Nghiên cứu một số thông số của lò đốt phế thải nông nghiệp bằng công nghệ tầng sỏi nền cát

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

Từ đó dẫn đến yêu cầu về năng lượng là rất lớn và giải quyết lượng lớn chất thải từ phụ phẩm của nông lâm nghiệp như trấu, mùn cưa, vỏ cà phê, cùi ngô, bã mía, xơ dừa, rơm rạ… là nguồn nhiên liệu khổng lồ và ngày càng tăng cùng với

sự tăng diện tích canh tác và năng suất của cây trồng Hàng năm nước ta có khoảng 6 triệu tấn trấu, nửa triệu tấn vỏ cà phê, hàng trăm ngàn tấn bã mía, cùi ngô, xơ dừa và mùn cưa thải ra từ các cơ sở sản xuất và chế biến lâm- nông sản Một phần nhỏ trong số đó được sử dụng làm nhiên liệu đốt, thức ăn gia súc, phân bón, phần lớn hiện tại đang thải ra các ao hồ, cống rãnh làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và lãng phí nguồn nhiên liệu một cách đáng kể Việc sử dụng các phế thải lâm nông nghiệp trong sinh hoạt nông thôn ngày nay càng giảm đi do tính không thuận tiện và dần dần được thay thế bằng các nguồn nhiên liệu thuận lợi hơn như than, củi, điện, gas…Trong khi đó, các cơ sở sản xuất, chế biến nông lâm sản lại cần rất nhiều năng lượng dạng nhiệt năng mà hiện tại đang phải sử dụng các loại nhiên liệu đắt tiền và phải nhập từ nước ngoài

Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phế thải nông lâm nghiệp tạo nguồn nhiệt năng phục vụ công nghiệp chế biến nông lâm sản là một việc làm rất cần thiết

Đề tài “Nghiên cứu một số thông số của lò đốt phế thải nông nghiệp bằng

công nghệ đốt tầng sôi nền cát” là một trong những giải pháp công nghệ để thực hiện nhiệm vụ đặt ra ở trên

Tổng quan 1.1 Tầm quan trọng của năng lượng

Năng lượng có ý nghĩa to lớn đối với con người cũng như đối với mọi hoạt

đông sản xuất kinh doanh Tất cả các ngành nông - công nghiệp đều cần sử dụng tới năng lượng Từ mọi hoạt động nghiên cứu khoa học kỹ thuật đến triển khai các dự án phát triển kinh tế… đều cần năng lượng Do đó năng lượng là vấn đề quan trọng trong sự phát triển kinh tế của mỗt quốc gia Từ lâu người ta đã đánh giá tiềm năng kinh tế của một quốc gia qua chỉ số năng lượng Nhiều sản phẩm giá năng lượng chiếm tỷ trọng cao trong giá thành Con người luôn luôn tìm những nguồn năng lượng mới để nâng cao chất lương và sản lượng năng lượng của mình Các nguồn năng lượng chủ yếu từ than, dầu mỏ, thuỷ điên, năng lượng nguyên tử và các nguồn năng lượng từ gió, thuỷ triều, năng lượng mặt trời đang

được con người sử dụng ở nhiều quy mô khác nhau Nhiên liệu cho sản suất năng lượng đáng kể đầu tiên là than Từ cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19, than dùng trong

động cơ hơi nước đã đẩy nền công nghiệp châu Âu phát triển nên một bước nhảy vọt Than cung cấp năng lượng chủ yếu là nhiệt năng được sử dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp Tiếp theo là dầu lửa, nhờ kỹ thuật thăm dò và khai thác phát triển, người ta đã khai thác được nguồn nhiên liệu quý giá này, cho đến nay

nó vẫn là nguồn nhiên liệu chủ yếu cho các loại động cơ Song trữ lượng của những tài nguyên lên trên không phải là vô hạn, trong khi đó nhu cầu về năng lượng của con người tăng lên không ngừng Việc khai thác các tài nguyên đó cũng đang ngày càng trở nên khó khăn hơn, chi phí tốn kém hơn Các nước nghèo vẫn phải khai thác vội vã để trả nợ và tồn tại, trong khi đó các nước giàu thì khai thác dè dặt nguồn tài nguyên trên đất nước họ Nguồn năng lượng tiếp

theo là thuỷ điện Đây là nguồn năng lượng lớn trước đây vẫn được coi là ít ảnh hưởng tới môi trường, song vốn đầu tư yêu cầu rất lớn Những năm sau này, người ta phát hiện ra rằng không hoàn toàn không ảnh hưởng tới môi trường, nó tác động âm thầm, chậm chạp song hậu quả môi trường lại rất lớn

Các nguồn năng lượng nguyên tử và hạt nhân lớn song không an toàn khi sử dụng, yêu cầu trình độ sử dụng cao, các nguồn năng lượng loại này mới chỉ có ở một số nước công nghiệp phát triển Ngoài ra còn có các nguồn năng lượng khác như gió, sóng biển, thuỷ triều, năng lượng mặt trời là những dạng năng lượng sạch, song sử dụng nguồn năng lượng này phải đầu tư lớn, mặt khác không ổn

định, phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên và vị trí địa lý

Trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng, con người buộc phải tìm những nguồn năng lượng mới và song song với nó là sử dụng triệt để nguồn năng lượng tái tạo nhằm tăng hiệu suất và giảm thất thoát ra môi trường Một trong những nguồn năng lượng đã được các nước trên thế giới quan tâm là phế thải trong nông - lâm nghiệp Sử dụng phế thải trong nông nghiệp, ngoài hiệu quả về năng lượng còn có hiệu quả tích cực là bảo vệ môi trường sinh thái

1.2 Phế thải và tình hình sử dụng phế thải ở Việt Nam

Hình 1.1: Một số loại phế thải nông nghiệp

Các chất phế thải từ phụ phẩm của nông - lâm nghiệp như trấu, mùn cưa, vỏ

cà phê, cùi ngô, bã mía, xơ dừa, rơm rạ là nguồn nhiên liệu khổng lồ và ngày càng tăng cùng với sự tăng diện tích canh tác và năng suất cây trồng

ở nước ta hiện nay, các nguồn phế thải nông nghiệp được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu phục vụ đời sống như rơm rạ, lõi ngô, trấu, song việc sử dụng còn ít, chưa mang tính công nghiệp nên hiệu quả thấp và ô nhiễm môi trường Một trong những loại phế thải mang tính tập trung cao là bã mía Trong những năm vừa qua (1995 - 2002), ngành công nghiệp mía đường phát triển rất mạnh Cả nước có tới 40 nhà máy đường đang hoạt động Lượng bã mía sau khi

ép được sử dụng làm nhiên liệu cho nồi hơi và cấp hơi cho công đoạn nấu và cô

đặc Buồng đốt của nồi hơi hình trụ thẳng đứng, bã mía được thổi vào ngang thân Do được đầu tư với quy mô lớn và công nghệ sản xuất đường cần nhiều năng lượng nên bã mía trong nhà máy được sử dụng triệt để

Hình 1.2: Bã mía thừa không sử dụng hết ở nhà máy đường Lam Sơn

Trong các loại phụ phẩm nông nghiệp thì trấu là lượng phụ phẩm đáng quan tâm nhất, với trữ lượng nhiều hơn cả Hiện nay sản lượng thóc của cả nước là 32

triệu tấn/năm Với tỷ lệ trấu là 20% tương đương khoảng 6,4 triệu tấn/năm Theo tính toán cho thấy năng lượng cần thiết cho quá trình xay sát một tấn lúa chỉ bằng 40% năng lượng sinh ra khi đốt lượng trấu của một tấn lúa Như vậy lượng trấu luôn dư thừa so với yêu cầu của xay sát Trấu chỉ dùng làm chất đốt và phân bón, một phần rất nhỏ cho công nghiệp hóa chất để sản xuất Fufuron, than hoạt tính, chất độn trong công nghiệp và chất tẩy rửa

Trấu là phế liệu sau một quá trình gia công nên có tính tập trung Hiện nay trấu được sử dụng làm nhiên liệu đốt và phân bón ở quy mô gia đình, còn trấu sử dụng làm nhiên liệu ở quy mô lớn thì chưa phát triển Một số nhà máy xay sát cỡ nhỏ sử dụng một phần trấu cho sấy lúa trước khi xay, phần còn lại bán cho nông dân vùng trồng cây công nghiệp làm phân bón

Hình 1.3: Vỏ trấu ở Đồng bằng sông Cửu Long

Ngoài sản xuất lúa gạo, cây cà phê đứng ở vị trí thứ hai về kim ngạch xuất khẩu Hiện nay cây cà phê tập trung nhiều ở các tỉnh phía Bắc và vùng Tây Nguyên như Lai Châu, Sơn La, Đắc Lắc, Gia Lai trữ lượng cà phê ngày một tăng: chẳng hạn như Sơn La (năm 1998 đạt hơn 4000 tấn, với diện tích canh tác tới 5300 ha) ở Đắc Lắc, diện tích cà phê lên tới trên 165 000 ha, năng suất trung

bình là 24 tạ /ha Với sản lượng như vậy trữ lượng vỏ cà phê là một con số khá lớn Hiện nay vỏ cà phê chủ yếu dùng để ủ làm phân sau đó lại bón lại cho cây cà phê Trong khi đó cà phê thu hoạch vào mùa mưa ở những vùng miền núi, việc vận chuyển nhiên liệu như than, dầu từ miền xuôi lên khó khăn, việc phá rừng

đang bị cấm Vì vậy rất thiếu nguồn nhiên liệu để sấy cà phê nên lượng mất mát tổn thất sau thu hoạch lớn Nếu tận dụng được vỏ cà phê làm nhiên liệu sấy cà phê sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn cho người trồng cà phê

Nếu chế biến cà phê theo phương pháp ướt, vỏ cà phê dùng để làm nhiên liệu

đốt chiếm 20% ữ 30% trọng lượng quả cà phê, tương đương khoảng 450.000 ữ 600.000 tấn/năm

Nếu chế biến cà phê theo phương pháp khô, trấu làm nhiên liệu cao hơn, chiếm 35% ữ 45%, tương đương khoảng 700.000 ữ 100.000 tấn/ năm Đây là một nguồn năng lượng có khả năng tái tạo khổng lồ chưa được quan tâm, gây lãng phí và là vấn đề nhức nhối về ô nhiễm môi trường cho những vùng dân cư sống xung quanh các xí nghiệp, nhà máy chế biến cà phê của nước ta hiện nay Loại phế thải cần kể đến là mùn cưa và phế thải từ quá trình chế biến gỗ Cho

đến nay, toàn Ngành Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có 757 cơ sở chế biến

gỗ, trong đó có 30 cơ sở làm ván dăm và ván sợi với công suất 150.000 m3 sản phẩm/năm Theo kế hoạch sản xuất của ngành nông nghiệp - công nghiệp chế biến gỗ, đi đôi với việc trồng 5 triệu ha rừng, cần xây mới 32 nhà máy chế biến ván nhân tạo quy mô từ 5000 ữ 54.000 m3 sản phẩm/năm và các dây chuyền sản xuất ván ghép thanh, ván tre luồng qui mô 1000 ữ 4000 m3 sản phẩm năm Như vậy số lượng mùn cưa, vỏ bào và phần thừa trong chế biến tre luồng hàng năm lên đến nhiều triệu tấn Loại phế thải này có khả năng ứng dụng trong công nghệ

đốt tầng sôi, nếu nơi có điều kiện thu gom tập trung, thì cả nước có thể xây

khoảng hàng trăm dây chuyền công nghệ đốt tầng sôi sử dụng mùn cưa, dăm bào

với công suất vừa và lớn, nhiệt năng được sử dụng để xử lý, sấy gỗ và các sản

phẩm từ gỗ

Bảng 1.1 và bảng 1.2 dưới đây trình bày về giá và nhiệt trị của trấu, vỏ cà

phê, bã mía và mùn cưa, cũng như của các nhiên liệu thông thường có thể được

thay thế bởi các chất đốt là phế thải nông nghiệp

Bảng 1.1 Nhiệt trị của chất thải sinh khối

TT Chất thải sinh khối Độ ẩm (%) Nhiệt trị (MJ/kg) Đổi ra (Kcal/kg)

Bảng 1.2 Nhiệt trị của các chất hoá thạch

TT Nhiên liệu hoá thạch Độ ẩm (%) Nhiệt trị (MJ/kg) Đổi ra (Kcal/kg)

Nguồn: Biomass fuel various moder/non – tradition a fuels – FEA (1977)

1.3 một số loại lò đốt phế thải nông nghiệp đang được

sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới

1.3.1 Lò đốt trấu ghi nghiêng

Lò đốt trấu ghi nghiêng là loại lò được dùng phổ biến của nước ta hiện nay cho các nhà máy sấy thóc, đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long

Lò có cấu tạo và nguyên lý làm việc như sau :

Nhiên liệu được cấp từ phễu nạp liệu 2, do cấu tạo của ghi hình bậc thang nên trong quá trình cháy trấu được trôi dần xuống phía dưới trải suốt bề mặt nghiêng của ghi lò 1 Xuống đến bậc thang cuối cùng trấu đã cháy hết phần chất bốc, chỉ còn tro và một phần than chưa cháy hết được cời ra khỏi cửa tháo, khói bốc lên mang theo một phần tro và than có kích thước nhỏ Vách ngăn 4 có tác dung gây trở lực cục bộ làm lắng đọng lại một phần than tro Khí lò được hút qua cửa hút

5, một phần tro được lấy ra theo cửa C Loại lò này, quá trình cháy không ổn

định và trấu không được cháy hoàn toàn, khả năng điều chỉnh nhiệt độ khi sấy rất khó, khi hoạt động ở năng suất thấp thường nhiên liệu không cháy hết

1.3.2 Lò đốt trấu của viện lúa Philipin

Đây là loại lò có sử dụng ống tâm có lỗ tiếp khí để tăng khả năng phối trộn khí lò với không khí, ống tâm có chiều cao lớn tạo nên sức hút lớn Dạng côn của

nó có tác dụng làm tăng cường độ bưc xạ từ vùng cháy sang vùng nhiên liệu mới

được nạp vào, nâng nhiệt độ của trấu lên đến nhiệt độ bắt cháy Không khí để đốt cháy hết nhiên liệu được chia làm hai dòng, dòng đầu đi từ dưới đáy lên qua lớp than trấu thực hiện quá trình cháy lượng cacbon cố định trong trấu, lượng khí này chỉ là một phần trong lượng khí toàn bộ, do không làm giảm nhiệt độ hạt than xuống dưới nhiệt độ cháy, duy trì nhiệt độ cho hạt than cháy tốt hơn, giảm lượng than theo tro Dòng khí thứ hai tiếp vào vùng cháy qua mạng lỗ ở ống trung tâm Cách chia dòng khí này đã tạo điều kiện cho quá trình cháy tốt hơn, tăng hiệu suất của lò, lò hoạt động ổn định, ít khói, dễ nhóm Tuy nhiên loại lò này chỉ có kích thước nhỏ, thích hợp với qui mô gia đình Năng suất lò dưới 3kg trấu /h

Hình 1.5: Lò đốt trấu của Viện Lúa Philipin

1.3.3 Lò đốt trấu cải tiến của Đại học nông-lâm TP Hồ Chí Minh

Lò có kết cấu hình trụ được sử dụng như Xyclon lắng tro, không khí đốt được chia làm hai phần như lò của viện lúa Philipin nhằm tạo đủ ôxi cho quá trình cháy, tăng hiệu suất của lò

Hình 1.6: Lò đốt trấu cải tiến của Đại học

nông-lâm TP.HCM

1- Đáy lò 2- Tường dưới 3- Guồng tháo tro 4- Cửa khí ra 5- Cửa khí thứ 6- Tường trên 7- Ông trung tâm 8- Van tiếp liệu 9- Phễu nạp liệu 10- Ghi lò A- Hố đọng tro P- Buồng cháy C- Buồng lắng tro K- Không khí đầu

E - Không khí thứ

Phễu chứa liệu

Buồng chứa tro

ống trung tâm

Chân đế

háyBuồng c

Kiềng

Trong quá trình trôi tự do từ trên xuống, hạt trấu trao đổi nhiệt với khí sản phẩm, làm nguội khí, gây ngưng tụ một phần Cácbua hidro chưa kịp phân huỷ hết trên bề mặt của nó và kéo theo các hợp chất đó xuống vùng nhiệt độ cao hơn Xuống phía dưới các hợp chất tiếp tục bị nhiệt phân thành khí nhẹ bay lên và hợp chất Các bua hidro dích kết các hạt trấu thành từng tảng lớn bám dính vào thành thiết bị, tạo thành vòm, không rơi xuống được gây cản trở quá trình tiếp liệu Nhiệt độ của vòm trấu tiếp tục tăng cho đến khi quá trình nhiệt phân gây nên những biến đổi có tính của khối nhiên liệu, vòm than trấu bị rơi xuống Quá trình

cứ tiếp diến như vậy gây nên trạng thái tiếp liệu không đều, khó khống chế quá trình phản ứng Than trấu tiếp xúc với không khí lạnh mới vào Qua thực tế hoạt

động, hiệu xuất sử dụng nhiệt là 63,7% [16]

Hình1.8: Lò khí trấu hoá xuôi

Cũng là thiết kế để đốt trấu của Nam Kinh, Trung Quốc, Không khí và trấu cùng rơi từ trên xuống Trong quá trình rơi từ trên xuống trấu và không khí đi qua các vùng có nhiệt độ khác nhau và trải qua các quá trình nâng nhiệt, phân

huỷ sinh gas xuống đến đáy than trấu được gạt vào xiphon nước, gas được tách

ra đi lên trên Nhiệt hâm nóng trấu và không khí được truyền từ khi sản phẩm qua vách ngăn bên trong thiết bị Do trấu, không khí và khói lò chuyển động cùng chiều nên nhiệt độ của than ổn định, than trấu cháy triệt để hơn hiệu suất sử dụng nhiệt là 73% [16]

• Ưu nhược điểm của các lò đốt trên:

Ưu điểm của các loại lò đốt trên là có cấu tạo đơn giản, đầu tư thấp và dễ vận hành Song nhược điểm cơ bản của nó là: Vì quá trình cháy ở lớp chặt nên hiệu suất thấp do lượng cacbon cháy không hết, quá trình cháy không ổn định nên lượng NOx cao gây ô nhiễm môi trường Mặt khác các lò đốt loại này chỉ thích hợp khi sản xuất nhỏ (cho các máy sấy quy mô nhỏ), khả năng cơ giới hoá

và tự động hoá khi liên hợp với một hệ thống máy và thiết bị làm việc liên tục còn thấp, đòi hỏi cơ giới hoá và tự động hoá cao

Các lò làm việc ở chế độ lớp chặt có đặc điểm: vật liệu được chất đầy trong không gian làm việc của lò hoặc chất đầy một phần không gian làm việc của lò Khí nóng chuyển động qua lớp hạt liệu Các hạt liệu coi như không chuyển động tương đối với nhau, chúng nằm sít nhau Khí chuyển động qua lớp liệu từ dưới lên trên hoặc từ trên xuống dưới Sự trao đổi nhiệt giữa khí và vật liệu được thực hiện bởi cả bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt, phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc giữa các hạt liệu và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các hạt liệu Quá trình xảy ra các hạt xỉ hoá cốc dễ làm bít kín các lỗ thoát khí, việc lấy xỉ ra khó khăn hơn, việc cơ giới hoá và tự động hoá cũng gặp trở ngại Quá trình cháy chất thải sinh khối tự do ở nhiệt độ cao nên tạo ra khí cacbon oxit (CO) lượng cacbon trong tro cao, gây ảnh hưởng tới môi trường

Để khắc phục các nhược điểm của lò đốt lớp chặt, người ta đã nghiên cứu các loại lò đốt tầng sôi sẽ được đề cập ở các phần sau

1.4 nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm chọn một số thông số chính của lò đốt trấu bằng công nghệ tầng sôi nền cát, đảm bảo sử dụng có hiệu quả chất phế thải sinh khối trong công nghệ làm khô, chế biến nông lâm sản

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Do điều kiện để thực hiện mục tiêu đề ra, trong khuôn khổ luận văn này chỉ tập trung đến những vấn đề sau:

1, Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy, vận chuyển trong lò đốt tầng sôi nền cát (Fluidized Bed Combustion - FBC) đã tham khảo được để có thể tính toán quá trình cháy trấu

2, Xác định các thông số hoá lý của trấu đảm bảo tính toán quá trình và thiết

bị đốt trấu

3, Tính toán quá trình cháy, vận chuyển trong lò với đối tượng trấu:

- Vận tốc dòng khí trong lò - Thời gian cháy của hạt trấu

- Tính trở lực của hệ thống thiết bị

4, Thực nghiệm lò đốt tầng sôi đã thiết kế, chế tạo

1.4.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy

động của ngoại lực như lực trọng trường, lực li tâm Khi thổi dòng khí vào lớp hạt theo hướng ngược chiều với hướng của ngoại lực nói trên đến một tốc độ dòng nhất định, trở lực của hạt trong dòng thắng ngoại lực, hạt rắn chuyển sang trạng thái lơ lửng ở trạng thái đó, các hạt chuyển động tương đối với nhau, tạo thành trạng thái khuấy trộn mãnh liệt, đẩy mạnh tốc độ quá trình công nghệ Hiệu ứng

đó được ứng dụng để thực hiện nhiều quá trình hoá lí khác nhau Để tạo nên trạng thái đó có nhiều cách khác nhau dẫn đến nhiều kiểu thiết bị khác nhau, song về nguyên lý không có gì khác biệt

Vào những năm 40, kỹ thuật tầng sôi áp dụng cho quá trình vận tải, làm sạch hạt xúc tác trong Cracking dầu mỏ đã gây nên cuộc cách mạnh kỹ thuật trong chế biến dầu Ưu điểm đầu tiên của phương pháp này là khả năng cơ giới hoá và tự

động hoá cao, cả quá trình xảy ra trong thiết bị kín, hạn chế được ô nhiễm môi trường.Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc tính toán thiết bị tầng sôi ngày càng dễ dàng hơn, phạm vi sử dụng không còn bó hẹp trong Cracking dầu mỏ nữa mà đã mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác, đặc biệt là trong nghành công nghiệp hoá học, các thiết bị tầng sôi đã góp phần làm đơn giản dây chuyền công nghệ, giảm kích thước thiết bị (phần khó khăn nhất của thiết bị tầng sôi là bộ phận động lực đẩy dòng cuốn theo hạt, không phải làm việc trong môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao) dễ dàng điều chỉnh các thông số công nghệ, hiệu suất quá trình cao

Trong lĩnh vực đốt nhiên liệu, ưu điểm nổi bật là đốt được những nhiên liệu nhiệt trị thấp và độ ẩm cao mà những loại lò khác không đốt được

Ngày nay việc triển khai ứng dụng công nghệ đốt tầng sôi để đốt các phế thải sinh khối đang được phát triển ở nhiều nước trên thế giới

ở Australia, đến năm 2000 đã sử dụng lò đốt tầng sôi FBC (Fluids Bed Combustor) tiêu tốn một lượng nhiên liệu phế thải nông nghiệp tới 60 triệu tấn/năm

ở Trung quốc, khoảng 60 triệu tấn/năm các phế thải nông nghiệp đã được đốt bằng công nghệ tầng sôi, đã có 57 lò hơi FBC đã được đưa vào vận hành từ năm

1968 với tổng công suất 380 tấn/h Lượng tro của FBC có tính vô định hình, lượng cacbon thấp, lương SiO2 cao, vì vậy được sử dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng như là một dạng nguyên liệu thay thế cho chất phụ gia và bột đá [16]

Mỹ là thị trường lớn nhất thế giới và có số lượng lớn các đự án liên quan đến công nghệ FBC Năm 1992, cả thế giới có 29 dự án lò đốt FBC trong đó có 23 dự

án là ở Mỹ Hiện nay công nghệ FBC là công nghệ hoàn hảo nhất để đốt các phế thải sinh khối

ở Pháp, ngoài hàng trăm FBC cỡ nhỏ, một dự án lò hơi FBC lớn nhất thế giới đã được lắp đặt tại Carling, gần biên giới Đức Hiện tại Pháp cũng đã trang

bị ba hệ thống FBC, một ở Oteava - Cộng hoà Czech, một ở Zdzierovo - Ba lan và một ở Tây Ban Nha với công suất khá lớn

Inđônesia là nước Châu á được sự giúp đỡ của tổ chức phát triển quốc tế australia (AUSAID) với chương trình hợp tác năng lượng từ các phế thải nông nghiệp đã chế tạo và thương, mại hoá hàng chục lò đốt FBC với liên hợp nhiệt điện (CHP)

Hiện nay các nước Châu á khác như Philipin, Thái Lan và cả Việt Nam đã

được AuSAID giúp đỡ về mặt tài chính và công nghệ để triển khai công nghệ FBC đốt các phế thải nông nghiệp

Hình 2.1: Lò đốt tầng sôi đốt mùn cưa phát nhiệt điện tại Indonesia

Hình 2.2: FBC đốt trấu tại công ty lương thực Long An

Ngoài ra ở Nhật, Bỉ, Hà Lan, Nam Phi và ấn Độ đã nghiên cứu triển khai nhiều hệ thống FBC để đốt các phế thải nông - lâm nghiệp, có nhiều dự án mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường rất lớn

ở Việt Nam, tập đoàn CNiM đã trang bị lò đốt tầng sôi dùng than đá cung cấp có năng suất hơi 145 T/h được lắp đặt tại Công ty giấy Bãi Bằng, cung cấp hơi cho toàn nhà máy Ngoài ra có lò đốt tầng sôi đốt trấu lắp đặt tai Công ty cơ khí lương thực Long An

2.2 Công nghệ tầng sôi

2.2.1 Cơ chế của quá trình tạo tầng sôi

Khi tăng tốc độ dòng khí xuyên qua lớp vật liệu hạt rắn trong thiết bị có mặt cắt không đổi, lực tác động lên hạt rắn tăng lên và đến một thời điểm trở lực thuỷ lực bằng trọng lực của hạt, hạt rắn bắt đầu chuyển sang trạng thái chuyển động, khi đó đạt được giá trị tới hạn ωth (giới hạn của lớp vật liệu bất động) tức là giá trị

ω nhỏ nhất đủ để hạt bắt đầu ở trạng thái chuyển động Lúc này độ xốp của lớp vật liệu đạt giá trị cực đại Tiếp tục tăng dòng, các hạt rắn bị khuấy trộn mạnh hơn, lớp vật liệu bắt đầu giãn nở, các hạt rắn mất đi sự tiếp xúc với nhau, lớp vật liệu trở nên linh động, các hạt rắn chuyển động lung tung không theo một hướng nhất định, người ta gọi chúng ở trạng thái giả lỏng hay còn gọi là ở trang thái tầng sôi

Vận tốc dòng khí tương ứng khi lớp hạt bắt đầu chuyển sang trạng thái tầng sôi được gọi là vận tốc lơ lửng của hạt

Tiếp tục tăng tốc độ dòng khí, lớp hạt sẽ linh động hơn và giãn nở nhiều hơn, bắt

đầu xuất hiện bọt khí gây nên xáo trộn mãnh liệt và nếu tiếp tục tăng tốc độ dòng thì các hạt lần lượt bị cuốn ra khỏi tầng từ hạt nhỏ đến hạt lớn Tầng sôi chuyển sang

trạng thái vận chuyển Vận tốc dòng khi đó được gọi là vận tốc cuốn theo Độ lớn của nó được quyết định bởi kích thước hạt và tính chất vật lý của pha rắn

2.2.2 Một số đặc tính của lớp sôi

ở chế độ lớp sôi, các vật liệu dạng hạt được đẩy lên bởi dòng khí Mật độ hạt trong lớp sôi có giá trị nhỏ Lực ma sát giữa các hạt yếu hơn nhiều so với lớp chặt Những yếu tố đó đã tạo thuận lợi cho sự xáo trộn hạt trong lớp sôi

Để hình thành lớp sôi, dòng khí phải đạt được tốc độ cần thiết, tốc độ này liên quan đến kích thước, khối lượng của hạt vật liệu Trên hình 2.3 mô tả quá trình chuyển động của hạt rắn trong tầng sôi

Không khí

Hs

Hình 2.3: Sự chuyển động của hạt rắn trong lớp sôi

Đối với lớp sôi, tốc độ tính toán là tốc độ thổi gió qua toàn bộ mặt cắt ngang của lò

Để đặc trưng cho trạng thái lớp sôi, người ta dùng thông số kỹ thuật quan trọng

là “số sôi” (mS ):

th

s s

m

ω ω

Trong đó : ωS : là tốc độ tính toán của khí ở trạng thái sôi;

ωth: tốc độ tính toán của khí ở trạng thái tới hạn

Mô hình đặc tính thay đổi trạng thái của lớp sôi khi số sôi thay đổi như hình 2.4:

ba

ωsd

ωsc

ωsb

ωsa

Hình 2.4: Các trạng thái của lớp sôi

Thời kỳ bắt đầu hình thành lớp sôi ms =2 (tương ứng với ωsb);

Khi thể tích lớp liệu tăng 15% Với giá trị ms= 5 ữ 6 thì phân biệt được bằng mắt sự chuyển động của liệu trong lò (tương ứng với ωsc)

Khi tốc độ thổi tiếp tục tăng thì trong lòng lớp liệu tạo ra các bong bóng rỗng Các bong bóng rỗng lớn dần và choán toàn bộ tiết diện lò Các hạt liệu chuyển sang trạng thái lơ lửng (tương ứng với ωsd)

Lớp sôi tồn tại khi ωth < ωS < ωmax

Ngoài “số sôi” ms thì trở lực thuỷ lực của lớp sôi (∆P); vận tốc sôi tối thiểu (ωth); chiều cao lớp liệu (H) cũng là những thông số quan trọng đối với lớp sôi

Lớp sôiLớp chặt

H

Hình 2.5: Quan hệ chiều cao lớp sôi và tốc độ thổi ωS

Hình 2.5 biểu thị quan hệ giữa chiều cao lớp liệu và tốc độ thổi ωS Khi ở lớp chặt thì chiều các lớp liệu không thay đổi Khi tốc độ v−ợt qúa tốc độ ωth thì chiều cao lớp liệu bắt đầu tăng nh−ng tăng không tuyến tính với ωS

Hình 2.6: Quan hệ trở lực thuỷ lực và tốc độ thổi ωS

ωth

bc

d

ωS

∆P

a

Hình 2.6: biểu thị quan hệ trở lực thuỷ lực và tốc độ thổi ωS Khi ta tăng tốc

độ thổi ωS Đạt tới tốc độ ωth, trong khoảng biến thiên tốc độ đó thì trở lực tăng lên và đạt tới điểm b Tiếp tục tăng tốc độ thì trở lực lại giảm đi (tới điểm c) Lúc này lớp ở trạng thái quá độ từ lớp chặt chuyến sang lớp sôi Đoạn cd gần nh− nằm ngang: Trạng thái này là trang thái của lớp sôi

Trở lực của lớp sôi đ−ợc tính theo công thức sau đây [1]:

g f H

G: là trọng lực nguyên liệu đốt trong lớp sôi (đã trừ đi lực nâng archimed);

Std: Diện tích tự do của ghi lò (diện tích mặt thoáng của gió đi qua), m2;

ρV: khối l−ợng riêng của liệu, kg/m3 ;

ρk: khối l−ợng riêng của khí, kg/m3;

f: độ rỗng của lớp liệu

Một trong những đại lượng cần quan tâm đối với lớp sôi là thời gian lưu liệu trong lớp sôi (T), được xác định theo công thức [1]:

k G

f S

H T

Trong đó :

H: là chiều cao lớp sôi, m;

S: tiết diện cắt ngang của lò, m2;

Go: Năng suất lò, kg/h;

ρv: khối lượng riêng của liệu, kg/m3 ;

f: độ rỗng của lớp liệu;

k: hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi thể tích của liệu trong suốt qúa trình cháy

2.2.3 Lò đốt tầng sôi nền cát và ưu - nhược điểm của nó

Trên cơ sở những ưu nhược điểm của lớp sôi, từ nghiên cứu về chế độ tầng sôi ở trên chúng ta thấy rằng lò đốt tầng sôi có nhiều ưu điểm hơn so với lò đốt lớp chặt, có thể đốt được các loại phế thải nông nghiệp, than cám có độ ẩm và độ tro cao Tuy nhiên để đảm bảo nâng được hạt vật liệu lên khỏi ghi lò, duy trì

được quá trình cháy trong không gian trên ghi thì tốc độ dòng khí phải đủ lớn Chính vì vậy lượng bụi theo khí lò rất nhiều và khi cháy thì trọng lượng riêng giảm, nên cháy chưa hết đã bay theo khí lò ra ngoài, mang theo một lượng lớn cacbon chưa cháy Nhiều trường hợp cần phải thu hồi chất và đốt lại, do đó tăng chi phí năng lượng, giảm hiệu suất thu hồi nhiệt, kết cầu đốt lặp lại nhiều lần phức tạp Do lò chịu mài mòn tăng nhanh do nguyên liệu phế thải (cụ thể ở đây là trấu và cát)

Để khắc phục nhược điểm trên, người ta duy trì quá trình cháy trong buồng

đốt ở khoảng 700 oC nhờ một chất nền: đó là cát Với quá trình trộn lẫn mãnh liệt của cát và nhiên liệu (hạt vật liệu) trong môi trường nhiệt độ cháy ổn định (khoảng 700oC) Lò đốt sôi tầng sôi nền cát có cát là hạt trơ, làm tác nhân tải nhiệt Mục đích chính là tăng bề mặt tiếp xúc, giảm thời gian cháy của hạt nhiên liệu Cát tạo thành trạng thái tầng sôi trong không gian lò làm cho nhiệt độ trong

lò đồng đều, nhiên liệu bắt cháy ngay khi mới rơi vào lò, tận dụng được diện tích

lò đốt

2.4 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý hệ thống đốt trấu tầng sôi nền cát

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động lò đốt trấu tầng sôi nền cát

2 Van điều chỉnh sơ cấp 5 Vít tải cấp liệu 8 Cyclon lắng tro

3 Hộp phân phối khí 6 Bộ phận phân phối khí thứ cấp 9 Quạt hút

10 ống khói Nhiên liệu được đốt trong buồng đốt 4 Sử dụng hai quạt cao áp 1 và quạt hút

9 tạo nên sự thay đổi áp suất trong lò đảm bảo cát sôi thuận lợi Việc cung cấp không khí để thực hiện quá trình cháy do quạt cao áp 1 được chia ra thành hai

dòng: dòng sơ cấp và dòng thứ cấp Dòng sơ cấp được cung cấp qua các vòi phun Vòi phun cho dòng không khí thứ cấp được đặt phía trên buồng đốt một khoảng cách nhỏ nhằm giúp cho việc đốt cháy tốt hơn

Lò đốt có một buồng lắng phụ 7, tro sẽ lắng lại đó trước khi các chất khí đốt

đi vào nồi hơi hoặc Carlorife trao đổi nhiệt Khí đốt khi đi qua nồi hơi hoặc bộ phận trao đổi nhiệt sẽ truyền nhiệt bức xạ không phát quang và qua đối lưu tới các ống của bộ trao đổi nhiệt

Cơ sở lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu trong FBC

3.1 Những phản ứng cơ bản của quá trình cháy nhiên liệu

Thành phần chủ yếu của nhiên liệu là C, H2, S và O2 Trong quá trình cháy có rất nhiều giai đoạn: nhiên liệu đ−ợc sấy, nung, phân huỷ và thoát chất bốc, tạo cốc (các bon tự do), cháy chất bốc và cốc xẩy ra trong không gian lò

Nhiên liệu Quá trình

thoát chất bốc Sự cháy của các bon

Trong phần này không đề cập đến những phản ứng của quá trình trung gian, chỉ tổng hợp đến những phản ứng tổng quát nhất để tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt

Các nguyên tố trong nhiên liệu bị cháy theo phản ứng:

3.2 Quá trình cháy nhiên liệu

Lò đốt là thiết bị phản ứng trong đó xẩy ra các phản ứng oxi hoá các chất trong nhiên liệu với oxi trong không khí để toả ra nhiệt phản ứng Các phản ứng xẩy ra trong lò theo công thức (3.1), (3.2), (3.3) phụ thuộc vào hai quá trình: vận tải nhiệt và vận tải chất (điều kiện tiếp xúc của chất tham gia phản ứng)

a Vận tải nhiệt: phản ứng cháy chỉ xẩy ra ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bắt cháy

của nhiên liệu, để thực hiện quá trình cháy phải đảm bảo nhiệt độ nhiên liệu

và nhiệt độ không khí lớn hơn nhiệt độ bắt cháy Mặt khác, hiệu xuất quá trình cháy phụ thuộc vào nhiệt độ Để đạt hiệu suất quá trình cháy cao cần khống chế nhiệt độ trong một khoảng nhất định Vì vậy quá trình vận tải nhiệt phải duy trì nhiệt độ của các thành phần tham gia cháy trong giới hạn

đã tính toán

b Vận tải chất: Đảm bảo các chất tham gia phản ứng được tiếp xúc với nhau

Trong quá trình phản ứng, các chất tham gia phản ứng được vận chuyển đến tiếp xúc với nhau trong vùng phản ứng, sản phẩm phản ứng được vận chuyển

ra khỏi vùng phản ứng ở nhiên liệu khí điều kiện tiếp xúc phụ thuộc vào tốc

độ khuyếch tán của của chất với nhau ở nhiên liệu rắn, điều kiện đó phụ thuộc vào quá trình vận tải không khí tới bề mặt hạt rắn và vận tải sản phẩm phản ứng ra khỏi bề mặt hạt rắn

Hai yếu tố trên có liên quan mật thiết với nhau Tốc độ quá trình vận tải chất

ở bề mặt tiếp xúc pha phụ thuộc chủ yếu vào quá trình khuyếch tán Quá trình khuyêch tán phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt của phản ứng toả ra đồng thời làm tăng cường quá trình vận tải chất đồng thời cấp ngược trở lại cho quá trình nâng nhiệt của nhiên liệu và không khí Trong quá trình cháy, tại vùng phản ứng xảy ra hai quá trình song song: truyền nhiệt và chuyển đổi khí Quá trình truyền nhiệt từ vùng phản ứng ra không gian xung quanh được mô tả bằng phương trình:

q = α.(TW – Tf) ( 3.4) Trong đó:

q: là nhiệt lượng cấp từ vùng phản ứng sang không gian lân cận tính cho một

đơn vị diện tích bề mặt biên của vùng phản ứng, W/m2;

α: hệ số truyền nhiệt, W/m2 0C;

TW: nhiệt độ bề mặt của nhiên liệu, 0C;

Tf: nhiệt độ không gian lân cận vùng cháy, 0C

Mặt khác quá trình chuyển khối của các thành phần tham gia phản ứng là :

B: nhiệt trị của nhiên liệu, kJ/kg

Từ (3.4) và (3.5) rút ra đ−ợc điều kiện cháy ổn định là:

12/32 jO2 = jC (3.8) Chỉ số 12/32 đ−ợc rút ra từ cân bằng phản ứng:

C + O2 = CO2

(12 32 44)

Dòng khí O2 đ−ợc xác định theo:

jO2 = β.CO2 (3.9) β: là hệ số chuyển khối của Oxy;

CO2: nồng độ Oxy trong dòng khí phản ứng

Thay các giá trị từ (3.9), (3.8), vào (3.7), ta có:

Điều đó được thể hiện trong không gian lò có nhiệt độ cao, quá trình cháy rất ổn

định Nếu Tf < Tbc thì hệ số chuyển khối β và hệ số truyền nhiệt α phải tương

đương với nhau Quá trình chuyển khối đặc trưng cho nguồn sinh nhiệt ở vùng phản ứng; quá trình truyền nhiệt đặc trưng cho vùng mất nhiệt của vùng phản ứng Điều kiện này thường xảy ra cho tất cả các loại lò đốt nhiên liệu

3.3 Các đặc trưng cơ bản của tập hợp hạt

3.3.1 Đường kính tương đương

Hạt hình cầu là hạt đơn giản nhất, thường ký hiệu đường kính hạt thành

đường kính tương đương Thông thường hạt trong tự nhiên không phải là hạt có hình cầu, với nhiều kích thước: chiều dài, chiều rộng, chiều dầy Trong tính toán

để đơn giản, thường chọn thông số đặc trưng Hình cầu là hạt có kích thước đơn giản và đặc trưng nhất, dễ tính toán nhất nên người ta chọn hình cầu là hạt chuẩn, hạt khác cầu được so sánh với hạt hình cầu về từng tính chất mà ta cần nghiên cứu, đó là phương pháp đường kính tương đương

Khi tính truyền nhiệt, chuyển khối có đường kính tương đương có cùng diện tích bề mặt với hạt:

2 / 1

)/(A π

Khi tính khối lượng, thể tích có đường kính tương đương theo thể tích:

3 / 1

)/6

Khi tính quá trình cháy với hạt có đường kính tương đương theo tốc độ lắng:

đó là đường kính của hạt cầu có cùng vận tốc lắng:

).(

.4/

W1: vận tốc lắng của hạt khi trở lực môi trường tuân theo định luật Stoc;

ρ1: khối lượng riêng của khí, kg/m3;

ρr: khối lượng riêng của hạt, kg/m3

Một hạt bất kỳ có thể có nhiều đường kính tương đương, khi xét tính chất truyền nhiệt, chuyển khối có đường kính tương đương theo diện tích, khi tính quá trình lắng, vật tải có đường kính tương đương theo tốc độ lắng

3.3.2 Hàm phân bố của tập hợp hạt

Tập hợp hạt thường có kích thước không đều mỗi nhóm hạt có một khoảng kích thước Phân bố hạt thường được biểu diễn qua hàm vi phân hay tích phân Những đường cong đó được xây dưng trên cơ sở phân tích bằng sàng đưa ra tỷ lệ phần trăm khối lượng trong những khoảng kích thước Dựa trên kết quả đó có thể xây dựng biểu đồ nhờ quy luật đã biến đổi thành đường cong liên tục Càng nhiều khoảng đo các mẫu số liệu càng chính xác và dễ xác định đường cong Ngoài việc phân tích bằng sàng còn có phương pháp tính khối lượng để xác định độ phân tán của vật liệu Trong một đơn vị thể tích người ta đo khối lượng của pha phân tán và số hạt Bằng cách đó có thể xác đinh khối lượng riêng của hạt Những vật liệu đàn hồi, dễ biến dạng, khó đạt độ chính xác khi phân tích bằng sàng, đo kích thước được phân tích theo phương pháp lắng

Tổng phân bố của tập hợp hạt được xác định theo công thức:

x

x r

3.3.4 Xác định khoảng vận tốc dòng thực hiện chế độ khí động

Dòng khí chảy qua khe trống trong lòng lớp vật liệu mịn, vận tốc dòng trong khe được xác định theo độ xốp của lớp Mối liên quan giữa vân tốc dòng tính theo mặt cắt ngang của tầng (vận tốc biểu kiến) và vận tốc trong kênh trống

ω0 được xác định bằng phương trình:

ω0 = ω/ε (3.17) ε: độ xốp của lớp hạt trong không gian chứa hạt;

ε = (V1 - V2)/ V1 =(1 - V2)/ V1 (3.18)

V1: Thể tích của không gian chứa hạt;

V2: Tổng thể tích các hạt rắn trong không gian chứa hạt Khi lớp hạt bất động, dòng khí chảy luồn qua khe trống Khi tăng vận tốc dòng lực tác động lên hạt rắn tăng lên, và đến một thời điểm trở lực thuỷ lực bằng trọng lực của hạt, hạt bắt đầu chuyển sang trạng thái chuyển động Tiếp tục tăng dòng, các hạt rắn bị khuấy trộn mạnh hơn và lớp vật liệu bắt đầu gián nở Trạng thái đó gọi là tầng sôi Vận tốc dong khí khi lớp hạt bắt đầu chuyển sang trạng thái tầng sôi được

gọi là vận tốc lơ lửng của hạt Tiếp tục tăng tốc độ dòng, lớp hạt sẽ linh động mạnh hơn và dãn nở nhiều hơn và bắt đầu suất hiện bọt khí gây nên xáo trộn mãnh liệt ở những thiết bị tầng sôi có chiều dày lớn, đường kính nhỏ có thể thấy những bọt khí

tụ lại tạo thành những vùng riêng biệt xen ke lớp vật liệu đặc (dạng Piston) Hạt trong dạng tầng sôi này ít bị khuấy trộn Tiếp tục tăng vận tốc, các hạt lần lượt bị cuốn ra khỏi tầng bắt đầu từ hạt nhỏ, sau đến hạt lớn hơn Tầng sôi đã chuyển sang trạng thái vận chuyển Vận tốc dòng khi đó được gọi là vận tốc cuốn theo Độ lớn của nó được quyết định bởi kính thước hạt, tính chất vật lý của nó và của pha rắn Khi lớp hạt là đa phân tán, quá trình chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xẩy ra trong một vùng tốc độ Bằng thực nghiệm các tác giả đã xây dựng biểu đồ trạng thái của vật liệu phân tán thông qua quan hệ giữa trở lực và vận tốc (Hình 3.1)

∆p

ωy

5 4

3 2 1

Hình 3.1: Biểu đồ trạng thái của vật liệu phân tán thông qua quan hệ giữa trở lực

và vận tốc

Đường 1 tương ứng với chế độ lọc khí ở vật liệu đồng nhất

Đường 2 tương ứng với chế độ lọc khí của vật liệu đa phân tán

Đường 3 tương ứng với quá trình giảm vận tốc khí sau khi thực hiện tầng sôi

Đường 4 là khoảng thực hiện tầng sôi

Đường 5 là khoảng thực hiện chế độ vận chuyển

ωkp: vận tốc tới hạn hay vận tốc lơ lửng, m/s;

ωy: vận tốc cuốn theo, m/s

Lựa chọn vận tốc khí chính là lựa chọn chế độ thực hiện công nghệ Các lò cũ

có vận tốc dòng ω < ωkp Nhược điểm của nó đã phân tích ở mục 1 Các lò tầng sôi có vận tốc dòng ωkp < ω< ωy Hoạt động trong khoảng vận tốc này có nhiều

ưu điểm hơn so với ở vận tốc thấp song vẫn còn nhiều nhược điểm: tải trọng theo mặt cắt ngang thấp, gây nên tốn diện tích mặt bằng và nhiệt độ không đồng đều trong không gian lò, tập hợp hạt bị phân tầng theo kích thước, khối lượng riêng, hạt nhiên liệu có khối lượng riêng khác biệt nhiều so với khối lượng riêng hạt trơ

sẽ bị phân ly làm giảm cường độ trao đổi nhiệt Một số dạng hạt không thể thực hiện chế độ tầng sôi này (vì kích thước hình dạng, ma sát bề mặt) Thiết bị hoạt

động trong miền ω > ωγ khắc phục được các nhược điểm trên lò đốt hoạt động theo phương pháp đốt nhiên liệu dùng dòng khí chứa hạt trơ làm tác nhân tải nhiệt Hạt nhiên liệu và hạt trơ cùng được vận chuyển trong dòng Mục đích chính là làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, giảm thời gian cháy của hạt nhiên liệu Để

đạt được mục đích trên phải biết được mối quan hệ giữa vận tốc dòng khí và hàm lượng pha rắn được cuốn theo Những chỉ tiêu của các quá trình phản ứng, quá trình truyền nhiệt, truyền khối được thực hiện bằng phương pháp tầng sôi được xác định bởi đặc điểm thuỷ động của nó Giải các bài toán về quá trình công nghệ xảy ra trong thiết bị tầng sôi hầu hết phải dùng đến phương pháp giải mới, cần phải thực hiện những công việc nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong Pilot với các tiêu chuẩn khí động học Giải quyết những bài toán công nghệ sẽ được trọn vẹn nếu dùng những công thức thực nghiệm hoăc tính toán thực nghiệm Cần phải sử dụng những công thức thực nghiệm để tính kiểm tra điều kiện vận chuyển xem thích hợp với điều kiện công nghệ hay không Điều quan trọng ở đây là thiết bị phản ứng cũng là thiết bị vận chuyển Chế độ dòng trong thiết bị phải thoả mãn các yêu cầu công nghệ của quá trình cháy Dựa trên các phản ứng cháy trong thiết bị sẽ xác định được lưu lượng không khí cần thiết Kết quả tính ổn định nhiệt độ cho biết hàm lượng pha rắn, dòng khí cần phải tải,

vận tốc dòng khí khi tải lượng chất rắn đó Bài toán vận tải giải quyết vấn đề phân bố hạt trong không gian cháy Để thực hiện được mục đích đó, trước hết cần phải tìm hiểu các đặc tính của hình thức vận tải khí, các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm của các tác giả ở đây, lò đốt là thiết bị vận chuyển có các đặc điểm:

a Hướng vận chuyển: thẳng đứng;

b Mật độ pha rắn: thấp (trình bày ở phần 4)

c Kích thước hạt: từ 0 ữ 1 mm; (trình bày ở phần 4)

d Đặc điểm công nghệ: nhiệt độ cao

Muốn giảm đường kính thiết bị, phải tăng tải trọng trên mặt cắt ngang thiết

bị Điều đó liên quan đến hiệu suất quá trình vận tải Các nghiên cứu cho thấy vận tải theo chiều thẳng đứng hiệu quả nhất khi nông độ thể tích pha rắn thấp Theo một số tài liệu, khi vận tải bằng không khí có hàm lượng pha rắn thấp thì hiệu suất η = 8 ữ 12% Một yêu cầu quan trọng đối với bài toán vận tải trong thiết bị phản ứng là khả năng điều chỉnh năng suất để đáp ứng được yêu cầu của quá trình cháy nhiên liệu và đảm bảo phân bố hạt trơ và hạt nhiên liệu đồng đều trong không gian Các tác giả khẳng định phân bố hạt rắn trong quá trình vận chuyển liên quan đến vận tốc dòng Khi vận tốc dòng ω > 1,5 ωy pha rắn được phân bố đều trong không gian thiết bị Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào hàm lượng pha rắn trong dòng, thông qua đại lượng độ xốp của tầng ε

3 4 Quá trình trao đổi nhiệt trong tầng sôi

3.4.1.Truyền nhiệt giữa khí và hạt

Đây là quá trình thuần tuý đối lưu Khi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt các tác giả [12] đã đưa ra phương pháp tính toán trao đổi nhiệt giữa các pha trong tầng sôi khi Re/ε > 200:

Nu0 = 0,4.( Re/ε)2,3.Pr1/3 (3.19)

ở đây:

Nu0 = α0.d/λe Re = ω.d/νe

λe: độ dẫn nhiệt của môi trường; νe: độ nhớt động học của môi trường Cường độ trao đổi nhiệt, chuyển khối trong tầng sôi các hạt lớn ít phụ thuộc vào vận tốc khí, và vậy các tác giả thường tính toán cho trường hợp bắt đầu linh

động ε = 0,48 thì công thức tính tốc độ tới hạn thông qua chuẩn số Reynol tới hạn:

Khi nghiên cứu các tác giả thấy chiều cao của lớp trao đổi nhiệt rất bé Khi

đường kính hạt d < 2mm thì chiều cao của lớp trao đổi nhiệt không quá 20mm, khí đi ra khỏi tầng có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hạt

3.4.2 Truyền nhiệt giữa dòng hạt trơ và vật thể trong dòng

ở công trình [12], người ta cho rằng hệ số truyền nhiệt, chuyển khối từ vật thể nằm trong tầng không lớn lắm, nhất là trong tầng các hạt nhỏ Khi tốc độ khí tăng đơn điệu thì tốc độ càng cao chuyển động của hạt càng lớn, sự xáo trộn bề mặt cũng lớn và hệ số truyền nhiệt tăng theo Tuy nhiên nó chỉ tăng đến mức độ

và đạt giá trị lớn nhất rồi từ từ giảm Điều đó được giải thích bằng sự tăng độ xốp trung bình trong toàn tầng dẫn đến tăng thời gian giữa hai lần va chạm của hạt trong tầng Trong lò phản ứng cần thiết có gía trị trao đổi nhiệt cao và tương ứng với giá trị trao đổi khối để duy trì quá trình trao đổi phản ứng Vì vậy tính

chính xác quá trình truyền nhiệt là điều cần thiết Các công thức tính toán tin cậy

là những công thức thực nghiệm Hệ số trao đổi nhiệt còn phụ thuộc vào đường kính hạt trong tầng sôi và độ xốp của tầng sôi Khi tăng đường kính hạt và tăng

độ xốp hệ trao đổi nhiệt giảm Điều đó được lý giải bằng số lần tiếp xúc và số

điểm tiếp xúc giảm Để đánh giá đại lượng αmax người ta coi chiều dày hiệu dụng của khe khí có thể tích bằng thể tích khe giữa bề mặt và mặt cắt qua tâm của hạt

Do đó: ωy = Ar ν/[18+0,6.(Ar)1/2]

Khi thực hiện công nghệ ở tốc độ ω > 0,5ωϒsẽ có hiện tượng cuốn phần lớn hạt ra khỏi thiết bị Hệ số truyền nhiệt lớn nhất nhận được khi ω > 0,34ωϒ Khi tăng đường kính hạt và tăng nhiệt độ, tốc độ tối ưu gần với tốc độ cuốn theo ở những tốc độ vượt quá tốc độ tối ưu, các hạt đã phân tán thường đạt được độ đồng nhất trong không gian ở tốc độ nhỏ dễ thấy sự phân tầng các hạt to, nhỏ Khi nhiệt độ trung bình vượt quá 8000C bắt đầu có ảnh hưởng của cấp nhiệt bức xạ khi đó hệ số cấp nhiệt cần phải tính thêm thành phần bức xạ:

Các tác giả dùng đầu dò có kích thước bằng đường kính hạt để đo các thông

số cấp nhiệt trong tầng đã nhận được kết quả rất phức tạp Trong tầng sôi các hạt rất nhỏ (Ar = 0) tốc độ dòng xuyên qua lớp hạt rất nhỏ Khi đó truyền nhiệt đối lưu là vô cùng bé so với dẫn nhiệt từ hạt nóng sang hạt lạnh Để tính toán truyền nhiệt từ các hạt có đường kính bằng đường kính hạt trơ dT = d tới tầng sôi các hạt trong khoảng rộng giá trị Ar có thể sử dụng công thức:

Numax= 10 + 0,23.(Ar.Pr)1/3 (3.29)

Trong khoảng kích thước hạt d < 60mm có được công thức:

α = αmax+ (αT - α max) exp(-dT/ 4d) (3.30)

Một số thí nghiệm đã chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt từ vật thể cố định và vật thể bị cuốn trôi là giống nhau Khi khối lượng riêng của vật thể bị cuốn trôi khác nhiều với khối lượng riêng của hạt trong tầng sôi, công thức trên sẽ kém chính xác Nếu nặng hơn, nó bị chìm dưới tầng thì hệ số truyền nhiệt sẽ lớn hơn Nếu nhẹ hơn, nó bị chìm dưới tầng thì hệ số truyền nhiệt sẽ lớn hơn Nếu nhẹ hơn, nó nổi lên trên tầng và hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn

3.4.4 ảnh hưởng của độ xốp của tầng đến chế độ trao đổi nhiệt

Khi giảm tốc độ khí (ω < 0,5ωkp) độ xốp của tầng sôi thay đổi:

số cấp nhiệt giảm rất nhanh, tỷ lệ thuận với nồng độ pha rắn trong khí Nếu kể thêm ảnh hưởng của bức xạ, độ đen của tầng sôi có thể tính: εTS=εM0,34

Khi (ω > 0,5ωϒ) tất cả các hạt lớn bị cuốn theo lên trên tầng, các hạt nhỏ bị mang ra khỏi thiết bị, nếu thu lấy những hạt đó và cấp lại vào phía dưới tầng sẽ

được tầng sôi ổn định và tốc độ cao (ω > ωϒ) Chế độ tầng sôi như thế được gọi

là tầng sôi tăng cường và các quá trình công nghệ xảy ra với tốc độ lớn hơn trong thiết bị có chế độ tầng sôi thường, làm việc ở chế độ đó là thích hợp và nó làm cho giảm mặt cắt ngang của thiết bị do tăng vận tốc

Độ xốp của tầng trong chế độ tăng cường có thể sử dụng trong giới hạn rộng,

nó ảnh hưởng đến cường độ cấp nhiệt Khi tăng độ xốp của tầng (cùng nghĩa là giảm tỷ trọng) thì ρKC = ρM.(1- ε) và hệ số cấp nhiệt giảm

3.5 Các thông số của nhiên liệu trấu

3.5.1 Các thông số vật lý của trấu

Ngoài thành phần tro: 40 ữ 60% là Xenlulo và lignin Khi nhiệt phân trấu quá

trình xẩy ra theo các giai đoạn sau:

1700C mất nước;

1700C ữ 2800C: thu nhiệt, phân huỷ tạo CO;

2800C ữ 4000C: tạo methanol, nhựa tan, nhựa không tan

4000C ữ 6000C: kết thúc quá trình phân huỷ

Sản phẩm rắn của quá trình nhiệt phân là tro trấu có cơ tính giảm nhiều song

các kích thước hình học vẫn giữ nguyên Độ xốp của tro thuận lợi cho quá trình

phản ứng tiếp theo Khối lượng tro còn lại tuỳ thuộc vào tốc độ gia nhiệt, tốc độ

gia nhiệt cao thì hàm lượng tro còn lại thấp và ngược lại Sau giai đoạn nhiệt phân

thành phần trấu còn lại các bon và tro

3.5.2 Kích thước hạt trấu

0,45

5,7 2,1

0,45 0,087

Chiều dày mảnh: đo 5 lần bằng panme, kết quả trung bình là: 0,0875 mm

3.5.5 Tốc độ cuốn theo của trấu

Do hình dạng trấu rất đặc biệt, tính toán quy đổi ra hình cầu bị sai số lớn Để tránh sai số đó, làm thí nghiệm so sánh trực tiếp với cát rồi tính đường kính tương

đương của hạt cát để xác định vận tốc cuốn theo của hạt trầu

Mô hình Cold Model (Austrailia) cấu tạo thể hiện ở hình 3.3

9 Quạt

12

3

54

6

Hình 3.3 Cold Model