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 REDUCT[.]
Trang 154 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
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 Sự ảnh hưởng
của các thông số động học chính của quá trình như thời gian lưu
khói thải và độ giàu vùng đốt cháy lại đến hiệu suất khử NO đã
được khảo sát Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất khử NO
giảm đáng kể khi tăng các thông số động học, và hiệu suất khử
cực đại đạt được lên đến 90% Bốn mô hình động học gồm
GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, and Konnov đã được
dùng để mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu Phân
tích động học tốc độ các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO
bằng cơ chế Glarbog đã chỉ ra rằng trong một vài điều kiện của
độ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh tranh động học
giữa quá trình khử NO bằng các phản ứng đốt cháy lại
(Reburning) và hình thành NO thông qua mô hình Prompt-NO
Abstract - In this article, an experimental and chemical kinetic study
of the nitric oxide reduction by methane gas reburning process is presented Experiments are performed on a lab-scale reactor that consists of a Mc Kenna premixed plat flame burner connected with a plug flow reactor The influence of main kinetic parameters such as flue gas residence time, reburning zone stoichiometry on the NO reduction efficiency has been evaluated The experimental results show that NO reduction performance decreases sharply when all these important parameters increase, and maximal reduction efficiency up to 90% is obtained Four detailed chemical kinetic mechanisms including GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, and Konnov have been tested to model our experimental results The kinetic analysis of NO consumption and formation by Glarborg mechanism confirms that there exists a kinetic competition between the NO reduction by reburning mechanism and the NO formation by Prompt-NO one in certain conditions of reburning zone stoichiometry
Từ khóa - Nitric oxide; đốt cháy lại; NOx; mô hình động học
CHEMKIN; FTIR
; Key words - Nitric oxide; reburning; NOx; kinetic modelling; CHEMKIN; FTIR
1 Đặt vấn đề
Oxit nitơ (NOx) bao gồm NO, N2O và NO2 được hình
thành chủ yếu từ các quá trình cháy, đặc biệt là trong các
loại động cơ ô tô, các ngành công nghiệp và khu dân cư Sự
phát thải NOx là một trong các nguồn gây ô nhiễm môi
trường không khí nghiêm trọng, vì nó gắn liền với nhiều
hiện tượng ô nhiễm như: sương mù quang hóa, mưa axit,
sự nóng lên toàn cầu, … Vì vậy việc giảm lượng phát thải
NOx là một trong những mục tiêu hàng đầu của các qui
chuẩn môi trường của Việt Nam cũng như quốc tế
Để đáp ứng các yêu cầu môi trường ngày càng nghiêm
ngặt, nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau đã được nghiên
cứu và ứng dụng trong công nghiệp để giảm phát thải
NOx Công nghệ xử lý NOx có thể chia làm hai nhóm
Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp xử lý sơ cấp
nhằm hạn chế sự hình thành NOx ngay tại nguồn như: tối
ưu hóa hình dạng béc đốt, khống chế các thông số cháy,
hồi lưu dòng khói thải, và phân tầng phun không khí/
hoặc nhiên liệu Nhóm thứ hai gồm các phương pháp thứ
cấp nhằm chuyển hóa NOx đã hình thành trong khói thải
như: đốt cháy lại (Reburning), khử chọn lọc không xúc
tác (Selective Noncatalytic Reduction-SNCR), khử chọn
lọc có xúc tác (Selective Catalytic Reduction-SCR), và
đốt cháy lại cải tiến (Advanced Reburning) Trong các
phương pháp xử lý NOx thứ cấp, đốt cháy lại là một trong
những biện pháp hiệu quả với hiệu suất khử cao, có thể áp
dụng tương đối dễ dàng, không cần thay đổi dây chuyền
công nghệ lẫn cấu hình lò đốt và chi phí đầu tư thấp
Về nguyên tắc, kỹ thuật đốt cháy lại chia thành ba
vùng khác nhau: vùng cháy sơ cấp, vùng đốt cháy lại và
vùng cháy thứ cấp [1] Trong vùng cháy sơ cấp, nhiên liệu
bị oxy hóa trong điều kiện dư không khí Các sản phẩm cháy, trong đó có các oxit nitơ, chủ yếu được hình thành trong vùng này Nhiên liệu đốt cháy lại (như khí tự nhiên, biomass hoặc than bột) được phun vào ngay trên vùng cháy sơ cấp của lò đốt [2] Trong vùng giàu nhiên liệu này (được gọi là vùng đốt cháy lại), NOx thoát ra từ vùng cháy sơ cấp sẽ bị khử thành nitơ tự do thông qua phản ứng với các gốc hydrocarbon ở vùng đốt cháy lại Nhiệt
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 phun thêm vào vùng cháy thứ cấp để oxy hóa hoàn toàn các chất chưa cháy còn sót lại trong khói thải
Hiệu suất khử NOx của quá trình đốt cháy lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ của khói thải trong vùng đốt cháy lại, thời gian lưu khói thải, hệ số tỉ lượng (hay độ giàu) của nhiên liệu trong vùng đốt cháy lại, nồng
độ ban đầu của NOx trong khói thải, cũng như điều kiện hòa trộn của khói thải với nhiên liệu khử Kỹ thuật đốt cháy lại cho hiệu suất khử NOx từ 50 đến 70% trong các
lò đốt ở qui mô công nghiệp, còn ở qui mô phòng thí nghiệm có thể đạt được hiệu suất lên đến hơn 90% Mục đích của nghiên cứu này nhằm khảo sát một cách
hệ thống sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động chính (thời gian lưu khói thải, độ giàu nhiên liệu trong vùng đốt cháy lại) lên hiệu suất khử NO bằng mêtan (CH4) trên một thiết bị phản ứng ở qui mô pilot trong phòng thí nghiệm Tiếp theo động học phản ứng của quá trình đốt cháy lại sẽ được phân tích chi tiết bằng phần mềm mô phỏng Senkin
- Chemkin II với các mô hình hóa học chi tiết có sẵn trong
Trang 2ISSN 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
thích sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng lên mô
hình động học phản ứng xảy ra trong quá trình
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên một thiết
bị phản ứng dạng ống cao 1,1 m và có đường kính 8 cm
Thông tin chi tiết về thiết bị có thể tìm thấy ở nhiều công
bố của chúng tôi trước đây [4]
Thiết bị đốt dạng Mc Kenna với ngọn lửa phẳng của
mêtan/không khí đã được dùng để tạo ra khói thải có thành
phần và tính chất xác định Vì ngọn lửa của mêtan và
không khí tạo ra rất ít NO, nên một lượng xác định (1370
ppm) NO được thêm vào ngọn lửa để khống chế chính xác
nồng độ ban đầu NO trong khói thải Hỗn hợp chất khử
(CH4/N2) được phun vào trong khói thải nhờ thiết bị phun
đặt ở độ cao 10 cm trên béc đốt Dọc theo thân thiết bị phản
ứng có mười ba lỗ lấy mẫu khí và đo nhiệt độ khói thải ở
các độ cao khác nhau Nhiệt độ của thiết bị phản ứng có thể
được nâng lên đến 1200 K nhờ năm dây điện trở quấn
quanh thân thiết bị phản ứng Ngoài ra dọc theo vách ngoài
của thiết bị phản ứng còn có bốn mươi cặp nhiệt điện loại
K để điều khiển nhiệt độ Mẫu khói thải được lấy nhờ vào
một dụng cụ lấy mẫu có đường kính đầu mút 2 mm hướng
xuống dưới Ống trích mẫu khí được nối với thiết bị Quang
phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) FTIR cho phép
đo online nồng độ của tất cả các cấu tử hóa học đóng vai
trò quan trọng trong quá trình khử NO như: NO, CH4, CO,
CO2, H2O, v.v… Bảng 1 trình bày các điều kiện thực
nghiệm điển hình trong nghiên cứu quá trình khử NO bằng
CH4 Quá trình này được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ
973 đến 1173 K Hỗn hợp chất khử (CH4/N2) có lưu lượng
tổng bằng 60 L/h tương ứng với hệ số độ giàu nhiên liệu
() lên đến 10 được phun vào khói thải ở độ cao 10 cm
trên béc đốt để tái lập quá trình đốt cháy lại Hệ số độ giàu
được định nghĩa bằng tỉ số nồng độ CH4 trong vùng đốt
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 CH 4
Nhiệt độ khói thải (K) 973 – 1173
BÉC ĐỐT
Lưu lượng không khí (L/h) 672
Độ giàu nhiên liệu ở béc đốt () 0,9
THIẾT BỊ PHUN
Độ giàu vùng đốt cháy lại () 0 – 10
Nồng độ NO ban đầu [NO]0 (ppm) 1370 Nồng độ O2 ban đầu (%vol) 1,5 Thời gian lưu trung bình (s) 2,4 – 6,2
2.2 Mô phỏng động học
Nghiên cứu mô phỏng động học phản ứng được thực hiện nhờ gói code CHEMKIN II [5] Trong gói code này, chúng tôi sử dụng hai chương trình PREMIX và SENKIN
để mô phỏng tương ứng béc đốt Mc Kenna tạo ngọn lửa phẳng sinh ra khói thải với thành phần cố định, và thiết bị phản ứng dạng ống diễn ra quá trình khử NO Bốn cơ chế động học chi tiết có trong lý thuyết sẽ được thử nghiệm để
mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này: GDF-Kin®3.0 [6], GRI3.0 [7], Glarborg [8] và Konnov [9]
3 Kết quả nghiên cứu và khảo sát
3.1 Kết quả thực nghiệm
Hình 1 giới thiệu biến thiên nồng độ của NO và hiệu suất khử NO theo thời gian lưu trung bình và theo lượng mêtan phun vào vùng đốt cháy lại ở 1173 K Ta có thể thấy
ở cả bốn thời gian lưu khói thải khảo sát, trên đường cong hiệu suất khử NO xuất hiện một pic ở độ giàu () gần 1,7 Hiệu suất quá trình khử NO tăng đáng kể trong khoảng giá trị từ 0 đến 1,7 và đạt giá trị tối đa lên đến 60% khi thời gian lưu khói thải bằng 6,2 s (Hình 1-d) Kết quả này giống với những quan sát thực nghiệm khác trong lý thuyết [10]
Chẳng hạn Dagaut et al (1998) đã đạt được hiệu suất khử
NO gần 70% với độ giàu bằng 1,5 và nhiệt độ khói thải trong khoảng từ 1350 và 1500 K trên thiết bị phản ứng
khuấy trộn hoàn toàn (perfectly stirred reactor – PSR) với
hỗn hợp chất khử gồm mêtan và êtan với tỉ lệ 10/1 [10] Ngược lại, trong khoảng giá trị độ giàu từ 1,7 đến 3,3 hiệu suất khử NO lại giảm Và khi độ giàu vùng đốt cháy lại tiếp tục tăng từ 3,3 đến 10 thì hiệu suất khử NO lại tăng mạnh trở lại, đạt đến hiệu suất khử tối đa gần bằng 80% ở bằng
10 và thời gian lưu bằng 6,2 s (Hình 1-d)
Hình 1 Biến thiên nồng độ NO trong khói thải ở 1173 K (a) thời gian lưu =2,4 s; (b)=3,7 s; (c)=5,0 s; (d)=6,2 s
([NO] 0 = 1370 ppm)
Trang 356 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông Việc xuất hiện pic khử NO ở một vài giá trị độ giàu của
vùng đốt cháy lại rất ít khi được nhắc đến trong lý thuyết
Dagaut et al (1998) là một trong rất ít tác giả đã quan sát
thấy hiện tượng này trong thiết bị phản ứng PSR khi dùng
hỗn hợp chất khử là CH4/C2H6 [10] Các tác giả đã giải thích
hiện tượng này bằng sự hình thành các cân bằng riêng phần
giữa các cấu tử như NO/NO2, NO/HNO và NO/HCNO trong
môi trường phản ứng và gây ức chế quá trình khử NO
3.2 Kết quả mô phỏng động học
Hình 2 so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng biến
thiên nồng độ NO theo độ giàu vùng đốt cháy lại và ở các
thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2 s Ở thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2
s, kết quả mô phỏng bằng cơ chế Glarborg tương thích tốt
nhất với thực nghiệm về mặt định tính lẫn định lượng Đặc
biệt, cơ chế này còn tái lập được pic nồng độ NO tại độ giàu
gần bằng 1 như đã quan sát trên thực nghiệm Tuy nhiên, sự
tương thích này chỉ thỏa mãn ở các độ giàu từ 0 đến 5 Khi
độ giàu vượt quá 5, kết quả mô phỏng với cơ chế Glarborg
có xu hướng vượt quá kết quả thực nghiệm Còn hai cơ chế
GDF_Kin®3.0_NCN và Konnov cho kết quả sai lệch lớn
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
tính pic nồng độ NO như đã quan sát được trong thực
nghiệm ở giá trị độ giàu gần bằng 2 Tóm lại, cơ chế
Glarborg tái lập tốt nhất kết quả thực nghiệm trong nghiên
cứu này Vì vậy, trong phần tiếp theo mô hình này sẽ được
sử dụng để phân thích vận tốc của các phản ứng chủ đạo
tham gia vào quá trình khử NO và hình thành NO
Hình 2 So sánh kết quả thực nghiệm (kí hiệu) và mô phỏng
(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;
(d) = 6,2 s ([NO] 0 = 1370 ppm; Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K)
3.3 Mô hình quá trình hình thành và khử NO
Hình 3-5 so sánh vận tốc thực của các phản ứng quan
trọng nhất trong quá trình hình thành NO và tiêu thụ NO
Vận tốc phản ứng được tính ở ba độ giàu khác nhau
( = 0,8; 1,7; 3,3), ở nhiệt độ khói thải bằng 1173 K và
thời gian lưu khói thải bằng 6,2 s Ba giá trị độ giàu này
được chọn vì chúng đặc trưng cho các điều kiện hoạt động của pic NO trên Hình 1 Trong mỗi phản ứng, vận tốc thực () được tính bằng hiệu số giữa vận tốc phản ứng thuận (D) và vận tốc phản ứng nghịch (I), = D - I
Ở độ giàu bằng 0,8 (Hình 3) đặc trưng cho vùng đốt cháy lại nghèo nhiên liệu khử, NO chủ yếu bị tiêu thụ bằng các phản ứng với gốc O, OH, H và NCO theo các phản ứng từ (r1) đến (r7) Trong điều kiện này, các gốc CHi không tham gia vào bất cứ phản ứng khử NO nào Trong khi đó, quá trình khử NO lại dẫn đến việc hình thành các cấu tử NO2, N2O, N2, HONO và HNO Trong
đó chỉ khoảng gần 20% NO bị khử là chuyển hóa trực tiếp thành N2 Tiếp theo, các cấu tử NO2 và HNO phản ứng với các gốc H, O và OH để hình thành lại NO theo các phản ứng từ (-r8) đến (r11)
Cấu tử HONO tạo thành từ phản ứng (r4) phản ứng tiếp với gốc OH để tạo thành NO2:
HONO + OH = H2O + NO2 (r12) Nitơ protoxit (N2O) hình thành từ phản ứng (r2) và (r6) sẽ nhanh chóng tự phân hủy để tạo thành N2:
N2O + M = N2 + O + M (r13)
Một cách tổng quát, các cân bằng riêng phần giữa NO
và NO2, và NO với HNO chiếm ưu thế ở điều kiện
= 0,8 Kết quả là các cân bằng động học này đã hạn chế quá trình khử NO Vì vậy, hiện tượng nồng độ NO trong khói thải giảm chủ yếu là do hai phản ứng (r2) và (r3), và 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 thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K; = 6,2 s; = 0,8)
Hơn nữa, ta thấy tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ
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
NO trong khói thải giảm gần 10% ở điều kiện phản ứng đang xét (Hình 2-d) Ta cũng thấy trong các phản ứng tiêu thụ NO không hiện diện bất kì phản ứng nào đặc trưng cho quá trình đốt cháy lại Các phân tích động học đã chỉ
ra rằng các phản ứng đốt cháy lại chỉ đóng góp ít hơn 1% tổng lượng tiêu thụ NO
Trang 4ISSN 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),
ta cũng quan sát được các cân bằng riêng phần của
NO/HNO và NO/NO2 Gần 6% NO phản ứng với H và
HO2 để tạo thành HNO và NO2 theo phản ứng (r5) và
(r8) Và như trong trường hợp = 0,8, HNO và NO2 sau
đó sẽ phản ứng với các gốc H và OH để hình thành lại
NO theo phản ứng (r21), (r11) và (r9)
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
góp hơn 75% lượng tiêu thụ NO Các phản ứng (r15) và
(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
góp một phần quan trọng vào việc tiêu thụ NO (40,7%)
Trong đó, gốc NH2 được hình thành thông qua chuỗi phản
ứng HCN HNCO NH2 Cấu tử NNH hình thành từ
phản ứng (r16) được chuyển hóa thành N2 bởi phản ứng với
O2 và NH2 cũng như bởi phản ứng tự phân hủy Cấu tử
HCNO hình thành từ phản ứng (r20) tham gia vào quá trình
tạo thành NO thông qua phản ứng với gốc OH, để sau đó
tạo thành một cân bằng động học riêng phần NO/HCNO
nhờ phản ứng (r22) Quan sát Hình 4, ta thấy sự xuất hiện
của các phản ứng khơi mào đặc trưng của quá trình đốt
cháy lại (r18) và (r19) tham gia vào sự tiêu thụ NO, mặc dù
với tỉ lệ đóng góp vẫn còn thấp, khoảng 6,2%
Mặt khác, ở độ giàu = 1,7, tổng vận tốc của các
phản ứng tiêu thụ NO lớn hơn 4,5 lần tổng vận tốc các
phản ứng tạo thành NO (Hình 4) Điều này giúp giải thích
cho kết quả nồng độ NO giảm gần 60% so với nồng độ
ban đầu trong khói thải (Hình 2-d) Ta nhớ rằng trong
trường hợp = 0,8, độ chênh lệch giữa tổng vận tốc tiêu
thụ NO và hình thành NO chỉ là 1,5 lần
Trong điều kiện vùng đốt cháy lại giàu nhiên liệu hơn
( = 3,3) (Hình 5), NO chủ yếu bị chuyển hóa thành NO2
bằng phản ứng với các gốc HO2 theo phản ứng (r8)
Giống như ở = 1,7, các phản ứng khơi mào cho quá
trình đốt cháy lại (r18 và r19) cũng đóng góp một phần
đáng kể cho sự khử NO Ngoài ra, NO cũng bị khử nhờ
phản ứng với C2H2 và HCO (r23 và r14) với khoảng 4,8%
NO bị tiêu thụ Các cấu tử hình thành từ năm phản ứng
khử NO kể trên sẽ tiếp tục tham gia phản ứng tạo ngược thành NO Chẳng hạn, NO2 và HNO hình thành sẽ tiếp tục phản ứng với H, CO hoặc tự phân hủy để tạo ngược lại NO thông qua các phản ứng (r9), (r24), (-r5) và (-r1)
Ở đây ta cũng nhận thấy sự hiện diện của các cân bằng động học riêng phần của NO/NO2 và NO/HNO Các cân 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 5 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; = 3,3)
4 Thảo luận Các phân tích sơ bộ trên cho phép giải thích sự hình thành pic nồng độ NO khi độ giàu vùng đốt cháy lại thay đổi từ 0,8 đến 3,3 So sánh vận tốc của các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO, ta có thể thấy rõ sự tiêu thụ
NO tăng giữa = 0,8 và 1,7, nhưng ngược lại giữa
= 1,7 và 3,3 thì quá trình hình thành NO lại tăng mạnh Trong phần tiếp theo, ta sẽ so sánh tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO với tổng vận tốc các phản ứng hình thành
NO trong khoảng giá trị độ giàu đang xét để hoàn thành phân tích mô hình động học (Bảng 2)
Tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ và tạo thành NO đều tăng với Khi tăng từ 0,8 đến 1,7, vận tốc các phản ứng hình thành NO tăng 1700 lần, trong khi vận tốc phản ứng khử NO tăng đến 5300 lần Và tỉ lệ của vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO tăng từ 1,5 đến 4,5 lần Sự chiếm ưu thế của phản ứng tiêu thụ NO cho phép giải thích sự tăng hiệu suất khử NO trong điều kiện này Hiện tượng quan sát được khi độ giàu tăng từ khoảng 1,7 đến 3,3 hoàn toàn ngược lại Thật vậy, trong khoảng giá trị này, vận tốc tương đối của các phản ứng hình thành NO tăng khoảng 70 lần, trong lúc đó vận tốc quá trình khử NO tăng chỉ khoảng 20 lần Và tỉ số vận tốc giữa quá trình tiêu thụ và hình thành NO giảm từ 4,5 xuống 1,3 khi độ giàu tăng từ 1,7 lên 3,3 Việc giảm tỉ số này giúp giải thích hiện tượng nồng độ NO trong khói thải tăng lại Nhìn chung, ta
có thể thấy kết quả thực nghiệm đã được mô phỏng lại rất tốt với mô hình Glarborg
Trang 558 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
([CH4]/[NO]0 = 4,5)
= 1,7 ([CH4]/[NO]0 = 9,1)
= 3,3 ([CH4]/[NO]0 = 18,2)
vận tốc hình thành NO
(mole/cm3.s)
4,83 × 10-14 8,24 × 10-11 5,84 × 10-09
vận tốc tiêu thụ NO
(mole/cm3.s)
7,07 × 10-14 3,72 × 10-10 7,65 × 10-09
∑ Vận tốc tiêu thụ NO
Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng việc dung hòa
một cách hợp lý giữa lượng chất khử phun vào khói thải
với hiệu suất quá trình khử mong muốn, và tất nhiên điều
này còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khói thải và thời gian
lưu khói thải đặc trưng cho từng thiết bị cần khảo sát
5 Kết luận
Nghiên cứu này đã khảo sát sự ảnh hưởng của các
thông số hoạt động chính lên hiệu suất của quá trình đốt
cháy lại khử NO bằng CH4 Nhìn chung, hiệu suất quá trình
tăng cùng với nhiệt độ khói thải, với độ giàu trong vùng đốt
cháy lại Để cân đối giữa lượng chất khử phun vào ở mức
thấp và hiệu suất khử NO cao, chúng tôi khuyến nghị điều
kiện tối ưu về nhiệt độ khói thải bẳng 1173 K, ở độ giàu
vùng đốt cháy lại () bằng 1,7 và thời gian lưu bằng 6,2 s
Ở điều kiện tối ưu này, hiệu suất khử NO đạt được khoảng
60% Kết quả thực nghiệm thu được trong quá trình đốt
cháy lại được so sánh với kết quả mô phỏng bởi bốn mô
hình động học chi tiết: GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0,
Glarborg và Konnov Trong điều kiện thực nghiệm của
nghiên cứu này, mô hình Glarborg cho kết quả mô phỏng
tương thích cao nhất Phân tích vận tốc các phản ứng tiêu
thụ NO và hình thành NO đã chỉ ra rằng trong một vài điều
kiện của độ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh
tranh động học giữa quá trình khử NO bằng các phản ứng
đốt cháy lại và hình thành NO thông qua mô hình
Prompt-NO và gây ra kết quả giảm mạnh hiệu suất khử Prompt-NO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R Bilbao, A Millera, M U Alzueta, Influence of the Temperature
and Oxygen Concentration on NOx Reduction In The Natural Gas Reburning Process, Ind Eng Chem Res 33, 2846-2852 (1994) [2] F Liesa, M U Alzueta, A Millera, R Bilbao, Influence of Reactant Mixing in a Laminar Flow Reactor: The Case of Gas Reburning 1 Experimental Study, Ind Eng Chem Res 46,
3520-3527 (2007)
[3] E Hampartsoumian, O Folayan, W Nimmo, B Gibbs, Optimisation of NOx reduction in advanced coal reburning systems and the effect of coal type, Fuel 82, 373-384 (2003)
[4] L Gasnot, D Quang Dao, J.F Pauwels, Experimental and Kinetic Study of the Effect of Additives on the Ammonia Based SNCR Process in Low Temperature Conditions, Ener Fuels 26, 2837 –
2849 (2012)
[5] R Kee, J Warnatz, J Miller, Chemkin II: A Fortran chemical kinetics package for the analysis of gas phase chemical kinetics SANDIA National Laboratories Report, SAND89-8009D, UC-706, (1989)
[6] A El Bakali, L Pillier, P Desgroux, B Lefort, L Gasnot, J F Pauwels, I da Costa, NO prediction in natural gas flames using GDF-Kin®3.0 mechanism NCN and HCN contribution to
prompt-NO formation, Fuel 85, 896-909 (2006)
[7] G P Smith, D M Golden, M Frenklach, N W Moriarty, B Eiteneer, M Goldenberg, C T Bowman, R K Hanson, S Song,
W C J Gardiner, V V Lissianski, Z Qin, GRI-Mech 3.0, (1999)
at <http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/>
[8] P Glarborg, M U Alzueta, K Dam-Johansen, J A Miller, Kinetic Modeling of Hydrocarbon/Nitric Oxide Interactions in a Flow Reactor, Combust Flame 115, 1-27 (1998)
[9] A Konnov, F Barnes, J Bromly, J Zhu, D Zhang, The pseudo-catalytic promotion of nitric oxide oxidation by ethane at low temperatures, Combust Flame 141, 191-199 (2005)
[10] P Dagaut, F Lecomte, S Chevailler, M Cathonet, Experimental and Detailed Kinetic Modeling of Nitric Oxide Reduction by a Natural Gas Blend in Simulated Reburning Conditions, Combust Sci Technol 139, 329-363 (1998)
(BBT nhận bài: 12/09/2015, phản biện xong: 26/10/2015)