BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG QUÁ TRÌNH THIÊU
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG
NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204
S 0 9
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG QUÁ TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
S KC 0 0 3 8 1 8
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG QUÁ TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY – 10.025.204.013
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG QUÁ TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM
Trang 4LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Lê Quốc Kháng Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1981 Nơi sinh: Sóc Trăng
Quê quán: Sóc Trăng Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 448/14 Quốc Lộ 1, Phường 2, TP Sóc Trăng, Sóc Trăng
Điện thoại nhà riêng: 0793.610611
2005 đến nay Trường THPT Hoàng Diệu – Sóc Trăng Giáo viên
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Lê Quốc Kháng
Trang 6LỜI CẢM TẠ
Trước hết chân thành cảm ơn quý thầy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt thời gian học vừa qua tại trường Nhất là những thầy trong khoa Cơ khí Chế tạo máy đã cung cấp cho tôi những kiến thiết chuyên môn cần thiết cho tôi hoàn thành luận văn
Đặc biệt xin cảm ơn TS Nguyễn Thanh Hào trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian làm luận văn Thầy đã chuyền đạt những kiến thức chuyên môn và những tài liệu tham khảo hữu ích cho việc hoàn thành luận văn của mình
Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp đã đưa ra những ý kiến đóng góp, ổ trợ phương tiện cần thiết thực hiện luận văn
Một lần nữa xin cảm ơn tất cả!
TP.HCM, tháng 10 năm 2012
Người thực hiện
Nguyễn Lê Quốc Kháng
Trang 7TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn đề cập đến việc xây dựng mô hình tính toán và ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT trong mô phỏng quá trình xử lý khí thải bên trong tháp hấp thụ Phương pháp mô phỏng này dựa trên cơ sở tình toán kết quả xử lý khí thải, Code Matlab và kết quả mô phỏng trên ANSYS FLUENT Kết quả tính toán chính là nồng độ các khí thải SO2, NO2, CO2 trong quá trình thiêu đốt xác gia cầm sinh ra được xử lý bằng phương pháp hấp thụ với chất hấp thụ được sử dụng là Ca(OH)2 Các kết quả tìm được, đem phân tích đối chiếu với kết quả tính toán, Code Matlab
và kết quả mô phỏng trên ANSYS FLUENT Kết quả phân tích góp phần quan trọng trong việc tính toán và tối ưu hóa hệ thống
ABSTRACT
The thesis refers to the formation of computational models and ANSYS FLUENT sofware application in simulation of the exhaust fumes treatment process in the obsorption tower This simulation method based on the calculation of CODE MATLAB exhaust fumes treatment results and ANSYS FLUENT simulation results The calculation result is the concentration of the exhaust fumes SO2, NO2, CO2 born in the scorching process of identify birds and handled by the absorbing method that their absorbent is Ca(OH)2 The search results are analysed and compared with CODE MATLAB calculation results and ANSYS FLUENT simulation results Analysis result played a key part to the calculation and optimization of the system
Trang 8MỤC LỤC:
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Cảm tạ iii
Tóm tắt iv
Mục lục v
Danh sách các chữ viết tắt x
Danh sách các bảng xii
Danh sách các hình xiv
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1
1.1.1 Nghiên cứu nước ngoài 1
1.1.1.1 Hệ thống xử lý nhiều tầng 1
1.1.1.2 Phương pháp loại bỏ SOx và NOx từ hệ thống lò đốt 2
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 4
1.1.2.1 Lò đốt và xử lý khói thải lò đốt chất thải nguy hại 4
1.1.2.2 Lò đốt rác y tế 6
1.1.3 Các vấn đề khoa học còn tồn tại cần nghiên cứu để giải quyết hiện nay 8
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8
1.3 Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 9
1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 9
1.5 Phương pháp nghiên cứu 9
1.6 Kế hoạch thực hiện 10
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KHÍ THẢI 11
2.1 Xử lý khí và hơi bằng phương pháp thiêu hủy 11
2.1.1 Thiêu hủy bằng nhiệt 11
Trang 92.1.2 Thiêu hủy bằng phương pháp hóa học 11
2.1.3 Thiêu hủy bằng phương pháp đốt 11
2.1.3.1 Đốt không có chất xúc tác 12
2.1.3.2 Đốt có chất xúc tác 12
2.2 Phương pháp ngưng tụ 12
2.3 Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ 13
2.3.1 Khái quát về hiện tượng hấp phụ 13
2.3.1.1 Hấp phụ vật lý 14
2.3.1.2 Hấp phụ hóa học 14
2.3 Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ 15
2.3.1 Nguyên lý phương pháp hấp thụ 15
2.3.1.1 Hấp thụ vật lý 15
2.3.1.2 Hấp thụ hóa học 17
2.3.1.2.1 Sự chuyển chất trong quá trình hấp thụ 17
2.3.1.2.2 Cân bằng pha trong hệ khí – lỏng 18
Chương 3: CHẤT HẤP THỤ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 20
3.1 Đối với NOX 20
3.1.1 Hấp thụ NOX bằng than hoạt tính 20
3.1.2 Hấp thụ NOX bằng silicagen 20
3.1.3 Hấp thụ NOX bằng keo nhôm 20
3.1.4 Hấp thụ NOX bằng than bùn có tính kiềm trong thiết bị tầng sôi 21
3.1.5 Hấp thụ NOx bằng amoni cacbonat 21
3.1.6 Hấp thụ NOx bằng nước 21
3.1.7 Hấp thụ khí NOx bằng kiềm 22
3.2 Đối với khí SO2 22
3.2.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước 22
3.2.2 Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch soda 23
3.2.3 Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch amoniac 23
3.2.4 Hấp thụ khí SO2 bằng các amin thơm 24
3.2.5 Hấp thụ đồng thời khí SO2 và NOx bằng NaOH và Na2CO3 24
3.3 Đối với khí CO2 25
Trang 103.3.1 Hấp thụ khí CO2 bằng các dung dịch etanolamin 25
3.3.2 Hấp thụ khí CO2 bằng dung dịch amoniac 25
3.3.3 Hấp thụ khí CO2 bằng dung dịch kiềm 26
3.3.4 Hấp thụ khí CO2 bằng nước 26
3.4 Đối với CO 27
Chương 4: TÍNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 29 4.1 Công suất và thành phần cần thiêu hủy 29
4.2 Tính toán lượng vật chất vào lò và ra khỏi lò 29
4.2.1 Cân bằng vật chất 29
4.2.1.1 Lượng vật chất cấp vào lò 30
4.2.1.1.1 Lượng không khí nạp vào lò 31
4.2.1.1.2 Tổng lượng vật chất vào lò 34
4.2.1.2 Lượng vật chất ra khỏi lò 34
4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng 35
4.2.2.1 Nhiệt lượng đưa vào lò 36
4.2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng ra khỏi lò 38
4.3 Tính toán thiết kế tháp hấp thụ 40
4.4 Kết quả code matlab 44
Chương 5: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BÊN TRONG THÁP HẤP THỤ 45
5.1 Mô hình hóa hệ thống 45
5.2 Mô tả bài toán và điều kiện biên 46
5.2.1 Mô tả bài toán 46
5.2.2 Điều kiện biên 47
5.2.2.1 Điều kiện biên vận tốc vào 47
5.2.2.2 Điều kiện biên áp suất ra 48
5.3 Sử dung CFD trên ANSYS FLUENT mô phỏng quá trình xử lý bên trong tháp hấp thụ 48
5.3.1 Chia lưới tháp hấp thụ 48
5.3.2 Thiết lập điều kiện mô phỏng 50
5.3.2.1 Thiết lập điều kiện vận tốc khí thải vào 50
5.3.2.2 Thiết lập điều kiện biện vận tốc chất hấp thụ 51
Trang 115.3.3 Kết quả ảnh hưởng của vận tốc đến quá trình hấp thụ 51
Chương 6: KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ 54
6.1 Kết quả xử lý 54
6.2 Kết luận 55
PHỤ LỤC Chương 4 TÍNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 57
1 Tính toán tháp làm nguội 57
2 Tính toán thiết kế xiclon 61
3 Tính toán thiết kế ống khói 63
4 Tính toán chọn bơm dung dịch Ca(OH)2 65
5 Tính toán chọn bơm nước vào tháp làm nguội 67
6 Tính toán quạt hút 70
6.1 Tính quạt hút 1 70
6.2 Tính quạt hút 2 74
7 Tính toán các thiết bị phụ 76
7.1 Lưới đỡ đệm 76
7.2 Chọn vật liệu 77
7.3 Tính bích 77
7.4 Tính chân đỡ 79
8 Kiểm tra bằng Code Matlab 80
PHỤ LỤC Chương 5: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BÊN TRONG THÁP HẤP THỤ 93
5.1 Mô hình hóa hệ thống 93
5.1.1 Mô hình chi tiết tháp hấp thụ 93
5.1.2 Xuất bản vẽ sang file SAT 93
5.2 Mô phỏng bằng ANSYS FLUENT 93
5.2.1 Khởi động chương trình ANSYS FLUENT 93
5.2.2 Mô hình số (Geometry) 94
5.2.3 Chia lưới 94
5.2.4 Tiến hành mô phỏng (Setup) 96
5.2.4.1 Phần cài đặt 96
5.2.4.2 Phần Solution 102
Trang 125.2.4.3 Phần Results 104 5.2.4.4 Tháp đường kính 780mm cao 2500mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=1,2m/s 104 5.2.4.5 Tháp đường kính 850mm cao 2800mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=1,0m/s 110 5.2.4.6 Tháp đường kính 950mm cao 3200mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=0,8m/s 115 5.2.4.7 Tháp đường kính 1100mm cao 3700mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=0,6m/s 120 5.2.5 Kết quả mô phỏng 3 chiều 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO 127
Trang 13DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT KÝ HIỆU CÁCH VIẾT ĐẦY ĐỦ
1 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
2 DO Diesel Oil (Dầu diesel)
3 QCVN Quy chuẩn Việt Nam
4 QCVN 24:2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp
6 QCVN 02:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất
thải y tế
7 NXB Nhà xuất bản
8 ĐHQG Đại học Quốc gia
9 ĐHBKTPHCM Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh
10 G v Lượng vật chất nạp vào lò
11 G CT Lượng xác gia cầm tiêu hủy
12 G D Lượng dầu DO nạp vào lò
13 G kk Lượng không khí nạp vào lò
14 G O lt
2 Lượng oxi lý thuyết
16 O2 Khối lượng riêng của Oxi
17 kk Khối lượng riêng của không khí
20 Q CT Nhiệt lượng do xác gia cầm đưa vào lò
21 Q D Nhiệt lượng do dầu DO mang vào
22 Q KK Nhiệt lượng do không khí đưa vào lò
23 Q AM Nhiệt lượng do ẩm không khí mang vào lò
24 QCCT Nhiệt lượng do chất thải cháy
25 QCCT Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy
27 Q tro Nhiệt lượng của tro xỉ
28 Q hoi Nhiệt lượng của hơi nước
29 Q Mo Nhiệt lượng mất mát do mở cửa lò đốt
30 Q T Nhiệt lượng mất mát do tường lò
31 C d Nhiệt dung riêng của dầu DO
32 t d Nhiệt độ của dầu DO
33 C hn Nhiệt dung riêng của hơi nước
34 r Nhiệt ẩn hóa hơi
35 q d c Nhiệt trị thấp của dầu DO
36 G bui Khối lượng bụi
37 G tro Khối lượng tro
38 G k Khối lượng khói
39 L k Lưu lượng khói
40 D 1ln Đường kính của tháp làm nguội
41 H 1ln Chiều cao phần hình trụ của tháp làm nguội
42 h 1ln Chiều cao chóp trên của tháp làm nguội
Trang 1443 d k Đường kính ống khói
44 v k Vận tốc trong ống khói
45 h 2ln Chiều cao chóp đáy tháp
46 G n Khối lượng nước làm nguội
47 d nln Đường kính ống dẫn nước vào tháp làm nguội
48 v nln Vận tốc nước trong ống
49 d vln Đường kính lỗ vòi phun nước
50 d xln Đường kính ống xả nước về bể
51 D 1ht Đường kính tháp hấp thụ
52 H 1ht Chiều cao phần hình trụ của tháp hấp thụ
53 h 1ht Chiều cao chóp trên của tháp hấp thụ
54 h 2ht Chiều cao nắp đáy của tháp hấp thụ
58 H h,ô Chiều cao hình học của đường ống hút
59 H đ,ô Chiều cao hình học của đường ống đẩy
60 h h,ô Tổn thất áp suất trên đường ống hút
61 hđ,ô Tổn thất áp suất trên đường ống đẩy
62 h f Tổn thất áp suất của vòi phun
72 C o Nồng độ hơi ban đầu
73 m i Khối lượng của chất i được ngưng tụ
74 M i Phân tử lượng của chất
75 V R Lưu lượng khí ở đầu ra
76 V o Lưu lượng khí ở đầu vào
77 x Nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng
78 T Nhiệt độ làm việc
79 S Diện tích tiếp xúc giữa hai pha
80 P Áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí
Trang 15PHỤ LỤC:
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các yêu cầu công nghệ, thiết bị của lò đốt 5
Bảng 1.2: Kết quả phân tích khói thải và tro lò đốt rác thải y tế tại Bệnh đa khoa Long Phú − Sóc Trăng 8
Bảng 1.3: Kế hoạch thực hiện 10
Bảng 2.1: Độ hòa tan một số khí trong nước 18
Bảng 2.2: Độ hòa tan một số khí trong nước ở áp suất thường (cm3 khí/lít nước) 19 Bảng 3.1: Thứ tự hoạt động của dung dịch kiềm 22
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của xác gà theo khối lượng 29
Bảng 4.2: Thành phần dầu DO và khối lượng các chất có trong x kg dầu DO 31
Bảng 4.3: khối lượng mỗi chất tham gia quá trình cháy 31
Bảng 4.4: Hằng số cân bằng đối với sự hình thành NO 32
Bảng 4.5: Hằng số cân bằng đối với sự hình thành NO 32
Bảng 4.6: Nhiệt dung riêng của các khí ở nhiệt độ 11000C 38
Bảng 4.7: Lượng vật chất ra khỏi lò 40
Bảng 6.1: Kết quả của tháp có đường kính 780mm vận tốc 1,2 m/s và ống phun chất hấp thụ 80mm vận tốc 3m/s 54
Bảng 6.2: Kết quả của tháp có đường kính 850mm vận tốc 1m/s và ống phun chất hấp thụ 80mm vận tốc 3m/s 54
Trang 16Bảng 6.3: Kết quả của tháp có đường kính 950mm vận tốc 0,8m/s và ống phun chất
Bảng 2: Giá trị cơ bản các thông số trong chất lượng môi trường không khí xung
quanh có trong khí thải theo TCVN 5937:2005 63
Bảng 3: Thông số của qua ̣t hút 1 73 Bảng 4: Thông số của qua ̣t hút 2 76
Trang 17DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống xử lý khí thải nhiều tầng 1
Hình 1.2: Hệ thống xử lý khí thải Calcium Magnesium Acetate (CMA) 3
Hình 2.1: Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt và đẳng áp 15
Hình 4.1: Sơ đồ khối cân bằng vật chất của quá trình cháy xác gia cầm 30
Hình 4.2: Nhập giá trị đầu vào 45
Hình 4.3: Kết quả Matlab 45
Hình 5.1: Các chi tiết chính của tháp hấp thụ 47
Hình 5.2: Mô hình tính toán và điều kiện biên của mô hình ba chiều 48
Hình 5.3: Chia lưới tháp hấp thụ bằng ANSYS ICEM CFD 50
Hình 5.4: Lưu lượng khí thải tại vị trí ống phun 51
Hình 5.5: Lưu lượng khí thải ở độ cao 2m 52
Hình 5.6: Lưu lượng khí thải tại vị trí ống khói 52
Hình 1: Nhập giá trị đầu vào 92
Hình 2: Kết quả Matlab 92
Trang 18Chương 1: Tổng quan
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
1.1 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
Hiện tại trên thế giới có nhiều nghiên cứu về các lò thiêu xác động vật nhằm đạt mục làm giảm khí thải sinh ra trong qua trình thiêu đốt đến mức thấp nhất để làm giảm ô nhiểm môi trường xung quanh và xử lý khí thải trong thiêu đốt rác thải sinh hoạt đô thị, y tế và chất thải độc hại trong công nghiệp, nhưng trong vấn đề xử
lý khí thải sau khi thiêu đốt xác súc vật và gia cầm vẫn chưa có nhiều nghiên cứu Trong quá trình thiêu xác động vật có một số khí thải tương tự như thải các lò hơi
[1], hệ thống xử lý khí thải trong khi thiêu đốt xác động vật dựa trên thiết kế những
nghiên cứu các lò đốt rác thải sinh hoạt và lò hơi
1.1.1 Nghiên cứu nước ngoài
1.1.1.1 Hệ thống xử lý nhiều tầng
Hình 1.1 Hệ thống xử lý khí thải nhiều tầng
Như hình 1.1 cho thấy khí thải sau khi thiêu đốt từ lò thiêu được đưa vào venturi, có hệ thống cung cấp không khí từ bên dưới thổi không khí nóng vào buồng gió, không khí làm xáo trộn bụi và khí thải bị bốc lên trên, tro bụi không xử lý được tháo ra ngoài Bên trên có vòi phun nước kết hợp với khí thải còn lại bốc lên trên bị
