Nội dung

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA --------------X W-------------- LE ANH KIEÂN PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG QUAÙ TRÌNH ÑOÁT NHIEÄT PHAÂN CHAÁT THAÛI RAÉN COÂNG NGHIEÄP ÑAËC TRÖNG Chuyeân ngaønh: Maùy vaø Thieát bò Coâng ngheä Thöïc phaåm Maõ ngaønh: 2.01.20 HÖÔÙNG DAÃN: 1. PGS.TSKH. LE XUAÂN HAÛI 2. GS. V.N.SHARIFI LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH – NAÊM 2010 1 Lôøi cam ñoan Toâi xin cam ñoan nhöõng keát quaû ñöôïc trình baøy trong luaän aùn naøy laø do chính toâi thöïc hieän töø kieán thöùc cuûa chính mình. Toâi khoâng noäp luaän aùn naøy cho baát cöù tröôøng vieän naøo ñeå ñöôïc caáp baèng. Lôøi caûm ôn Tröôùc heát toâi xin chaân thaønh caûm ôn Thaày höôùng daãn chính laø PGS.TSKH Leâ Xuaân Haûi ñaõ taän tình höôùng daãn, chia seû nhöõng kinh nghieäm quyù baùu treân con ñöôøng nghieân cöùu khoa hoïc. Thaày ñaõ chaân tình ñoäng vieân vaø taïo moïi ñieàu kieän toát nhaát cho toâi ñeå toâi coù theå hoaøn thaønh luaän aùn naøy. Loøng bieát ôn chaân thaønh cuûa toâi cuõng xin ñöôïc göûi ñeán GS.Vida Sharifi vaø GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng dẫn, đặc biệt cuøng vôùi GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow ñaõ hoã trôï phaàn kinh phí cuõng nhö khoâng ngöøng khuyeán khích toâi trong thôøi gian hoïc taäp taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield. Lôøi caûm ôn saâu saéc nhaát ñöôïc hình thaønh töø nhöõng ngoân töø vaø ngöõ vaên thoâng thöôøng nhöng xuaát phaùt töø taát caû traùi tim vaø lyù trí cuûa toâi coù leõ cuõng khoâng theå noùi leân ñöôïc ñaày ñuû nhöõng gì maø ngöôøi vôï yeâu quyù TS. Leâ Thò Kim Phuïng ñaõ daønh troïn veïn cho toâi, ñaõ cuøng vôùi con gaùi Leâ Phuïng Anh Taâm trôû thaønh nguoàn ñoäng vieân to lôùn, giuùp toâi coù ñuû tinh thaàn, söùc löïc ñeå vöôït qua taát caû nhöõng khoù khaên trong suoát thôøi gian laøm luaän aùn. Xin caûm ôn nhöõng ngöôøi thaân, gia ñình vaø baïn beø ñoàng nghieäp ôû Vieän Kyõ Thuaät Nhieät Ñôùi vaø Baûo veä Moâi Tröôøng, ñaëc bieät laø TS. Nguyeãn Quoác Bình, ñaõ chia seû kinh nghieäm nghieân cöùu vôùi toâi, thöôøng xuyeân ñoäng vieân, taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi nhaát ñeå toâi chuyeân taâm vieát neân coâng trình nghieân cöùu naøy. Xin chaân thaønh caûm ôn caùc Thaày, coâ trong khoa Coâng ngheä Hoaù hoïc, trong boä moân Maùy Thieát Bò ñaõ uûng hoä toâi, taïo ñieàu kieän toát nhaát cuõng nhö ñaõ ñoùng goùp nhöõng yù kieán quùy giaù cho toâi, giuùp toâi hoaøn thaønh ñöôïc coâng vieäc cuûa mình. Cuoái cuøng, toâi xin caûm ôn Boä Giaùo duïc vaø Ñaøo taïo, Tröôøng Ñaïi hoïc Quoác Gia TP. Hoà Chí Minh ñaõ taøi trôï cho toâi thöïc hieän coâng trình nghieân cöùu naøy. 1 MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tieát kieäm söû duïng nhieân lieäu hoaù thaïch, giaûm thieåu löôïng raùc thaûi, taùi cheá, taùi söû duïng vaø taùi sinh naêng löôïng töø raùc thaûi hieän nay ñang laø vaán ñeà ñöôïc quan taâm ôû möùc toaøn caàu hoaù. Trong ñoù, taùi cheá chaát thaûi ñang daàn trôû thaønh moät ngaønh coâng nghieäp thöïc söï taïi caùc nöôùc coâng nghieäp phaùt trieån nhö Anh, Phaùp, Ñöùc, Myõ, Nga, Trung Quoác, Nhaät,… Ngaønh coâng nghieäp ñaëc bieät naøy taùi cheá chaát thaûi goùp phaàn cung caáp caùc loaïi nguyeân lieäu nhö nylon, nhöïa, giaáy, goã, kim loaïi, thuûy tinh,… vôùi chi phí thaáp hôn nhieàu so vôùi chi phí saûn xuaát caùc loaïi nguyeân lieäu ban ñaàu. Phaàn nguyeân lieäu baån coøn laïi coù nguoàn goác höõu cô sau khi ñöôïc phaân loaïi, moät laàn nöõa ñöôïc xem laø chaát thaûi cuûa ngaønh coâng nghieäp phaân loaïi taùi cheá, vaø thöôøng ñöôïc tieáp tuïc xöû lyù baèng caùc phöông phaùp ñoát khaùc nhau nhaèm taïo ñieàu kieän giaûm aùp löïc quyõ ñaát cuûa caùc baõi choân laáp. Vaán ñeà ñoát “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” keát hôïp phaùt ñieän hieän nay cuõng ñang ñöôïc ñaàu tö nghieân cöùu ôû raát nhieàu caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån neâu treân. Moät trong nhöõng loaïi thieát bò söû duïng phoå bieán laø loø ñoát coù væ loø di chuyeån (travelling bed). Thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån ñöôïc söû duïng phoå bieán ñeå ñoát sinh khoái (biomass), chaát thaûi sinh hoaït taïi nhieàu nôi treân theá giôùi. Nhieàu coâng trình nghieân cöùu cuûa caùc tröôøng Ñaïi hoïc, caùc Vieän nghieân cöùu, caùc nhaø maùy coâng nghieäp ñoái vôùi loaïi thieát bò naøy ñaõ ñöôïc thöïc hieän vaø thu ñöôïc nhöõng keát quaû quan troïng, ñoùng goùp vaøo söï hieåu bieát veà quaù trình chaùy, veà phöông thöùc naâng cao hieäu quaû chaùy,… trong quaù trình xöû lyù raùc thaûi baèng phöông phaùp ñoát. Tuy nhieân, cho ñeán nay vaãn chöa coù moät nghieân cöùu naøo thöïc hieän tieáp caän quaù trình ñoát raùc thaûi trong thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån moät caùch thöïc söï chuaån möïc vôùi nguyeân taéc thieát bò loø ñoát raùc thaûi ñöôïc xeùt nhö laø moät heä thoáng phöùc taïp. Treân cô sôû nhaän thöùc saâu saéc veà yù nghóa vaø giaù trò cuûa vieäc ñoát chaát thaûi raén trong thieát bò ñoát coù væ loø di chuyeån, ñeà taøi luaän vaên Tieán só “Phaân tích heä thoáng quaù trình ñoát chaát thaûi coâng nghieäp ñaëc tröng” ñöôïc ñeà xuaát thöïc hieän phoái hôïp taïi tröôøng Ñaïi hoïc Quoác gia TP.HCM vaø Ñaïi hoïc Sheffield, UK. Trong ñoù, ñoái töôïng nghieän cöùu ñöôïc xem xeùt nhö moät heä thoáng phöùc taïp vaø caùc taùc vuï nghieân cöùu ñöôïc xaùc laäp vaø trieån khai theo tinh thaàn cuûa phöông phaùp luaän Tieáp caän Heä thoáng. 2. ÑOÁI TÖÔÏNG NGHIEÂN CÖÙU Nhö ñaõ ñeà caäp ôû treân, ñoái töôïng nghieân cöùu trong ñeà taøi naøy bao goàm: ¾ Vaät lieäu nghieân cöùu: chaát thaûi raén höõu cô ñaõ phaân loaïi cho muïc ñích taùi cheá, taùi söû duïng (chaát thaûi cuûa chaát thaûi) vaø sinh khoái thöïc vaät (chaát thaûi cuûa ngaønh saûn xuaát noâng nghieäp ); ¾ Thieát bò: loø ñoát kieåu coät nhoài (laø moät moâ hình vaät theå thu nhoû cuûa thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån ); ¾ Quaù trình ñoát : ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén; ¾ Phöông phaùp moâ hình hoùa quaù trình ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén; ¾ Chöông trình moâ phoûng quaù trình chaùy chaát thaûi raén. 3. MUÏC TIEÂU NGHIEÂN CÖÙU Muïc tieâu ñaët ra trong Luaän aùn naøy laø: ¾ Nghieân cöùu tính chaát cuûa quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp vaät lieäu raén trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài; ¾ Xaùc ñònh phöông trình ñoäng hoïc quaù trình chaùy cuûa töøng loaïi vaät lieäu laø chaát thaûi sau khi phaân loaïi taùi cheá, taùi söû duïng vaø sinh khoái noâng nghieäp; ¾ Xaây döïng heä phöông trình vi phaân moâ taû quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu raén theo phöông phaùp phaân tích heä thoáng; ¾ Xaây döïng chöông trình moâ phoûng nghieân cöùu quaù trình ñoát vaät lieäu raén theo phöông phaùp theå tích höõu haïn; 4. NOÄI DUNG NGHIEÂN CÖÙU Caùc noäi dung nghieân cöùu chủ yếu trong luaän aùn naøy gồm: ¾ Toång quan caùc nghieân cöùu veà quaù trình ñoát chaát thaûi raén treân theá giôùi vaø trong nöôùc theo quan ñieåm của phöông phaùp luaän tieáp caän heä thoáng. ¾ Nghieân cöùu caùc aûnh höôûng chuû yeáu cuûa caùc yeáu toá vaät lyù ñeán quaù trình chaùy trong heä goàm: aûnh höôûng cuûa löu löôïng khoâng khí sô caáp, aûnh höôûng cuûa ñoä roãng cuûa heä. ¾ Vaän duïng phöông phaùp phaân tích heä thoáng nghieân cöùu xaây döïng moâ taû toaùn hoïc cho ñoái töôïng loø ñoát coù væ loø di chuyeån. ¾ Xöû lyù döõ lieäu nghieân cöùu thöïc nghieäm nhaèm xaùc ñònh caùc ñaëc tính caáu truùc, caáu taïo vaät chaát cuûa vaät lieäu; nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu treân thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa moâ hình. 2 Xaây döïng moät chöông trình CIS döïa vaøo phöông phaùp theå tích höõu haïn ñeå moâ phoûng, kieåm chöùng moâ hình toaùn hoïc xaây döïng ñöôïc. 5. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU Luaän aùn naøy ñöôïc thöïc hieän treân cô sôû cuûa phöông phaùp luaän tieáp caän heä thoáng vaø ñöôïc trieån khai theo moät löôïc ñoà logic töông öùng vôùi taùc vuï chuû ñaïo laø tieáp caän heä thoáng. Caùc phöông phaùp ñöôïc vaän duïng ñeå tieán haønh phaân tích heä thoáng quaù trình ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén bao goàm: ¾ Phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng: ñöôïc söû duïng ñeå nhaän daïng nhöõng vaán ñeà cuï theå caàn nghieân cöùu treân nhöõng quy moâ, phaïm vi thuoäc caùc phaân heä. ¾ Phöông phaùp tích hôïp heä thoáng: ñöôïc söû duïng ñeå toång hôïp caùc keát quaû nghieân cöùu treân caùc phaân heä, taïo ra keát quaû cho caùc heä coù quy moâ lôùn hôn. ¾ Phöông phaùp nghieân cöùu treân moâ hình vaät theå: töø keát quaû phaân hoaïch heä thoáng xaùc ñònh ñöôïc caùc moâ hình vaät theå (caùc thieát bò thöïc nghieäm) vaø tieán haønh nghieân cöùu treân caùc moâ hình vaät theå ñeå nhaän daïng quaù trình ñoát nhieät phaân caùc loaïi vaät lieäu ñaõ ñöôïc choïn laøm ñaïi dieän cho caùc chaát thaûi raén. Phöông phaùp nghieân cöùu treân moâ hình vaät theå bao haøm caû quaù trình thoáng keâ xöû lyù caùc döõ lieäu thöïc nghieäm. ¾ Phöông phaùp nghieân cöùu treân moâ hình toaùn hoïc: ñöôïc söû duïng vôùi muïc ñích hoã trôï cho caùc nghieân cöùu thöïc nghieäm treân moâ hình vaät theå, nhaèm taïo ra nhöõng bieåu ñaït coù tính khaùi quaùt hôn vaø sau ñoù coù theå tieán haønh moâ phoûng quaù trình ñoát nhieät phaân treân cô sôû caùc moâ taû toaùn hoïc thu ñöôïc. 6. YÙ NGHÓA KHOA HOÏC • Luaän aùn laø coâng trình nghieân cöùu ñaàu tieân ôû trong vaø ngoaøi nöôùc thöïc hieän vaän duïng phöông phaùp luaän Tieáp caän Heä thoáng vôùi taùc vuï chuû ñaïo laø Phaân tích heä thoáng treân hoãn hôïp nhieân lieäu raén (heä dò theå ña phaân taùn) trong thieát bò loø ñoát kieåu coät nhoài ; • Ñoái töôïng vaät lieäu nghieân cöùu laø hoãn hôïp giaáy vaø hoãn hôïp sinh khoái ñöôïc söû duïng trong nghieân cöùu naøy ñaõ ñoùng goùp vaøo caùc nghieân cöùu chung cuûa nhoùm nghieân cöùu cuûa tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield (Vöông Quoác Anh) veà söï hieåu bieát quaù trình chaùy cuûa loaïi vaät lieäu “chaát thaûi cuûa chaát thaûi”. Ñaây cuõng ñöôïc xem laø caùc nghieân cöùu môû ñöôøng cho vieäc nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa caùc loaïi chaát thaûi raén töông töï ôû Vieät Nam. 7. YÙ NGHÓA THÖÏC TIEÃN • Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñöôïc nghieân cöùu trong luaän aùn laø moät moâ hình vaät theå thu ñöôïc töø pheùp phaân hoaïch thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån vaø thieát bò loø ñoát tónh hai caáp. Ñaây laø hai loaïi loø ñoát chaát thaûi phoå bieán treân theá giôùi vaø ôû Vieät Nam. Keát quaû nghieân cöùu cuûa ñeà taøi naøy coù theå ñöôïc trieån khai öùng duïng trong caùc loaïi loø ñoát keå treân vôùi vaät lieäu ñoát laø chaát thaûi raén noùi chugn vaø sinh khoái ; • Keát quaû nghieân cöùu cuûa luaän aùn seõ goùp phaàn vaøo lôøi giaûi cuûa baøi toaùn xöû lyù chaát thaûi keát hôïp taùi sinh naêng löôïng , phuïc vuï nhu caàu sinh hoaït vaø saûn xuaát coâng nghieäp. ¾ CHƯƠNG 1: TOÅNG QUAN 1.1 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU Cô caáu loaïi chaát thaûi raén trong hoaït ñoäng cuûa neàn kinh teá cuûa caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån khaù ñoàng nhaát, coù thaønh phaàn nhö trong hình 1.1 sau [1, 2]: Chất t hải nông nghiệp Chất t hải khoáng sản 16% Chất t hải sản xuất 31% Chất t hải sinh hoạt Chất t hải sản xuất năng lượng Hình 1.1 Cô caáu thaønh phaàn chaát thaûi raén Chaát thaûi khoâng nguy haïi Moät soá loaïi chaát thaûi töø hoä gia ñình Phaân loaïi, thu gom Tieâu huûy Taùi cheá Chaát thaûi cuûa chaát thaûi Choân laáp CH4 Xöû lyù nöôùc thaûi UÛ Compost Tro Naêng löôïng Saûn phaåm Loø ñoát Buøn thaûi Taùi söû duïng Thu hoài Khí noùng 31% Chaát thaûi nguy haïi Phöông phaùp 15% Phaân loaïi taïi nguoàn Saûn phaåm, phöông tieän Chất t hải xây dựng 6% 1% Chaát thaûi Khí chaùy Chaát thaûi loûng Xöû lyù khí Hình 1.2 Sô ñoà toùm taét quy trình xöû lyù chaát thaûi raén Vieäc ñoát “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” ñöôïc thöïc hieän chuû yeáu trong ngaønh coâng nghieäp xöû lyù chaát thaûi raén. Cho ñeán nay, vieäc nghieân cöùu baûn chaát quaù trình ñoát hoãn hôïp caùc vaät lieäu naøy haàu nhö chöa ñöôïc thöïc hieän taïi caùc Vieän nghieân cöùu hoaëc tröôøng Ñaïi hoïc tieân tieán treân theá giôùi. 1.2 THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN 3 Trong coâng nghieäp ñoát xöû lyù chaát thaûi, thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån ñöôïc söû duïng raát nhieàu do nhöõng tính naêng öu vieät nhö: coâng suaát xöû lyù lôùn, hieäu suaát ñoát chaát thaûi lôùn, chaát thaûi ñöôïc naïp vaøo lieân tuïc vaø tro cuõng ñöôïc laáy ra lieân tuïc. Ngoaøi ra coøn coù theå toái öu quaù trình caáp khí ñeå ñaït hieäu suaát xöû lyù cao nhaát, hieäu suaát nhieät sinh ra lôùn nhaát. Do coâng suaát cuûa loø lôùn neân löôïng khí chaùy sinh ra cuõng raát lôùn, coù theå söû duïng caáp cho loø hôi phuïc vuï cho vieäc phaùt ñieän [3-6]. Chaát thaûi ñöôïc caáp lieân tuïc töø treân pheãu xuoáng ghi loø. Ghi loø di chuyeån tuaàn hoaøn töø traùi sang phaûi vôùi goùc nghieâng i = 10o-15o. Tro ñöôïc thaùo ra lieân tuïc ôû ñoaïn cuoái ghi loø. Khoâng khí cung caáp cho quaù trình chaùy töø döôùi ghi loø ñöôïc goïi laø khoâng khí sô caáp. Khí chaùy sô caáp di chuyeån leân khu vöïc beân treân vaø Hình 1.3 Sô ñoà heä thoáng thieát bò loø ñoát væ loø di chuyeån chuyeån Hình 1.4 Moâ hình chaùy vaät lieäu raén treân ghi loø di ñöôïc cung caáp tieáp oâxy, goïi laø khoâng khí thöù caáp, ñeå phaûn öùng chaùy trong pha khí tieáp tuïc dieãn ra. Taïi khu vöïc naøy, caùc thaønh phaàn chaùy ñöôïc trong pha khí seõ tieáp tuïc chaùy toaû naêng löôïng vaø ñöôïc thu nhieät ñeå cung caáp cho loø hôi, phuïc vuï cho vieäc taùi sinh naêng löôïng. Phaàn khí chaùy sau khi taän duïng nhieät seõ ñöôïc xöû lyù tröôùc khi thaûi ra ngoaøi moâi tröôøng. Trong quaù trình vaän haønh cuûa loø ñoát, vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo loø thoâng qua pheãu naïp lieäu. Vaät lieäu raén seõ naèm treân caùc thanh ghi loø vaø di chuyeån cuøng vôùi ghi loø. Caùc thanh ghi loø ñöôïc goái noái tieáp leân nhau vaø moãi thanh ñeàu coù loã thoâng khí töø beân döôùi. Heä thoáng caùc thanh ghi loø coù chöùc naêng töông töï nhö baêng taûi vaän chuyeån vaät lieäu raén töø ñaàu ñeán cuoái loø. Khi thanh ghi loø di chuyeån ñeán cuoái loø, thanh ghi loø seõ töï quay ñoåi höôùng vaø seõ ñoå tro treân beà maët vaøo pheãu thu tro. Thanh ghi loø tieáp tuïc di chuyeån ngöôïc trôû laïi ñaàu loø naïp lieäu vaø ñoåi höôùng moät laàn nöõa tröôùc khi nhaän nhieân lieäu môùi ñoå vaøo. Heä thoáng thanh ghi loø ñöôïc caáu taïo theo caùc gôø goái leân nhau vôùi muïc ñích khoâng ñeå xaûy ra hieän töôïng khoái vaät lieäu raén tröôït theo quaùn tính veà cuoái loø khi ghi loø di chuyeån. Ñieàu naøy coù nghóa laø khoái vaät lieäu raén ñöùng yeân treân ghi loø trong suoát quaù trình di chuyeån cuûa ghi töø ñaàu loø ñeán cuoái loø. Taïi ñaàu vaøo cuûa ghi loø, vaät lieäu raén thu nhieät vaø baét ñaàu caùc quaù trình bay hôi aåm. Trong quaù trình di chuyeån cuøng vôùi ghi loø veà phía pheãu thu hoài tro, vaät lieäu raén tieáp tuïc dieãn ra caùc quaù trình giaûi phoùng caùc chaát, quaù trình chaùy cuûa cacbon sau khi giaûi phoùng caùc chaát trong caáu truùc cuûa vaät lieäu raén. Vaät lieäu raén ñi ñeán cuoái ghi loø coøn laïi chuû yeáu chæ laø tro xæ. Trong quaù trình chaùy vaø di chuyeån cuûa væ loø, khoâng khí sô caáp cung caáp töø döôùi ghi loø vöøa ñuû ñeå khoâng laøm xaùo troän lôùp vaät Khoâng khí thöù caáp Khoâng khí thöù caáp Khoâng khí thöù caáp lieäu raén beân treân. Böùc xaï nhieät theo Tro, cacboncaên phöông ngang nhoû so vôùi böùc xaï nhieät theo baûn Tro Vaät lieäu raén Vaät lieäu raén Tro, cacboncaên phöông thaúng ñöùng, do vaäy coù theå xem baûn nhö khoâng coù söï truyeàn nhieät böùc xaï theo Vaät lieäu raén phöông ngang giöõa caùc khoái vaät lieäu treân Khoâng khí sô caáp Khoâng khí sô caáp Khoâng khí sô caáp hai thanh ghi lieân tieáp. Thôøi gian Xem xeùt moät phaân ñoaïn vaät lieäu raén naèm t=0 t=t t=t treân moät thanh ghi loø. Vaät lieäu raén ñöôïc Hình 1.5 Sô ñoà vaän ñoäng theo thôøi gian cuûa coät nhieân lieäu naïp vaøo naèm treân ghi loø, sau ñoù nhieân lieäu baét chaùy baét ñaàu töø ñænh cuûa coät vaät lieäu. Khoâng khí sô caáp cung caáp töø beân döôùi vaøo coät ñeå duy trì söï chaùy. Lôùp vaät lieäu beân treân baét chaùy seõ truyeàn nhieät chuû yeáu baèng böùc xaï nhieät xuoáng lôùp vaät lieäu beân döôùi. Lôùp vaät lieäu beân döôùi taêng nhieät ñoä, giaûi phoùng hôi aåm vaø nhieät phaân giaûi phoùng caùc chaát höõu cô. Caùc chaát höõu cô ñöôïc giaûi phoùng seõ baét chaùy vaø tieáp tuïc cung caáp naêng löôïng baèng truyeàn nhieät böùc xaï xuoáng lôùp vaät lieäu thaáp hôn. Nhö vaäy, quaù trình cöù tieáp tuïc cho ñeán khi lôùp vaät lieäu ôû ñaùy coät baét chaùy. Toác ñoä giaûi phoùng caùc chaát höõu cô vaø toác ñoä baét chaùy cuûa caùc chaát khí ñöôïc giaûi phoùng cuûa caùc loaïi vaät lieäu khaùc nhau ñöôïc nghieân cöùu ôû nhieàu nôi treân theá giôùi. Pedersen ñaõ thöïc hieän caùc nghieân cöùu treân vaät lieäu biomass [7], trong khi ñoù, caùc nghieân cöùu cuûa Desroches-Ducarne vaø nhöõng ngöôøi khaùc ñaõ tieán haønh treân vaät lieäu laø raùc thaûi sinh hoaït ñoâ thò [8]. Trong quaù trình baét chaùy cuûa toaøn boä lôùp vaät lieäu, lôùp vaät lieäu beân treân trôû thaønh cacbonvaø tieáp tuïc baét chaùy. Toác ñoä baét chaùy cuûa than tuyø thuoäc vaøo noàng ñoä oâxy coù maët xung quanh phaàn töû than [7, 9-12]. i n 4 ñoát thoâng thöôøng laø loaïi loø ñoát tónh hai caáp. Loaïi loø ñoát chaát thaûi naøy raát phoå bieán ôû Vieät Buoàng ñoát thöù caáp Nam, coù daïng nhö hình 1.6. Vò trí caáp khoâng OÁng noái khí sô caáp Vôùi loaïi loø ñoát nhieät phaân tónh hai caáp, vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo moät laàn taïi buoàng ñoát sô caáp, Hình 1.6 Thieát bò loø ñoát tónh hai caáp lôùp vaät lieäu raén ñöôïc ñoát moài vaø khoâng khí sô caáp ñöôïc cung caáp töø ñaùy cuûa væ loø. Trong quaù trình chaùy, lôùp vaät lieäu raén ñöùng yeân treân ghi loø. Vôùi heä thoáng thieát bò naøy, tieán haønh phaân hoaïch heä thoáng goàm vaät lieäu raén vaø væ loø, khoâng gian caáp khí sô caáp döôùi væ loø vaø khoâng gian beân treân lôùp vaät lieäu raén seõ thu ñöôïc moät ñoái töôïng töông ñöông vôùi moâ hình coät nhoài. Caùc nghieân cöùu veà quaù trình chaùy treân loø ñoát tónh hai caáp ñöôïc thöïc hieän bôûi nhieàu cô quan nghieân cöùu trong nöôùc, ñaëc bieät taäp trung ôû Thaønh phoá Haø Noäi vaø Thaønh phoá Hoà Chí Minh. 1.3 TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU QUAÙ TRÌNH CHAÙY TRONG THIEÁT BÒ ÑOÁT KIEÅU COÄT NHOÀI Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài laø moät moâ hình vaät theå thu ñöôïc töø quaù trình phaân hoaïch thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån vaø loø ñoát tónh hai caáp. Quaù trình chaùy trong thieát bò daïng coät nhoài ñöôïc nhieàu nôi thöïc hieän nghieân cöùu trong thôøi gian qua. Ñaùng keå laø nhoùm nghieân cöùu taïi Haøn Quoác, giaùo sö Shin vaø coäng söï, cuûa Vieän KIST ñaõ thöïc hieän nghieân cöùu moâ hình hoùa vaø moâ phoûng quaù trình chaùy cuûa goã thoâng trong thieát bò ñoát coù ghi loø di chuyeån. Trong nghieân cöùu naøy, caùc taùc giaû ñaõ phaân hoaïch thieát bò ñoát coù ghi di chuyeån thaønh töøng coät nhoài, xaây döïng moâ taû toaùn hoïc cho töøng coät nhoài trong heä thoáng. Moâ taû toaùn hoïc ñöôïc xaây döïng cho moät ñôn vò theå tích kieåm soaùt trong moät coät nhoài nhö sau [13, 14]: Nhieät thu ñöôïc trong pha raén trong moät ñôn vò theå tích kieåm soaùt bằng nhieät sinh ra do phaûn öùng hoùa hoïc cộng với nhieät maát maùt do bay hôi aåm, nhieät trao ñoåi vôùi theå tích kieåm soaùt beân treân vaø beân döôùi vaø nhieät trao ñoåi vôùi pha khí. Töông töï, caân baèng nhieät trong pha khí ñöôïc vieát nhö sau: , , , , Năng lượng thu ñược của pha khí trong một ñôn vị thể tích kiểm , 1, 1, soaùt bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hoaù học cộng với nhiệt trao ñổi với pha rắn. 1 ∆ 1, , Khoái löôïng vaät lieäu raén goàm khoái löôïng aåm, khoái löôïng chaát 1 0 0 1 ∆ bay hôi, khoái löôïng than vaø khoái löôïng tro: , , , 1 Mb=Mmoist+Mvol+Mchar+Mash Taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield, nhoùm nghieân cöùu cuûa giaùo sö Swithenbank vaø giaùo sö Sharifi ñaõ tieán haønh nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa chaát thaûi raén trong thieát bò loø ñoát coù ghi di chuyeån. Nhoùm nghieân cöùu cuõng thöïc hieän vieäc phaân hoaïch thieát bò loø ñoát coù ghi loø di chuyeån thaønh nhieàu thieát bò coät nhoài, tieán haønh thöïc nghieäm, xaây döïng moâ taû toaùn hoïc vaø moâ phoûng quaù trình chaùy treân thieát bò coät nhoài naøy [4, 15-17]. Nhöõng nghieân cöùu ở đây khi thöïc hieän xaây döïng moâ taû toaùn hoïc ñaõ Khí hoùa Nhieät phaân Saáy xem heä goàm toaøn boä pha raén coù VC VD VB VA caùc loã xoáp beân trong. Quaù trình Chaát thaûi (B): Chaát thaûi khoâ (C): Chaát thaûi sau nhieät phaân Chaát thaûi sau nhieät chaùy cuûa vaät lieäu raén ñöôïc khaûo Am Å Chaát bay hôi (D ): phan vaø khí thaûi (A ): Ch aá t bay hôi Cacbon, tr o Cac bon, tro Tro saùt trong vuøng theå tích naøy döïa Cacb on, tro treân söï thay ñoåi theå tích cuûa vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy. Ngoaøi ra, caùc nghieân cöùu khaùc taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield vaø nhöõng nôi khaùc cuõng ñaõ thöïc hieän treân moâ hình thieát bò ñoát kieåu coät nhoài vôùi caùc loaïi vaät lieäu raén khaùc nhau nhö goã, giaáy caùc loaïi, coû möïc, rôm,… nhaèm tìm ra caùc yù nghóa öùng duïng thöïc tieãn nhö aûnh höôûng cuûa kích thöôùc vaät lieäu raén ban ñaàu, aûnh höôûng cuûa löôïng khoâng khí sô caáp, aûnh höôûng cuûa khoâng khí thöù caáp ñeán toác ñoä chaùy, noàng ñoä cöïc ñaïi caùc khí chaùy sinh ra [3-6, 16-26]. Caùc nghieân cöùu treân ñaõ ñoùng goùp raát nhieàu vaøo söï hieåu bieát veà quaù trình chaùy cuûa caùc loaïi vaät lieäu trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài. Tuy nhieân, cho ñeán nay vaãn chöa coù moät coâng trình naøo thöïc hieän nghieân cöùu quaù trình ñoát hoãn hôïp vaät lieäu “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài theo con ñöôøng Tieáp caän heä thoáng vôùi taùc vuï Phaân tích heä thoáng. Baèng con ñöôøng Phaân tích heä thoáng naøy, caùc hieän töôïng co ruùt cuûa vaät lieäu do söï giaûi phoùng vaät chaát trong quaù trình chaùy, hieän töôïng quaù trình chaùy dieãn ra khoâng ñeàu laøm cho tình traïng maát caân baèng moment cuûa khoái vaät lieäu xaûy ra, daãn ñeán hieän töôïng suïp của khoái vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy do aûnh höôûng cuûa ñoä roãng cuûa khoái haït cuøng vôùi söï di chuyeån ngaãu nhieân cuûa pha khí töø beân döôùi seõ ñöôïc laøm saùng toû thoâng qua vieäc phaân hoaïch heä thoáng, phaân tích ñònh aùy , 1 ∆ 0 , 1 1 ∆ 1 0 5 tính caáu truùc heä thoáng, vieäc boá trí thieát bò quan traéc caùc thoâng soá kieåm soaùt quaù trình ôû nhöõng chöông tieáp theo. CHƯƠNG 2: PHÖÔNG PHAÙP, THIEÁT BÒ VAØ VAÄT LIEÄU TRONG NGHIEÂN CÖÙU THÖÏC NGHIEÄM 2.1 PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU HEÄ THOÁNG THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN 2.1.1 Phương phaùp tieáp caän heä thoáng thieát bò loø ñoát chaát thaûi raén 2.1.2 Phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng 2.1.3 Phöông phaùp phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng 2.2 THIEÁT BÒ NGHIEÂN CÖÙU VAØ PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC HIEÄN 2.2.1 Phaân tích nhieät vi sai Thieát bò nghieân cöùu ñoä suy giaûm khoái löôïng vaät lieäu theo söï gia taêng nhieät ñoä trong Hình 2.2 Sô ñoà caáu taïo thieát bò phaân Hình 2.1 Löôïc ñoà logic tieáp caän heä thoáng thieát bò quaù trình ñoát chaát thaûi raén tích nhieät vi sai nhieät ñoà Sô phaân ñöôïc thöïc hieän trong thieát bò NETZSCH TG 209. caáu taïo thieát bò goàm caùc boä phaän chính nhö sau: 2 .2.2 Thí nghieäm treân thieát bò loø ñoát coät nhoài 2.2.2.1 Thieát laäp heä thoáng thí nghieäm Heä thoáng thieát bò hoaït ñoäng ôû ñieàu kieän aùp suaát khí quyeån. Thieát bò coù theå chia laøm hai nhoùm chính: • Cuïm caùc thieát bò thöïc hieän quaù trình cô hoïc: ñoù laø caùc thieát bò cung caáp oâxy sô caáp vaø oâxy thöù caáp. Khoâng khí sô caáp ñöôïc cung caáp töø ñaùy cuûa thieát bò coät nhoài. Khoâng khí thöù caáp ñöôïc cung caáp vaøo beân trong thieát bò taïi vò trí h=0,75cm keå töø ñaùy cuûa thieát bò. Khoâng khí cung caáp ñöôïc kieåm soaùt bôûi löu löôïng keá rotameter. • Cuïm caùc thieát bò truyeàn daãn thoâng tin: ñoù laø caùc thieát bò truyeàn daãn thoâng tin veà khoái löôïng vaät lieäu raén coøn laïi, nhieät ñoä cuûa caùc vò trí doïc theo coät nhieân lieäu trong thieát bò, noàng ñoä caùc chaát khí. Moâ Hình 2.4 Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài hình thieát bò ñöôïc treo treân heä thoáng caân ñieän ñeå ghi Heä thoáng nhaän caùc giaù trò khoái löôïng thay ñoåi. Caùc ñaàu doø nhieät ñoä Maùy tính ghi Khoâng khí ñöôïc boá trí doïc theo chieàu cao cuûa thieát bò, moãi ñaàu doø nhaän döõ lieäu caùch nhau 8cm keå töø ñaùy ñeán ñaàu doø thöù 8. ñaàu doø nhieät ñoä thöù 8, 9 caùch nhau 340cm, daàu doø thöù 9, 10 caùch nhau Beùc ñoát 10cm. OÁng huùt khí ñöôïc ñaët caùch ñaùy 40cm hoaëc 56cm moài ban à 2.2.2.6 Phöông thöùc tieán haønh thöïc nghieäm treân thieát bò coät nhoài Vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo coät töø cöûa naïp lieäu ôû ñænh cuûa thieát bò sao cho chieàu cao coät nhieân lieäu khoâng quaù moät nöûa chieàu cao Thieát bò ño noàng ñoä khí cuûa thieát bò. Sau khi naïp lieäu, caáp khoâng khí sô caáp vaøo coät töø Khoâng khí beân döôùi thieát bò vôùi löu löôïng khoâng ñoåi vaø tieán haønh ñoát moài Hình 2.7 Sô ñoà heä thoáng thieát bò ñoát kieåu lôùp vaät lieäu raén töø beân treân. Tuøy thuoäc ñieàu kieän vaø muïc ñích thí coät nhoài nghieäm, khoâng khí thöù caáp coù theå ñöôïc cung caáp vaøo thieát bò vôùi nhöõng giaù trò xaùc ñònh. Khí chaùy di chuyeån leân treân ñænh thieát bò coät nhoài vaø thoaùt ra ngoaøi qua oáng thoaùt khí. Trong khi quaù trình chaùy xaûy ra, giaù trò nhieät ñoä trong coät nhieân lieäu ñöôïc ghi nhaän bôûi caùc ñaàu doø caëp nhieät ñieän caém doïc theo chieàu cao thieát bò vaø truyeàn daãn thoâng tin veà maùy tính. Khí chaùy ñöôïc trích ra taïi vò trí xaùc ñònh trong thieát bò sao cho phuø hôïp vôùi muïc ñích thí nghieäm seõ ñöôïc ngöng tuï hôi aåm, taùch caùc khí coù theå gaây nguy haïi cho caûm bieán noàng ñoä khí, vaø ñi vaøo thieát bò ño noàng ñoä caùc khí nhö CO, CO2, ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ Phát hiện vấn đề Đặt vấn đề Hiệu chỉnh hoặc đặt lại vấn đề Thẩm định khâu đặt vấn đề Xác định các mục tiêu phải đạt được Sai Đúng Thẩm định khâu xác định mục tiêu Hiệu chỉnh các mục tiêu Nhận dạng các rào cản Sai Đúng Thẩm định khâu xác định rào cản Xác định các tác vụ tiếp cận hệ thống (và các điều kiện để thực hiện) Hiệu chỉnh các rào cản Sai Đúng Sai Hiệu chỉnh các tác vụ Thực hiện các tác vụ để giải quyết các vấn đề đã đặt ra Đúng Thẩm định khâu thực hiện Sai Hiệu chỉnh quá trình thực hiện Thẩm định kết quả thực hiện Không đạt yêu cầu Đúng Đạt yêu cầu Kết luận Xác nhận kết quả và dự kiến phát triển Đạt yêu cầu Thẩm định mức độ hoàn thành khâu thực hiện Không đạt yêucầu Thẩm định khâu xác định tác vụ 6 O2, CH4. Giaù trò noàng ñoä caùc khí ñöôïc bieán ñoåi vaø truyeàn daãn veà maùy tính. Ngoaøi ra, trong khi quaù trình chaùy xaûy ra, khoái löôïng vaät lieäu cuõng giaûm theo thôøi gian vaø ñöôïc ghi nhaän bôûi heä thoáng caân töï ñoäng vaø cuõng ñöôïc truyeàn daãn thoâng tin veà maùy tính. Maùy tính coù nhieäm vuï nhaän caùc thoâng tin truyeàn daãn veà theo quy luaät Khaên giaáy Caùc toâng Goã thoâng töông töï, maõ hoaù vaø bieán ñoåi caùc tín hieäu naøy thaønh caùc giaù trò soá vaø bieåu ñaït treân moâ hình ñoà hoaï thoâng qua moät phaàn meàm chuyeân duïng. 2 .3 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU Hình 2.8 trình baøy caùc loaïi vaät lieäu ñöôïc söû duïng trong Coû tranh Rôm thí nghieäm Hình 2.8 Vaät lieäu ñaõ söû duïng trong thí nghieäm CHÖÔNG 3: KEÁT QUAÛ VAØ THAÛO LUAÄN 3.1 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG 3.1.1 Keát quaû phaân hoaïch heä thoáng AÙp duïng phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng trong phaïm vi nghieân cöùu cuûa luaän aùn naøy, khu vöïc buoàng ñoát sô caáp cuûa ñoái töôïng thieát bò væ loø di chuyeån (S5) khi ñöôïc tieán haønh phaân hoaïch theo khoâng gian thaønh nhöõng coät thaúng ñöùng goàm phaàn ñaùy væ loø coù loã cho pheùp khoâng khí sô caáp ñi vaøo khoái vaät lieäu raén töø beân döôùi, khoái vaät lieäu raén naèm treân ghi loø (S5b) vaø khoaûng khoâng gian beân treân khoái vaät lieäu raén (S5a). Xeùt heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài chaát thaûi raén (S5b). Phaân hoaïch theo khoâng gian thieát bò seõ thu ñöôïc hai vuøng cô baûn laø vuøng sô caáp (coøn goïi laø buoàng sô caáp) vaø vuøng thöù caáp (buoàng thöù caáp). Tieán haønh phaân hoaïch vuøng sô caáp theo khoâng gian thaønh nhöõng vuøng nhoû hôn goïi laø theå tích höõu haïn (control volume hoaëc finite volume) trong ñoù coù chöùa caû pha lieân tuïc vaø pha phaân taùn. Phaàn khoâng gian naøy laø moät heä thoáng môùi ñöôïc goïi laø quaàn theå caùc haït ña phaân taùn trong moâi tröôøng lieân tuïc (S4). Tieáp tuïc phaân hoaïch quaàn theå caùc haït ña phaân taùn thaønh caùc phaàn nhoû hôn. Choïn moät phaàn nhoû môùi taïo thaønh chæ goàm moät haït raén duy nhaát vaø phaàn khoâng gian bao quanh haït raén vaø naèm trong phaàn theå tích höõu haïn. Ñeán ñaây ta ñöôïc heä dò theå moät haït (S3). Tieáp tuïc phaân hoaïch heä dò theå moät haït naøy, xeùt heä chæ goàm hoaøn toaøn pha raén hoaëc hoaøn toaøn pha khí, ta thu ñöôïc heä thoáng môùi naøy laø heä ñoàng theå vi moâ (S2). Vuøng thöù caáp Caùc heä ñoàng theå vi moâ naøy laø caùc chaát hoãn hôïp chöùa caùc S ñôn chaát vaø hôïp chaát ôû caáp ñoä phaân töû. Tieáp tuïc phaân Vuøng sô caáp (vaät S lieäu raén) hoaïch heä ñoàng theå vi moâ naøy ta seõ thu ñöôïc moät taäp hôïp goàm caùc phaân töû (S1). Heä dò theå ña phaân taùn S Caáu truùc phaân taàng cuûa heä thoáng ñoát/nhieät phaân vaät lieäu Heä dò theå moät haït S raén nhö sau: Heä ñoàng theå vi moâ 3.1.2 Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng S Vieäc thöïc hieän phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng thieát Heä caùc phaân töû S bò ñoát kieåu coät nhoài ñöôïc thöïc hieän ôû lôùp thöù ba cuûa caáu truùc heä thoáng (heä dò theå moät haït vaät lieäu raén thöù i naøo ñoù Hình 3.1Caáu truùc phaân taàng heä hoùa lyù ñöôïc kyù hieäu laø S3,i) pha lieân tuïc S3,is bao quanh moät phaàn töû raùc thaûi raén (trong tröôøng hôïp naøy ñöôïc coi laø moät haït vaät lieäu raén hay moät haït vaät lieäu raén - pha phaân taùn S3,is). Nhieät löôïng Q töø quaù trình chaùy cuûa lôùp vaät lieäu beân treân truyeàn vaän tôùi caùc pha S3,ig, S3,is laøm cho noäi naêng Ug, Us cuûa pha khí S3,ig vaø haït vaät lieäu raén S3,is taêng leân. Löôïng nhieät Q truyeàn vaän vaøo heä S3,i phuï thuoäc vaøo cöôøng ñoä naêng löôïng phaùt xaï Is cuûa lôùp vaät lieäu chaùy beân treân, khaû naêng haáp thuï böùc xaï es cuûa vaät chaát trong pha lieân tuïc vaø pha phaân taùn. Trong quaù trình taêng noäi naêng cuûa heä, caùc phaân töû nöôùc thuoäc caáu truùc cuûa S3,is baét ñaàu di chuyeån töø beân trong ra beân ngoaøi beà maët, khueách taùn qua lôùp phim khí ôû beà maët phaân chia pha vaø ñi vaøo pha lieân tuïc S3,ig vôùi ñoäng löïc khueách taùn hôi aåm laø ñoä cheânh leäch aùp suaát hôi baõo hoaø treân beà maët ΔPH2O. Toác ñoä khueách taùn coøn phuï thuoäc vaøo caáu truùc vaät lieäu, kích thöôùc hình hoïc cuõng nhö dieän tích beà maët cuûa pha phaân taùn. Caùc phaàn töû khí trong pha lieân tuïc di chuyeån ra khoûi heä S3,i ñang xeùt vaø ñi vaøo caùc heä S3,i+1 lieàn keà. Theo nghieân cöùu cuûa Ryu vaø coäng söï (2001), thôøi gian saáy vaät lieäu thöôøng keát thuùc trong khoaûng 2 phuùt [14]. Ñoàng thôøi vôùi quaù trình thoaùt hôi aåm töï do vaø hôi aåm lieân keát ra khoûi beà maët haït vaät lieäu raén, caùc nguyeân töû C, H, O,... taïi caùc nuùt maïng tinh theå trong caáu taïo cuûa vaät lieäu seõ trôû neân linh ñoäng hôn, laøm cho caùc lieân keát giöõa cacbonvaø caïc bon, cacbonvaø hydro, cacbonvaø oâxy hoaëc caùc goác töï do khaùc neáu coù trôû neân yeáu ñi. Khi haït chaát thaûi raén nhaän moät naêng löôïng ñuû lôùn, caùc lieân keát trong phaàn töû haït raén seõ bò ñöùt gaõy, daãn ñeán keát quaû seõ taïo thaønh caùc chaát höõu cô, maø chuû yeáu laø caùc hydrocacbon vaø aldehyt. Löôïng vaø thaønh phaàn chaát höõu cô ñöôïc taïo thaønh tuyø thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn caáu taïo beân trong cuûa haït 5a 5b 4 3 2 1 7 vaät lieäu raén trong heä S3,i. Caùc chaát höõu cô ñöôïc taïo thaønh seõ thoaùt ra khoûi haït vaät lieäu raén, ñi vaøo trong pha khí. Nghieân cöùu cuûa Goh vaø coäng söï, (1998) ñaõ chæ ra caùc chaát höõu cô bay hôi ñöôïc giaûi phoùng ôû nhieät ñoä khoaûng 260oC [15] hoaëc theo nghieân cöùu cuûa Ryu vaø coäng söï, (2001) laø 300°C [14]. Khi caùc lieân keát ban ñaàu cuûa vaät lieäu bò ñöùt gaõy, kích thöôùc haït vaät lieäu raén S3,is seõ giaûm daàn ñoàng thôøi caùc lieân keát môùi cuõng ñöôïc taïo thaønh, taïo ra saûn phaåm môùi ôû theå raén laø bitum vaø than. Toác ñoä taïo thaønh than vaø bitum cuõng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn caáu taïo cuûa vaät lieäu raén. Luùc naøy, oâxy töï do töø trong pha khí bao quanh beân ngoaøi haït raén khueách taùn ñeán beà maët cuûa haït vaät lieäu raén, seõ tieáp xuùc vôùi caùc nguyeân töû cacbon cuûa phaàn töû than, bitum vaø taïo ra phaûn öùng chaùy (phaûn öùng oâxy hoaù khöû), sinh ra naêng löôïng. Toác ñoä chaùy cuûa than ñöôïc kieåm soaùt bôûi söï khueách taùn cuûa lôùp phim khí hoãn hôïp vaø toác ñoä phaûn öùng [15]. Töông öùng vôùi caùc quaù trình xaûy ra trong pha raén, pha khí bao quanh moät haït vaät lieäu raén cuõng xaûy ra caùc quaù trình töông öùng. Khi haït vaät lieäu raén giaûi phoùng hôi aåm, phaàn töû hôi nöôùc khueách taùn töø trong haït vaät lieäu ra beân ngoaøi pha khí bao quanh laøm cho maät ñoä cuûa phaàn töû hôi nöôùc taêng leân taïi moät thôøi ñieåm töùc thôøi. Phaàn töû hôi aåm ngay laäp töùc bò loâi cuoán bôûi pha khí ñi töø döôùi leân laøm giaûm maät ñoä hôi aåm trong vuøng theå tích höõu haïn bao quanh haït raén. Khi caùc chaát höõu cô trong pha raén ñöôïc taïo thaønh vaø khueách taùn ra khoûi lôùp beà maët cuûa haït vaät lieäu raén, caùc phaàn töû chaát höõu cô seõ tieáp xuùc vôùi oâxy vaø baét chaùy, sinh naêng löôïng. Saûn phaåm chaùy vaø caùc chaát höõu cô bay hôi chöa chaùy, oâxy vaø caùc phaàn töû khí khaùc seõ chuyeån ñoäng sang nhöõng theå tích höõu haïn khaùc ôû beân Quaù trình giaûi phoùng Quaù trình chaùy cuûa caùc caïnh vaø beân treân. aåm, nhieät phaân, khí hoaù chaát höõu cô trong pha than cuûa pha raén khí Naêng löôïng sinh ra töø caùc phaûn öùng chaùy seõ trao ñoåi nhieät tröïc tieáp vôùi pha khí vaø truyeàn nhieät ngöôïc ñeán pha Nhieät sinh ra töø caùc phaûn öùng Khoái löôïng vaät chaát trong pha chaùy trong pha khí vaø söï raén chuyeån sang pha khí do raén baèng böùc xaï. chaùy cuûa than khueách taùn Lôùp thöù tö trong caáu truùc phaân taàng quan taâm ñeán phaàn theå tích höõu haïn cuûa pha lieân tuïc chöùa moät quaàn theå caùc Gradient Gradient Gradient Gradient hoùa theá nhieät ñoä vaän toác NL beà maët haït ña phaân taùn (heä S4,i). Moâ taû quan troïng nhaát ñoái vôùi heä ña phaân taùn ôû lôùp boán seõ laø phöông trình caân baèng tính chaát taäp ñoaøn haït (thöôøng ñöôïc goïi taét laø phöông Giaûm kích thöôùc cuûa haït vaät lieäu raén trình caân baèng haït) phaûn aûnh söï bieán ñoåi haøm maät ñoä phaân boá haït trong quaù trình chaùy. Phaân boá haït 3.2 KEÁT QUAÛ XAÙC ÑÒNH THAØNH PHAÀN TOÅNG theo kích LÔÙP 4 thöôùc QUAÙT, THAØNH PHAÀN CÔ BAÛN, NHIEÄT TRÒ Baûng 3.1 Phaân tích thaønh phaàn toång quaùt Hình 3.2 Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng Thoâng soá Khaên giaáy Caùc toâng Goã thoâng 5,5 %M 5,48 3,63 81,2 %VM 82,44 79,17 12,1 %FC 8,51 10,73 1,2 %A 3,57 6,47 Baûng 3,2 Phaân tích cô baûn (caên baûn khoâ) Thoâng soá Khaên giaáy Caùc toâng Goã thoâng C, % 43,0 38,8 49,8 H, % 10,0 5,7 8,1 O, % 37,3 45,9 38,3 Baûng 3,3 Nhieät trò (HHV) Thoâng soá Khaên giaáy Caùc toâng Goã thoâng Rôm 7,26 80,12 6,84 5,78 Coû tranh 7,91 82,21 5,55 4,33 Rôm 43,6 5,5 36,8 Coû tranh 43,2 5,7 37,0 Rôm Coû tranh 16,6112 16,1746 HHV, MJ/kg 16,1825 15,9755 18,4437 Mối liên hệ giữa nhiệt trị và thành phần tổng quát được biểu diễn thông qua mối liên hệ sau: HHV = a.%FC+ b.%VM – c.%A sh (3.1) Töø keát quaû nghieân cöùu thöïc nghieäm ôû treân, giaù trò HHV cuûa khaên giaáy, caùc toâng, goã thoâng, rôm vaø coû tranh theo thaønh phaàn toång quaùt nhö sau: Đối với khăn giấy: HHV = 0,3746*%FC+0,156*%VM – 0,0078*%Ash (3.2) Đối với caùc toâng: HHV = 0,3037*%FC+0,1659*%VM – 0,0178*%Ash (3.3) Đối với gỗ thông: HHV = 0,3136*%FC+0,1789*%VM – 0,0278*%Ash (3.4) HHV = 0,4576*%FC+0,1749*%VM – 0,1078*%Ash Đối với rơm: (3.6) 8 Đối với cỏ tranh: HHV = 0,2536*%FC+0,1871*%VM – 0,1071*%Ash (3.7) Đánh giá sai số tương đối giữa kết quả tính toán HHV theo công thức từ (3.4) đến (3.7) với kết quả như sau: HHVtính − HHVTN (3.8) δ= x100 HHVTN Keát quaû cho thaáy, ñoái vôùi khaên giaáy, δ = 1,1%; ñoái vôùi caùc toâng, δ = 1,9%; ñoái vôùi goã thoâng, δ = 0,8%; ñoái vôùi rôm, δ = 0,5%; vaø ñoái vôùi coû tranh, δ = 0,9%. Moái quan heä giöõa caùc phaân tích thaønh phaàn toång quaùt, phaân tích cô baûn ñaõ ñöôïc nghieân cöùu raát nhieàu. Naêm 1997, Demirbas tính HHV cuûa sinh khoái döïa vaøo phaân tích thaønh phaàn toång quaùt HHV = 0,196[FC]+13,119 [27]. Naêm 2005, Sheng, C. vaø coäng söï, ñaõ ñeà nghò coâng thöùc tính HHV cuûa sinh khoái döïa vaøo phaân tích cô baûn HHV = -1 ,3675+0,3137[C]+0,7009[H]+0, 0318[O] [28]. Parikh, J. vaø coäng söï, ñaõ tính HHV töø phaân tích thaønh phaàn toång quaùt cuûa vaät lieäu raén HHV = 0,3536[FC]+0,1559[VM]0,0078[Ash] [29]. Keát quaû thu ñöôïc trong nghieân cöùu naøy so vôùi coâng thöùc cuûa Parikh, J. vaø coäng söï, laø thích hôïp nhaát. 3.3 KEÁT QUAÛ PHAÂN TÍCH NHIEÄT VI SAI 30 20 20% 10 0 200 400 600 800 20% 10 0 1000 0 0 o C Temperature, Nhieä t ñoä, C 200 400 600 800 54% 8% 50 40 30 20 10 0 10 1000 0 200 400 600 800 0 Temperature, Nhieä t ñoä, oCC o C Temperature, Nhieä t ñoä, C 67% 60 30 20 0 90 80 80 70 60 50 40 8% 100 90 TG, % TG, % 30 20 67% 60 50 40 8% 100 80 70 TG, % 67% 60 50 40 6% 100 90 80 70 4% 62% 70 60 50 40 30 3% 20 10 0 0 0 200 400 600 0 0 800 200 Nhieä t ñoä, CoC Temperature, 400 600 800 0o Temperature, Nhieä t ñoä, CC Hình 3.3-3.7 Ñöôøng cong TG cuûa khaên giaáy caùc toâng, goã thoâng, coû tranh, rôm Töø keát quaû theå hieän treân ñoà thò TG cuûa caùc loaïi vaät lieäu raén, coù theå ruùt ra moät soá keát luaän nhö sau: ™ Quaù trình baét chaùy cuûa haït vaät lieäu dieãn ra qua boán giai ñoaïn choàng laán leân nhau goàm: quaù trình giaûi phoùng aåm, quaù trình thu nhieät gia taêng nhieät ñoä trong toaøn haït vaät lieäu, quaù trình nhieät phaân giaûi phoùng vaät chaát vaø quaù trình chaùy cuûa than cô baûn. ™ Vôùi taát caû caùc loaïi vaät lieäu nghieân cöùu, söï giaûi phoùng aåm dieãn ra trong khoaûng töø 3 ñeán 6 phuùt. Keát quaû naøy phuø hôïp vôùi nhieàu nghieân cöùu ñaõ coâng boá ñoái vôùi caùc loaïi vaät lieäu töông töï [14, 30]. Trong quaù trình giaûi phoùng hôi aåm, haït vaät lieäu tieáp tuïc gia taêng nhieät ñoä ñeán nhieät ñoä nhieät phaân. ™ Khi haït vaät lieäu ñaït ñeán nhieät ñoä nhieät phaân, toác ñoä giaûi phoùng vaät chaát dieãn ra raát nhanh trong khoaûng 15 ñeán 25 phuùt, sau ñoù toác ñoä giaûi phoùng vaät chaát giaûm daàn. Ñieàu naøy cho pheùp döï ñoaùn ñaõ coù xaûy ra moät quaù trình ngöng tuï moät phaàn vaät chaát ñaõ ñöôïc giaûi phoùng treân beà maët lôùp vaät lieäu coøn laïi, taïo ra lôùp voû boïc ngaên caûn laøm cho quùa trình giaûi phoùng vaät chaát töø pha raén vaøo pha khí dieãn ra chaäm hôn. Vaán ñeà naøy seõ tieáp tuïc ñöôïc nghieân cöùu laøm roõ trong moâ hình lôùn hôn, töùc laø heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài. ™ Trong khi vaät lieäu raén giaûi phoùng vaät chaát höõu cô, quaù trình chaùy cuûa than cuõng dieãn ra. Do toác ñoä chaùy cuûa than dieãn ra chaäm, ñöôøng cong TG bieåu dieãn söï suy giaûm khoái löôïng cuõng dieãn ra theo xu höôùng tieäm caän vôùi giaù trò ñoä tro trong vaät lieäu. Ñoà thò ñoä chuyeån hoùa vaø vi phaân ñoä chuyeån hoaù theo thôøi gian cuûa caùc loaïi vaät lieäu nghieân cöùu ñöôïc theå hieän trong caùc hình nhö sau: 0.080 0.060 0.3 0.2 0.040 0.020 0.1 0 0 200 400 600 0 Nhieät Temperature, ñoä, C o 800 0.000 1000 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 200 400 0 Nhieät Temperature, ñoä, C C 600 o α dα/dt 0.9 0.8 0.07 0.7 0.06 0.6 0.5 0.4 0.05 0.3 0.04 0.2 0.1 0 0 800 0 C 200 400 0 NhieätTemperature, ñoä, C oC 600 0.016 α dα/dt 0.014 0.9 0.8 0.012 0.7 0.010 0.6 0.5 0.008 0.4 0.030 0.020 0.010 0.1 0.002 0 0.000 800 400 0 600 o Nhieä t ñoä, C C Temperature, 0.050 0.040 0.2 0.1 0.2 0.01 200 0.060 0.4 0.004 0.02 0 0.070 dα/dt 0.3 0.3 800 0.090 0.080 α 0.006 0.03 0 0.100 1 1 0.1 0.09 0.08 0 0 200 400 600 Temperature, oC Hình 3.8-3.12 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa khaên giaáy , caùc toâng, goã thoân g, coû tranh, rôm Moâ hình ñoäng hoïc quaù trình chaùy cuûa haït vaät lieäu raén trong khoâng khí ñöôïc xaùc ñònh theo phöông trình Arrhenius nhö sau: dα = ⎡k . exp⎛⎜ − E ⎞⎟⎤ (1 − α ) n (3.9) ⎢ 0 ⎥ dt ⎣ ⎝ RT ⎠⎦ Vôùi, α laø ñoä chuyeån hoaù cuûa vaät lieäu raén ; E laø naêng löôïng hoaït hoaù ; k0 laø haèng soá toác ñoä n laø baäc cuûa phaûn öùng ; R laø haèng soá khí ; Logarite hoaù hai veá cuûa phöông trình (3.9), phöông ⎛ E⎞ 1 ⎛ dα ⎞ n trình môùi ñöôïc vieát laïi nhö sau: (3.10) ln⎜ ⎟ = ln[k .(1 − α ) ] + ⎜ − ⎟( ) ⎝ dt ⎠ 0 ⎝ R⎠ T Saép xeáp laïi phöông trình (3.10), coù: ln[dα / dt ] = ln k0 + n ln(1 − α ) − E / RT (3.11) 0.000 800 d /dt, o C -1 0.100 α dα/dt d /dt 0.120 dα/dt 0.5 0.4 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 d α/dt 0.7 0.6 0.140 α 0.160 α d /dt 0.180 1 0.9 0.8 d /dt TG, % 80 70 0 3% 100 90 TG, % 3% 100 90