Tóm tắt chƣơng
2.1.3.2Các phản ứng cháy char
Hầu hết các phản ứng khí hóa là thu nhiệt. Để cung cấp nhiệt cần thiết cho các phản ứng cũng như gia nhiệt để sấy nhiên liệu và nhiệt phân, một lượng nhất định sinh khối tham gia phản ứng cháy tỏa nhiệt được cho phép xảy ra trong lò. Phản ứng quan trọng nhất là phản ứng R5 (C + O2 = CO2) vì nó tỏa lượng nhiệt nhiều nhất (394 kJ/mol). Lựa chọn tiếp theo là R4 (C + 1/2O2 = CO) tạo ra khí CO nhưng chỉ tỏa ra lượng nhiệt là 111 kJ/mol. Tốc độ của R4 tương đối chậm.
Khi cacbon phản ứng với oxy cả R4 và R5 đều có thể xảy ra, nhưng trong vùng động học của phản ứng thì mức độ xảy ra của từng phản ứng trên phụ thuộc vào nhiệt độ. Hệ số phân chia, β, được xác định để quyết định oxy sẽ phân chia như thế nào giữa hai phản ứng. R4 và R5 có thể được viết kết hợp lại như sau:
βC + O2 2(β – 1)CO + (2 – β)CO2 (2.30 Giá trị của hệ số phân chia β nằm giữa 1 và 2 và phụ thuộc nhiệt độ. Một biểu thức thông dụng được sử dụng để tính β là: [87] 6234 - T 2 [C O ] β = = 2400.e [C O ] (2.31) với T là nhiệt độ bề mặt của char.
Các phản ứng cháy thường nhanh hơn các phản ứng khí hóa trong cùng điều kiện. Bảng 2.2 so sánh tốc độ quá trình cháy và khí hóa sinh khối ở nhiệt độ lò khí hóa điển hình 9000C. Tốc độ cháy thấp nhất cũng nhanh hơn một bậc so với tốc độ phản ứng khí hóa. Do các lỗ trống làm giảm khả năng khuếch tán nhiệt, nên các hạt char mịn hơn có tốc độ phản ứng cao hơn nhiều.
Bảng 2.2 So sánh ảnh hưởng của kích thước hạt char đến tốc độ khí hóa và cháy [87]
Kích thước hạt ( ) Tốc độ cháy (min-1) Tốc độ khí hóa (min-1) Tốc độ cháy/ tốc độ khí hóa 6350 0,648 0,042 15,4
34
841 5,04 0,317 15,9
74 55,9 0,975 57,3
Một sự khác nhau quan trọng khác giữa phản ứng khí hóa và đốt cháy char trong lò tầng sôi là trong quá trình khí hóa nhiệt độ của hạt char là gần như bằng nhiệt độ lớp sôi vì các phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt xảy ra đồng thời trong lớp [43]. Còn trong quá trình cháy, nhiệt độ các hạt char có thể cao hơn rất nhiều nhiệt độ của lớp sôi.
Sự tương quan giữa lượng nhiên liệu, chất oxy hóa (oxy), và hơi nước (nếu có) cũng tác động đến lượng cacbon hay oxy tham gia phản ứng R4 và R5 (bảng 2.1). Nếu cấp lượng oxy lên quá mức cần thiết, phản ứng thu nhiệt cũng sẽ tăng, nhiệt độ lò khí hóa giảm, chất lượng khí sản phẩm vì bị pha loãng với khí CO2.