(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu và mô phỏng hệ thống xử lý khí thải trong quá trình thiêu xác gia cầm bằng phần mềm ansys fluent

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 Q TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT S K C 0 9 NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 8 Tp Hồ Chí Minh, 2012 Luan van 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 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG Q 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 Luan van 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 Q TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 10.025.204.013 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH HÀO Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Luan van LÝ 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 riêng địa liên lạc: 448/14 Quốc Lộ 1, Phường 2, TP Sóc Trăng, Sóc Trăng Điện thoại nhà riêng: 0793.610611 E-mail:nguyenquockhanhst44@yahoo.com.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 05/2005 Nơi học (trường, thành phố): ĐH SPKT TP Hồ Chí Minh Ngành học: KTCN III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác 2005 đến Trường THPT Hồng Diệu – Sóc Trăng Trang i Luan van Cơng việc đảm nhiệm Giáo viên LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang ii Luan van LỜI CẢM TẠ Trước hết chân thành cảm ơn quý thầy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM nhiệt tình giảng dạy suốt thời gian học vừa qua trường Nhất thầy khoa Cơ khí Chế tạo máy cung cấp cho kiến thiết chun mơn cần thiết cho tơi hồn thành luận văn Đặc biệt xin cảm ơn TS Nguyễn Thanh Hào trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM tận tình hướng dẫn suốt thời gian làm luận văn Thầy chuyền đạt kiến thức chuyên môn tài liệu tham khảo hữu ích cho việc hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn bạn lớp đưa ý kiến đóng góp, ổ trợ phương tiện cần thiết thực luận văn Một lần xin cảm ơn tất cả! TP.HCM, tháng 10 năm 2012 Người thực Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang iii Luan van TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đề cập đến việc xây dựng mơ hình tính tốn ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT mô trình xử lý khí thải bên tháp hấp thụ Phương pháp mơ dựa sở tình tốn kết xử lý khí thải, Code Matlab kết mơ ANSYS FLUENT Kết tính tốn nồng độ khí thải SO2, NO2, CO2 trình thiêu đốt xác gia cầm sinh xử lý phương pháp hấp thụ với chất hấp thụ sử dụng Ca(OH) Các kết tìm được, đem phân tích đối chiếu với kết tính tốn, Code Matlab kết mơ ANSYS FLUENT Kết phân tích góp phần quan trọng việc tính tốn 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 iv Luan van MỤC LỤC: Trang tựa TRANG 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 chữ viết tắt x Danh sách bảng xii Danh sách hình xiv Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Các kết nghiên cứu nước công bố 1.1.1 Nghiên cứu nước 1.1.1.1 Hệ thống xử lý nhiều tầng 1.1.1.2 Phương pháp loại bỏ SOx NOx từ hệ thống lò đốt 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.1.2.1 Lị đốt xử lý khói thải lị đốt chất thải nguy hại 1.1.2.2 Lò đốt rác y tế 1.1.3 Các vấn đề khoa học tồn cần nghiên cứu để giải 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể đối tượng nghiên cứu 1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Kế hoạch thực 10 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH XỬ LÝ KHÍ THẢI 11 2.1 Xử lý khí phương pháp thiêu hủy 11 2.1.1 Thiêu hủy nhiệt 11 Trang v Luan van 2.1.2 Thiêu hủy phương pháp hóa học 11 2.1.3 Thiêu hủy phương pháp đốt 11 2.1.3.1 Đốt khơng 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 khí thải phương pháp hấp phụ 13 2.3.1 Khái quát 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 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 trình hấp thụ 17 2.3.1.2.2 Cân pha hệ khí – lỏng 18 Chƣơng 3: CHẤT HẤP THỤ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ 20 3.1 Đối với NOX 20 3.1.1 Hấp thụ NOX than hoạt tính 20 3.1.2 Hấp thụ NOX silicagen 20 3.1.3 Hấp thụ NOX keo nhôm 20 3.1.4 Hấp thụ NOX than bùn có tính kiềm thiết bị tầng sôi 21 3.1.5 Hấp thụ NOx amoni cacbonat 21 3.1.6 Hấp thụ NOx nước 21 3.1.7 Hấp thụ khí NOx kiềm 22 3.2 Đối với khí SO2 22 3.2.1 Hấp thụ khí SO2 nước 22 3.2.2 Hấp thụ khí SO2 dung dịch soda 23 3.2.3 Hấp thụ khí SO2 dung dịch amoniac 23 3.2.4 Hấp thụ khí SO2 amin thơm 24 3.2.5 Hấp thụ đồng thời khí SO2 NOx NaOH Na2CO3 24 3.3 Đối với khí CO2 25 Trang vi Luan van 3.3.1 Hấp thụ khí CO2 dung dịch etanolamin 25 3.3.2 Hấp thụ khí CO2 dung dịch amoniac 25 3.3.3 Hấp thụ khí CO2 dung dịch kiềm 26 3.3.4 Hấp thụ khí CO2 nước 26 3.4 Đối với CO 27 Chƣơng 4: TÍNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ 29 4.1 Công suất thành phần cần thiêu hủy 29 4.2 Tính tốn lượng vật chất vào lị khỏi lò 29 4.2.1 Cân vật chất 29 4.2.1.1 Lượng vật chất cấp vào lò 30 4.2.1.1.1 Lượng không khí nạp vào lị 31 4.2.1.1.2 Tổng lượng vật chất vào lò 34 4.2.1.2 Lượng vật chất khỏi lò 34 4.2.2 Cân nhiệt lượng 35 4.2.2.1 Nhiệt lượng đưa vào lò 36 4.2.2.2 Cân nhiệt lượng khỏi lò 38 4.3 Tính tốn thiết kế tháp hấp thụ 40 4.4 Kết code matlab 44 Chƣơng 5: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BÊN TRONG THÁP HẤP THỤ 45 5.1 Mơ hình hóa hệ thống 45 5.2 Mơ tả tốn điều kiện biên 46 5.2.1 Mơ tả tốn 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 48 5.3 Sử dung CFD ANSYS FLUENT mơ q trình xử lý bên tháp hấp thụ 48 5.3.1 Chia lưới tháp hấp thụ 48 5.3.2 Thiết lập điều kiện mô 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 vii Luan van Phụ lục chương 5: Mô số trình xử lý tháp hấp thụ 5.2.4 Tiến hành mô (Setup) Bấm đôi vào trang Setup, xuất hộp thoại FLUENT Launcher (Setting Edit Only) Chọn Double Precision Ấn OK, xuất cửa sổ Fluid Flow (FLUENT) 5.2.4.1 Phần cài đặt − Trang General, mục Mesh chọn Check kiểm tra lưới  Chọn Gravity, chọn −9.81 (m/s2) theo phương Y Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 96 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ  Chọn Unit … chọn density chọn đơn vị mg/m3 ấn Close Trang Model  Multiphase chọn Mixture số pha nhập  Energy: chọn Energy Equation Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 97 Luan van Phụ lục chương 5: Mô số trình xử lý tháp hấp thụ  Viscous: chọn k − epsilon (2eqn) Trang Material: chọn Creat/Edit … Khai báo giá trị cho loại chất lấy giá trị mặc định FLUENT Database Trang Phase: Khai báo cho pha, chọn Calcium hydroxide pha chính, tất chất lại chọn pha phụ Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 98 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ Thiết lập quan hệ cho pha chọn Interaction… Trang Boundary Conditions: − InletEmission: chọn Edit …  Chọn tần số rối 1% tỷ lệ rối 0.1  Chọn vận tốc m/s hàm thể tích 0.2 cho pha khí thải Carbon dioxide, sulfur dioxide, Nitrogen Oxide Oxygen Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 99 Luan van Phụ lục chương 5: Mô số trình xử lý tháp hấp thụ − InletFluid: chọn Edit …  Chọn tần số rối 1% tỷ lệ rối 0.1  Chọn vận tốc m/s cho Calcium Hydroxide − OutletEmission:  Chọn giá trị dịng phản hồi 0.165 cho khí thải không hấp thụ Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 100 Luan van Phụ lục chương 5: Mô số trình xử lý tháp hấp thụ − OutletFluid:  Chọn giá trị dòng phản hồi 0.165 cho Calcium Carbonate, Calcium Sulfate, nước Chọn Operating Condition … − Trang Dynamic Mesh: Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 101 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ 5.2.4.2 Phần Solution − Trang Solution Methods: chọn phương pháp SIMPLE − Trang Solution Controls: chọn vận tốc trượt 0.4 − Trang Monitors: chọn Edit … Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 102 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ − Trang Solution Initialization: chọn Initialize − Trang Run Calculation:  Chọn Check Case nhấp số vòng lập 200  Ấn Calculate Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 103 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ 5.2.4.3 Phần Results − Trang Plots chọn XY Plots  Khai báo tham số theo phương X Y  Chọn Display Khi khảo sát biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu vào cho thấy lưu lượng khí thải cung cấp vào tháp khơng thay đổi suốt trình xử lý đạt giá trị khoảng 0,9102kg/s khơng tính đến lượng tro 5.2.4.4 Tháp đƣờng kính 780mm cao 2500mm vận tốc khí bên tháp vtháp=1,2m/s Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 104 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 250mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 280mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 300mm Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 105 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 330mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 350mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu ra, thời gian lưu khí bên nên vị trí đầu tháp thời điểm đầu lượng khí ít, sau thời gian xử lý lưu lượng khí dần ổn định Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu ra, lưu lượng khí thải vị trí đầu lúc đầu thấp, sau thời gian xử lý khí thải ổn định Vận tốc ống phun (m/s) Đường kính ống phun (mm) Lưu lượng đầu vào (kg/s) 11,62 250 2,5×10-08 9,25 280 5×10-08 8,0 300 6,66 330 6×10-08 5,92 350 5×10-08 0,9102 Lưu lượng đầu (kg/s) 4×10-08 Bảng 1: Lưu lượng khí thải đầu tháp đường kính 780mm Đối với tháp xử lý có đường kính tháp 780mm, cao 2500mm, đường kính ống phun thay đổi khoảng 250mm - 350mm với lưu lượng khí thải vào có giá trị không đổi 0,9102kg/s, dựa vào biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu tháp có vận tốc vào có vận tốc khoảng 5,92 - 6,66m/s có độ ổn định tốt 5.2.4.5 Tháp đƣờng kính 850mm cao 2800mm vận tốc khí bên tháp vtháp=1,0m/s Khi khảo sát tháp có đường kính 850mm có chiều cao 2800mm với vận tốc bên tháp 1,0m/s, đường kính ống phun thay đổi khoảng 250mm - 350mm, Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 106 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ ảnh hưởng vận tốc đầu vào thời gian lưu lại bên tháp theo tính tốn lý thuyết 3s, kết hợp với chất hấp thụ từ bên phun xuống, lượng khí thải bị hấp thụ tạo sản phẩm rắn thu đáy tháp, lượng khí khơng haaspt hụ ngồi Những khí thải độc hại bị giữ lại, ống phun có đường kính nhỏ lượng khí thải đầu nhỏ Vận tốc ống phun (m/s) Đường kính ống phun (mm) Lưu lượng đầu vào (kg/s) 11,62 250 2,25×10-08 9,25 280 1,5×10-07 8,0 300 6,66 330 2×10-07 5,92 350 3,5×10-08 0,9102 Lưu lượng đầu (kg/s) 2,5×10-08 Bảng 2: Lưu lượng khí thải vị trí đầu tháp có đường kính 850mm 5.2.4.6 Tháp đƣờng kính 950mm cao 3200mm vận tốc khí bên tháp vtháp=0,8m/s Vận tốc ống phun (m/s) Đường kính ống phun (mm) Lưu lượng đầu vào (kg/s) 11,62 250 3,5×10-08 9,25 280 1,2×10-07 8,0 300 6,66 330 1,2×10-07 5,92 350 3,75×10-07 0,9102 Lưu lượng đầu (kg/s) 3×10-08 Lưu lượng khí thải vị trí đầu Theo kết mơ tháp có đường kính 950mm cao 3200mm lượng khí thải đầu vào với vận tốc khí bên tháp nhỏ, thời gian lưu khí bên 3s, tăng thời gian chất hấp thụ tiếp xúc với lượng khí thải độc hại bên tháp làm tăng khả hấp thụ 5.2.4.7 Tháp đƣờng kính 1100mm cao 3700mm vận tốc khí bên tháp vtháp=0,6m/s Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 107 Luan van Phụ lục chương 5: Mô số trình xử lý tháp hấp thụ Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 250mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 280mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 300mm Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 330mm Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 108 Luan van Phụ lục chương 5: Mơ số q trình xử lý tháp hấp thụ Biểu đồ lưu lượng khí thải vị trí đầu đường kính ống phun 350mm Trong lưu lượng khí thải đầu vào, trường hợp tháp có đường kính 1100mm vận tốc bên tháp 0,6m/s, ống phun chất hấp thụ 80mm vận tốc chất hấp thụ 3m/s, trường hợp mô kết thu gần giống nhau, nồng độ xử lý vị trí đầu có giá trị ổn định trường hợp mô khác 5.2.5 Kết mô chiều − Chọn Insert Streamline Khai báo tên cho dịng khí thải: Carbon dioxide, sulfur dioxide, nitrogen oxide Oxygen Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 109 Luan van Luan van ... cho q trình xử lý Từ đó, mơ số trình xử lý bên tháp hấp thụ hệ thồng xử lý khí thải phần mềm ANSYS FLUENT 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Tính tốn hệ thống xử lý phương pháp hấp thụ mô trình xử lý bên... LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRONG Q TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 10.025.204.013 Hướng... 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 Q TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM BẰNG PHẦN