Nghiên cứu thực nghiệm và động học quá trình khử oxit nitơ bằng công nghệ đốt cháy lại

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu thực nghiệm và động học quá trình khử oxit nitơ bằng công nghệ đốt cháy lại trình bày kết quả thực nghiệm và động học quá trình khử oxit nitơ (NO) bằng công nghệ đốt cháy lại. Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị phản ứng dạng ống kết hợp béc đốt Mc Kenna cho phép tạo ngọn lửa phẳng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu thực nghiệm và động học quá trình khử oxit nitơ bằng công nghệ đốt cháy lại

54 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KHỬ OXIT NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ ĐỐT CHÁY LẠI EXPERIMENTAL AND KINETIC STUDY OF NITRIC OXIDE REDUCTION BY GAS REBURNING TECHNIQUE Đào Duy Quang1, Nguyễn Phan Trúc Xuyên1, Nguyễn Minh Thông2 1 Trường Đại học Duy Tân; daoduyquang@gmail.com; trucxuyen.mt1503@gmail.com 2 Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum, Đại học Đà Nẵng; thongsphoa @gmail.com Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả thực nghiệm và động học Abstract - In this article, an experimental and chemical kinetic study quá trình khử oxit nitơ (NO) bằng công nghệ đốt cháy lại. Thí of the nitric oxide reduction by methane gas reburning process is nghiệm được tiến hành trên thiết bị phản ứng dạng ống kết hợp presented. Experiments are performed on a lab-scale reactor that béc đốt Mc Kenna cho phép tạo ngọn lửa phẳng. Sự ảnh hưởng consists of a Mc Kenna premixed plat flame burner connected with a của các thông số động học chính của quá trình như thời gian lưu plug flow reactor. The influence of main kinetic parameters such as khói thải và độ giàu vùng đốt cháy lại đến hiệu suất khử NO đã flue gas residence time, reburning zone stoichiometry on the NO được khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất khử NO reduction efficiency has been evaluated. The experimental results giảm đáng kể khi tăng các thông số động học, và hiệu suất khử show that NO reduction performance decreases sharply when all cực đại đạt được lên đến 90%. Bốn mô hình động học gồm these important parameters increase, and maximal reduction GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, and Konnov đã được efficiency up to 90% is obtained. Four detailed chemical kinetic dùng để mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu. Phân mechanisms including GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, and tích động học tốc độ các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO Konnov have been tested to model our experimental results. The bằng cơ chế Glarbog đã chỉ ra rằng trong một vài điều kiện của kinetic analysis of NO consumption and formation by Glarborg độ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh tranh động học mechanism confirms that there exists a kinetic competition between giữa quá trình khử NO bằng các phản ứng đốt cháy lại the NO reduction by reburning mechanism and the NO formation by (Reburning) và hình thành NO thông qua mô hình Prompt-NO. Prompt-NO one in certain conditions of reburning zone stoichiometry. Từ khóa - Nitric oxide; đốt cháy lại; NOx; mô hình động học; Key words - Nitric oxide; reburning; NOx; kinetic modelling; CHEMKIN; FTIR. CHEMKIN; FTIR. 1. Đặt vấn đề vùng cháy thứ cấp [1]. Trong vùng cháy sơ cấp, nhiên liệu Oxit nitơ (NOx) bao gồm NO, N2O và NO2 được hình bị oxy hóa trong điều kiện dư không khí. Các sản phẩm thành chủ yếu từ các quá trình cháy, đặc biệt là trong các cháy, trong đó có các oxit nitơ, chủ yếu được hình thành loại động cơ ô tô, các ngành công nghiệp và khu dân cư. Sự trong vùng này. Nhiên liệu đốt cháy lại (như khí tự nhiên, phát thải NOx là một trong các nguồn gây ô nhiễm môi biomass hoặc than bột) được phun vào ngay trên vùng trường không khí nghiêm trọng, vì nó gắn liền với nhiều cháy sơ cấp của lò đốt [2]. Trong vùng giàu nhiên liệu này hiện tượng ô nhiễm như: sương mù quang hóa, mưa axit, (được gọi là vùng đốt cháy lại), NOx thoát ra từ vùng sự nóng lên toàn cầu, … Vì vậy việc giảm lượng phát thải cháy sơ cấp sẽ bị khử thành nitơ tự do thông qua phản NOx là một trong những mục tiêu hàng đầu của các qui ứng với các gốc hydrocarbon ở vùng đốt cháy lại. Nhiệt chuẩn môi trường của Việt Nam cũng như quốc tế. độ khói thải tối ưu của quá trình này thường từ 1173 đến 1573 K [3]. Trước khi thải ra môi trường, không khí được Để đáp ứng các yêu cầu môi trường ngày càng nghiêm phun thêm vào vùng cháy thứ cấp để oxy hóa hoàn toàn ngặt, nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau đã được nghiên các chất chưa cháy còn sót lại trong khói thải. cứu và ứng dụng trong công nghiệp để giảm phát thải NOx. Công nghệ xử lý NOx có thể chia làm hai nhóm. Hiệu suất khử NOx của quá trình đốt cháy lại phụ Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp xử lý sơ cấp thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ của khói thải trong nhằm hạn chế sự hình thành NOx ngay tại nguồn như: tối vùng đốt cháy lại, thời gian lưu khói thải, hệ số tỉ lượng ưu hóa hình dạng béc đốt, khống chế các thông số cháy, (hay độ giàu) của nhiên liệu trong vùng đốt cháy lại, nồng hồi lưu dòng khói thải, và phân tầng phun không khí/ độ ban đầu của NOx trong khói thải, cũng như điều kiện hoặc nhiên liệu. Nhóm thứ hai gồm các phương pháp thứ hòa trộn của khói thải với nhiên liệu khử. Kỹ thuật đốt cấp nhằm chuyển hóa NOx đã hình thành trong khói thải cháy lại cho hiệu suất khử NOx từ 50 đến 70% trong các như: đốt cháy lại (Reburning), khử chọn lọc không xúc lò đốt ở qui mô công nghiệp, còn ở qui mô phòng thí tác (Selective Noncatalytic Reduction-SNCR), khử chọn nghiệm có thể đạt được hiệu suất lên đến hơn 90%. lọc có xúc tác (Selective Catalytic Reduction-SCR), và Mục đích của nghiên cứu này nhằm khảo sát một cách đốt cháy lại cải tiến (Advanced Reburning). Trong các hệ thống sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động chính phương pháp xử lý NOx thứ cấp, đốt cháy lại là một trong (thời gian lưu khói thải, độ giàu nhiên liệu trong vùng đốt những biện pháp hiệu quả với hiệu suất khử cao, có thể áp cháy lại) lên hiệu suất khử NO bằng mêtan (CH4) trên một dụng tương đối dễ dàng, không cần thay đổi dây chuyền thiết bị phản ứng ở qui mô pilot trong phòng thí nghiệm. công nghệ lẫn cấu hình lò đốt và chi phí đầu tư thấp. Tiếp theo động học phản ứng của quá trình đốt cháy lại sẽ Về nguyên tắc, kỹ thuật đốt cháy lại chia thành ba được phân tích chi tiết bằng phần mềm mô phỏng Senkin vùng khác nhau: vùng cháy sơ cấp, vùng đốt cháy lại và - Chemkin II với các mô hình hóa học chi tiết có sẵn trong
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 55 lý thuyết. Nghiên cứu động học phản ứng sẽ cho phép giải Nồng độ NO ban đầu [NO]0 (ppm) 1370 thích sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng lên mô Nồng độ O2 ban đầu (%vol) 1,5 hình động học phản ứng xảy ra trong quá trình. Thời gian lưu trung bình (s) 2,4 – 6,2 2. Phương pháp nghiên cứu Áp suất (Pa) 1,013×105 2.1. Thực nghiệm 2.2. Mô phỏng động học Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên một thiết Nghiên cứu mô phỏng động học phản ứng được thực bị phản ứng dạng ống cao 1,1 m và có đường kính 8 cm. hiện nhờ gói code CHEMKIN II [5]. Trong gói code này, Thông tin chi tiết về thiết bị có thể tìm thấy ở nhiều công chúng tôi sử dụng hai chương trình PREMIX và SENKIN bố của chúng tôi trước đây [4]. để mô phỏng tương ứng béc đốt Mc Kenna tạo ngọn lửa Thiết bị đốt dạng Mc Kenna với ngọn lửa phẳng của phẳng sinh ra khói thải với thành phần cố định, và thiết bị mêtan/không khí đã được dùng để tạo ra khói thải có thành phản ứng dạng ống diễn ra quá trình khử NO. Bốn cơ chế phần và tính chất xác định. Vì ngọn lửa của mêtan và động học chi tiết có trong lý thuyết sẽ được thử nghiệm để không khí tạo ra rất ít NO, nên một lượng xác định (1370 mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này: ppm) NO được thêm vào ngọn lửa để khống chế chính xác GDF-Kin®3.0 [6], GRI3.0 [7], Glarborg [8] và Konnov [9]. nồng độ ban đầu NO trong khói thải. Hỗn hợp chất khử (CH4/N2) được phun vào trong khói thải nhờ thiết bị phun 3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát đặt ở độ cao 10 cm trên béc đốt. Dọc theo thân thiết bị phản 3.1. Kết quả thực nghiệm ứng có mười ba lỗ lấy mẫu khí và đo nhiệt độ khói thải ở Hình 1 giới thiệu biến thiên nồng độ của NO và hiệu các độ cao khác nhau. Nhiệt độ của thiết bị phản ứng có thể suất khử NO theo thời gian lưu trung bình và theo lượng được nâng lên đến 1200 K nhờ năm dây điện trở quấn mêtan phun vào vùng đốt cháy lại ở 1173 K. Ta có thể thấy quanh thân thiết bị phản ứng. Ngoài ra dọc theo vách ngoài ở cả bốn thời gian lưu khói thải khảo sát, trên đường cong của thiết bị phản ứng còn có bốn mươi cặp nhiệt điện loại hiệu suất khử NO xuất hiện một pic ở độ giàu () gần 1,7. K để điều khiển nhiệt độ. Mẫu khói thải được lấy nhờ vào Hiệu suất quá trình khử NO tăng đáng kể trong khoảng giá một dụng cụ lấy mẫu có đường kính đầu mút 2 mm hướng trị  từ 0 đến 1,7 và đạt giá trị tối đa lên đến 60% khi thời xuống dưới. Ống trích mẫu khí được nối với thiết bị Quang gian lưu khói thải bằng 6,2 s (Hình 1-d). Kết quả này giống phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR). FTIR cho phép với những quan sát thực nghiệm khác trong lý thuyết [10]. đo online nồng độ của tất cả các cấu tử hóa học đóng vai Chẳng hạn Dagaut et al (1998) đã đạt được hiệu suất khử trò quan trọng trong quá trình khử NO như: NO, CH4, CO, NO gần 70% với độ giàu bằng 1,5 và nhiệt độ khói thải CO2, H2O, v.v… Bảng 1 trình bày các điều kiện thực trong khoảng từ 1350 và 1500 K trên thiết bị phản ứng nghiệm điển hình trong nghiên cứu quá trình khử NO bằng khuấy trộn hoàn toàn (perfectly stirred reactor – PSR) với CH4. Quá trình này được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ hỗn hợp chất khử gồm mêtan và êtan với tỉ lệ 10/1 [10]. 973 đến 1173 K. Hỗn hợp chất khử (CH4/N2) có lưu lượng Ngược lại, trong khoảng giá trị độ giàu từ 1,7 đến 3,3 hiệu tổng bằng 60 L/h tương ứng với hệ số độ giàu nhiên liệu suất khử NO lại giảm. Và khi độ giàu vùng đốt cháy lại tiếp () lên đến 10 được phun vào khói thải ở độ cao 10 cm tục tăng từ 3,3 đến 10 thì hiệu suất khử NO lại tăng mạnh trên béc đốt để tái lập quá trình đốt cháy lại. Hệ số độ giàu trở lại, đạt đến hiệu suất khử tối đa gần bằng 80% ở  bằng được định nghĩa bằng tỉ số nồng độ CH4 trong vùng đốt 10 và thời gian lưu bằng 6,2 s (Hình 1-d). cháy lại trên nồng độ O2 trong khói thải so với cùng tỉ lệ tính được ở điều kiện tỉ lượng. Bảng 1. Điều kiện thực nghiệm của quá trình đốt cháy lại khử NO bằng CH4 Hỗn hợp khử CH4/N2 Nhiệt độ khói thải (K) 973 – 1173 BÉC ĐỐT Lưu lượng không khí (L/h) 672 Lưu lượng CH4 (L/h) 65 Lưu lượng NO (L/h) 1,1 Lưu lượng tổng 738 Độ giàu nhiên liệu ở béc đốt () 0,9 THIẾT BỊ PHUN Lưu lượng CH4 (L/h) 0 – 60 Lưu lượng N2 (L/h) cân bằng Lưu lượng tổng (L/h) 60 Hình 1. Biến thiên nồng độ NO trong khói thải ở 1173 K Độ giàu vùng đốt cháy lại () 0 – 10 (a) thời gian lưu =2,4 s; (b)=3,7 s; (c)=5,0 s; (d)=6,2 s. ([NO] 0 = 1370 ppm) [CH4]/[NO]0 0 – 54,5
56 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông Việc xuất hiện pic khử NO ở một vài giá trị độ giàu của được chọn vì chúng đặc trưng cho các điều kiện hoạt vùng đốt cháy lại rất ít khi được nhắc đến trong lý thuyết. động của pic NO trên Hình 1. Trong mỗi phản ứng, vận Dagaut et al. (1998) là một trong rất ít tác giả đã quan sát tốc thực () được tính bằng hiệu số giữa vận tốc phản ứng thấy hiện tượng này trong thiết bị phản ứng PSR khi dùng thuận (D) và vận tốc phản ứng nghịch (I),  = D - I. hỗn hợp chất khử là CH4/C2H6 [10]. Các tác giả đã giải thích Ở độ giàu bằng 0,8 (Hình 3) đặc trưng cho vùng đốt hiện tượng này bằng sự hình thành các cân bằng riêng phần cháy lại nghèo nhiên liệu khử, NO chủ yếu bị tiêu thụ giữa các cấu tử như NO/NO2, NO/HNO và NO/HCNO trong bằng các phản ứng với gốc O, OH, H và NCO theo các môi trường phản ứng và gây ức chế quá trình khử NO. phản ứng từ (r1) đến (r7). Trong điều kiện này, các gốc 3.2. Kết quả mô phỏng động học CHi không tham gia vào bất cứ phản ứng khử NO nào. Hình 2 so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng biến Trong khi đó, quá trình khử NO lại dẫn đến việc hình thiên nồng độ NO theo độ giàu vùng đốt cháy lại và ở các thành các cấu tử NO2, N2O, N2, HONO và HNO. Trong thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2 s. Ở thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2 đó chỉ khoảng gần 20% NO bị khử là chuyển hóa trực tiếp s, kết quả mô phỏng bằng cơ chế Glarborg tương thích tốt thành N2. Tiếp theo, các cấu tử NO2 và HNO phản ứng nhất với thực nghiệm về mặt định tính lẫn định lượng. Đặc với các gốc H, O và OH để hình thành lại NO theo các biệt, cơ chế này còn tái lập được pic nồng độ NO tại độ giàu phản ứng từ (-r8) đến (r11). gần bằng 1 như đã quan sát trên thực nghiệm. Tuy nhiên, sự Cấu tử HONO tạo thành từ phản ứng (r4) phản ứng tương thích này chỉ thỏa mãn ở các độ giàu từ 0 đến 5. Khi tiếp với gốc OH để tạo thành NO2: độ giàu vượt quá 5, kết quả mô phỏng với cơ chế Glarborg HONO + OH = H2O + NO2 (r12) có xu hướng vượt quá kết quả thực nghiệm. Còn hai cơ chế Nitơ protoxit (N2O) hình thành từ phản ứng (r2) và GDF_Kin®3.0_NCN và Konnov cho kết quả sai lệch lớn. (r6) sẽ nhanh chóng tự phân hủy để tạo thành N2: Cuối cùng, mặc dù cơ chế GRI3.0 cho kết quả mô phỏng cao hơn nhiều so với thực nghiệm, nhưng nó có thể tái lập định N2O + M = N2 + O + M (r13) tính pic nồng độ NO như đã quan sát được trong thực Một cách tổng quát, các cân bằng riêng phần giữa NO nghiệm ở giá trị độ giàu gần bằng 2. Tóm lại, cơ chế và NO2, và NO với HNO chiếm ưu thế ở điều kiện Glarborg tái lập tốt nhất kết quả thực nghiệm trong nghiên  = 0,8. Kết quả là các cân bằng động học này đã hạn chế cứu này. Vì vậy, trong phần tiếp theo mô hình này sẽ được quá trình khử NO. Vì vậy, hiện tượng nồng độ NO trong sử dụng để phân thích vận tốc của các phản ứng chủ đạo khói thải giảm chủ yếu là do hai phản ứng (r2) và (r3), và tham gia vào quá trình khử NO và hình thành NO. một phần nhờ phản ứng (r6). Gốc isocyanat (NCO) tham gia trong phản ứng (r2) và (r3) được hình thành chủ yếu từ HCN thông qua chuỗi phản ứng: HCN  HNCO / HOCN / CN  NCO Hình 3. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình khử và tạo Hình 2. So sánh kết quả thực nghiệm (kí hiệu) và mô phỏng thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K;  = 6,2 s;  = 0,8) (đường cong) của nồng độ NO theo độ giàu () ở các thời gian lưu khác nhau (): (a)  = 2,4 s; (b)  = 3,7 s; (c)  = 5,0 s; Hơn nữa, ta thấy tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ (d)  = 6,2 s. ([NO]0 = 1370 ppm; Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K) NO bằng gần 1,5 lần vận tốc các phản ứng tạo thành NO (Hình 3). Sự chênh lệch này cho phép giải thích nồng độ 3.3. Mô hình quá trình hình thành và khử NO NO trong khói thải giảm gần 10% ở điều kiện phản ứng Hình 3-5 so sánh vận tốc thực của các phản ứng quan đang xét (Hình 2-d). Ta cũng thấy trong các phản ứng tiêu trọng nhất trong quá trình hình thành NO và tiêu thụ NO. thụ NO không hiện diện bất kì phản ứng nào đặc trưng Vận tốc phản ứng được tính ở ba độ giàu khác nhau cho quá trình đốt cháy lại. Các phân tích động học đã chỉ ( = 0,8; 1,7; 3,3), ở nhiệt độ khói thải bằng 1173 K và ra rằng các phản ứng đốt cháy lại chỉ đóng góp ít hơn 1% thời gian lưu khói thải bằng 6,2 s. Ba giá trị độ giàu này tổng lượng tiêu thụ NO.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 57 Khi độ giàu vùng đốt cháy lại () bằng 1,7 (Hình 4), khử NO kể trên sẽ tiếp tục tham gia phản ứng tạo ngược ta cũng quan sát được các cân bằng riêng phần của thành NO. Chẳng hạn, NO2 và HNO hình thành sẽ tiếp NO/HNO và NO/NO2. Gần 6% NO phản ứng với H và tục phản ứng với H, CO hoặc tự phân hủy để tạo ngược HO2 để tạo thành HNO và NO2 theo phản ứng (r5) và lại NO thông qua các phản ứng (r9), (r24), (-r5) và (-r1). (r8). Và như trong trường hợp  = 0,8, HNO và NO2 sau Ở đây ta cũng nhận thấy sự hiện diện của các cân bằng đó sẽ phản ứng với các gốc H và OH để hình thành lại động học riêng phần của NO/NO2 và NO/HNO. Các cân NO theo phản ứng (r21), (r11) và (r9). bằng này khiến cho sự khử NO trong khói thải diễn ra chủ yếu nhờ các phản ứng đốt cháy lại với gốc CH3 (r18 và r19) và C2H2 (r14). Mặt khác, tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO chỉ cao hơn một chút (khoảng 30%) so các phản ứng tạo thành NO (Hình 5). Vì thế hiệu suất quá trình khử NO kém hơn nhiều so với kết quả ở  = 1,7. Hình 4. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình tiêu thụ và tạo thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K;  = 6,2 s;  = 1,7) Phản ứng quan trọng nhất trong quá trình tiêu thụ NO là phản ứng với các cấu tử như C2H2, NH2, HCCO (gốc ketenyl) và CH3 theo các phản ứng (r14), (r15), (r16), (r17) và (r20). Các phản ứng với C2H2 (r14) và NH2 (r16) đóng Hình 5. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình tiêu thụ và góp hơn 75% lượng tiêu thụ NO. Các phản ứng (r15) và tạo thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K;  = 6,2 s;  = 3,3) (r16) liên quan đến cấu tử NH2 là hai phản ứng đặc trưng của quá trình khử chọn lọc không xúc tác (SNCR) đã đóng 4. Thảo luận góp một phần quan trọng vào việc tiêu thụ NO (40,7%). Các phân tích sơ bộ trên cho phép giải thích sự hình Trong đó, gốc NH2 được hình thành thông qua chuỗi phản thành pic nồng độ NO khi độ giàu vùng đốt cháy lại thay ứng HCN  HNCO  NH2. Cấu tử NNH hình thành từ đổi từ 0,8 đến 3,3. So sánh vận tốc của các phản ứng tiêu phản ứng (r16) được chuyển hóa thành N2 bởi phản ứng với thụ NO và hình thành NO, ta có thể thấy rõ sự tiêu thụ O2 và NH2 cũng như bởi phản ứng tự phân hủy. Cấu tử NO tăng giữa  = 0,8 và 1,7, nhưng ngược lại giữa HCNO hình thành từ phản ứng (r20) tham gia vào quá trình  = 1,7 và 3,3 thì quá trình hình thành NO lại tăng mạnh. tạo thành NO thông qua phản ứng với gốc OH, để sau đó Trong phần tiếp theo, ta sẽ so sánh tổng vận tốc các phản tạo thành một cân bằng động học riêng phần NO/HCNO ứng tiêu thụ NO với tổng vận tốc các phản ứng hình thành nhờ phản ứng (r22). Quan sát Hình 4, ta thấy sự xuất hiện NO trong khoảng giá trị độ giàu đang xét để hoàn thành của các phản ứng khơi mào đặc trưng của quá trình đốt phân tích mô hình động học (Bảng 2). cháy lại (r18) và (r19) tham gia vào sự tiêu thụ NO, mặc dù Tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ và tạo thành NO với tỉ lệ đóng góp vẫn còn thấp, khoảng 6,2%. đều tăng với . Khi  tăng từ 0,8 đến 1,7, vận tốc các phản Mặt khác, ở độ giàu  = 1,7, tổng vận tốc của các ứng hình thành NO tăng 1700 lần, trong khi vận tốc phản phản ứng tiêu thụ NO lớn hơn 4,5 lần tổng vận tốc các ứng khử NO tăng đến 5300 lần. Và tỉ lệ của vận tốc các phản ứng tạo thành NO (Hình 4). Điều này giúp giải thích phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO tăng từ 1,5 đến 4,5 cho kết quả nồng độ NO giảm gần 60% so với nồng độ lần. Sự chiếm ưu thế của phản ứng tiêu thụ NO cho phép ban đầu trong khói thải (Hình 2-d). Ta nhớ rằng trong giải thích sự tăng hiệu suất khử NO trong điều kiện  này. trường hợp  = 0,8, độ chênh lệch giữa tổng vận tốc tiêu Hiện tượng quan sát được khi độ giàu tăng từ khoảng thụ NO và hình thành NO chỉ là 1,5 lần. 1,7 đến 3,3 hoàn toàn ngược lại. Thật vậy, trong khoảng giá Trong điều kiện vùng đốt cháy lại giàu nhiên liệu hơn trị này, vận tốc tương đối của các phản ứng hình thành NO ( = 3,3) (Hình 5), NO chủ yếu bị chuyển hóa thành NO2 tăng khoảng 70 lần, trong lúc đó vận tốc quá trình khử NO bằng phản ứng với các gốc HO2 theo phản ứng (r8). tăng chỉ khoảng 20 lần. Và tỉ số vận tốc giữa quá trình tiêu Giống như ở  = 1,7, các phản ứng khơi mào cho quá thụ và hình thành NO giảm từ 4,5 xuống 1,3 khi độ giàu  trình đốt cháy lại (r18 và r19) cũng đóng góp một phần tăng từ 1,7 lên 3,3. Việc giảm tỉ số này giúp giải thích hiện đáng kể cho sự khử NO. Ngoài ra, NO cũng bị khử nhờ tượng nồng độ NO trong khói thải tăng lại. Nhìn chung, ta phản ứng với C2H2 và HCO (r23 và r14) với khoảng 4,8% có thể thấy kết quả thực nghiệm đã được mô phỏng lại rất NO bị tiêu thụ. Các cấu tử hình thành từ năm phản ứng tốt với mô hình Glarborg.
58 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông Bảng 2. So sánh tổng vận tốc các phản ứng hình thành và tiêu thụ NO theo độ giàu vùng đốt cháy lại theo mô hình Glarborg; nhiệt độ khói thải bằng 1173 K;  = 6,2 s  = 0,8  = 1,7  = 3,3 Độ giàu () ([CH4]/[NO]0 = 4,5) ([CH4]/[NO]0 = 9,1) ([CH4]/[NO]0 = 18,2)  vận tốc hình thành NO 4,83 × 10-14 8,24 × 10-11 5,84 × 10-09 (mole/cm3.s) × 1700 × 70  vận tốc tiêu thụ NO 7,07 × 10-14 3,72 × 10-10 7,65 × 10-09 (mole/cm3.s) × 5300 × 20 ∑ Vận tốc tiêu thụ NO 1,5 4,5 1,3 ∑ Vận tốc hình thành NO Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng việc dung hòa and Oxygen Concentration on NOx Reduction In The Natural Gas Reburning Process, Ind. Eng. Chem. Res. 33, 2846-2852 (1994). một cách hợp lý giữa lượng chất khử phun vào khói thải [2] F. Liesa, M. U. Alzueta, A. Millera, R. Bilbao, Influence of với hiệu suất quá trình khử mong muốn, và tất nhiên điều Reactant Mixing in a Laminar Flow Reactor: The Case of Gas này còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khói thải và thời gian Reburning. 1. Experimental Study, Ind. Eng. Chem. Res. 46, 3520- lưu khói thải đặc trưng cho từng thiết bị cần khảo sát. 3527 (2007). [3] E. Hampartsoumian, O. Folayan, W. Nimmo, B. Gibbs, 5. Kết luận Optimisation of NOx reduction in advanced coal reburning systems and the effect of coal type, Fuel 82, 373-384 (2003). Nghiên cứu này đã khảo sát sự ảnh hưởng của các [4] L. Gasnot, D. Quang Dao, J.F. Pauwels, Experimental and Kinetic thông số hoạt động chính lên hiệu suất của quá trình đốt Study of the Effect of Additives on the Ammonia Based SNCR cháy lại khử NO bằng CH4. Nhìn chung, hiệu suất quá trình Process in Low Temperature Conditions, Ener. Fuels 26, 2837 – tăng cùng với nhiệt độ khói thải, với độ giàu trong vùng đốt 2849 (2012). cháy lại. Để cân đối giữa lượng chất khử phun vào ở mức [5] R. Kee, J. Warnatz, J. Miller, Chemkin II: A Fortran chemical thấp và hiệu suất khử NO cao, chúng tôi khuyến nghị điều kinetics package for the analysis of gas phase chemical kinetics. SANDIA National Laboratories Report, SAND89-8009D, UC-706, kiện tối ưu về nhiệt độ khói thải bẳng 1173 K, ở độ giàu (1989). vùng đốt cháy lại () bằng 1,7 và thời gian lưu bằng 6,2 s. [6] A. El Bakali, L. Pillier, P. Desgroux, B. Lefort, L. Gasnot, J. F. Ở điều kiện tối ưu này, hiệu suất khử NO đạt được khoảng Pauwels, I. da Costa, NO prediction in natural gas flames using 60%. Kết quả thực nghiệm thu được trong quá trình đốt GDF-Kin®3.0 mechanism NCN and HCN contribution to prompt- cháy lại được so sánh với kết quả mô phỏng bởi bốn mô NO formation, Fuel 85, 896-909 (2006). hình động học chi tiết: GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, [7] G. P. Smith, D. M. Golden, M. Frenklach, N. W. Moriarty, B. Eiteneer, M. Goldenberg, C. T. Bowman, R. K. Hanson, S. Song, Glarborg và Konnov. Trong điều kiện thực nghiệm của W. C. J. Gardiner, V. V. Lissianski, Z. Qin, GRI-Mech 3.0, (1999). nghiên cứu này, mô hình Glarborg cho kết quả mô phỏng at tương thích cao nhất. Phân tích vận tốc các phản ứng tiêu [8] P. Glarborg, M. U. Alzueta, K. Dam-Johansen, J. A. Miller, Kinetic thụ NO và hình thành NO đã chỉ ra rằng trong một vài điều Modeling of Hydrocarbon/Nitric Oxide Interactions in a Flow kiện của độ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh Reactor, Combust. Flame 115, 1-27 (1998). tranh động học giữa quá trình khử NO bằng các phản ứng [9] A. Konnov, F. Barnes, J. Bromly, J. Zhu, D. Zhang, The pseudo- catalytic promotion of nitric oxide oxidation by ethane at low đốt cháy lại và hình thành NO thông qua mô hình Prompt- temperatures, Combust. Flame 141, 191-199 (2005). NO và gây ra kết quả giảm mạnh hiệu suất khử NO. [10] P. Dagaut, F. Lecomte, S. Chevailler, M. Cathonet, Experimental and Detailed Kinetic Modeling of Nitric Oxide Reduction by a TÀI LIỆU THAM KHẢO Natural Gas Blend in Simulated Reburning Conditions, Combust. Sci. Technol. 139, 329-363 (1998). [1] R. Bilbao, A. Millera, M. U. Alzueta, Influence of the Temperature (BBT nhận bài: 12/09/2015, phản biện xong: 26/10/2015)