RT
Trong đó E và k0 dựa vào thực nghiệm để xác định, căn cứ vào loại cốc để tính toán k0, dùng tiêu chuẩn Nusselt để tính toán αd:
*
* o
Nu D
=α δ (2.27)
Trong đó:
D – là hệ số khuếch tán;
δo- là đường kính hạt carbon.
Trong điều kiện dòng Stefan không lớn lắm, theo Khitin ta có:
* 0, 35 Re
21 exp( 0, 35 Re) Nu =
− − (2.28)
Khi Re bé thì sự khuếch tán oxy lên bề mặt là khuếch tán phân tử nên:
Nu* = 2 (2.29)
Khi Re >100 thì:
* 0, 7 Re
Nu = (2.30)
Đưa (2.27) vào (2.21) ta có:
2
0
*
1 1
O
KS C
Nu D k
δ ∞
=
+ (2.31)
Thay (2.27) vào (2.25) ta có:
* m
O
S Nu D kδ
= (2.32)
Ta có thể thấy rằng các yếu tố ảnh hưởng đến Smlà nhiệt độ T, áp suất p, tốc
30
độ dòng ω và kích thước hạt δOcũng như các hệ số k0và E của nhiên liệu.
Nếu như kích thước của cốc nhất định, điều kiện truyền chất nhất định thì khi nhiệt độ càng cao Sm sẽ trở thành nhỏ, quá trình cháy sẽ chuyển từ cháy động học sang cháy khuếch tán.
Nếu như nhiệt độ nhất định, điều kiện truyền khối không thay đổi thì khi kích thước hạt càng bé Smcàng lớn. Tuy kích thước hạt nhỏ nhưng cũng chỉ ở vùng nhiệt độ cao thì phản ứng mới chuyển từ động học sang khuếch tán.
Đối với quá trình cháy bột than, vì đường kính hạt bột than rất nhỏ cho nên cháy khuếch tán là rất hạn chế. Chỉ có những hạt thô và ở trung tâm cháy nhiệt độ cao mới xuất hiện cháy khuếch tán. Kích thước hạt bột than 10 mm thì nhiệt độ 1000oC sẽ có cháy khuếch tán, còn hạt có kích thước bột than 0,05 ~ 0,1 mm thì thông thường lúc cháy ở trạng thái cháy động học hoặc cháy trong vùng quá độ.
Từ đó ta thấy, muốn nâng cao tốc độ cháy hạt bột than cần nâng cao nhiệt độ buồng cháy.