Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NOx trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp tối ưu nhằm làm giảm đồng thời nồ
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ
ĐỐT CÔNG NGHIỆP
EFFECT OF SECONDARY AIR SUPPLYING POSITION TO CO AND NO X
CONCENTRATIONS IN COMBUSTION PRODUCT OF INDUSTRIAL FURNACE
BÙI VĂN GA, Đại học Đà Nẵng
LÊ VĂN LỮ, Trường Đại học Bách khoa Tp HCM
HỒ SĨ XUÂN DIỆU, Công ty Đăng kiểm Thừa Thiên-Huế
TÓM TẮT
Nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO, NOx
trong sản phẩm cháy của lò đốt công nghiệp nhưng với mức độ và xu hướng khác nhau Vì vậy việc phân bố nồng độ không khí trong trường nhiệt độ cháy phù hợp có thể làm giảm đồng thời nồng độ của chúng Bài báo này tiến hành phân tích khí tại các mặt cắt khác nhau dọc theo trục ngọn lửa và trong ống khói lò đốt để trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp
Li và hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 tối ưu nhằm đạt được nồng độ CO và NOx lý tưởng (Li/L=0,4 và 2 > 0,25 khi Ta = 720oC và 1 = 1,0)
ABSTRACT
Temperature and mixture fraction have essential effects on CO, NOx concentrations in the combustion product of an industrial furnace, but with different intensity and tendency Thus a reasonable distribution of air concentration in temperature field of combustion can attaint a simultaneous reduction of these two pollutant concentrations In this paper, gas analysis has been carried out in different cross sections of the flame and in the chimney of the furnace The results allow us to identify appropriate secondary air supplying position Li and secondary air ratio 2 to attaint optimal CO and NOx concentrations (Li/L=0,4 and 2 > 0,25 when Ta = 720oC and 1 = 1,0)
1 Giới thiệu
CO là chất khí không màu, không mùi,
được mệnh danh là “kẻ giết người thầm lặng” bởi
lẽ nó làm cho nạn nhân tử vong mà không hề hay
biết Khi nồng độ của nó trong không khí đạt
khoảng 600ppm, trên 70% hồng cầu bị khống
chế, nạn nhân thiếu oxy dẫn đến tử vong (hình 1)
NOx là một họ gồm ba chất NO, NO2 và N2O,
trong đó NO chiếm đại bộ phận NO là chất
không độc nhưng nó lại là chất trung gian sinh ra
NO2 là chất độc, gây viêm loét đường hô hấp, gây
tổn thương phổi và gây mưa a-xít Các giải pháp
kỹ thuật để hạn chế nồng độ NOx trong khí thải
có thể tham khảo [1]
Việc xử lý đồng thời CO và NOx trên
đường thải của thiết bị cháy công nghiệp gặp khó
khăn do một bên phải oxy hóa (cần có sự hiện
diện của o-xy) còn một bên là khử (không có sự
hiện diện của o-xy) [2] Vì vậy giải pháp hữu ích
là hạn chế nồng độ của chúng ngay từ nguồn phát
thải
Cơ chế hình thành CO được biểu diễn bởi phản ứng sau :
H + H2O OH + H2 (2)
CO + O2 CO2 + O (3)
5
10
50
100
15 ppm
30 ppm
100 ppm
300 ppm
600 ppm
Thời gian tiếp xúc (h)
Không ảnh hưởng Nhức đầu, giảm trí nhớ
Tử vong Hôn mê Nôn mửa, xỉu Nhức đầu dữ dội
Hình 1: Tác hại của CO đối với sức khỏe con
người
Trang 2Phản ứng (1) là cơ chế chính để biến CO thành CO2 Trong trường hợp hỗn hợp nghèo, sự biến đổi CO thành CO2 cũng diễn ra theo phản ứng (3) nhưng với tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng (1)
Sự hình thành NOx được biểu diễn bởi cơ chế Zeldovich:
2 N + O2 NO + O (5)
Trong 3 phản ứng (4), (5) và (6) thì 2 phản ứng đầu đóng vai trò quan trọng Năng lượng hoạt tính của phản ứng (4) rất lớn vì vậy tốc độ của nó phụ thuộc mạnh và nhiệt độ Tốc độ phản ứng (5) lớn hơn rất nhiều so với các phản ứng còn lại Tốc độ các phản ứng trên phụ thuộc vào tốc độ hình thành chất trung gian N Trong quá trình cháy, sau giai đoạn quá độ ban đầu, tốc độ hình thành chất trung gian N được viết như sau:
] O [ k
] N ][
O [ k N
2 2 , f
2 1
, f
Biểu thức (7) cho thấy tốc độ hình thành N phụ thuộc vào nồng độ O2 trong hỗn hợp
Từ các nghiên cứu trên đây chúng ta thấy sự phân bố thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy trong lò ảnh hưởng lớn đến nồng độ CO và NOx trong sản phẩm cháy [4], [5] Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NOx trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp tối ưu nhằm làm giảm đồng thời nồng độ của chúng trong khí thải của lò đốt công nghiệp
2 Bố trí thí nghiệm
Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình lò
đốt công nghiệp có buồng cháy hình trụ tròn với
đường kính trong 200mm, chiều dài 820mm Lò
được trang bị mỏ đốt nhiên liệu dầu nhẹ loại Minor-6
của hãng Ecoflam, biến bụi nhiên liệu bằng phương
pháp cơ học với áp suất phun 20 bar qua đầu phun số
0.75 có góc phun 60o Không khí sơ cấp được cấp từ
quạt gió có áp suất 12 mbar (hình 2) [3] Lượng
không khí thứ cấp được cấp qua một ống thép chịu
nhiệt 21mm uốn hình khuyên theo sát tường trong
của buồng đốt và được nối với đường khí cấp từ quạt
gió Phía trong ống hình khuyên có khoan nhiều lỗ
3mm hướng một góc nghiêng 45o so với trục lò
Vòng ống này có thể di chuyển tịnh tiến dọc theo
chiều dài ngọn lửa để
thay đổi vị trí cấp
không khí thứ cấp (hình
3) Công suất nhiệt cực
đại của mỏ đốt là
125.000 kJ/h
nghiệm này cho phép
thay đổi các thông số
vận hành chính của lò
như hệ số dư lượng
không khí (sơ cấp và
thứ cấp), nhiệt độ
buồng cháy Sản
phẩm cháy được thu
vào ống khói kim loại
Hình 2: Ảnh chụp lò đốt thí nghiệm
Không khí
sơ cấp
0
4
6
8
100
10
100
2
Dầu
Không khí thứ cấp
G
F
T
Hình 3: Sơ đồ các vị trí cấp không khí thứ cấp và
các vị trí lấy mẫu khí phân tích
Trang 3có đường kính 90mm dài 500mm để đo đạc thành phần khí thải
Thiết bị đo đạc bao gồm: thiết bị đo lưu lượng không khí sơ cấp kiểu màng, thiết bị đo lưu lượng dầu kiểu đếm thể tích với độ chính xác 1/100 lít, thiết bị Blow by Meter 442 AVL
để đo lưu lượng không khí thứ cấp Nồng độ NOx và CO được xác định bởi máy phân tích khí AVL Digas 4000
Mẫu sản phẩm cháy cục bộ được lấy tại mỗi mặt cắt ngang ngọn lửa ở ba vị trí : G (tại tâm ngọn lửa), F (cách tâm ngọn lửa 25mm về phía phải), T (cách tâm ngọn lửa 25 mm về phía trái) (hình 3) Mẫu khí thải của lò được lấy từ ống khói Các số liệu thí nghiệm được ghi nhận theo trình tự qui hoạch trước khi mỏ đốt hoạt động ổn định ở một chế độ đốt cháy đã xác lập Để có được kết quả của phép đo một cách chính xác và tránh sai số ngẫu nhiên, thí nghiệm ứng với mỗi chế độ đốt được thực hiện 5 lần và số liệu thu nhận là giá trị trung bình của các lần đo đó
3 Kết quả và bình luận
Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện lưu lượng nhiên liệu 2,6 lít/h, lưu lượng không khí 26 m3/h Các thông số vận hành của lò thay đổi gồm hệ số dư lượng không khí sơ cấp 1, hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 và nhiệt độ buồng cháy Ta
Các kết quả đo đạc nồng độ
khí NOx và CO trong sản phẩm
cháy thoát ra từ buồng đốt của lò
khi không cung cấp không khí thứ
cấp (2=0) và thay đổi hệ số dư
lượng không khí sơ cấp 1 từ 0,5
đến 1,5 được trình bày trên hình 4
Thí nghiệm được thực hiện ở các
nhiệt độ buồng đốt khác nhau 700,
800 và 900oC Kết quả này cho
thấy khi tăng nhiệt độ buồng đốt,
nồng độ NOx tăng đối với mọi
thành phần hỗn hợp Tuy nhiên
khi nhiệt độ buồng cháy thấp dưới
1.000oC thì vai trò ảnh hưởng của
hệ số không khí dư đến nồng độ
NOx không đáng kể (nồng độ NOx
thay đổi khoảng 20% khi hệ số dư
lượng không khí sơ cấp thay đổi
từ 0,5 đến 1,5) Nhiệt độ và hệ số
dư lượng không khí ảnh hưởng
mạnh đến nồng độ của CO khi hỗn hợp giàu
Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần hỗn hợp đến CO, NOx, chúng tôi thực hiện phân tích khí tại các vị trí cục bộ trong ngọn lửa Thí nghiệm được tiến hành với nhiệt độ lò cố định ở 720oC và lưu lượng dầu diesel 2,6 lít/h Hệ số dư lượng không khí thay đổi = 0.75; 1,0 và 1,25 Mẫu khí được lấy tại vị trí có khoảng cách tới miệng mỏ đốt 120mm (mặt cắt 2); 220 mm (mặt cắt 4); 320 mm (mặt cắt 6) và 420 mm (mặt cắt 8) Tại mỗi mặt cắt nồng độ CO, NOx được phân tích tại 3 vị trí G, T và F
Kết quả thí nghiệm về sự thay đổi nồng độ NOx theo chiều dài của ngọn lửa được biểu diễn trên 5a, b Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở cùng nhiệt độ buồng cháy, hệ số không khí dư ảnh hưởng không đáng kể đến nồng độ NOx trong ngọn lửa NOx tăng dần theo chiều dài ngọn lửa, chứng tỏ phản ứng ôxy hóa N2 diễn ra mạnh mẽ trong vùng nhiệt độ cao Phía cuối ngọn lửa, trong điều kiện thí nghiệm này là khoảng cách tới gốc ngọn lửa khoảng 400mm, nồng độ
NOx hầu như không thay đổi trên cùng mặt cắt ngang, điều đó chứng tỏ sự hòa trộn rối của luồng khí chuyển động có tác dụng làm đồng đều thành phần NOx trong sản phẩm cháy
0
40
80
120
160
0
4.000
T a ( o C)
900
700
NO
x
CO
1,5 1,25
1,0 0,85 0,7 0,5
8.000 12.000
16000
Hình 4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí và nhiệt độ đến nồng độ CO, NOx trong khí thải lò hơi
Trang 4a) = 0.75 b) =1,25 Hình 5: Biến thiên nồng độ NO x theo chiều dài ngọn lửa
Kết quả đo nồng độ CO theo chiều dài ngọn lửa tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa, khi thay đổi hệ số dư lượng khơng khí cho trên 6 Kết quả trên cho thấy nồng độ CO rất cao (6.000ppm) trong phần đầu của ngọn lửa và giá trị này giảm rất nhanh về phía đuơi ngọn lửa Các kết quả nhận được trên đây cho thấy nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO và NOx
Biến thiên nồng độ của hai chất ơ nhiễm này
cùng chiều về phía hỗn hợp nghèo nhưng
ngược chiều về phía hỗn hợp giàu Làm nghèo
hỗn hợp sẽ dẫn đến làm giảm nồng độ CO tại
bất kỳ vị trí nào của ngọn lửa Tuy nhiên làm
nghèo hỗn hợp tại những vị trí nhiệt độ cao sẽ
làm gia tăng nồng độ NOx Vì vậy để làm giảm
nồng độ đồng thời của hai chất này, chúng ta
cĩ thể cung cấp khơng khí thứ cấp vào một vị
trí phù hợp trong ngọn lửa
Trong nghiên cứu này chúng tơi khảo
sát ảnh hưởng của vị trí cung cấp khơng khí thứ
cấp đến nồng độ CO và NOx trong khí thải của
lị đốt để tìm vị trí cấp khí tối ưu Vịng cấp khí
thứ cấp được đặt tại các mặt cắt số 2, 6, 8 và 10
ứng với các khoảng cách tương ứng Li tới gốc
ngọn lửa lần lượt là 120, 320, 420 và 520mm
Hệ số dư lượng khơng khí sơ cấp 1 = 1,0,
nhiệt độ lị được giữ cố định ở 720oC và lưu
lượng dầu diesel 2,6 lít/h
Biến thiên nồng độ CO, NOx trong khí thải theo vị trí cung cấp khơng khí thứ cấp ứng với các giá trị 2 khác nhau được trình bày trên hình 7 Từ kết quả thí nghiệm, cho ta rút ra một số nhận xét sau:
- Khi 2 vượt quá 0,25, vị trí cấp khơng khí thứ cấp ảnh hưởng rất nhẹ đến nồng độ
NOx Nồng độ NOx giảm khoảng 10% khi khơng khí thức cấp được cấp sau khu vực cháy chính của ngọn lửa Khi hệ số khơng khí thứ cấp nhỏ hơn giá trị này, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại cách miệng vịi đốt 420mm Khi cung cấp lượng khí dư lớn, nhiệt độ cháy giảm làm tốc độ phản ứng (4) giảm, dẫn đến giảm nồng độ NOx Khi cung cấp lượng khơng khí vừa phải, nhiệt độ cháy khơng giảm nhiều, tốc độ phản ứng (5) tăng làm tăng NOx Mức độ gia tăng nồng độ NOx khoảng 10% khi 2 = 0,2 và đạt 20% khi 2 = 0,1
0
8.000
= 1,25
= 0,75
Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm)
CO (ppm)
6.000
4.000
2.000
Hình 6: Biến thiên nồng độ CO theo
chiều dài ngọn lửa
0 20 40 60 80 100 120
Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm)
NOx (ppm)
T
F
G
0
20
40
60
80
100
120
NOx (ppm)
Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm)
T
F
G
Trang 5- Hệ số 2 và vị trí cung cấp
không khí thứ cấp ảnh hưởng rất lớn
đến nồng độ CO Kết quả thí nghiệm
cho thấy khi không khí thứ cấp được
cấp vào khu vực đang cháy, nồng độ
CO trong khí thải giảm đi rõ rệt
Trong trường hợp thí nghiệm này,
nếu cấp không khí thứ cấp tại mặt
cắt số 2, nồng độ CO trong khí thải
giảm đến mức lý tưởng Nếu cấp
không khí thứ cấp trước hay sau vị
trí này, nồng độ CO trong khí thải
đều tăng Điều này có thể giải thích
ở khu vực nhiệt độ cao, sự gia tăng
nồng độ O2 sẽ làm tăng tốc độ các
phản ứng (1) và (3) theo chiều thuận
dẫn đến sự oxy hóa CO thành CO2
trong khí thải
Kết quả này cho thấy để làm
giảm đồng thời nồng độ CO và NOx
chúng ta có thể cung cấp không khí
thứ cấp ở vị trí cách miệng vòi đốt
một khoảng Li sao cho Li/L= 0,4
Nếu nhiệt độ lò cho phép, chúng ta
có thể chọn 2 > 0,25
4 Kết luận
Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra những kết luận sau đây:
1 Ở chế độ nhiệt độ lò thấp, thành phần hỗn hợp ít gây ảnh hưởng đến nồng độ NOx nhưng ảnh hưởng mạnh đến nồng độ CO trong vùng hỗn hợp giàu
2 Khi tăng hệ số dư lượng không khí thứ cấp nồng độ NOx trong khí thải giảm Khi 2>0,25 nồng độ NOx giảm 10% nêu không khí thứ cấp được cấp sau khu vực cháy chính Khi
<0,25, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại sau khu vực cháy chính
3 Khi tăng 2, nồng độ CO giảm Có một vị trí cung cấp khí thứ cấp tối ưu làm cho nồng độ
CO trong khí thải giảm đến mức lý tưởng
4 Giải pháp kỹ thuật làm giảm đồng thời CO và NOx là cung cấp không khí thứ cấp tại vị trí diễn ra quá trình cháy mãnh liệt nhất trong buồng đốt (Li/L= 0,4)
Công trình này được thực hiện nhờ tài trợ của Chương trình
nghiên cứu khoa học cơ bản cấp Nhà Nước
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 http://www.einstrumentsgroup.com/gas_analyzers/combustion/nox-reduction.php
2 http://www.dcl-inc.com/catthrway.cfm
3 BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, LE VAN LU: Quan hệ giữa nồng độ bồ hóng và
nồng độ NOx trong sản phẩm cháy của lò hơi Kỷ yếu Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc
năm 2005, pp 107-114, Hạ Long, 20-22/7/2005
4 BUI VAN GA, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu
tố vận hành lò đốt công nghiệp đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải Hội nghị Cơ học
Thủy khí Toàn quốc, Vũng Tàu, 26-27/7/2006
5 BUI VAN GA, LE VAN LU: Nghiên cứu thực nghiệm sự hình thành NOx và CO trong
buồng đốt lò hơi công nghiệp Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 3(15),
4(16).2006, pp 1-5
Ox
0 40 80 120 160
x(mm)
2 =0,1
2 =0,2
2 =0,25
2 =0,25
2 =0,2
0,4 0,8 1,2 1,6
Hình 7: Biến thiên nồng độ CO, NOx trong khí thải theo vị trí cung cấp không khí thứ cấp
