PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -X W -

LÊ ANH KIÊN

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN

CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

Chuyên ngành: Máy và Thiết bị Công nghệ Thực phẩm

Mã ngành: 2.01.20

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện từ kiến thức của chính mình Tôi không nộp luận án này cho bất cứ trường viện nào để được cấp bằng

Lời cảm ơn

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn chính là PGS.TSKH Lê Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu trên con đường nghiên cứu khoa học Thầy đã chân tình động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án này

Lòng biết ơn chân thành của tôi cũng xin được gửi đến GS.Vida Sharifi và GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng dẫn, đặc biệt cùng với GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow đã hỗ trợ phần kinh phí cũng như không ngừng khuyến khích tôi trong thời gian học tập tại trường Đại học Sheffield

Lời cảm ơn sâu sắc nhất được hình thành từ những ngôn từ và ngữ văn thông thường nhưng xuất phát từ tất cả trái tim và lý trí của tôi có lẽ cũng không thể nói lên được đầy đủ những gì mà người vợ yêu quý TS Lê Thị Kim Phụng đã dành trọn vẹn cho tôi, đã cùng với con gái Lê Phụng Anh Tâm trở thành nguồn động viên to lớn, giúp tôi có đủ tinh thần, sức lực để vượt qua tất cả những khó khăn trong suốt thời gian làm luận án

Xin cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè đồng nghiệp ở Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới và Bảo vệ Môi Trường, đặc biệt là TS Nguyễn Quốc Bình, đã chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu với tôi, thường xuyên động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi chuyên tâm viết nên công trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô trong khoa Công nghệ Hoá học, trong bộ môn Máy Thiết Bị đã ủng hộ tôi, tạo điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng góp những ý kiến qúy giá cho tôi, giúp tôi hoàn thành được công việc của mình Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tiết kiệm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm thiểu lượng rác thải, tái chế, tái sử dụng và tái sinh năng lượng từ rác thải hiện nay đang là vấn đề được quan tâm ở mức toàn cầu hoá Trong đó, tái chế chất thải đang dần trở thành một ngành công nghiệp thực sự tại các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật,… Ngành công nghiệp đặc biệt này tái chế chất thải góp phần cung cấp các loại nguyên liệu như nylon, nhựa, giấy, gỗ, kim loại, thủy tinh,… với chi phí thấp hơn nhiều so với chi phí sản xuất các loại nguyên liệu ban đầu

Phần nguyên liệu bẩn còn lại có nguồn gốc hữu cơ sau khi được phân loại, một lần nữa được xem là chất thải của ngành công nghiệp phân loại tái chế, và thường được tiếp tục xử lý bằng các phương pháp đốt khác nhau nhằm tạo điều kiện giảm áp lực quỹ đất của các bãi chôn lấp Vấn đề đốt “chất thải của chất thải” kết hợp phát điện hiện nay cũng đang được đầu tư nghiên cứu ở rất nhiều các quốc gia công nghiệp phát triển nêu trên Một trong những loại thiết bị sử dụng phổ biến là lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling bed)

Thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng phổ biến để đốt sinh khối (biomass), chất thải sinh hoạt tại nhiều nơi trên thế giới Nhiều công trình nghiên cứu của các trường Đại học, các Viện nghiên cứu, các nhà máy công nghiệp đối với loại thiết bị này đã được thực hiện và thu được những kết quả quan trọng, đóng góp vào sự hiểu biết về quá trình cháy, về phương thức nâng cao hiệu quả cháy,… trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp đốt Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào thực hiện tiếp cận quá trình đốt rác thải trong thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển một cách thực sự chuẩn mực với nguyên tắc thiết bị lò đốt rác thải được xét như là một hệ thống phức tạp Trên cơ sở nhận thức sâu sắc về ý nghĩa và giá trị của việc đốt chất thải rắn trong thiết bị đốt có vỉ lò di chuyển, đề tài luận văn

Tiến sĩ “Phân tích hệ thống quá trình đốt chất thải công nghiệp đặc trưng” được đề xuất thực hiện phối

hợp tại trường Đại học Quốc gia TP.HCM và Đại học Sheffield, UK Trong đó, đối tượng nghiện cứu được xem xét như một hệ thống phức tạp và các tác vụ nghiên cứu được xác lập và triển khai theo tinh thần của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Như đã đề cập ở trên, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm:

Vật liệu nghiên cứu: chất thải rắn hữu cơ đã phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất thải của chất thải)

¾

và sinh khối thực vật (chất thải của ngành sản xuất nông nghiệp);

Thiết bị: lò đốt kiểu cột nhồi (là một mô hình vật thể thu nhỏ của thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là:

Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi;

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung nghiên cứu chủ yếu trong luận án này gồm:

Tổng quan các nghiên cứu về quá trình đốt chất thải rắn trên thế giới và trong nước theo quan điểm của phương pháp luận tiếp cận hệ thống

¾

Xây dựng một chương trình CIS dựa vào phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng, kiểm chứng mô hình toán học xây dựng được

Phương pháp phân hoạch hệ thống: được sử dụng để nhận dạng những vấn đề cụ thể cần nghiên cứu trên những quy mô, phạm vi thuộc các phân hệ

¾

Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán học: được sử dụng với mục đích hỗ trợ cho các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật thể, nhằm tạo ra những biểu đạt có tính khái quát hơn và sau đó có thể tiến hành mô phỏng quá trình đốt nhiệt phân trên cơ sở các mô tả toán học thu được

Đối tượng vật liệu nghiên cứu là hỗn hợp giấy và hỗn hợp sinh khối được sử dụng trong nghiên cứu này đã đóng góp vào các nghiên cứu chung của nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sheffield (Vương Quốc Anh) về sự hiểu biết quá trình cháy của loại vật liệu “chất thải của chất thải” Đây cũng được xem là các nghiên cứu mở đường cho việc nghiên cứu quá trình cháy của các loại chất thải rắn tương tự ở Việt Nam

•

, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Phân loại tại nguồn Chất thải nguy hại Chất thải không nguy hại

Lò đốt

Phân loại, thu gom

Tái sử dụng Thu hồi

Tái chế Ủ Compost Năng lượng Tiêu hủy

Sản phẩm

Chất thải của chất thải

Cơ cấu loại chất thải rắn trong hoạt động của

nền kinh tế của các quốc gia công nghiệp

phát triển khá đồng nhất, có thành phần như

Chất t hải sinh hoạt

Chất t hải sản xuất năng lượng

Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình xử lý chất thải rắn

Việc đốt “chất thải của chất thải” được thực hiện chủ yếu trong ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn Cho đến nay, việc nghiên cứu bản chất quá trình đốt hỗn hợp các vật liệu này hầu như chưa được thực hiện tại các Viện nghiên cứu hoặc trường Đại học tiên tiến trên thế giới

1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN

nạp vào nằm trên ghi lò, sau đó nhiên liệu bắt cháy ắt đầu

Tốc độ bắt cháy của than tuỳ thuộc vào nồng độ ôxy có mặt xung quanh phần tử than [7, 9-12]

Trong công nghiệp đốt xử lý chất thải, thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng rất nhiều do những tính năng ưu việt như: công suất xử lý lớn, hiệu suất đốt chất thải lớn, chất thải được nạp vào liên tục và tro cũng được lấy ra liên tục Ngoài ra còn có thể tối ưu quá trình cấp khí để đạt hiệu suất xử lý cao nhất, hiệu suất nhiệt sinh ra lớn nhất Do công suất của lò lớn nên lượng khí cháy sinh ra cũng rất lớn, có thể sử dụng cấp cho lò hơi phục vụ cho việc phát điện [3-6]

Chất thải được cấp liên tục từ trên phễu xuống ghi lò Ghi lò di chuyển tuần hoàn từ trái sang phải với góc nghiêng i = 10o-15o Tro được tháo ra liên tục ở đoạn cuối ghi lò Không khí cung cấp cho quá trình cháy từ dưới ghi lò được gọi là không khí sơ cấp Khí cháy sơ cấp di chuyển lên khu vực bên trên và

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị lò đốt vỉ lò di chuyển Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn trên ghi lò di chuyển

được cung cấp tiếp ôxy, gọi là không khí thứ cấp, để phản ứng cháy trong pha khí tiếp tục diễn ra Tại khu vực này, các thành phần cháy được trong pha khí sẽ tiếp tục cháy toả năng lượng và được thu nhiệt để cung cấp cho lò hơi, phục vụ cho việc tái sinh năng lượng Phần khí cháy sau khi tận dụng nhiệt sẽ được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường Trong quá trình vận hành của lò đốt, vật liệu rắn được nạp vào lò thông qua phễu nạp liệu Vật liệu rắn sẽ nằm trên các thanh ghi lò và di chuyển cùng với ghi lò Các thanh ghi lò được gối nối tiếp lên nhau và mỗi thanh đều có lỗ thông khí từ bên dưới Hệ thống các thanh ghi lò có chức năng tương tự như băng tải vận chuyển vật liệu rắn từ đầu đến cuối lò Khi thanh ghi lò di chuyển đến cuối lò, thanh ghi lò sẽ tự quay đổi hướng và sẽ đổ tro trên bề mặt vào phễu thu tro Thanh ghi lò tiếp tục di chuyển ngược trở lại đầu lò nạp liệu và đổi hướng một lần nữa trước khi nhận nhiên liệu mới đổ vào Hệ thống thanh ghi lò được cấu tạo theo các gờ gối lên nhau với mục đích không để xảy ra hiện tượng khối vật liệu rắn trượt theo quán tính về cuối lò khi ghi lò di chuyển Điều này có nghĩa là khối vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò trong suốt quá trình di chuyển của ghi từ đầu lò đến cuối lò

Tại đầu vào của ghi lò, vật liệu rắn thu nhiệt và bắt đầu các quá trình bay hơi ẩm Trong quá trình di chuyển cùng với ghi lò về phía phễu thu hồi tro, vật liệu rắn tiếp tục diễn ra các quá trình giải phóng các chất, quá trình cháy của cacbon sau khi giải phóng các chất trong cấu trúc của vật liệu rắn Vật liệu rắn

đi đến cuối ghi lò còn lại chủ yếu chỉ là tro xỉ

Trong quá trình cháy và di chuyển của vỉ lò, không khí sơ cấp cung cấp từ dưới ghi lò vừa đủ để không làm xáo trộn lớp vật liệu rắn bên trên Bức xạ nhiệt theo phương ngang nhỏ so với bức xạ nhiệt theo phương thẳng đứng, do vậy có thể xem như không có sự truyền nhiệt bức xạ theo phương ngang giữa các khối vật liệu trên hai thanh ghi liên tiếp

Xem xét một phân đoạn vật liệu rắn nằm trên một thanh ghi lò Vật liệu rắn được từ đỉnh của cột vật liệu Không khí sơ cấp cung cấp từ bên dưới vào cột để duy trì sự cháy Lớp vật liệu bên trên bắt cháy sẽ truyền nhiệt chủ yếu bằng bức xạ nhiệt xuống lớp vật liệu bên dưới Lớp vật liệu bên dưới tăng nhiệt độ, giải phóng hơi ẩm và nhiệt phân giải phóng các chất hữu cơ Các chất hữu cơ được giải phóng sẽ bắt cháy và tiếp tục cung cấp năng lượng bằng truyền nhiệt bức xạ xuống lớp vật liệu thấp hơn Như vậy, quá trình cứ tiếp tục cho đến khi lớp vật liệu ở đáy cột bắt cháy Tốc độ giải phóng các chất hữu cơ và tốc độ bắt cháy của các chất khí được giải phóng của các loại vật liệu khác nhau được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới Pedersen đã thực hiện các nghiên cứu trên vật liệu biomass [7], trong khi đó, các nghiên cứu của Desroches-Ducarne và những người khác đã tiến hành trên vật liệu là rác thải sinh hoạt đô thị [8] Trong quá trình bắt cháy của toàn bộ lớp vật liệu, lớp vật liệu bên trên trở thành cacbonvà tiếp tục bắt cháy

Không khí thứ cấp

Không khí sơ cấp

Vật liệu rắn

Không khí thứ cấp

Không khí sơ cấp

Vật liệu rắn

Không khí thứ cấp

Không khí sơ cấp

Vật liệu rắn

Tro, cacboncăn

Tro, cacboncăn bản

đốt thông thường là loại lò đốt tĩnh hai cấp

buồng đốt sơ cấp, a

thống thiết bị này, tiến hành phân hoạch hệ thống gồm

ước, đặc biệt tập trung ở Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh

h thiết bị lò đốt có vỉ lò

hiện

ên trên và bên dưới và nhiệt

ủa pha khí trong một đơn vị thể tích kiểm

rao

t

ái lượng than và khối lượng tro:

áy của chất thải rắn trong thiết bị lò

thực

Đại học Sheffield và những nơi khác cũng đã thực hiện trên mô

ất nhiều vào sự hiểu biết về quá trình cháy của các loại vật liệu trong

Loại lò đốt chất thải này rất phổ biến ở Việt Nam, có dạng như hình 1.6

Với loại lò đốt nhiệt phân tĩnh hai cấp, vật liệu rắn được nạp vào một lần tại

lớp vật liệu rắn được đốt mồi và không khí sơ

ùy, lớp vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò Với hệ vật liệu rắn và vỉ lò, không gian cấp khí sơ cấp dưới vỉ lò và không gian bên trên lớp vật liệu rắn sẽ thu được một đối tượng tương đương với mô hình cột nhồi

Buồng đốt thứ cấp

Vị trí cấp không

khí sơ cấp

áy

Ống nối

cấp được cung cấp từ đáy của vỉ lò Trong quá trình ch

Các nghiên cứu về quá trình cháy trên lò đốt tĩnh hai cấp được thực hiện bởi nhiều cơ quan nghiên cứu trong n

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI

Thiết bị đốt kiểu cột nhồi là một mô hình vật thể thu được từ quá trình phân hoạc

di chuyển và lò đốt tĩnh hai cấp Quá trình cháy trong thiết bị dạng cột nhồi được nhiều nơi thực

nghiên cứu trong thời gian qua Đáng kể là nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc, giáo sư Shin và cộng sự, của Viện KIST đã thực hiện nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy của gỗ thông trong thiết bị đốt có ghi lò di chuyển Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phân hoạch thiết bị đốt có ghi di chuyển thành từng cột nhồi, xây dựng mô tả toán học cho từng cột nhồi trong hệ thống Mô tả toán học được xây dựng cho một đơn vị thể tích kiểm soát trong một cột nhồi như sau [13, 14]:

Nhiệt thu được trong pha rắn trong một đơn vị thể tích kiểm soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hóa học cộng với nhiệt mất mát do bay hơi ẩm, nhiệt trao đổi với thể tích kiểm soát b

trao đổi với pha khí

Tương tự, cân bằng nhiệt trong pha khí được viết như sau:

Năng lượng thu được c

, 1 ∆

0

, 1 0

soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hoá học cộng với nhiệt t

Hình 1.6 Thiết bị lò đốt tĩnh hai cấp

1 ∆

1

đổi với pha rắn

Khối lượng vật liệu rắn gồm khối lượng ẩm, khối lượng chấbay hơi, kho

M b =M moist +M vol +M char +M ash

Tại trường Đại học Sheffield, nhóm nghiên cứu của giáo sư ành nghiên cứu quá trình ch

Swithenbank và giáo sư Sharifi đã tiến h

đốt có ghi di chuyển Nhóm nghiên cứu cũng thực hiện việc phân hoạch thiết bị lò đốt có ghi lò di chuyển thành nhiều thiết bị cột nhồi, tiến hành thực nghiệm, xây dựng mô tả toán học và mô phỏng quá trình cháy trên thiết bị cột nhồi này [4, 15-17]

Những nghiên cứu ở đây khihiện xây dựng mô tả toán học đã xem hệ gồm toàn bộ pha rắn có các lỗ xốp bên trong Quá trình cháy của vật liệu rắn được khảo sát trong vùng thể tích này dựa trên sự thay đổi thể tích của vật liệu rắn trong quá trình cháy

Ngoài ra, các nghiên cứu khác tại trường

hình thiết bị đốt kiểu cột nhồi với các loại vật liệu rắn khác nhau như gỗ, giấy các loại, cỏ mực, rơm,… nhằm tìm ra các ý nghĩa ứng dụng thực tiễn như ảnh hưởng của kích thước vật liệu rắn ban đầu, ảnh hưởng của lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của không khí thứ cấp đến tốc độ cháy, nồng độ cực đại các khí cháy sinh ra [3-6, 16-26]

Các nghiên cứu trên đã đóng góp r

thiết bị đốt kiểu cột nhồi Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một công trình nào thực hiện nghiên cứu quá trình đốt hỗn hợp vật liệu “chất thải của chất thải” trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi theo con đường Tiếp cận hệ thống với tác vụ Phân tích hệ thống Bằng con đường Phân tích hệ thống này, các hiện tượng

co rút của vật liệu do sự giải phóng vật chất trong quá trình cháy, hiện tượng quá trình cháy diễn ra không đều làm cho tình trạng mất cân bằng moment của khối vật liệu xảy ra, dẫn đến hiện tượng sụp của khối vật liệu rắn trong quá trình cháy do ảnh hưởng của độ rỗng của khối hạt cùng với sự di chuyển ngẫu nhiên của pha khí từ bên dưới sẽ được làm sáng tỏ thông qua việc phân hoạch hệ thống, phân tích định

Sấy Nhiệt phân Khí hóa

Chất thải (B):

A Åm

Ch ất bay hơi

Cacb on, tro

Chất thải khô (C):

Chất bay hơi Cacbon, tro

Chất thải sau nhiệt phân (D ):

tính cấu trúc hệ thống, việc bố trí thiết bị quan trắc các thông số kiểm soát quá trình ở những chương tiếp theo

Máy tính ghi nhận dữ liệu

NG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.

háp phân hoạch hệ thống

cấu

ỨU VÀ PHƯƠNG

vi sai

Thiết bị cư

lvật liệu

quá

Sơ

hiết bị hoạt động ở điều kiện áp suất khí quyển Thiết bị có thể

hực hiện quá trình cơ học: đó là các thiết bị cung

2.2.2.6 P

Vật liệu rắn được nạp vào cột từ cửa nạp liệu ở đỉnh của thiết bị

thiết bị và truyền dẫn thông tin về máy tính Khí cháy được trích ra tại

1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN

2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bị lò đốt chất thải rắn

2.1.2 Phương p

ĐỐI TƯỢNG CƠNG NGHỆ

2.1.3 Phương pháp phân tích định tính trúc hệ thống

2.2 THIẾT BỊ NGHIÊN C PHÁP THỰC HIỆN

2.2.1 Phân tích nhiệt

nghiên

ùu độ suy giảm khối ượng theo sự gia tăng nhiệt độ trong trình nhiệt đồ cấu tạo thiết bị gồm các bộ phận chính như sau:

2

phân được thực hiện trong thiết bị NETZSCH TG 209

.2.2 Thí nghiệm trên thiết bị lò đốt cột nhồi

2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm

Hệ thống tchia làm hai nhóm chính:

• Cụm các thiết bị tcấp ôxy sơ cấp và ôxy thứ cấp Không khí sơ cấp được cung cấp từ đáy của thiết bị cột nhồi Không khí thứ cấp được cung cấp vào bên trong thiết bị tại vị trí h=0,75cm kể từ đáy của thiết bị Không khí cung cấp được kiểm soát bởi lưu lượng kế rotameter

Cụm các thiết bị truyền dẫn thông tin: đó là các thiết thông tin về khối lượng vật liệu rắn còn lại, nhiệt độ của các vị trí dọc theo cột nhiên liệu trong thiết bị, nồng độ các chất khí Mô

hình thiết bị được treo trên hệ thống cân điện để ghi nhận các giá trị khối lượng thay đổi Các đầu dò nhiệt độ được bố trí dọc theo chiều cao của thiết bị, mỗi đầu dò cách nhau 8cm kể từ đáy đến đầu dò thứ 8 đầu dò nhiệt độ thứ 8, 9 cách nhau 340cm, dầu dò thứ 9, 10 cách nhau 10cm Ống hút khí được đặt cách đáy 40cm hoặc 56cm

hương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bị cột nhồi

Phát hiện v

sao cho chiều cao cột nhiên liệu không quá một nửa chiều cao của thiết bị Sau khi nạp liệu, cấp không khí sơ cấp vào cột từ bên dưới thiết bị với lưu lượng không đổi và tiến hành đốt mồi lớp vật liệu rắn từ bên trên Tùy thuộc điều kiện và mục đích thí

c cung cấp vào thiết bị với những giá trị xác định Khí cháy di chuyển lên trên đỉnh thiết bị cột nhồi và thoát ra ngoài qua ống thoát khí

nghiệm, không khí thứ cấp có thể đượ

Trong khi quá trình cháy xảy ra, giá trị nhiệt độ trong cột nhiên liệu được ghi nhận bởi các đầu dò cặp nhiệt điện cắm dọc theo chiều cao

vị trí xác định trong thiết bị sao cho phù hợp với mục đích thí nghiệm sẽ được ngưng tụ hơi ẩm, tách các khí có thể gây nguy hại cho cảm biến nồng độ khí, và đi vào thiết bị đo nồng độ các khí như CO, CO2,

ấn đề Đặt vấn đề

Xác định các mục

Nhận dạng các rào cản

Xác định các tác vụ tiếp cận hệ thống (và các điều kiện để thực hiện)

Thực hiện các tác vụ

để giải quyết các vấn

đề đã đặt ra

Thẩm định kết quả thực hiện

Thẩm định mức

độ hồn thành khâu thực hiện

Xác nhận kết quả

và dự kiến phát triển

Kết luận

Hiệu chỉnh các tác vụ

Hiệu chỉnh hoặc đặt lại vấn đề

Khơng đạt yêu cầu

Hiệu chỉnh các mục tiêu

Hiệu chỉnh các rào cản

Hình 2.1 Lược đồ logic tiếp cận h

đốt chất thải rắn

ệ thống thiết bị Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị phân

tích nhiệt vi sai

Hình 2.4 Thiết bị đốt kiểu cột nhồi

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bị đốt kiểu

cột nhồi

ïi vật liệu được sử dụng trong

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

O2, CH4 Giá trị nồng độ các khí được biến đổi và truyền dẫn về máy tính Ngoài ra, trong khi quá trình

cháy xảy ra, khối lượng vật liệu cũng giảm theo thời gian và được ghi nhận bởi hệ thống cân tự động và cũng được truyền dẫn thông tin về máy tính Máy tính có nhiệm vụ nhận các thông tin truyền dẫn về theo quy luật tương tự, mã hoá và biến đổi các tín hiệu này thành các giá trị số và biểu đạt trên mô hình đồ hoạ thông qua một phần mềm chuyên dụng

2

Các tông

Khăn giấy

Gỗ thông

.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

Hình 2.8 trình bày các loathí nghiệm

3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống

i nghiên cứu của luận án này, khu vực buồng lò di chuyển (S5) khi được tiến hành phân hoạch theo không gian

phần thể tích

n phân tích định tính cấu trúc hệ thống thiết

ba của cấu

tán S s) Nhiệt lượng Q từ quá trình cháy của

hí ở bề mặt phân chia pha và đi vào pha liên tục

tại các nút mạng tinh thể trong cấu tạo của vật liệu sẽ trở nên linh động hơn, làm cho các

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ TH

Áp dụng phương pháp phân hoạch hệ thống trong phạm v

đốt sơ cấp của đối tượng thiết bị vỉ

thành những cột thẳng đứng gồm phần đáy vỉ lò có lỗ cho phép không khí sơ cấp đi vào khối vật liệu rắn từ bên dưới, khối vật liệu rắn nằm trên ghi lò (S5b) và khoảng không gian bên trên khối vật liệu rắn (S5a) Xét hệ thống thiết bị đốt kiểu cột nhồi chất thải rắn (S5b) Phân hoạch theo không gian thiết bị sẽ thu được hai vùng cơ bản là vùng sơ cấp (còn gọi là buồng sơ cấp) và vùng thứ cấp (buồng thứ cấp) Tiến hành phân hoạch vùng sơ cấp theo không gian thành những vùng nhỏ hơn gọi là thể tích hữu hạn (control volume hoặc finite volume) trong đó có chứa cả pha liên tục và pha phân tán Phần không gian này là một hệ thống mới được gọi là quần thể các hạt đa phân tán trong môi trường liên tục (S4)

Tiếp tục phân hoạch quần thể các hạt đa phân tán thành các phần nhỏ hơn Chọn một phần nhỏ mới tạo thành chỉ gồm một hạt rắn duy nhất và phần không gian bao quanh hạt rắn và nằm trong

hữu hạn Đến đây ta được hệ dị thể một hạt (S3) Tiếp tục phân hoạch hệ dị thể một hạt này, xét hệ chỉ gồm hoàn toàn pha rắn hoặc hoàn toàn pha khí, ta thu được hệ thống mới này là hệ đồng thể vi mô (S2)

Các hệ đồng thể vi mô này là các chất hỗn hợp chứa các đơn chất và hợp chất ở cấp độ phân tử Tiếp tục phân hoạch hệ đồng thể vi mô này ta sẽ thu được một tập hợp gồm các phân tử (S1)

Cấu trúc phân tầng của hệ thống đốt/nhiệt phân vật liệu rắn như sau:

Vùng sơ cấp (vật

s bao quanh một phần là một hạt vật liệu rắn hay một hạt vật liệu rắn - pha phân lớp vật liệu bên trên truyền vận tới các pha S

ử rác thải rắn (trong trường hợp này được

s làm cho nội năng Ug, Us của pha khí S3,i

g và hạt vật liệu rắn S3,i

s tăng lên Lượng nhiệt Q truyền vận vào hệ

S3,i phụ thuộc vào cường độ năng lượng phát xạ Is của lớp vật liệu cháy bên trên, khả năng hấp thụ bức xạ es của vật chất trong pha liên tục và pha phân tán

Trong quá trình tăng nội năng của hệ, các phân tử nước thuộc cấu trúc của S3,i

s bắt đầu di chuyển từ bên trong ra bên ngoài bề mặt, khuếch tán qua lớp phim k

S3,i

g với động lực khuếch tán hơi ẩm là độ chênh lệch áp suất hơi bão hoà trên bề mặt ΔPH2O Tốc độ khuếch tán còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, kích thước hình học cũng như diện tích bề mặt của pha phân tán Các phần tử khí trong pha liên tục di chuyển ra khỏi hệ S3,i đang xét và đi vào các hệ S3,i+1 liền kề Theo nghiên cứu của Ryu và cộng sự (2001), thời gian sấy vật liệu thường kết thúc trong khoảng 2 phút [14]

Đồng thời với quá trình thoát hơi ẩm tự do và hơi ẩm liên kết ra khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn, các nguyên tử C, H, O,

liên kết giữa cacbonvà cạc bon, cacbonvà hydro, cacbonvà ôxy hoặc các gốc tự do khác nếu có trở nên yếu đi Khi hạt chất thải rắn nhận một năng lượng đủ lớn, các liên kết trong phần tử hạt rắn sẽ bị đứt gãy, dẫn đến kết quả sẽ tạo thành các chất hữu cơ, mà chủ yếu là các hydrocacbon và aldehyt Lượng và thành phần chất hữu cơ được tạo thành tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu tạo bên trong của hạt

liệu rắn)

Hệ dị thể đa phân tán

Hệ dị thể một hạt

Hệ đồng thể vi mô

Hệ các phân tử

ä tạo thành ứng cháy (phản ứng

én giải phóng hơi ẩm, phần tử hơi nước khuếch tán từ trong hạt vật

ha khí và truyền nhiệt ngược đến pha

ûa pha liên tục chứa một quần thể các

NHIỆT TRỊ

Khăn giấy Các tông Gỗ thôn

vật liệu rắn trong hệ S3,i Các chất hữu cơ được tạo thành sẽ thoát ra khỏi hạt vật liệu rắn, đi vào trong pha khí Nghiên cứu của Goh và cộng sự, (1998) đã chỉ ra các chất hữu cơ bay hơi được giải phóng ở nhiệt độ khoảng 260oC [15] hoặc theo nghiên cứu của Ryu và cộng sự, (2001) là 300°C [14]

Khi các liên kết ban đầu của vật liệu bị đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắn S3,i

s sẽ giảm dần đồng thời các liên kết mới cũng được tạo thành, tạo ra sản phẩm mới ở thể rắn là bitum và than Tốc đo

than và bitum cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu tạo của vật liệu rắn

Lúc này, ôxy tự do từ trong pha khí bao quanh bên ngoài hạt rắn khuếch tán đến bề mặt của hạt vật liệu rắn, sẽ tiếp xúc với các nguyên tử cacbon của phần tử than, bitum và tạo ra phản

ôxy hoá khử), sinh ra năng lượng Tốc độ cháy của than được kiểm soát bởi sự khuếch tán của lớp phim khí hỗn hợp và tốc độ phản ứng [15]

Tương ứng với các quá trình xảy ra trong pha rắn, pha khí bao quanh một hạt vật liệu rắn cũng xảy ra các quá trình tương ứng Khi hạt vật liệu ra

liệu ra bên ngoài pha khí bao quanh làm cho mật độ của phần tử hơi nước tăng lên tại một thời điểm tức thời Phần tử hơi ẩm ngay lập tức bị lôi cuốn bởi pha khí đi từ dưới lên làm giảm mật độ hơi ẩm trong vùng thể tích hữu hạn bao quanh hạt rắn Khi các chất hữu cơ trong pha rắn được tạo thành và khuếch tán

ra khỏi lớp bề mặt của hạt vật liệu rắn, các phần tử chất hữu cơ sẽ tiếp xúc với ôxy và bắt cháy, sinh năng lượng Sản phẩm cháy và các chất hữu cơ bay hơi chưa cháy, ôxy và các phần tử khí khác sẽ

chuyển động sang những thể tích hữu hạn khác ở bên cạnh và bên trên

Năng lượng sinh ra từ các phản ứng cháy sẽ trao đổi nhiệt trực tiếp với p

Quá trình cháy của các

chất hữu cơ trong pha

khí

Quá trình giải phóng ẩm, nhiệt phân, khí hoá than của pha rắn

rắn bằng bức xạ

Lớp thứ tư trong cấu trúc phân tầng quan tâm đến phần thể tích hữu hạn cu

hạt đa phân tán (hệ S4,i) Mô tả quan trọng nhất đối với hệ đa phân tán ở lớp bốn sẽ là phương trình cân bằng tính chất tập đoàn hạt (thường được gọi tắt là phương trình cân bằng hạt) phản ảnh sự biến đổi hàm mật độ phân bố hạt trong quá trình cháy

3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG QUÁT, THÀNH PHẦN CƠ BẢN,

Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát

ối liên hệ giữa nhiệt trị v thành phần ng quát đượ u diễn g qua mối l

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở trên, giá trị HHV của khăn giấy, các tông, gỗ tho

tranh theo thành phần tổng quát như sau:

Đối với các tông: HHV = 0,3037*

(3.3)

Đối với gỗ thơng: HHV = 0,3136*%FC+0,1789*%VM – 0,0278*%Ash

(3.4)

Đối với rơm:

Nhiệt sinh ra từ các phản ứng

cháy trong pha khí và sự

chá

Khối lượng vật chất trong pha rắn chuyển sang pha khí do khuếch tán

y của than

Gradient

Giảm kích thước của hạt vật liệu rắn

Phân bố hạt theo kích thước LỚP 4

Hình 3.2 Phân tích định tính cấu trúc hệ thống

Đối với cỏ tranh: HHV = 0,2536*%FC+0,1871*%VM – 0,1071*%Ash

0 0.1 0.3 0.9

0 200 400 600 800 Temperature, o C

0.5 0.7 1

0.00 0.00 0.006 0.014

0 4 0.008 0.012

dα/dt α

Nhiệt độ, 0 C

0 0.1 0.3 0.8

0 200 400 600 800 Temperature, o C

0.5 0.7 1

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100

0 200 400 600 800 Temperature, o C

0 0.01 0.03

0.09

0.4 0.6

ûa khăn giấy ca

Từ kết quả th các loại vật liệu rắn, có thể rút ra một số kết

™ Quá trình bắt cháy của hạt vật liệu diễn ra qua bốn giai đoạn chồng lấn

™

Đồ thị đo

hiện

Hình 3.8-3.12 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của khăn giấy, các tông, gỗ thông, cỏ tranh, rơm

Mô hình động học quá trình cháy của hạt vật liệu rắn trong không khí được xác định theo phương trình Arrhenius như sau:

H

Kết quả cho thấy, đối với khăn giấy, δ = 1,1%; đối với các tông, δ = 1,9%; đối với gỗ thông, δ = 0,8%;đối với rơm, δ = 0,5%; và đối với cỏ tranh, δ = 0,9%

M thành phần tổng quát, phân tích cơ bản đã được nghiên cứu rất n

Năm 1997, Demirbas tính HHV của sinh khối dựa vào phân tích thành phần tổng quát HHV = 0,196[FC]+13,119 [27] Năm 2005, Sheng, C và cộng sự, đã đề nghị công thức tính HHV của sinh khối

,3675+0,3137[C]+0,7009[H]+0,dựa vào phân tích cơ bản HHV = -1 0318[O] [28] Parikh, J và cộng sự, đã tính HHV từ phân tích thành phần tổng quát của vật liệu rắn HHV = 0,3536[FC]+0,1559[VM]-0,0078[Ash] [29] Kết quả thu được trong nghiên cứu này so với công thức của Parikh, J và cộng sự, là thích hợp nhất

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI

Hình 3.3-3.7 Đường cong TG cu ùc tông, gỗ thông, cỏ tranh, rơm

lên nhau gồm: quá trìnhải phóng ẩm, quá trình thu nhiệt gia tăng nhiệt độ trong toàn hạt vật liệu, quá trình

giải phóng vật chất và quá trình cháy của than cơ bản

™ Với tất cả các loại vật liệu nghiên cứu, sự giải phóng ẩm diễn ra trong khoảng từ 3 đến 6 phút Kết quả này phù hợp với nhiều nghiên cứu đã công bố đối với các loại vật liệu tương tự [14, 30] Trong quá trình giải phóng hơi ẩm, hạt vật liệu tiếp tục gia tăng nhiệt độ đến nhiệt độ nhiệt phân

™ Khi hạt vật liệu đạt đến nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ giải phóng vật chất diễn ra rất nhanh trong khoảng 15 đến 25 phút, sau đó tốc độ giải phóng vật chất giảm dần Điều này cho phép dự đoán đã có xảy ra một quá trình ngưng tụ một phần vật chất đã được giải phóng trên bề mặt lớp vật liệu còn lại, tạo ra lớp vỏ bọc ngăn cản làm cho qúa trình giải phóng vật chất từ pha rắn vào pha khí diễn ra chậm hơn Vấn đề này sẽ tiếp tục được nghiên cứu làm rõ trong mô hình lớn hơn, tức là hệ thống thiết bị đốt kiểu cột nhồi

Trong khi vật liệu rắn giải phóng vật chất hữu cơ, quá trình cháy của than cũng diễn ra Do tốc độ cháy của than diễn ra chậm, đường cong TG biểu diễn sự suy giảm khối lượng cũng diễn ra theo xu hướng tiệm cận với giá trị độ tro trong vật liệu

ä chuyển hóa và vi phân độ chuyển hoá theo thời gian của các loại vật liệu nghiên cứu được thể trong các hình như sau:

n RT

E k

n là bậc của phản ứng ; R là hằng số khí ; Logarite hoá hai vế của phương trình (3.9), phương trình mới được viết l ln ln[ .(1 )n] ⎛ E⎞(1)

0

k d

⎝

(3.10) Sắp xếp lại phương trình (3.10), có: ln[dα/dt]= lnk0+nln( 1 −α) −E/RT (3.11)

Temperature, o C

0.03 0.05 0.07 0.09 0.1

0 0.1 0.3

0.5 0.7 0.9

α dα/dt

Nhiệt độ, 0 C

0 10 60

0 200 400 600 800 Temperature, o C

20 40

Nhiệt độ, 0 C

8%

0 10 30 50 70

0 200 400 600 800 Temperature, o C

0 200 400 600 800 1000 Temperature, o C

67%

20 40

Các hệ

hời gian như sau:

™ E = 28,80kJ/mol, k = 3607,3 và n = 0,2192 cho khăn giấy;

tùy thuộc vào vật liệu rắn đem đốt Khối lượng

của vật liệu Việc bố trí các đầu dò nhiệt độ dọc theo chiều cao cột nhồi sẽ cho phép xác định

đ

mà ngọn lưVới chiều cao cột nhồi là 32cm, các đầu dò nhiệt độ trong cột là từ T1 đ

nhiệt độ là 8cm Tốc độ bắt cháy của nhi iệu

™ Đối với cỏ tranh, E = 28,1kJ/mol, k = 16670

2.103 và n = 0Đối với rơm, E = 117,45kJ/mol, k = 60, ,341;

sánh các kết quả nghiên cứu của Garcia et al, (1995), Biagini và cộ

4), enneca và cộng sự, (2006), kết quả trong nghiên cứu này là phù

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA VẬT LIỆU

á trình cháy của hỗn hợp khăn giấy và các tông

Quá trình bắt cháy của vật liệu rắn diễn ra theo các giai đoạn chính: bay hơi ẩm, nhiệt phân để giải phóng các chất hữu cơ ở nhiệt độ khoảng 260oC [14]

Quá trình tiếp theo là quá trình cháy của than và tạo thành tro Liên quan đ

độ cao, các hợp chất hữu cơ mạch lớn bị bẻ gãy thành các m

Khí cháy có thành phần chủ yếu gồm CO, CO2, H2O, O2, bụi tro, CxHy (chủ yếu là CH4) Ngoài ra, thành phần NOx, SOx có mặt trong khí cháy với thành phần

,5kg và 1,mẫu được sử dụng là 0 0kg cho hỗn hợp 70% khối lượng khăn giấy và 30% khối lượng các tông

Hỗn hợp giấy được đốt trong điều kiện không khí sơ cấp là Q=468kg/m2h, và Q=1404kg/m2h Kích thước tương đương của khăn giấy và các tông là 0,26mm và 1,5mm tương ứng, do vậy, hệ được xem là hệ dị thể đa phân tán Thí nghiệm này nhằm xác định sự ảnh hưởng của không khí sơ cấp, độ rỗng của hệ đến sự cháy

tốc độ truyền nhiệt trong hệ

Thí nghiệm thứ nhất được thực hiện với khối lượng vật liệu rắn nhồi vào ban đầu là 0,5kg, chiều cao cột sau khi nhồi là 32cm tương ứng với khối lượng riêng xốp là 49,736kg/m3 Đường biểu diễn nhiệt độ trong cột nhiên liệu được trình bày trong Hình 3.13 và 3.14, tương ứng với không khí sơ cấp là Q=468kg/m2h và Q=1404kg/m2h như sau:

Như đã biết, nhiệt độ bắt cháy của vật liệu rắn ở khoảng 300oC Trong thiết bị lò đốt kiểu cột nhồi, vật liệu rắn bắt đầu cháy ở

g đứng IFS = dz/dt, m/h

ến T5, khoảng cách mỗi vị trí đotrong cột tính từ T5 đến T4, T4m/h Tốc độ bắt cháy trung bìnhrong cả cột nhiên liệu là 3

ên liệu giữa từng đoạn vật l

; 3,84m/h; 3,11m/h; và 5,27m/h Khi ngọn lửa bắt đầu chạm đáy cột (T1), quá trình bắt cháy của nhiênliệu kết thúc Trong khi quá trình bắt cháy của nhiên liệu đang xảy ra, quá trình ôxy hoá than cũng xảy

ra trong lớp nhiên liệu ở bên trên Tổng khối lượng nhiên liệu giảm trong giai đoạn bắt cháy là 0.4kg Ở đoạn đầu tiên của cột nhiên liệu (T5-T4), vật liệu rắn bắt cháy trong khoảng 85s, và khối lượng vật chất được giải phóng là 0.125kg Trong đoạn kế tiếp, khối lượng vật chất được giải phóng là 0.09kg trong khoảng 75s Ở giai đoạn thứ ba, 0.08kg vật liệu rắn được giải phóng trong 70s Khi ngọn lửa đi từ vị trí T2 đến đáy cột nhiên liệu, khối lượng vật liệu rắn được giải phóng là 0.06kg trong 50s Định nghĩa tốc độ cháy trong giai đoạn bắt cháy là:

dt

dm A

1 BR cross

= , kg/m2h (3.13) Với dm là độ giảm khối lượng trong khoảng thời gian dt trong giai đoạn bắt cháy Khi ngọn lửa di chuyển từ trên xuống dưới, tốc độ cháy ghi nhận được như sau: BR1 = 182kg/m2h; BR2 = 137kg/m2h; BR3 = 131kg/m2h; và BR4 = 137kg/m2h Tốc độ cháy trong giai đoạn đầu cao hơn giai đoạn sau do tổng lượng vật chất được giải phóng nhiều hơn Trong giai đoạn sau, hầu hết ẩm đã được giải phóng, khối lượng vật chất được giải phóng ít hơn trong khi tốc độ bắt cháy cao hơn Điều này cho phép đặt vấn đề về việc có một

0 0.1 0.2

0 2 4 6 8 10

T5-T4 T4-T3 T3-T2 T2-T1

468 1404

Hình 3.13 Diễn biến nhiệt độ theo

Hình 3.14 Độ giảm khối lượng theo

thời

thời gian

Hình 3.17 Giá trị IFS trong các thí

nghiệm

diễn ra trong điều kiện đủ không khí cung cấp, quá trình cháy sẽ diễn ra

đầu tại giá trị lớn hơn SBR, sau đó giảm dần đến

hơn SBR Ý nghĩa u

mohơiSBđ

áttrình xảy ra ở đoạn cuối của cột nhiên l

hoá trước khi giai đoạn bắt cháy kết thúc

m = (SBR-ABR) AcrossΔt /3600+(mfixed_cacbon+ mash), kg

lượng vật chất được tạo thành từ hơi khí nhựa đường Vấn đề này sẽ được định lượng rõ hơn trong phần sau

Trường hợp 2 (Q=1404 kg/m2h), diễn biến nhiệt độ và độ giảm khối lượng theo thời gian được mô tả trong đồ thị Hình 3.15; 3.16

Tính toán IFS trong thí nghiệm này được IFS5-4 là 3,11m/h, IFS4-3 là 3,43m/h, IFS3-2 là 5,24m/h, và IFS2-1

là 6,40m/h Giá trị IFS trung bình cho cả quá trình là 5,05m/h

Giá trị IFS trong các thí nghiệm Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h được trình bày trong Hình 3.17 Rõ ràng, khi quá trình cháy

nhanh hơn Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của không khí sơ cấp đến quá trình cháy là rất đáng kể Tính toán tốc độ cháy BR trong thí nghiệm với không khí sơ ca

BR2 là 229kg/m2h, BR3 là 187kg/m2h và BR4 là 229kg/m2h Các giá trị này tương ứng cao hơn các gtrong trường hợp không khí sơ cấp Q=468kg/m2h cho thấy sự ảnh hưởng đáng kể của không khí sơ cấp đến sự cháy

Định nghĩa tốc độ cháy nghiêm ngặt (SBR): SBR = (mM + mVol)/(AcrossΔt), kg/h (3.14)

mM là tổng khối lượng ẩm ban đầu của vật liệu, kg

mVol tổng khối lượng các chất hữu cơ bay hơi có trong vật liệu ban đầu, kg

của việc so sánh BR và SBR là để mô tả lượng vật liệu bị tiêu

ï trong quá trình cháy Khi BR lớn hơn SBR, nghĩa là đã có

ät phần than bị tiêu thụ và/hoặc độ ẩm và các chất hữu cơ bay trong lớp vật liệu thấp hơn được giải phóng Nếu BR nhỏ hơn

R, quá trình cháy diễn ra chậm hơn do có một lượng vật chất ược tạo thành từ các chất hữu cơ bay hơi (quá trình ngưng hơi khí nhựa đường) hoặc vật liệu cháy bị chậm lại do tác động của quá trình truyền nhiệt, truyền khối

0.026 0.028

0.017

-0.004

-0.007 -0.005

-0.010 -0.020

lượng than bị tiêu thụ hoặc độ ẩm, cha

Định nghĩa tốc độ cháy trung bình (AB

thời gian của quá trình ba rên một đơn vị diện tích mặt cắt của cột ABR = mR) là tỉ số giữa tổng khối lượng vất chất bị mất đi trong một lost/(AcrossΔt), kg/m2h (3.15)

Giá trị ABR trong Q=468 kg/m2h là 149kg/m2h trong khi Q=1404 kg/m2h là 216kg/m2h So sánh giá trị của ABR và SBR sẽ giải thích được nguyên n

điểm bắt cháy cao hơn hoặc thấp hơn tổng khối lượng của cacboncố địnhvà tro trong nhiên liệu ban đầu Kết quả này cũng đã chỉ ra rằng kết quả trong nghiên cứu của Ruy và cộng sự, [35] là không chính xác Định nghĩa vận tốc bắt ch

và diện tích mặt cắt IR = M0/(Δt.Across), kg/m2h (3.16)

Gọi ρbulk là khối lượng riêng đổ đống của vật liệu: ρbulk = M0/(H0.Across), kg/m3 (3.17)

Vận tốc bắt cháy có thể tính như sau: IR = M0.H0/(H0.Δt.Across) (3.18)

Kết hợp (3.17) và (3.18) cho: IR = (H0/Δt).ρbulk (3.19)

Do vậy, IR có thể được tính toán từ IFS: IR = IFS.ρbulk (3.20) Theo công thức (3.20), vận

0.140 0.142

0.16

174kg/m2h, và trong Q=1404 kg/m2h là 229kg/

Khối lượng vật chất trê lò vào thời

0.10

bắt cháy được

0.011 0.020

468 1404

Hình 3.18 Giá trị BR và SBR trường hợp

Hình 3.19 Khối lượng vật chất trong từng giai

0.060 0.064 0.06

3.60 3.20 4.11

0 4 6

0,060kg Sai số giữa tínQ=1404 kg/m2h

Định nghĩa giá trị tỉ lệ ôxy tương đương

hối lượng vật liệu còn lại sau quá trình b t cháy trong trường hơ

à trong thí nghiệm đo đạc thực tế là 0,140kg Trong Q=1404

h toán được là 0,064kg trong khi số liệu ghi nhận

71% cho Q=468 kg/m2h, và 6

trong giai đoạn bắt cháy: ER = mair_st/mair_sup (3.23) phản ứng cháy, tính theo phương trình phản ứng, kg/m2h

fuel I TL st

m

233 0 _ = 32A BR (3.24); A

ố này

o

68 kg/m2h nhỏ hơn trong Q=1404 kg/m2h, do đó thành phần khí

0 giây đầu tiên, trong Q=468 kg/m2h, nồng độ CO2 hầu hết vào

2h Trong khoảng 50 giây, nồng độ CO trong Q=468 kg/m2h độ CO cao nhất là 14% xảy ra trong

kg/m2h cao hơn trong Q=468 kg/m2h cũng đã giải thích được các nhận Tiến hành thí nghiệm tương tự nhưng chiều cao của cột nhồi là 56cm 1kg Không khí cung cấp cũng thực hiện theo chế độ Q=468 kg/m2

Trong thí nghiệm này, do chiều cao cột nhồi lớn hơn, khối lượng vật li

FS tro äm này được thể hiện trong Hình 3.22:

ột Quan hệ BR và

a quá trình, điều tiếp theo được thực

TL

= 18w + 12x + y + 16

= x + y/4 – z/2 là số mol ôxy cần thiết cho phản ứng là khối lượng phân tử của nhiên liệu ban đầu (giả sử nhiên liệu được viết gọn lại thành (wH2O).CxHyOz); mair_sup là khối lượng không khí thực cung cấp, kg/m2h

Giá trị ER trong Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h là 0,809 và 0,415 theo thứ tự Ý nghĩa của hệ slà khi ER tăng lên, quá trình cháy sẽ là thiếu ôxy, điều này dẫn đến nồng độ các trong chất khí cháy sẽ ca

Không khí cung cấp trong trường hợp Q=4cháy sinh ra cũng rất khác nhau Trong 15khoảng 18% so với 14% trong Q=1404 kg/mtừ 14% đến 16% trong khi đó nồng

khoảng thời gian ngắn trong Q=1404 kg/m2h trong khoảng thời gian là 180 giây Ôxy dư trong Q=1404

xét đã nêu ra

với khối lượng vật liệu ban đầu là

98 90

81 0

50 100

Thời gian, s

0 0.1 0.3 0.5

Thời gian, s

SBR trong thí nghiệm được trình bày trong Hình 3.23:

Hình 3.23 cho thấy đường biểu diễn của BR chỉ lớn hơn SBR ở thời điểm đầu và cuối củnày đúng là vì chiều cao, độ rỗng của khối hạt đã có ảnh hưởng lớn đến tốc độ cháy của nhiên liệu trong cột Một phần than được sinh ra trong quá trình ngọn lửa di chuyển từ đỉnh xuống đáy cột nhồi

Để nhận rõ hơn sự ảnh hưởng của không khí cung cấp đến quá trình cháy, thí nghiệmhiện cũng với chiều cao cột nhồi là 56cm, khối lượng vật liệu nhồi là 1kg Không khí cung cấp là Q=1404 kg/m2h kết quả được trình bày trong Hình 3.26; 3.27

O2

0 4 8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

10 14 18 22

Giai đoan bắt cháy Giai đoan khí

CO2 CO

172 150

115 229

102 200

250

BR SBR

600 800 1000

o C

T1 T3 T5

0 100 300

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Thời gian, s

500 700 900 1000

0 0.1 0.2 0.3 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Thời gian, s

Hình 3.20 Khối lượng vật liệu còn lại sau

quá trình bắt cháy

thời gian tại các vị trí trong cột theo thời gian

g/m 2 h Hình 3.25 Tốc độ cháy theo

thời gian

Hình 3.23 Độ giảm khối lượng Hình 3.24 IFS trong Q=468 k

một lần nữa, nhận định về

ûng của không khí

sơ cấp đến quá trình cháy được xác định Tổng khối lượng vật chất bị tiêu

ai là 0,76kg trong khoảng thời gian 440s

Nhiệt độ tại các vị trí trong cột trong Q=1404 kg/m2h nhìn chung là cao hơn nhiệt độ tại cùng vị trí trong Q=468 kg/m2h Điều này chứng tỏ quá trình cháy diễn ra tốt hơn Trong khoảng 130s đầu, giá trị IFS và BR đều tăng lên, giá trị BR cao hơn SBR Quá trình cháy diễn ra với sự giải phóng ẩm, các chất hữu cơ bay hơi và một phần cacboncố địnhcũng bị cháy Sau 130s, tốc độ cháy, tốc độ bắt cháy giảm dần đến khoảng 340s Vào cuối của quá trình, tốc độ cháy, tốc độ bắt cháy lại tăng lên, báo hiệu sự tiêu huỷ vật liệu tăng lên tương ứng Giá trị vận tốc bắt cháy (IR) trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h là 176kg/m2h và 244 kg/m2h

Rõ ràng, trường hợp ôxy cung cấp nhiều sẽ ảnh hưởng đến sự cháy của nhiên liệu trong cột Tại thời

điểm đầu và cuối, quá trình cháy xảy ra với lượng nhiên liệu bị tiêu huỷ nhiều hơn trong khi giai đoạn giữa, tốc độ cháy chậm dần do thiếu ôxy, trở lực khuếch tán trong pha khí và rắn lớn

Tương tự, tính toán khối lượng vật chất còn lại trên ghi lò trong trường hợp không khí cung cấp là Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h được thể hiện trong Hình 3.31 Sai số trong kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm trong trường hợp Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h là 3,5% và 5,8%

Các giá trị ER hai thí nghiệm này tính được là 1,309 và 0,800 trong Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h Điều này có nghĩa là trong trường hợp Q=468 kg/m2h, thành phần khí cháy thiếu ôxy

Đầu hút khí cháy trong trường hợp Q=468 kg/m2h được đặt ở vị trí 40cm bên trong cột, do vậy phải mất 380s mới thu được mẫu khí cháy đầu tiên Trong trường hợp Q=1404 kg/m2h, đầu hút khí được bố trí tại đỉnh của cột nhiên liệu Trong Q=468 kg/m2h, nồng độ CO2 xuất hiện khoảng 18% trong vòng 700s, trong khi nồng độ CO2 chỉ xuất hiện ở dạng giá trị tức thời tại thời điểm 150s và 350s trong Q=1404 kg/m2h Hai giá trị tức thời tại thời điểm 820s và 510s trong Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h đã chỉ rõ rằng giai đoạn khí hoá than bắt đầu

3.4.2 Quá trình cháy của hỗn hợp các tông và gỗ

Tiếp tục nghiên cứu quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn khác gồm carông (50% KL) và gỗ (50% KL) trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi với khối lượng vật liệu ban đầu lần lượt là 0,5 và 1,0kg ở điều kiện cấp khí sơ cấp là Q=468kg/m2h và Q=1404kg/m2h

Trong thí nghiệm này,

229 321

150 200 250 300 350

2 h

BR SBR

122

76 0

50 100

1,92 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Giai đọan đầu

Giai đoạn bắt cháy Giai đoạn khí hóa

0 4 8 10 14 18 22

Giai đoạn khí hóa Giai đoạn bắt cháy

Hình 3.32 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=468 kg/m 2 h

Hình 3.31 Khối lượng vật chất còn lại trên ghi Hình 3.30 Khối lượng vật liệu tiêu huỷ hoặc sinh ra

Hình 3.33 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m 2 h

RHình 3.34R-3.37R Diễn biến nhiệt RđRộR, đRộ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/mP