Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất rắn công nghiệp đặc trưng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA X W LE ANH KIÊN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG Chuyên ngành: Máy Thiết bị Công nghệ Thực phẩm Mã ngành: 2.01.20 HƯỚNG DẪN: PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI GS V.N.SHARIFI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án thực từ kiến thức Tôi không nộp luận án cho trường viện để cấp Lời cảm ơn Trước hết xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS.TSKH Lê Xuân Hải tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm quý báu đường nghiên cứu khoa học Thầy chân tình động viên tạo điều kiện tốt cho để hoàn thành luận án Lòng biết ơn chân thành xin gửi đến GS.Vida Sharifi GS Jim Swithenbank tận tình hướng dẫn, đặc biệt với GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow hỗ trợ phần kinh phí không ngừng khuyến khích thời gian học tập trường Đại học Sheffield Lời cảm ơn sâu sắc hình thành từ ngôn từ ngữ văn thông thường xuất phát từ tất trái tim lý trí có lẽ nói lên đầy đủ mà người vợ yêu quý TS Lê Thị Kim Phụng dành trọn vẹn cho tôi, với gái Lê Phụng Anh Tâm trở thành nguồn động viên to lớn, giúp có đủ tinh thần, sức lực để vượt qua tất khó khăn suốt thời gian làm luận án Xin cảm ơn người thân, gia đình bạn bè đồng nghiệp Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới Bảo vệ Môi Trường, đặc biệt TS Nguyễn Quốc Bình, chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu với tôi, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi để chuyên tâm viết nên công trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Thầy, cô khoa Công nghệ Hoá học, môn Máy Thiết Bị ủng hộ tôi, tạo điều kiện tốt đóng góp ý kiến qúy giá cho tôi, giúp hoàn thành công việc Cuối cùng, xin cảm ơn Bộ Giáo dục Đào tạo, Trường Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tài trợ cho thực công trình nghiên cứu MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Tiết kiệm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm thiểu lượng rác thải, tái chế, tái sử dụng tái sinh lượng từ rác thải vấn đề quan tâm mức toàn cầu hoá Trong đó, tái chế chất thải dần trở thành ngành công nghiệp thực nước công nghiệp phát triển Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật,… Ngành công nghiệp đặc biệt tái chế chất thải góp phần cung cấp loại nguyên liệu nylon, nhựa, giấy, gỗ, kim loại, thủy tinh,… với chi phí thấp nhiều so với chi phí sản xuất loại nguyên liệu ban đầu Phần nguyên liệu bẩn lại có nguồn gốc hữu sau phân loại, lần xem chất thải ngành công nghiệp phân loại tái chế, thường tiếp tục xử lý phương pháp đốt khác nhằm tạo điều kiện giảm áp lực quỹ đất bãi chôn lấp Vấn đề đốt “chất thải chất thải” kết hợp phát điện đầu tư nghiên cứu nhiều quốc gia công nghiệp phát triển nêu Một loại thiết bị sử dụng phổ biến lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling bed) Thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển sử dụng phổ biến để đốt sinh khối (biomass), chất thải sinh hoạt nhiều nơi giới Nhiều công trình nghiên cứu trường Đại học, Viện nghiên cứu, nhà máy công nghiệp loại thiết bị thực thu kết quan trọng, đóng góp vào hiểu biết trình cháy, phương thức nâng cao hiệu cháy,… trình xử lý rác thải phương pháp đốt Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu thực tiếp cận trình đốt rác thải thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển cách thực chuẩn mực với nguyên tắc thiết bị lò đốt rác thải xét hệ thống phức tạp Trên sở nhận thức sâu sắc ý nghóa giá trị việc đốt chất thải rắn thiết bị đốt có vỉ lò di chuyển, đề tài luận văn Tiến só “Phân tích hệ thống trình đốt chất thải công nghiệp đặc trưng” đề xuất thực phối hợp trường Đại học Quốc gia TP.HCM Đại học Sheffield, UK Trong đó, đối tượng nghiện cứu xem xét hệ thống phức tạp tác vụ nghiên cứu xác lập triển khai theo tinh thần phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU Như đề cập trên, đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm: ¾ Vật liệu nghiên cứu: chất thải rắn hữu phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất thải chất thải) sinh khối thực vật (chất thải ngành sản xuất nông nghiệp ); ¾ Thiết bị: lò đốt kiểu cột nhồi (là mô hình vật thể thu nhỏ thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển ); ¾ Quá trình đốt : đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Phương pháp mô hình hóa trình đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Chương trình mô trình cháy chất thải rắn MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu đặt Luận án là: ¾ Nghiên cứu tính chất trình cháy hỗn hợp vật liệu rắn thiết bị đốt kiểu cột nhồi; ¾ Xác định phương trình động học trình cháy loại vật liệu chất thải sau phân loại tái chế, tái sử dụng sinh khối nông nghiệp; ¾ Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả trình cháy vật liệu rắn theo phương pháp phân tích hệ thống; ¾ Xây dựng chương trình mô nghiên cứu trình đốt vật liệu rắn theo phương pháp thể tích hữu hạn; NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Các nội dung nghiên cứu chủ yếu luận án gồm: ¾ Tổng quan nghiên cứu trình đốt chất thải rắn giới nước theo quan điểm phương pháp luận tiếp cận hệ thống ¾ Nghiên cứu ảnh hưởng chủ yếu yếu tố vật lý đến trình cháy hệ gồm: ảnh hưởng lưu lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng độ rỗng hệ ¾ Vận dụng phương pháp phân tích hệ thống nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng lò đốt có vỉ lò di chuyển ¾ Xử lý liệu nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định đặc tính cấu trúc, cấu tạo vật chất vật liệu; nghiên cứu trình cháy vật liệu thiết bị đốt kiểu cột nhồi để xác định thông số mô hình Xây dựng chương trình CIS dựa vào phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng, kiểm chứng mô hình toán học xây dựng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án thực sở phương pháp luận tiếp cận hệ thống triển khai theo lược đồ logic tương ứng với tác vụ chủ đạo tiếp cận hệ thống Các phương pháp vận dụng để tiến hành phân tích hệ thống trình đốt nhiệt phân chất thải rắn bao gồm: ¾ Phương pháp phân hoạch hệ thống: sử dụng để nhận dạng vấn đề cụ thể cần nghiên cứu quy mô, phạm vi thuộc phân hệ ¾ Phương pháp tích hợp hệ thống: sử dụng để tổng hợp kết nghiên cứu phân hệ, tạo kết cho hệ có quy mô lớn ¾ Phương pháp nghiên cứu mô hình vật thể: từ kết phân hoạch hệ thống xác định mô hình vật thể (các thiết bị thực nghiệm) tiến hành nghiên cứu mô hình vật thể để nhận dạng trình đốt nhiệt phân loại vật liệu chọn làm đại diện cho chất thải rắn Phương pháp nghiên cứu mô hình vật thể bao hàm trình thống kê xử lý liệu thực nghiệm ¾ Phương pháp nghiên cứu mô hình toán học: sử dụng với mục đích hỗ trợ cho nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật thể, nhằm tạo biểu đạt có tính khái quát sau tiến hành mô trình đốt nhiệt phân sở mô tả toán học thu Ý NGHĨA KHOA HỌC • Luận án công trình nghiên cứu nước thực vận dụng phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống với tác vụ chủ đạo Phân tích hệ thống hỗn hợp nhiên liệu rắn (hệ dị thể đa phân tán) thiết bị lò đốt kiểu cột nhồi ; • Đối tượng vật liệu nghiên cứu hỗn hợp giấy hỗn hợp sinh khối sử dụng nghiên cứu đóng góp vào nghiên cứu chung nhóm nghiên cứu trường Đại học Sheffield (Vương Quốc Anh) hiểu biết trình cháy loại vật liệu “chất thải chất thải” Đây xem nghiên cứu mở đường cho việc nghiên cứu trình cháy loại chất thải rắn tương tự Việt Nam Ý NGHĨA THỰC TIỄN • Thiết bị đốt kiểu cột nhồi nghiên cứu luận án mô hình vật thể thu từ phép phân hoạch thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển thiết bị lò đốt tónh hai cấp Đây hai loại lò đốt chất thải phổ biến giới Việt Nam Kết nghiên cứu đề tài triển khai ứng dụng loại lò đốt kể với vật liệu đốt chất thải rắn nói chugn sinh khối ; • Kết nghiên cứu luận án góp phần vào lời giải toán xử lý chất thải kết hợp tái sinh lượng , phục vụ nhu cầu sinh hoạt sản xuất công nghiệp ¾ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU Cơ cấu loại chất thải rắn hoạt động kinh tế quốc gia công nghiệp phát triển đồng nhất, có thành phần 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 lượng Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn Chất thải không nguy hại Một số loại chất thải từ hộ gia đình Phân loại, thu gom Tiêu hủy Tái chế Chất thải chất thải Chôn lấp CH4 Xử lý nước thải Ủ Compost Tro Năng lượng Sản phẩm Lò đốt Bùn thải Tái sử dụng Thu hồi Khí nóng 31% Chất thải nguy hại Phương pháp 15% Phân loại nguồn Sản phẩm, phương tiện Chất t hải xây dựng 6% 1% Chất thải Khí cháy Chất thải lỏng Xử lý khí Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình xử lý chất thải rắn Việc đốt “chất thải chất thải” thực chủ yếu ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn Cho đến nay, việc nghiên cứu chất trình đốt hỗn hợp vật liệu chưa thực Viện nghiên cứu trường Đại học tiên tiến giới 1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN Trong công nghiệp đốt xử lý chất thải, thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển sử dụng nhiều tính ưu việt như: công suất xử lý lớn, hiệu suất đốt chất thải lớn, chất thải nạp vào liên tục tro lấy liên tục Ngoài tối ưu trình cấp khí để đạt hiệu suất xử lý cao nhất, hiệu suất nhiệt sinh lớn Do công suất lò lớn nên lượng khí cháy sinh lớn, sử dụng cấp cho lò phục vụ cho việc phát điện [3-6] Chất thải cấp liên tục từ phễu xuống ghi lò Ghi lò di chuyển tuần hoàn từ trái sang phải với góc nghiêng i = 10o-15o Tro tháo liên tục đoạn cuối ghi lò Không khí cung cấp cho trình cháy từ ghi lò gọi không khí sơ cấp Khí cháy sơ cấp di chuyển lên khu vực bên Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị lò đốt vỉ lò di chuyển chuyển Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn ghi lò di cung cấp tiếp ôxy, gọi không khí thứ cấp, để phản ứng cháy pha khí tiếp tục diễn Tại khu vực này, thành phần cháy pha khí tiếp tục cháy toả lượng thu nhiệt để cung cấp cho lò hơi, phục vụ cho việc tái sinh lượng Phần khí cháy sau tận dụng nhiệt xử lý trước thải môi trường Trong trình vận hành lò đốt, vật liệu rắn nạp vào lò thông qua phễu nạp liệu Vật liệu rắn nằm ghi lò di chuyển với ghi lò Các ghi lò gối nối tiếp lên có lỗ thông khí từ bên Hệ thống ghi lò có chức tương tự băng tải vận chuyển vật liệu rắn từ đầu đến cuối lò Khi ghi lò di chuyển đến cuối lò, ghi lò tự quay đổi hướng đổ tro bề mặt vào phễu thu tro Thanh ghi lò tiếp tục di chuyển ngược trở lại đầu lò nạp liệu đổi hướng lần trước nhận nhiên liệu đổ vào Hệ thống ghi lò cấu tạo theo gờ gối lên với mục đích không để xảy tượng khối vật liệu rắn trượt theo quán tính cuối lò ghi lò di chuyển Điều có nghóa khối vật liệu rắn đứng yên ghi lò suốt trình di chuyển ghi từ đầu lò đến cuối lò Tại đầu vào ghi lò, vật liệu rắn thu nhiệt bắt đầu trình bay ẩm Trong trình di chuyển với ghi lò phía phễu thu hồi tro, vật liệu rắn tiếp tục diễn trình giải phóng chất, trình cháy cacbon sau giải phóng chất cấu trúc vật liệu rắn Vật liệu rắn đến cuối ghi lò lại chủ yếu tro xỉ Trong trình cháy di chuyển vỉ lò, không khí sơ cấp cung cấp từ ghi lò vừa đủ để không làm xáo trộn lớp vật Không khí thứ cấp Không khí thứ cấp Không khí thứ cấp liệu rắn bên Bức xạ nhiệt theo Tro, cacboncăn phương ngang nhỏ so với xạ nhiệt theo Tro Vật liệu rắn Vật liệu rắn Tro, cacboncăn phương thẳng đứng, xem truyền nhiệt xạ theo Vật liệu rắn phương ngang khối vật liệu Không khí sơ cấp Không khí sơ cấp Không khí sơ cấp hai ghi liên tiếp Thời gian Xem xét phân đoạn vật liệu rắn nằm t=0 t=t t=t ghi lò Vật liệu rắn Hình 1.5 Sơ đồ vận động theo thời gian cột nhiên liệu nạp vào nằm ghi lò, sau nhiên liệu bắt cháy đỉnh cột vật liệu Không khí sơ cấp cung cấp từ bên vào cột để trì cháy Lớp vật liệu bên bắt cháy truyền nhiệt chủ yếu xạ nhiệt xuống lớp vật liệu bên Lớp vật liệu bên tăng nhiệt độ, giải phóng ẩm nhiệt phân giải phóng chất hữu Các chất hữu giải phóng bắt cháy tiếp tục cung cấp lượng truyền nhiệt xạ xuống lớp vật liệu thấp Như vậy, trình tiếp tục lớp vật liệu đáy cột bắt cháy Tốc độ giải phóng chất hữu tốc độ bắt cháy chất khí giải phóng loại vật liệu khác nghiên cứu nhiều nơi giới Pedersen thực nghiên cứu vật liệu biomass [7], đó, nghiên cứu Desroches-Ducarne người khác tiến hành vật liệu rác thải sinh hoạt đô thị [8] Trong trình bắt cháy toàn lớp vật liệu, lớp vật liệu bên trở thành cacbonvà tiếp tục bắt cháy Tốc độ bắt cháy than tuỳ thuộc vào nồng độ ôxy có mặt xung quanh phần tử than [7, 9-12] i n đốt thông thường loại lò đốt tónh hai cấp Loại lò đốt chất thải phổ biến Việt Buồng đốt thứ cấp Nam, có dạng hình 1.6 Vị trí cấp không Ống nối khí sơ cấp Với loại lò đốt nhiệt phân tónh hai cấp, vật liệu rắn nạp vào lần buồng đốt sơ cấp, Hình 1.6 Thiết bị lò đốt tónh hai cấp lớp vật liệu rắn đốt mồi không khí sơ cấp cung cấp từ đáy vỉ lò Trong trình cháy, lớp vật liệu rắn đứng yên ghi lò Với hệ thống thiết bị này, tiến hành phân hoạch hệ thống gồm vật liệu rắn vỉ lò, không gian cấp khí sơ cấp vỉ lò không gian bên lớp vật liệu rắn thu đối tượng tương đương với mô hình cột nhồi Các nghiên cứu trình cháy lò đốt tónh hai cấp thực nhiều quan nghiên cứu nước, đặc biệt tập trung Thành phố Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI Thiết bị đốt kiểu cột nhồi mô hình vật thể thu từ trình phân hoạch thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển lò đốt tónh hai cấp Quá trình cháy thiết bị dạng cột nhồi nhiều nơi thực nghiên cứu thời gian qua Đáng kể nhóm nghiên cứu Hàn Quốc, giáo sư Shin cộng sự, Viện KIST thực nghiên cứu mô hình hóa mô trình cháy gỗ thông thiết bị đốt có ghi lò di chuyển Trong nghiên cứu này, tác giả phân hoạch thiết bị đốt có ghi di chuyển thành cột nhồi, xây dựng mô tả toán học cho cột nhồi hệ thống Mô tả toán học xây dựng cho đơn vị thể tích kiểm soát cột nhồi sau [13, 14]: Nhiệt thu pha rắn đơn vị thể tích kiểm soát nhiệt sinh phản ứng hóa học cộng với nhiệt mát bay ẩm, nhiệt trao đổi với thể tích kiểm soát bên bên nhiệt trao đổi với pha khí Tương tự, cân nhiệt pha khí viết sau: , , , , Năng lượng thu pha khí đơn vị thể tích kiểm , 1, 1,   soát nhiệt sinh phản ứng hoaù học cộng với nhiệt trao ñổi với pha rắn ∆ 1, ,   Khối lượng vật liệu rắn gồm khối lượng ẩm, khối lượng chất 0 ∆ bay hơi, khối lượng than khối lượng tro: , , , Mb=Mmoist+Mvol+Mchar+Mash Tại trường Đại học Sheffield, nhóm nghiên cứu giáo sư Swithenbank giáo sư Sharifi tiến hành nghiên cứu trình cháy chất thải rắn thiết bị lò đốt có ghi di chuyển Nhóm nghiên cứu thực việc phân hoạch thiết bị lò đốt có ghi lò di chuyển thành nhiều thiết bị cột nhồi, tiến hành thực nghiệm, xây dựng mô tả toán học mô trình cháy thiết bị cột nhồi [4, 15-17] Những nghiên cứu thực xây dựng mô tả toán học Khí hóa Nhiệt phân Sấy xem hệ gồm toàn pha rắn có VC VD VB VA lỗ xốp bên Quá trình Chất thải (B): Chất thải khô (C): Chất thải sau nhiệt phân Chất thải sau nhiệt cháy vật liệu rắn khảo Am Å Chất bay (D ): phan khí thải (A ): Ch ấ t bay Cacbon, tr o Cac bon, tro Tro sát vùng thể tích dựa Cacb on, tro thay đổi thể tích vật liệu rắn trình cháy Ngoài ra, nghiên cứu khác trường Đại học Sheffield nơi khác thực mô hình thiết bị đốt kiểu cột nhồi với loại vật liệu rắn khác gỗ, giấy loại, cỏ mực, rơm,… nhằm tìm ý nghóa ứng dụng thực tiễn ảnh hưởng kích thước vật liệu rắn ban đầu, ảnh hưởng lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng không khí thứ cấp đến tốc độ cháy, nồng độ cực đại khí cháy sinh [3-6, 16-26] Các nghiên cứu đóng góp nhiều vào hiểu biết trình cháy loại vật liệu thiết bị đốt kiểu cột nhồi Tuy nhiên, chưa có công trình thực nghiên cứu trình đốt hỗn hợp vật liệu “chất thải chất thải” thiết bị đốt kiểu cột nhồi theo đường Tiếp cận hệ thống với tác vụ Phân tích hệ thống Bằng đường Phân tích hệ thống này, tượng co rút vật liệu giải phóng vật chất trình cháy, tượng trình cháy diễn không làm cho tình trạng cân moment khối vật liệu xảy ra, dẫn đến tượng sụp khối vật liệu rắn trình cháy ảnh hưởng độ rỗng khối hạt với di chuyển ngẫu nhiên pha khí từ bên làm sáng tỏ thông qua việc phân hoạch hệ thống, phân tích định áy , ∆ , 1 ∆ tính cấu trúc hệ thống, việc bố trí thiết bị quan trắc thông số kiểm soát trình chương CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN 2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bị lò đốt chất thải rắn 2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống 2.1.3 Phương pháp phân tích định tính cấu trúc hệ thống 2.2 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.2.1 Phân tích nhiệt vi sai Thiết bị nghiên cứu độ suy giảm khối lượng vật liệu theo gia tăng nhiệt độ Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị phân Hình 2.1 Lược đồ logic tiếp cận hệ thống thiết bị trình đốt chất thải rắn tích nhiệt vi sai nhiệt đồ Sơ phân thực thiết bị NETZSCH TG 209 cấu tạo thiết bị gồm phận sau: 2.2 Thí nghiệm thiết bị lò đốt cột nhồi 2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm Hệ thống thiết bị hoạt động điều kiện áp suất khí Thiết bị chia làm hai nhóm chính: • Cụm thiết bị thực trình học: thiết bị cung cấp ôxy sơ cấp ôxy thứ cấp Không khí sơ cấp cung cấp từ đáy thiết bị cột nhồi Không khí thứ cấp cung cấp vào bên thiết bị vị trí h=0,75cm kể từ đáy thiết bị Không khí cung cấp kiểm soát lưu lượng kế rotameter • Cụm thiết bị truyền dẫn thông tin: thiết bị truyền dẫn thông tin khối lượng vật liệu rắn lại, nhiệt độ vị trí dọc theo cột nhiên liệu thiết bị, nồng độ chất khí Mô Hình 2.4 Thiết bị đốt kiểu cột nhồi hình thiết bị treo hệ thống cân điện để ghi Hệ thống nhận giá trị khối lượng thay đổi Các đầu dò nhiệt độ Máy tính ghi Không khí bố trí dọc theo chiều cao thiết bị, đầu dò nhận liệu cách 8cm kể từ đáy đến đầu dò thứ đầu dò nhiệt độ thứ 8, cách 340cm, dầu dò thứ 9, 10 cách Béc đốt 10cm Ống hút khí đặt cách đáy 40cm 56cm mồi ban 2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm thiết bị cột nhồi Vật liệu rắn nạp vào cột từ cửa nạp liệu đỉnh thiết bị cho chiều cao cột nhiên liệu không nửa chiều cao Thiết bị đo nồng độ khí thiết bị Sau nạp liệu, cấp không khí sơ cấp vào cột từ Không khí bên thiết bị với lưu lượng không đổi tiến hành đốt mồi Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bị đốt kiểu lớp vật liệu rắn từ bên Tùy thuộc điều kiện mục đích thí cột nhồi nghiệm, không khí thứ cấp cung cấp vào thiết bị với giá trị xác định Khí cháy di chuyển lên đỉnh thiết bị cột nhồi thoát qua ống thoát khí Trong trình cháy xảy ra, giá trị nhiệt độ cột nhiên liệu ghi nhận đầu dò cặp nhiệt điện cắm dọc theo chiều cao thiết bị truyền dẫn thông tin máy tính Khí cháy trích vị trí xác định thiết bị cho phù hợp với mục đích thí nghiệm ngưng tụ ẩm, tách khí gây nguy hại cho cảm biến nồng độ khí, vào thiết bị đo nồng độ khí CO, CO2, ĐỐI TƯỢNG CƠNG NGHỆ Phát vấn đề Đặt vấn đề Hiệu chỉnh đặt lại vấn đề Thẩm định khâu đặt vấn đề Xác định mục tiêu phải đạt Sai Đúng Thẩm định khâu xác định mục tiêu Hiệu chỉnh mục tiêu Nhận dạng rào cản Sai Đúng Thẩm định khâu xác định rào cản Xác định tác vụ tiếp cận hệ thống (và điều kiện để thực hiện) Hiệu chỉnh rào cản Sai Đúng Sai Hiệu chỉnh tác vụ Thực tác vụ để giải vấn đề đặt Đúng Thẩm định khâu thực Sai Hiệu chỉnh trình thực Thẩm định kết thực Không đạt yêu cầu Đúng Đạt yêu cầu Kết luận Xác nhận kết dự kiến phát triển Đạt yêu cầu Thẩm định mức độ hồn thành khâu thực Khơng đạt ucầu Thẩm định khâu xác định tác vụ O2, CH4 Giá trị nồng độ khí biến đổi truyền dẫn máy tính Ngoài ra, trình cháy xảy ra, khối lượng vật liệu giảm theo thời gian ghi nhận hệ thống cân tự động truyền dẫn thông tin máy tính Máy tính có nhiệm vụ nhận thông tin truyền dẫn theo quy luật Khăn giấy Các tông Gỗ thông tương tự, mã hoá biến đổi tín hiệu thành giá trị số biểu đạt mô hình đồ hoạ thông qua phần mềm chuyên dụng VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU Hình 2.8 trình bày loại vật liệu sử dụng Cỏ tranh Rơm thí nghiệm Hình 2.8 Vật liệu sử dụng thí nghiệm CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 3.1.1 Kết phân hoạch hệ thống Áp dụng phương pháp phân hoạch hệ thống phạm vi nghiên cứu luận án này, khu vực buồng đốt sơ cấp đối tượng thiết bị vỉ lò di chuyển (S5) tiến hành phân hoạch theo không gian thành cột thẳng đứng gồm phần đáy vỉ lò có lỗ cho phép không khí sơ cấp vào khối vật liệu rắn từ bên dưới, khối vật liệu rắn nằm ghi lò (S5b) khoảng không gian bên khối vật liệu rắn (S5a) Xét hệ thống thiết bị đốt kiểu cột nhồi chất thải rắn (S5b) Phân hoạch theo không gian thiết bị thu hai vùng vùng sơ cấp (còn gọi buồng sơ cấp) vùng thứ cấp (buồng thứ cấp) Tiến hành phân hoạch vùng sơ cấp theo không gian thành vùng nhỏ gọi thể tích hữu hạn (control volume finite volume) có chứa pha liên tục pha phân tán Phần không gian hệ thống gọi quần thể hạt đa phân tán môi trường liên tục (S4) Tiếp tục phân hoạch quần thể hạt đa phân tán thành phần nhỏ Chọn phần nhỏ tạo thành gồm hạt rắn phần không gian bao quanh hạt rắn nằm phần thể tích hữu hạn Đến ta hệ dị thể hạt (S3) Tiếp tục phân hoạch hệ dị thể hạt này, xét hệ gồm hoàn toàn pha rắn hoàn toàn pha khí, ta thu hệ thống hệ đồng thể vi mô (S2) Vùng thứ cấp Các hệ đồng thể vi mô chất hỗn hợp chứa S đơn chất hợp chất cấp độ phân tử Tiếp tục phân Vùng sơ cấp (vật S liệu rắn) hoạch hệ đồng thể vi mô ta thu tập hợp gồm phân tử (S1) Hệ dị thể đa phân tán S Cấu trúc phân tầng hệ thống đốt/nhiệt phân vật liệu Hệ dị thể hạt S rắn sau: Hệ đồng thể vi mô 3.1.2 Phân tích định tính cấu trúc hệ thống S Việc thực phân tích định tính cấu trúc hệ thống thiết Hệ phân tử S bị đốt kiểu cột nhồi thực lớp thứ ba cấu trúc hệ thống (hệ dị thể hạt vật liệu rắn thứ i Hình 3.1Cấu trúc phân tầng hệ hóa lý ký hiệu S3,i) pha liên tục S3,is bao quanh phần tử rác thải rắn (trong trường hợp coi hạt vật liệu rắn hay hạt vật liệu rắn - pha phân tán S3,is) Nhiệt lượng Q từ trình cháy lớp vật liệu bên truyền vận tới pha S3,ig, S3,is làm cho nội Ug, Us pha khí S3,ig hạt vật liệu rắn S3,is tăng lên Lượng nhiệt Q truyền vận vào hệ S3,i phụ thuộc vào cường độ lượng phát xạ Is lớp vật liệu cháy bên trên, khả hấp thụ xạ es vật chất pha liên tục pha phân tán Trong trình tăng nội hệ, phân tử nước thuộc cấu trúc S3,is bắt đầu di chuyển từ bên bên bề mặt, khuếch tán qua lớp phim khí bề mặt phân chia pha vào pha liên tục S3,ig với động lực khuếch tán ẩm độ chênh lệch áp suất bão hoà bề mặt ΔPH2O Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, kích thước hình học diện tích bề mặt pha phân tán Các phần tử khí pha liên tục di chuyển khỏi hệ S3,i xét vào hệ S3,i+1 liền kề Theo nghiên cứu Ryu cộng (2001), thời gian sấy vật liệu thường kết thúc khoảng phút [14] Đồng thời với trình thoát ẩm tự ẩm liên kết khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn, nguyên tử C, H, O, nút mạng tinh thể cấu tạo vật liệu trở nên linh động hơn, làm cho liên kết cacbonvà cạc bon, cacbonvà hydro, cacbonvà ôxy gốc tự khác có trở nên yếu Khi hạt chất thải rắn nhận lượng đủ lớn, liên kết phần tử hạt rắn bị đứt gãy, dẫn đến kết tạo thành chất hữu cơ, mà chủ yếu hydrocacbon aldehyt Lượng thành phần chất hữu tạo thành tuỳ thuộc vào nhiệt độ thành phần cấu tạo bên hạt 5a 5b vật liệu rắn hệ S3,i Các chất hữu tạo thành thoát khỏi hạt vật liệu rắn, vào pha khí Nghiên cứu Goh cộng sự, (1998) chất hữu bay giải phóng nhiệt độ khoảng 260oC [15] theo nghiên cứu Ryu cộng sự, (2001) 300°C [14] Khi liên kết ban đầu vật liệu bị đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắn S3,is giảm dần đồng thời liên kết tạo thành, tạo sản phẩm thể rắn bitum than Tốc độ tạo thành than bitum phụ thuộc vào nhiệt độ thành phần cấu tạo vật liệu rắn Lúc này, ôxy tự từ pha khí bao quanh bên hạt rắn khuếch tán đến bề mặt hạt vật liệu rắn, tiếp xúc với nguyên tử cacbon phần tử than, bitum tạo phản ứng cháy (phản ứng ôxy hoá khử), sinh lượng Tốc độ cháy than kiểm soát khuếch tán lớp phim khí hỗn hợp tốc độ phản ứng [15] Tương ứng với trình xảy pha rắn, pha khí bao quanh hạt vật liệu rắn xảy trình tương ứng Khi hạt vật liệu rắn giải phóng ẩm, phần tử nước khuếch tán từ hạt vật liệu bên pha khí bao quanh làm cho mật độ phần tử nước tăng lên thời điểm tức thời Phần tử ẩm bị lôi pha khí từ lên làm giảm mật độ ẩm vùng thể tích hữu hạn bao quanh hạt rắn Khi chất hữu pha rắn tạo thành khuếch tán khỏi lớp bề mặt hạt vật liệu rắn, phần tử chất hữu tiếp xúc với ôxy bắt cháy, sinh lượng Sản phẩm cháy chất hữu bay chưa cháy, ôxy phần tử khí khác chuyển động sang thể tích hữu hạn khác bên Quá trình giải phóng Quá trình cháy cạnh bên ẩm, nhiệt phân, khí hoá chất hữu pha than pha rắn khí Năng lượng sinh từ phản ứng cháy trao đổi nhiệt trực tiếp với pha khí truyền nhiệt ngược đến pha Nhiệt sinh từ phản ứng Khối lượng vật chất pha cháy pha khí rắn chuyển sang pha khí rắn xạ cháy than khuếch tán Lớp thứ tư cấu trúc phân tầng quan tâm đến phần thể tích hữu hạn pha liên tục chứa quần thể Gradient Gradient Gradient Gradient hóa nhiệt độ vận tốc NL bề mặt hạt đa phân tán (hệ S4,i) Mô tả quan trọng hệ đa phân tán lớp bốn phương trình cân tính chất tập đoàn hạt (thường gọi tắt phương Giảm kích thước hạt vật liệu rắn trình cân hạt) phản ảnh biến đổi hàm mật độ phân bố hạt trình cháy Phân bố hạt 3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG theo kích LỚP thước QUÁT, THÀNH PHẦN CƠ BẢN, NHIỆT TRỊ Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát Hình 3.2 Phân tích định tính cấu trúc hệ thống Thông số Khăn giấy Các tông Gỗ thông 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 Phân tích (căn khô) Thông số Khăn giấy Các tông Gỗ thông C, % 43,0 38,8 49,8 H, % 10,0 5,7 8,1 O, % 37,3 45,9 38,3 Bảng 3,3 Nhiệt trị (HHV) Thông số Khăn giấy Các tông Gỗ thông Rơm 7,26 80,12 6,84 5,78 Cỏ tranh 7,91 82,21 5,55 4,33 Rơm 43,6 5,5 36,8 Cỏ tranh 43,2 5,7 37,0 Rơm Cỏ tranh 16,6112 16,1746 HHV, MJ/kg 16,1825 15,9755 18,4437 Mối liên hệ nhiệt trị thành phần tổng quát biểu diễn thông qua mối liên hệ sau: HHV = a.%FC+ b.%VM – c.%A sh (3.1) Từ kết nghiên cứu thực nghiệm trên, giá trị HHV khăn giấy, tông, gỗ thông, rơm cỏ tranh theo thành phần tổng quát sau: Đối với khăn giấy: HHV = 0,3746*%FC+0,156*%VM – 0,0078*%Ash (3.2) Đối với tông: 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) Đối với cỏ tranh: HHV = 0,2536*%FC+0,1871*%VM – 0,1071*%Ash (3.7) Đánh giá sai số tương đối kết tính tốn HHV theo cơng thức từ (3.4) đến (3.7) với kết sau: HHVtính − HHVTN (3.8) δ= x100 HHVTN Kết cho thấy, khăn giấy, δ = 1,1%; tông, δ = 1,9%; gỗ thông, δ = 0,8%; rơm, δ = 0,5%; cỏ tranh, δ = 0,9% Mối quan hệ phân tích thành phần tổng quát, phân tích nghiên cứu nhiều Năm 1997, Demirbas tính HHV sinh khối dựa vào phân tích thành phần tổng quát HHV = 0,196[FC]+13,119 [27] Năm 2005, Sheng, C cộng sự, đề nghị công thức tính HHV sinh khối dựa vào phân tích HHV = -1 ,3675+0,3137[C]+0,7009[H]+0, 0318[O] [28] Parikh, J cộng sự, tính HHV từ phân tích thành phần tổng quát vật liệu rắn HHV = 0,3536[FC]+0,1559[VM]0,0078[Ash] [29] Kết thu nghiên cứu so với công thức Parikh, J cộng sự, thích hợp 3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI 30 20 20% 10 200 400 600 800 20% 10 1000 0 o C Temperature, Nhiệ t độ, C 200 400 600 800 54% 8% 50 40 30 20 10 10 1000 200 400 600 800 Temperature, Nhiệ t độ, oCC o C Temperature, Nhiệ t độ, C 67% 60 30 20 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 0 200 400 600 0 800 200 Nhieä t độ, CoC Temperature, 400 600 800 0o Temperature, Nhiệ t độ, CC Hình 3.3-3.7 Đường cong TG khăn giấy tông, gỗ thông, cỏ tranh, rơm Từ kết thể đồ thị TG loại vật liệu rắn, rút số kết luận sau: ™ Quá trình bắt cháy hạt vật liệu diễn qua bốn giai đoạn chồng lấn lên gồm: trình giải phóng ẩm, trình thu nhiệt gia tăng nhiệt độ toàn hạt vật liệu, trình nhiệt phân giải phóng vật chất trình cháy than ™ Với tất loại vật liệu nghiên cứu, giải phóng ẩm diễn khoảng từ đến phút Kết phù hợp với nhiều nghiên cứu công bố loại vật liệu tương tự [14, 30] Trong trình giải phóng ẩm, hạt vật liệu tiếp tục gia tăng nhiệt độ đến nhiệt độ nhiệt phân ™ Khi hạt vật liệu đạt đến nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ giải phóng vật chất diễn nhanh khoảng 15 đến 25 phút, sau tốc độ giải phóng vật chất giảm dần Điều cho phép dự đoán có xảy trình ngưng tụ phần vật chất giải phóng bề mặt lớp vật liệu lại, tạo lớp vỏ bọc ngăn cản làm cho qúa trình giải phóng vật chất từ pha rắn vào pha khí diễn chậm Vấn đề tiếp tục nghiên cứu làm rõ mô hình lớn hơn, tức hệ thống thiết bị đốt kiểu cột nhồi ™ Trong vật liệu rắn giải phóng vật chất hữu cơ, trình cháy than diễn Do tốc độ cháy than diễn chậm, đường cong TG biểu diễn suy giảm khối lượng diễn theo xu hướng tiệm cận với giá trị độ tro vật liệu Đồ thị độ chuyển hóa vi phân độ chuyển hoá theo thời gian loại vật liệu nghiên cứu thể sau: 0.080 0.060 0.3 0.2 0.040 0.020 0.1 0 200 400 600 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 0.1 200 400 Nhiệt Temperature, độ, 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 0 800 C 200 400 NhiệtTemperature, độ, 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 0.000 800 400 600 o Nhiệ t độ, C C Temperature, 0.050 0.040 0.2 0.1 0.2 0.01 200 0.060 0.4 0.004 0.02 0.070 dα/dt 0.3 0.3 800 0.090 0.080 α 0.006 0.03 0.100 1 0.1 0.09 0.08 0 200 400 600 Temperature, oC Hình 3.8-3.12 Độ chuyển hoá vi phân độ chuyển hoá khăn giấy , tông, gỗ thôn g, cỏ tranh, rơm Mô hình động học trình cháy hạt vật liệu rắn không khí xác định theo phương trình Arrhenius nhö sau: dα = ⎡k exp⎛⎜ − E ⎞⎟⎤ (1 − α ) n (3.9) ⎢ ⎥ dt ⎣ ⎝ RT ⎠⎦ Với, α độ chuyển hoá vật liệu rắn ; E lượng hoạt hoá ; k0 số tốc độ n bậc phản ứng ; R số khí ; Logarite hoá hai vế phương trình (3.9), phương ⎛ E⎞ ⎛ dα ⎞ n trình viết lại sau: (3.10) ln⎜ ⎟ = ln[k (1 − α ) ] + ⎜ − ⎟( ) ⎝ dt ⎠ ⎝ R⎠ T Sắp xếp lại phương trình (3.10), có: 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 d α/dt 0.7 0.6 0.140 α 0.160 α d /dt 0.180 0.9 0.8 d /dt TG, % 80 70 3% 100 90 TG, % 3% 100 90 13 Trong hai trường hợp với không khí cung cấp Q=468kg/m2h, Q=1404kg/m2h, tốc độ cháy diễn chậm không Thời gian bắt cháy lớp vật liệu bên diễn nhanh lớp vật liệu bên Khối lượng lại trường hợp không khí cung cấp Q=468kg/m2h 0,06kg trường hợp lại 0,02kg Điều làm rõ thêm tượng cháy than giai đoạn bắt cháy Vận tốc cháy thí nghiệm với không khí cung cấp Q=468 Q=1404kg/m2h tương ứng ,7m/h 3,6m/h Tốc độ bắt cháy 229,2 kg/m2h 183,8 kg/m2h trường hợp Tốc độ cháy giai đoạn bắt cháy 162 , kg/m2h trường hợp 192, kg/m2h trường hợp Tốc độ cháy toàn trình đốt trường hợp tương ứng 87,3 kg/m2h 117,1 kg/m2h Tỉ lệ cấp khí tương đương trường hợp tương ứng 0,978 0,386 Hình 3.38-3.39 Nồng độ khí cháy với Q=468kg/m2h , Q=1404kg/m2h 24 24 22 22 20 O2 20 18 CO2 CO, CO2, O2, %V CO, CO2, O2, %V 18 16 14 O2 12 CO2 10 CO CO 16 14 12 10 6 4 2 0 100 200 300 400 500 600 700 100 200 300 Thời gian, s 400 500 600 700 Thời gian, s Trong trường hợp 1, nồng độ CO2 đạt cực đại 18% 90 giây, nồng độ CO2 trung bình 17% vòng 360 giây Nồng độ CO 10% khoảng từ 170 giây đến 270 giây Ôxy dư không phát khoảng từ 100 giây đến 330 giây Trong đó, trường hợp 2, nồng độ CO2 cực đại đạt 19,2% thời điểm 190 giây Nồng độ CO2 trung bình khoảng 11% từ giây thứ 20 đến 220 Nồng độ CO cực đại 10% thời điểm 220 giây Ôxy dư 2% vòng 50 giây Tiến hành thí nghiệm tương tự với khối lượng vật liệu ban đầu 1,0kg Chế độ cấp khí cho trường hợp Q=468kg/m2h trường hợp Q=1404kg/m2h Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, độ suy giảm khối lượng nồng độ khí tạo thành hỗn hợp khí cháy suốt trình đốt biểu diễn qua hình sau: T2 T5 T6 800 700 600 500 400 300 Khối lượng ghi lò, kg T4 900 Nhiệt độ, oC T3 1000 1100 0.8 1000 0.7 0.6 0.5 0.4 100 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.8 T3 T4 800 T5 700 T6 600 500 300 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.6 0.5 0.4 0.3 0.1 0 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 Thời gian, s Thời gian, s Thời gian, s Thời gian, s 0.7 0.2 200 100 1000 T2 900 0.1 0.9 T1 400 0.3 0.2 200 1200 0.9 Khối lượng ghi lò, kg T1 1100 Nhiệt độ, oC 1200 Hình 3.40-3.43 Diễn biến nhiệt ñ ộ , ñ ộ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/m2h, Q=1404kg/m2h Vận tốc cháy trường hợp 3.3m/h 3.9m/h Tốc độ bắt cháy 260.4kg/m2h 309.7kg/m2h trường hợp tương ứng Tốc độ cháy giai đoạn bắt cháy 229.2kg/m2h 297.3kg/m2h trường hợp Tốc độ cháy toàn trình 203.2kg/m2h trường hợp 2, 130.6kg/m2h trường hợp Hệ số cấp khí 2.756 trường hợp 1, 1.192 trường hợp 22 22 20 20 16 CO2 14 CO 12 CO2 16 O2 CO, CO2, O2, %V CO, CO2, O2, %V O2 18 18 10 CO 14 12 10 6 4 2 0 100 200 300 400 500 Thời gian, s 600 700 800 900 1000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Thời gian, s Hình 3.44-3.45 Nồng độ khí cháy với Q=468kg/m2h, Q=1404kg/m2h Trong thí nghiệm trên, diễn biến nhiệt độ theo thời gian cho thấy trình cháy hỗn hợp vật liệu diễn với cháy tông diễn nhanh gỗ Điều dẫn đến tượng sụp khối vật liệu cháy không loại vật liệu, kết trình cháy khu vực đáy cột nhồi 14 (đoạn từ T2 đến T1) diễn chủ yếu theo trình cháy gỗ Khu vực không gian bên gia tăng nhiệt độ chịu tác động khí cháy bên di chuyển lên đỉnh thiết bị Do ảnh hưởng tính chất bắt cháy khác loại vật liệu, nhìn chung, vận tốc cháy, tốc độ bắt cháy, tốc độ cháy cho toàn trình hỗn diễn nhanh so với trình cháy loại vật liệu riêng biệt (Ryu cộng sự, [35]) Điều nhận định nguyên nhân sau: ¾ Độ rỗng khối vật liệu lớn dẫn đến việc phân phối không khí đến bề mặt phần tử cháy tốt hơn, dẫn đến trình cháy diễn tốt mặt cắt ¾ Quá trình hình thành khí nhựa đường giảm độ rỗng khối hạt vật liệu lớn dẫn đến việc khí nhựa đường vừa sinh lại tiếp tục bắt cháy Quá trình cháy giải phóng lượng lớn lượng, có tác dụng thúc đẩy trình cháy hỗn hợp diễn nhanh ¾ Tốc độ giải phóng vật chất hai loại vật liệu khác không giống dẫn đến co rút khối vật liệu diễn nhanh, điều dẫn đến trình bắt cháy lớp vật liệu bên diễn nhanh so với trình cháy vật liệu riêng lẻ ¾ Diễn biến nhiệt độ cho thấy trình tăng nhiệt độ đột biến, điều có nghóa trình cháy hỗn hợp vật liệu có tính chất khác diễn “đều” Các nhận định làm rõ qua thí nghiệm đốt hỗn hợp rơm-gỗ sau 3.4.3 Quá trình cháy hỗn hợp gỗ rơm Quá trình cháy hỗn hợp rơm (30%KL) gỗ thông (70%KL) thực nhằm mục đích xác định rõ khác biệt trình cháy hỗn hợp vật liệu vật liệu riêng biệt Thí nghiệm thực với khối lượng hỗn hợp vật liệu 1,0kg chế độ cấp khí Q=468kg/m2h (trường hợp 1), không khí cung cấp 936kg/m2h (trường hợp 2), Q=1404kg/m2h (trường hợp 3) 0.9 T3 900 T4 800 T5 700 T6 600 T7 T8 500 400 T1 1.2 1200 T2 1.1 1100 T3 0.6 0.5 0.4 T6 800 T7 700 T8 600 500 400 0.5 0.4 0.3 200 0.2 100 0.1 100 0.1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 100 200 300 Thời gian, s 400 500 600 700 800 100 200 300 400 500 600 700 800 T6 800 T7 600 T8 400 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 200 0.1 0 100 200 Thời gian, s Thời gian, s 0.8 T4 T5 0.6 300 200 0.9 T3 1000 0.7 0.3 T1 T2 1200 0.8 0.2 300 1400 0.9 T5 900 0.7 T4 1000 0.8 Nhiệt độ, oC 1000 Khối lượng ghi lò, kg T2 Khối lượng ghi lò, kg T1 Khối lượng ghi lò, kg Nhiệt độ, oC 1100 Nhiệt độ, oC 1300 1200 300 400 500 600 700 0 800 100 200 300 400 500 600 700 800 100 200 300 400 Thời gian, s Thời gian, s 500 600 700 800 Thời gian, s Hình 3.46-3.51 Diễn biến nhiệt đ ộ , ñ ộ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/m2h , 936 kg/m2h , 1404kg/m2h Vận tốc cháy trường hợp thí nghiệm 1, 2, tương ứng 10,08m/h; 10,6m/h; 18,3m/h Tốc độ bắt cháy 572 , 9kg/m2h ; 603, 1kg/m2h, 1041 ,7kg/m2h Tốc độ cháy giai đoạn bắt cháy vật liệu ba trường hợp tương ứng 320 , 8kg/m2h ; 337, 7kg/m2h, 375,0kg/m2h Tốc độ cháy toàn trình 169, 2kg/m2h ; 179, 5kg/m2h ; 373,3kg/m2h Tỉ lệ ôxy tương đương giai đoạn bắt cháy tương ứng ,370; 2,300; vaø 1, 703kg/m2h 22 20 20 18 18 16 16 14 O2 12 CO2 10 CO 20 18 16 CO, CO2, O2, %V 22 CO, CO2, O2, %V CO, CO2, O2, %V 24 22 O2 14 CO2 12 CO 10 O2 14 CO2 CO 12 10 8 6 4 2 0 100 200 300 400 500 600 700 80 0 100 200 300 Thời gian, s 400 500 600 700 800 100 200 300 400 500 600 700 800 Thời gian, s Thời gian, s Hình 3.52-3.54 Nồng độ khí cháy theo thời gian với Q=468kg/m2h, Q=936kg/m2h Q=1404kg/m2h CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC 4.1 TÁC VỤ MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC 4.2 XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG HỆ DỊ THỂ ĐA PHÂN TÁN n n w ∂ ∂f (X) Phương trình cân tính chất quần thể hạt đa phân tán [36, 37]: ∂f (X) + ∂ ⎡f (X).∂xi ⎤ − D =q ∂t ∑∂x ⎢⎣ i=1 i ∂t ⎥⎦ 4.2.1 Mô tả toán học hệ dị thể đa phân tán (lớp bốn) 4.2.1.1 Phương trình bảo toàn vật chất Pha phân tán: ∂ (ε s ρ s ) = S (4.5) Pha liên tục: ∂ (1 − ε s )ρ f + ∇.((1 − ε )ρ υ ) = S s f f m m, s i=1 j=1 xij i (4.8) 4.2.1.2 Phương trình bảo toàn moment: ∂ (1 − ε s )ρ f v f + ∇(1 − ε s )ρ f v f v i = ∇σ f + ∑ (1 − ε s )ρ f g ∂t 4.2.1.3 Phương trình bảo toàn lượng Pha liên tục: ∂ ((1 − ε s )ρ f h f ) + ∇((1 − ε )ρ υ h ) = ∇(k ∇T ) + S (4.10) Pha phân tán: ε ρ C ∂Ts = ∇(k ∇T ) + S ∂t s f f f f f g ,Q s d ∂xj (4.6) ∂t ∂t ∑∑∂x s p ,s ∂t s s s ,Q 15 4.2.1.4 Phương trình bảo toàn cấu tử pha khí: ∂((1 − ε s )ρf Yi ) + ∇((1 − ε ∂t s )ρ f υf Yi ) = ∇(D a ,eff (1 − ε s )ρ f ∇Yi ) + Si (4.18) “i” đại diện phần tử (i = CO, CO2, H2, CH4, CxHy, H2O, O2, khí nhựa đường) Da,eff hệ số khuếch tán rối [4, 38], Da,eff = Di+0.5υfdp (4.19) 4.2.2 Mô tả toán học cho hệ dị thể hạt hệ đồng thể (lớp hai ba) ; α độ chuyển hoá vật liệu rắn ; E lượng hoạt hoá; k: số tốc dα ⎛ E ⎞ (1 − α ) n = k exp − ⎜ ⎟ ⎝ RT ⎠ dt độ n bậc phản ứng; R số khí Theo nghiên cứu Wu cộng sự, Yu cộng [9, 39]: rchar = Kchar.mchar.ps,0(4.21); Kchar = 2.3TsExp(11100/RTs) Dầu nhựa đường nhiệt phân có công thức: CH1.84O0.96, với khối lượng phân tử 95g/mol [40] Dầu nhựa đường cháy sinh CO H2O theo phản ứng sau: CH1.84O0.96+0.48O⎯→CO+0.92H2O(iii) Phương trình động học trình cháy dầu nhựa đường [41]: (4.22) Te = αTf + (1- α)Ts, Tf ≤ Ts ⎛ 9650 ⎞ ⎟ C CH 84 O 0.96 C O rtar = 2.9x10 Te Exp ⎜⎜ − T e ⎟⎠ ⎝ Te = Tf, Tf > Ts 10 0.7 0.8 (4.24); k CH4 + 1.5O2 → CO + 2H2O [8]: r = x 10 Exp(−24157 / Tf ) (4.25) CH CH = k CH C CH C O CO + 0.5O2 ⎯→ CO2 ; Tốc độ chuyển hóa CO thành CO2 theo Hautman cộng sự, [42]: (4.26); k CO = 3.25x10 Exp(−15098 / Tf ) (4.27) r = k C C 0.5 C 0.5 CO CO CO O2 H 2O 0.5 H2 + 1/2O2 -> H2O ; r = kx C H CO2 (4.28); CH4 + H2O Ỉ ΔH298 = 206.2x103 kJ/kmol; r = kxi ⎛ CO + 3H2, ⎜ CCH CH O − ⎜ ⎝ CCO CH3 ⎞ (4.29) ⎟ K exi ⎟⎠ Ke: Hằng số cân phản ứng K = CCO−e CH −e (4.30); Ci-e: Thành phần cân phản ứng e CCH −e CH 2O−e CH4 + 2H2O CO2 + 4H2, Ỉ ΔH298 = 206.2x103 kJ/kmol; ⎛ C CO2 C H4 r = k xii .⎜ C CH C 2H O − ⎜ K e xii ⎝ ⎞ (4.31) ⎟ ⎟ ⎠ Ke: Hằng số cân phản öùng (viii): K = CCO −e CH −e (4.32)Ci-e: Thaønh phần cân phản ứng e 2 CCH −e CH 2O−e CO + H2O CO2 + H2, Ỉ ΔH298 = -41.1x103 kJ/kmol (ix); r = kxiii ⎛ ⎜ CCO C − H 2O ⎜ ⎝ Ke: Hằng số cân phản ứng: Ke = CCO2 −e CH −e CCO2 C H ⎞ ⎟ K exiii ⎟⎠ (4.33) ; Ci-e: thành phần cân phản ứng [43, 44] CCO−e CH 2O−e 4.2.3 Mô hình truyền nhiệt xạ pha rắn dI ij (4.35); “I” đại diện cho cường độ xạ tia tới ( i=1) tia phản xạ (i=2) i i −1 (−1) dx j = −k a (I j − E b ) “j” biến không gian; ka hệ số hấp thu xạ vật liệu, m-1 ; ka = -[ln(1-εs)]/ls 4.2.4 Mô hình truyền nhiệt truyền khối hai pha Sự khuếch tán lớp phim khí [11, 45]: (1 − ε )J = κ⎜⎛ 0.765 + 0.365 ⎞⎟ (4.37) s ⎝ Re 0.82 (4.36) Re 0.368 ⎠ 1-εs độ xốp khối nguyên liệu ; Hệ số truyền nhiệt đối löu: Nu = α 1l s = 2.0 + 1.1 Re 0.6 Pr / (4.38) Tương tự, hệ số truyền khối tính toán thông qua chuẩn số: Sh = k c l s = 2.0 + 1.1 Re 0.6 Sc / (4.39) Kg Re=ρfυfls/νf (4.40); Sc=μf/(ρfD) (4.41); Pr = Cpf.μf/Kg 4.2.5 Mô tả toán học thiết bị đốt kiểu cột nhồi Pha phân tán: ∂(ε s ρ s ) = S ; ε ρ C ∂Ts = ∇(k ∇T ) + S ∂t m, s s s p ,s ∂t s s (4.42); D s ,Q Pha liên tục: ∂ (1 − ε s )ρ f + ∇.((1 − ε )ρ υ ) = S ; s f f m ∂ (1 − ε s )ρ f v f + ∇(1 − ε s )ρ f v f v i = ∇σ f + ∑ (1 − ε s )ρ f g ∂t ∂t ∂ ((1 − ε s )ρ f h f ) ∂ ((1 − ε s )ρf Yi ) + ∇((1 − ε s )ρ f υ f h f ) = ∇(k f ∇Tf ) + S g ,Q ; + ∇((1 − ε s )ρf υf Yi ) = ∇(D a ,eff (1 − ε s )ρf ∇Yi ) + Si ∂t ∂t 4.2.6 Điều kiện ban đầu điều kiện biên 4.2.6.1 Đối với pha khí t = 0: ρf(x,y,z,0) = ρair = constant; Tf (x,y,z,0) = Tair = constant; Yi (x,y,z,0) = Yair = constant 16 z = 0:ρf(x,y,0,t) = ρair = constant; Tf (x,y,0,t) = Tair = constant; Yi (x,y,0,t) = Yair = constant z = z(t): ∂ρf(x,y,z(t),t)/∂t = Pope/RT(x,y,z,t); ∂Tf(x,y,z(t),t)/∂t = T(x,y,z(t),t); ∂Yi(x,y,z(t),t)/∂t = Yi(x,y,z(t),t) 4.2.6.2 Đối với pha rắn t = 0: ρs(x,y,z,0) = ms,0/V = constant ; Ts (x,y,z,0) = Ts,0 = constant z = 0: ∂ρs(x,y,0,t)/∂t = ms(x,y,0,t)/Ω(t); ∂Ts (x,y,0,t)/∂t = Ts(x,y,0,t) z = z(t): ∂ρs(x,y,z(t),t)/∂t = ms(x,y,z(t),t)/Ω(t); ∂Ts (x,y,z(t),t)/∂t = Ts(x,y,z(t),t) CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỐT HỖN HP VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI J-1 j J j+1 J+1 j+2 5.1 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN 5.2 THUẬT TOÁN PHÂN LY GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH 5.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN Bắt đầu GIẢI GẦN ĐÚNG HỆ CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ t = t + Δt QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI Bổ sung đặc tính 5.3.1 Lưới tổng quát Các lưới chia Giải phương trình dạng đồng Các ô tứ giác 5mmx5mm thành Giải phương trình áp suất (liên Hội tụ tục) lập thể tích kiểm soát Gía trị Δy phụ thuộc Bổ sung áp suất, tốc độ khối vào chiều cao cột nhiên lượng mặt liệu Gọi n, m số ô theo chiều Giải phương trình • lượng, rối vô hướng khác N ngang chiều thẳng đứng n • • • Δy C(k,l) vị trí ô C W w P e E Hội tụ •s hàng ngang k hàng dọc l y phạm vi tính toán, I-1 i I i+1 I+1 i+2 Δx Dừng lại O x k = 1, n ; l = 1, m Hình 5.1 Lưu đồ thuật toán phân ly 5.3.2 Sai phân phương trình liên tục Hình 5.2 Lưới giới hạn tính toán 5.3.2.1 Phương trình liên tục pha khí ΔV=ΔxΔy; Ae=Aw =Δy; An=As= Δx (ρ P − ρ 0P ).ΔV + (1 − ε s ){[(Aρu) e − (Aρu ) w ] + [(Aρv) n − (Aρv) s ]} = S m ΔV Δt => ΔxΔy ρ = (Δyu )ρ − (Δyu )ρ + (Δxu )ρ − (Δxu )ρ + ΔxΔy ρ + S m ΔxΔy P w w e e s s n n P Δt Δt (1 − ε s ) (5.1) (1 − ε s ) (5.2) Đặt Fw = (ρu)wAw; Fe = (ρu)eAe; Fs = (ρu)sAs; Fn = (ρu)nAn; Áp dụng công thức tổng quát: aP = aW + aE + aS + aN + a P φ P = a W φ W + a E φ E + a S φS + a N φ N + a 0P φ 0P + S u a 0P + ΔF – SP; a 0P = Δx Δy ρP Δt (5.3); SΔxΔy = S u + S P φ P (5.3); ΔF=Fe – Fw + Fn – Fs Do vậy, nút lưới bên miền xác định, giá trị a có dạng sau: aW = FW; aE = FE; aN = FN; aS = FS ; SP = S P = −Δyu e − Δxu n (5.5) ; S = S m ΔxΔy − Δyu ρ − Δxu ρ (5.6) u e E n N − εs Ở đáy: (ρ P − ρ (5.7) (5.8) ; Sp = u Δx ).ΔxΔy S m ΔxΔy S Δx Δy = + (ρv) w Δy − (ρu ) e Δy + ρ s u Δx − (ρv) n Δx Su = m + ρu Δx Δt − εs − εs P Ở đỉnh: (ρ P − ρ 0P ).ΔxΔy Δt = (5.10); Sm ΔxΔy (5.11); S p S m ΔxΔy + (ρv) w Δy − (ρu ) e Δy + (ρu ) s Δx − ρu out Δx Su = − ρu out Δx − εs − εs Ở biên phải biên trái: Biên trái: (ρ P − ρ P ).ΔxΔy = S m ΔxΔy − (ρu ) Δy + (ρu ) Δx − (ρu ) Δx e s n Δt Bieân phaûi: (ρ P − ρ 0P ).ΔxΔy Δt − εs = (5.14);SuL=SuR= S = S m ΔxΔy S m Δx Δy + (ρu ) w Δy + (ρu ) s Δx − (ρu ) n Δx u − εs − εs (5.9) = − u out Δx (5.12) (5.13) (5.15);SpL=SpR 0(5.16) 17 Góc trái đáy: (ρ ; − ρ 0P ).ΔxΔy S m ΔxΔy = − (ρu ) e Δy + ρu Δx − (ρu ) n Δx Δt − εs P Góc trái đỉnh: (ρ P − ρ 0P ).ΔxΔy S m ΔxΔy = − (ρu ) e Δy + (ρu ) s Δx − ρu out Δx − εs Δt Tại ô đáy trái đáy phải, Su = Góc phải đáy: ; Góc phải đỉnh: S m ΔxΔy + ρu Δx − εs (ρ P − ρ 0P ).ΔxΔy S m ΔxΔy = + (ρu ) w Δy + ρu Δx − (ρu ) n Δx Δt − εs (ρ P − ρ 0P ).ΔxΔy S m ΔxΔy = + (ρu ) w Δy + (ρu ) s Δx − ρu out Δx Δt − εs ; ô đỉnh trái đỉnh phải : S = S m ΔxΔy − ρu Δx u out − εs Tại ô đáy trái đáy phải : S p = u Δx (5.23); ô đỉnh trái đỉnh phải : S p = − u out Δx (5.24) 5.3.2.2 Phương trình liên tục pha rắn Sai phân ta được: (ρ P − ρ 0P ) = − S m (5.25); S = − S m (5.26); Sp = Δt u εs (5.27) εs 5.3.3 Sai phân phương trình lượng 5.3.3.1 Sai phân phương trình lượng pha khí => (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP = (1 − ε s )[Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TN ] Δt + Δyk f (TE − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy + (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt (5.28) ΔxΔy + 2Δyk f / Δx + 2Δxk f / Δy (5.29); a w = 0.5(1 − ε s )Δyu w ρ w C f + Δyk f / Δx (5.30a) Δt (5.30c) a e = −0.5(1 − ε s ) Δyu e ρ e C f + Δyk f / Δx (5.30b); a s = 0.5(1 − ε s ) Δxu s ρ s C f + Δxk f / Δy (5.31) a n = −0.5(1 − ε s ) Δxu n ρ n C f + Δxk f / Δy (5.30d); a 0P = (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy Δt (5.32) S u = 0.5(1 − ε s )[Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TN ] + S Q ΔxΔy a p = (1 − ε s )C f ρ f Fw = (1 − ε s )Δyu w ρ w C f ; Fe = (1 − ε s )Δyu e ρ e C f ; Fs = (1 − ε s )Δxu s ρs C f ; Fn = (1 − ε s )Δxu n ρ n C f ; Với ΔF = Fe – Fw + Fn – Fs ; Vì vậy, từ phương trình: a P = a W + a E + a S + a N + a 0P + ΔF − S P => Sp = -0.5 (1 − ε s )[Δyu w ρ w C f - Δyu e ρ e C f + Δxu s ρ s C f - Δxu n ρ n C f ] (5.33) Ở đáy phạm vi tính toán: (1 − ε s )C f ρ f [ ] ΔxΔy TP = (1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu ρ s C f TS0 − Δxu n ρ n C f TN Δt + Δyk f (TE − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − 2Δxk f (TP − TS0 ) / Δy + (1 − ε s )C f ρ f [ ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt (5.34) ] Su = 0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu ρs C f TS0 − Δxu n ρ n C f TN + SQ ΔxΔy (5.35) S P = −0.5(1 − ε s )[Δyu w ρ w C f − Δyu e ρ e C f − Δxu n ρ n C f ] (5.36) Ở đỉnh phạm vi tính toán: (1 − ε s )C f ρ f [ ] ΔxΔy TP = (1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS − Δxu out ρ n C f TNout Δt (5.37) + Δyk f (TE − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + 2Δxk f (TNout − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy + (1 − ε s )C f ρ f [ ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt ] Su = 0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρs C f TS − Δxu out ρ n C f TNout + SQ ΔxΔy [ S P = −0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f − Δyu e ρ e C f + Δxu s ρ s C f TS Ở biên phải trái phạm vi tính toán: [ ] + (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt ] (5.30) [ ] (5.31) ΔxΔy TP = (1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TN Δt + 2Δyk f (TEwall − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy Biên phải: (1 − ε s )C f ρ f + (1 − ε s )C f ρ f [ (5.38) (5.39) ΔxΔy TP = (1 − ε s ) − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TN Δt + Δyk f (TE − TP ) / Δx − 2Δyk f (TP − TWwall ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy Biên trái: (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt ] SuL = 0.5(1 − ε s ) Δyuw ρ w Cf TWwall − Δyue ρe Cf TE + Δxu s ρs Cf TS − Δxu n ρ n Cf TN + SQ ΔxΔy (5.32) S uR = 0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW − Δyu e ρ e C f TEwall + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TN + SQ ΔxΔy (5.33) SuL = 0.5(1 − ε s ) − Δyue ρe C f TE + Δxu s ρs Cf TS − Δxu n ρ n C f TN + SQ ΔxΔy (5.34) [ [ ] ; ] 18 [ ] (5.35) SuR = 0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW + Δxu s ρs C f TS − Δxu n ρ n Cf TN + SQ ΔxΔy Ở góc bên trái: (1 − ε s ΔxΔy (5.36) TP = (1 − ε s ) − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS0 − Δxu nt ρ n C f TN Δt + Δyk f (TE − TP ) / Δx − 2Δyk f (TP − TWwall ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − 2Δxk f (TP − TS0 ) / Δy [ )C f ρ f + (1 − ε s )C f ρ f Ở góc bên phải: (1 − ε s ] ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt ΔxΔy (5.37) TP = (1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW + Δxu s ρ s C f TS0 − Δxu nt ρ n C f TN Δt + 2Δyk f (TEwall − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + Δxk f (TN − TP ) / Δy − 2Δxk f (TP − TS0 ) / Δy [ )C f ρ f ] ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt + (1 − ε s )C f ρ f [ ] (5.38) ] (5.39) ΔxΔy TP = (1 − ε s ) − Δyu e ρ e C f TE + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TNout Δt + Δyk f (TE − TP ) / Δx − 2Δyk f (TP − TWwall ) / Δx + 2Δxk f (TNout − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy Ở góc đỉnh trái: (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt + (1 − ε s )C f ρ f [ Ở góc đỉnh phải: (1 − ε s )C f ρ f ΔxΔy TP = (1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TNout Δt + 2Δyk f (TEwall − TP ) / Δx − Δyk f (TP − TW ) / Δx + 2Δxk f (TNout − TP ) / Δy − Δxk f (TP − TS ) / Δy + (1 − ε s )C f ρ f Ở ô đáy phải trái : [ ΔxΔy TP + S Q ΔxΔy Δt [ ] S uBL = 0.5(1 − ε s ) Δyu e ρ e C f TE − Δxu s ρ s C f TS0 + Δxu nt ρ n C f TN + S Q ΔxΔy (5.50) ] (5.51) S uBR = 0.5(1 − ε s ) − Δyu w ρ w C f TW − Δxu s ρ s C f T + Δxu nt ρ n C f TN + SQ ΔxΔy S Ở ô đỉnh phải trái : S uTL [ [ ] = 0.5(1 − ε s ) Δyu e ρ e C f TE − Δxu s ρ s C f TS + Δxu n ρ n C f TNout + S Q ΔxΔy ] (5.52) (5.53) S uTR = 0.5(1 − ε s ) Δyu w ρ w C f TW + Δxu s ρ s C f TS − Δxu n ρ n C f TNout + S Q ΔxΔy đáy phải trái : S pBL = −0.5(1 − ε s )[Δyu e ρ e C f + Δxu nt ρ n C f ] (5.54); SpBR = −0.5(1 − ε s )[− Δyu w ρ w C f + Δxu nt ρ n C f ] (5.55) đỉnh phải trái : S pTL = −0.5(1 − ε s )[Δyu e ρ e C f − Δxu s ρ s C f ] (5.56); S uTR = −0.5(1 − ε s )[Δyu w ρ w C f + Δxu s ρ s C f ] (5.57) 5.3.3.2 Sai phân hóa phương trình lượng pha rắn => ε s C Ps ρ s ΔxΔy TP,s = Δyk s (TE ,s − TP,s ) / Δx − Δyk s (TP ,s − TW ,s ) / Δx + Δxk s (TN ,s − TP ,s ) / Δy (5.58) Δt − Δxk s (TP ,s − TS,s ) / Δy + ε s C Ps ρ s ΔxΔy TP ,s + S Q ΔxΔy Δt ΔxΔy + 2Δyk s / Δx + 2Δxk s / Δy (5.59); a w = a e = Δyk s / Δx (5.60); a s = a n = Δxk s / Δy (5.61) Δt ; a 0P = ε s C Ps ρ s ΔxΔy (5.62); S u = S Q ΔxΔy (5.63); Sp = (5.64) Δt 5.3.4 Sai phân phương trình bảo toàn động lượng p − p I −1,J a i ,J u i ,J = ∑ a nb u nb + I ,J ΔVu + SΔVu (5.65); a i ,J u i ,J = ∑ a nb u nb + ( p I,J − p I−1,J )A i ,J + b i ,J (5.66) a p = ε s C Ps ρ s Δx nb Tương tự, a u = a u + ∑ nb nb I, j I, j nb nb p I,J −1 − p I,J Δy ΔVv + SΔVv (5.67); a I, j u I , j = ∑a nb u nb + (p I,J −1 − p I ,J )A I, j + b I , j (5.68) nb 5.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 5.4.1 Giới thiệu chương trình tính Hình 5.3; 5.5a,b,c Màn hình giao diện hiển thị kết chương trình 5.4.2 Đánh giá tương thích mô hình Đánh giá tương thích mô hình với thực nghiệm thực thông qua việc đánh giá giá trị sai số tương đối P = XM − XE thông số nhiệt độ ba vị trí cột vật liệu, độ suy giảm khối XE lượng nồng độ phần trăm khối lượng CO khí cháy Với: XE giá trị thí nghiệm ; XM giá trị mô phỏng; n tổng số mẫu ; 19 Nếu giá trị P≤ 10%, mô hình đặc biệt tương thích với thự c nghiệ m 1200 1000 10% < P≤ 25%, mô hình tương thích với thực nghiệm 800 25% < P≤ 35%, mô hình tương thích yếu với thực 600 nghiệm 400 35% < P, mô hình không tương thích với thực nghiệm 200 Trong c ả hai trường hợp thí nghiệm mơ phỏng, vật liệu 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 giấy hỗn hợp, khối lượng vật liệu 1.0kg, lượng không khí cung Thời gian, s cấp 936kg/m2h Hình 5.6 Diễn biến nhiệt độ mô thực 5.4.2.1 Kiểm định nhiệt độ cháy cột vật liệu nghiệm vị trí Trường hợp đánh giá nhiệt độ mô thực nghiệm đỉnh cột vật liệu với tổng số mẫu 76, sai số tương đối P = 13,9% cho phép kết luận mô hình tương thích với thực nghiệm Đường cong diễn biến nhiệt độ theo mô hình thực nghiệm có sai lệch thể xu hướng tổng thể toàn trình vị trí đỉnh cột vật liệu Tại vị trí cột vật liệu, tập mẫu thứ (N1 = 27), tương ứng với trình nhận lượng xạ từ lớp vật liệu cháy bên trên, hạt vật liệu rắn gia tăng nhiệt độ, giải phóng vật chất, đạt đến nhiệt độ bắt cháy vật liệu Kết mô thực nghiệm giai đoạn sai lệch 9,88% cho thấy mô hình đặc biệt tương thích với thực nghiệm Trong giai đoạn bùng cháy vật liệu, kết mô thực nghiệm sai lệch lớn, dẫn đến sai số tiêu chuẩn trình cao; xu hướng chung trình nhau, thời gian sai lệch diễn khoảng 40 giây Ở giai đoạn kế tiếp, tổng số mẫu N2 = 61 N3 = 89, kết mô thực nghiệm sai lệch 17,03% đến 18,40% cho thấy giai đoạn sau giai đoạn bắt cháy vật liệu, mô hình tương thích với thực nghiệm đường cong diễn biến nhiệt độ vị trí có sai lệch lớn mô hình thực nghiệm Tương tự, vị trí đáy cột (h=8cm), kết mô thực nghiệm giai đoạn bắt cháy vật liệu (N1 = 50) có sai số 9,18%, mô hình đặc biệt tương thích với thực nghiệm Càng cuối trình, sai lệch mô thực nghiệm lớn, giá trị P tăng từ 18,1% đến 30,4%, mô hình tương thích với thực nghiệm tính tương thích suy giảm dần độ lớn tập mẫu tăng lên Nguyên nhân gây sai lệch kết mô thực nghiệm nhận định gồm yếu tố sau: i) Quá trình tính toán theo mô hình không xét đến tượng cháy không vật liệu tượng sụp lớp vật liệu bên xuống bên Các tượng làm sáng tỏ tượng nhiệt độ vị trí cột giảm xuống đột ngột có di chuyển khối vật liệu chưa cháy từ bên xuống; tăng lên sau có di chuyển khối vật liệu khác cháy từ bên xuống lớp vật liệu chưa cháy thời điểm trước trở nên bùng cháy thời điểm Ngoài ra, yếu tố giải thích nguyên nhân giá trị thực nghiệm thu diễn sớm giá trị tính toán theo mô hình tượng di chuyển khối vật liệu cháy từ bên xuống sớm thời điểm bắt cháy vật liệu Ví trí đo nhiệt độ thực nghiệm đặt cục tâm mặt cắt cột, vậy, ii) trình cháy diễn không mặt cắt, giá trị nhiệt độ thực nghiệm có sai lệch so với tính toán theo mô hình, với thực tính theo nhiệt độ trung bình toàn mặt cắt iii) Trong trình cháy diễn ra, trình tính toán theo mô hình không xem xét tác động đến nhiệt độ trình nhựa đường sinh Chính bám dính nhựa đường lên đầu đo nhiệt độ thực nghiệm làm cho nhiệt độ thực nghiệm giảm xuống đột ngột tăng lên sau nhựa đường bắt cháy Như vậy, thông số nhiệt độ, vị trí cột vật liệu, kết mô thực nghiệm tương thích giai đoạn gia tăng nhiệt độ vật liệu đến nhiệt độ bắt cháy Kết có hệ số truyền nhiệt mô hình nhận dạng thông qua tính toán tốc độ bắt cháy thu từ thực nghiệm Sau trình bùng cháy hỗn tạp diễn ra, kết mô thực nghiệm lại trở nên tương thích với giai đoạn cháy than túy, kệ số truyền nhiệt, truyền khối mô hình sử dụng nhiều tác giả nghiên cứu 5.4.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng vật liệu cháy N h iệt độ, h= 32c m 1400 Mô phỏng, H=56cm Thực nghiệm, H=56cm Mô phỏng, H=32cm Thực nghiệm, H=32cm Mô phỏng, H=8cm Thực nghiệm, H=8cm 20 1.2 18 Mô Thực nghiệm Nồng độ, %KL Khối lượng lại, kg 0.8 0.6 0.4 16 Mô 14 Thực nghiệm 12 10 0.2 0 200 400 600 800 Thời gian, s 1000 1200 1400 Hình 5.7 Diễn biến độ suy giảm khối lượng mô thực nghieäm 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thời gian, s Hình 5.8 Diễn biến nồng độ khối lượng CO khí cháy Nhìn chung, kết mô độ suy giảm khối lượng tương thích với thực nghiệm Trong toàn trình, độ suy giảm khối lượng theo mô hình diễn nhanh so với thực nghiệm Trong khoảng 300 giây đầu tiên, độ suy giảm khối lượng thực nghiệm giảm 36% mô giảm 42,6% Trong khoảng từ 400 đến 600 giây, khối lượng mô giảm thêm 35,4% tổng khối lượng kết thí nghiệm giảm 34% so với tổng khối lượng ban đầu Đánh giá sai số tiêu chuẩn độ suy giảm khối lượng thực nghiệm mô hình thực tập hợp với số lượng mẫu 81, tương ứng với thời gian cháy trình 810 giây Ở giai đoạn này, hầu hết vật liệu cháy, sai số cho toàn trình 810 giây 6,84% Như vậy, kết tính toán độ suy giảm khối lượng theo mô hình so với thực nghiệm đặc biệt tương thích 5.4.2.3 Kiểm định nồng độ khối lượng CO khí cháy Xu hướng diễn biến nồng độ khối lượng CO khí cháy theo thời gian trường hợp mô thể tương đương cao so với thực nghiệm Ngoại trừ vài thời điểm, giá trị thực nghiệm có độ thăng giáng lớn so với kết mô Mặt khác, kết cho thấy giá trị nồng độ CO thực nghiệm có độ “trễ” so với giá trị mô Điều dẫn đến kết đánh giá giá trị sai số tiêu chuẩn lớn Sự “trễ” nhận định qua nguyên nhân sau: i) Việc tiến hành phân tích mẫu khí thực theo quy trình: làm nguội ngưng tụ khí nhựa đường, tách nước, loại bỏ SO2 khí thải trước dòng khí vào thiết bị phân tích Do vậy, việc liệu phân tích thực nghiệm “trễ” so với kết mô chắn dễ nhận thấy ii) Đầu hút mẫu khí thực nghiệm đặt vị trí cục cột nhồi Do lưu lượng khí thành phần khí hút vào chịu tác động lớn chế độ thủy khí động học cột Trong kết tính toán theo mô hình tính theo giá trị trung bình mặt cắt Điều giải nghóa thăng giáng kết thực nghiệm so với mô Bên cạnh đó, xây dựng mô tả toán học cho hệ gồm nhiều cấu tử, hệ có xảy phản ứng hóa học, biến đổi thành phần cấu tử, tính chất hóa lý hệ lớn Thêm vào đó, thiết bị đo trang bị luận án đại khắc phục “trễ” kết đáp ứng Những nguyên nhân nêu dẫn đến kết đánh giá sai số nồng độ CO theo mô hình thực nghiệm lớn Nhìn tổng thể kết đánh giá trên, mô hình xây dựng được kết luận tương thích với thực nghiệm Trong tất trường hợp kiểm định, kết tính toán thông số giai đoạn bắt cháy vật liệu hoàn toàn tương thích với thực nghiệm Trong giai đoạn bùng cháy hỗn hợp khí nhựa đường, kết mô tương thích yếu với thực nghiệm Trong giai đoạn cháy than sau đó, kết mô thực nghiệm tương thích Ngoài nguyên nhân gây nên sai lệch kể trên, số nguyên nhân khác nhận định sau: ¾ Đối với thành phần khí cháy, hỗn hợp khí cháy mô hình đơn giản hóa gồm CO2, O2, N2, CO, CH4, H2O; thực tế hỗn hợp khí cháy phức tạp Điều gây sai số tích lũy trình tính toán ¾ Trong trình giải, thông số đầu vào mô hình đơn giản hóa nhiều thành đại lượng trung bình không đổi suốt trình tính toán, thực tế trình ngẫu nhiên thay đổi liên tục xung quanh giá trị trung bình Thêm vào đó, vật liệu bắt đầu cháy, trình cháy diễn nhanh chóng, đại lượng thay đổi liên tục, từ dẫn đến việc tính toán theo mô hình chưa đáp ứng thay đổi 21 Ngoài ra, việc tính toán thực dựa phương pháp giải gần đúng, kết tính toán chịu ảnh hưởng lớn đến bước lưới tính toán Mật độ lưới chia chưa đủ “mịn” tốc độ máy tính có giới hạn, vậy, điều đẫn đến sai số định đến kết 5.5 ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH ¾ 300 10 IF S, m/h 5,524 3,704 3,101 5,539 4,3 3,6 BRi-M BRi-E 250 IFS-M IFS-E BRI , k g/m2 h   200 98,73 50 176,4 130,96 100,8 100 185,3 166,6 150 468 936 1404 468 1404 936 kg/m2h kg/m2h Hình 5.9 Tốc độ bắt cháy Hình 5.10 Tốc độ cháy vật liệu giai đoạn bắt cháy   300 BR-M BR-E 200 166,1 150 100 166,3 131,7 89,76 82,8 64,56 50 350 IR-M IR-E 314,8 297,8 300 IR, k g/m2 h BR, k g/m2 h 250 250 ER   1,8 1,6 1,4 1,2 400   243,8 210,5 176,3 200 150 204,6 100 50 936 468 ER-M ER-E 1,306 1,279 0,8 0,6 0,4 0,2 468 468 936 kg/m2h 0,8 0,848 1404 1,079 0,762 936 1404 1404 kg/m2h kg/m2h Hình 5.11 Tốc độ cháy toàn trình Hình 5.12 Vận tốc bắt cháy Hình 5.13 Tỉ lệ cấp khí tương đương (ER) giai đoạn bắt cháy 5.6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG CỘT NHỒI SỬ DỤNG CIS 5.6.1 Ảnh hưởng lượng không khí cung cấp đến tốc độ bắt cháy   300 166,6 150 176,4 167,5 100,8 100 ER BRI, kg/m 2h 250 200 90,1 50 0 400 800 1200 1600 2000 Lưu lượng khí, kg/m2h Hình 5.14 Tốc độ bắt cháy 2400 2800 1,8 1,6 1,4 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 1,306 1,079 0,762 0,543 500 1000 1500 2000 0,4 2500 0,33 3000 Lưu lượng khí, kg/m 2h Hình 5.15 Tỉ lệ cấp khí tương đương ER Tốc độ cháy giai đoạn bắt cháy thể Hình 5.14 Đường biểu diễn BRI tăng từ 100 , 8kg/m2h đến 177 ,4kg/m2h lượng không khí sơ cấp tăng từ Q=468kg/m2h đến Q=1404kg/m2h Sau đó, đường cong BRI giảm dần lượng không khí sơ cấp tiếp tục tăng lên Tỉ lệ ER giai đoạn bắt cháy thể Hình 5.15 Đường biểu diễn ER giảm dần lượng không khí cung cấp tăng dần Kết phù hợp với nghiên cứu Yang cộng sự, Ryu cộng sự, [16, 35] 5.6.2 Ảnh hưởng kích thước hạt 22   ER BR, kg/m2h 150 100 50 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3   A4 A3 A2 A1 0,2 0,4 0,6 Cỡ hạt, cm 0,8 1,2 10 A4 A3 A2 A1 A4 A3 A2 A1 2,5 1,5 0,5 0 1,4 Nồng độ CH4, %V   A4 A3 A2 A1 200 Nồng độ CO, %V 250 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 Cỡ hạt, cm Cỡ hạt, cm 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 Cỡ hạt, cm Hình 5.16 biểu diễn tốc độ cháy hàm kích thước hạt với lưu lượng không khí sơ cấp khác Hình 5.16-5.18a,b Quan hệ tốc độ cháy , ER, thành phần khí cháy kích thước hạt A1 ký hiệu cho lưu lượng không khí Q=468kg/m2h, A2 ký hiệu cho lưu lượng không khí 936kg/m2h, A3 ký hiệu cho Q=1404 kg/m2h, A4 ký hiệu cho 1872 kg/m2h Kích htước hạt tính toán nằm khoảng từ 1.5mm đến 10mm Nhìn chung, hạt có kích thước lớn làm cho tốc độ cháy chậm dần Ví dụ cụ thể, hạt có kích thước 1,5 mm có tốc độ cháy 167,2 kg/m2h lưu lượng cấp khí A3, tốc độ cháy gấp 1,06 lần tốc độ cháy khối hạt 10mm điều kiện Có thể giải thích điều qua bốn nguyên nhân sau: • Đây trình xảy hệ dị thể đa phân tán, trình truyền nhiệt truyền khối xảy bề mặt phân chia pha Kích thước hạt lớn dẫn đến diện tích bề mặt riêng khối hạt nhỏ, làm cho trình truyền vận xảy khó khăn • Yếu tố bị ảnh hưởng thứ hai xạ hấp thu Kích thước hạt tỉ lệ nghịch đến thông lượng xạ Điều có nghóa khối hạt có kích thước nhỏ, lượng xạ bị hấp thu nhanh • Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến kích thước hạt xáo trộn lượng cấu tử pha liên tục Hệ số xáo trộn nhiệt lưu chất tỉ lệ với kích htước hạt Hạt có kích thước lớn tạo xáo trộn lớn Điều dẫn đến kết vùng xảy phản ứng cột nhiên liệu dấy khối hạt có kích thước lớn ngược lại khối hạt có kích thước nhỏ • Yếu tố ảnh hưởng thứ tư tốc độ cháy chất hữu giải phóng nằm lỗ xốp khối hạt Quá trình xảy khuyếch tán kiểm soát Tỉ lệ xáo trộn khí nhiên liệu với không khí từ lên hàm số kích thước hạt Khối hạt có kích thước nhỏ dẫn đến tốc độ cháy cao Hình 5.17 trình bày diễn biến ER theo kích thước hạt Hỗn hợp có kích thước hạt lớn cho ER nhỏ lượng ôxy cung cấp lớn nhu cầu ôxy cho phản ứng Ví dụ minh hoạ trường hợp đốt hỗn hợp hạt có kích thước 1.5 mm, tỉ số ER 1.174 so với tỉ số ER 0.869 với hỗn hợp hạt có kích thước 10mm điều kiện cấp khí A3 Quá trình cháy thiết bị đốt kiểu cột nhồi chia làm ba giai đoạn gồm giai đoạn bắt đầu cháy, giai đoạn cháy ổn định, giai đoạn cháy than [4, 30] Hình 5.18a,b biểu diễn nồng độ trung bình đỉnh cột hàm kích thước hạt Nồng độ CO lớn đạt 3.611% Nồng độ CH4 khoảng 0.665% đến 1.471% Nhìn chung, kích thước hạt tỉ lệ nghịch với nồng độ CO CH4, ngoại trừ trường hợp kích thước hạt 1.5mm với không khí sơ cấp Q=468kg/m2h 5.6.3 Ảnh hưởng nhiệt trị Hình 5.19 mô tả quan hệ tốc độ cháy trung bình nhiệt trị Có thể thấy với lượng nhỏ không khí cung cấp, ảnh hưởng nhiệt trị đến tốc độ cháy đáng kể Tuy nhiên, lượng không khí cung cấp tăng lên với điều kiện giá trị nhiệt trị, ảnh hưởng đến tốc độ cháy không đáng kể   200 150 125 1,5 1,3 1,1 0,9 100 0,7 75 0,5 50 0,3 10 12 14 16 18 20 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 A4 A3 A2 A1 10 12 14 16 18 20 Nhiệt trị, MJ/kg 22 22 24 10 12 14 16 18 Nhiệt trị, MJ/kg Nhiệt trị, MJ/kg Nồng độ CH4, %V A4 A3 A2 A1 1,7 ER BR, kg/m2h 175   1,9 A4 A3 A2 A1 24 20 22 24 Nồng độ CO, %V   A4 A3 A2 A1 10 12 14 16 18 20 Nhiệt trị, MJ/kg 22 24 23 Hình 5.19-5.21a,b Quan hệ tốc độ cháy , ER, thành phần khí cháy nhiệt trị Hình 5.20 thể mối quan hệ tỉ lệ ôxy cung cấp với nhiệt trị nhiên liệu Nhìn chung, nhiệt trị cao dẫn đến tỉ lệ ER cao tương ứng Hình 5.21a,b biểu diễn nồng độ thể tích CH4, CO khí cháy toàn trình cháy 5.6.4 Ảnh hưởng độ rỗng khối hạt Độ rỗng khối hạt phụ thuộc vào số thông số kích thước hạt, hình dạng dạt, độ đầm nén cột Cột có độ rỗng nhỏ gọi cột nhồi chặt, cột có độ rỗng lớn gọi cột nhồi lỏng Trong mô này, độ rỗng nằm khoảng 0.45–0.75 150 125 ER BR, kg/m2h   A4 A3 A2 A1 175 100 75 50 0,4 0,5 0,6 0,7 Độ rỗng 0,8 0,9 A4 A3 A2 A1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Độ rỗng 0,8 0,9   A4 A3 A2 A1 Nồng độ CH4, %V 200 Nồng độ CO , %V   A4 A3 A2 A1 2,5 1,5 0,5 0,4 0,5 0,6 0,7 Độ rỗng 0,8 0,9 0,4 0,5 0,6 0,7 Độ rỗng 0,8 0,9 Hình 5.22-5.24a,b Quan hệ tốc độ cháy , ER, thành phần khí cháy độ rỗng Hình 5.22 biểu diễn quan hệ độ rỗng cột với tốc độ cháy Với không khí sơ cấp nhỏ, tốc độ cháy giảm độ rỗng tăng Khi tăng lượng không khí cung cấp, tốc độ cháy đạt cực đại với độ rỗng 0.45 Hình 5.24a,b biểu thị quan hệ thành phần khí đỉnh cột theo độ rỗng Nồng độ cực đại thu với độ rỗng 0.45 hai trường hợp cột chặt lỏng Với không khí cung cấp A1, nồng độ khí giảm độ rỗng cột khoảng 0.45–0.55, trường hợp lại số 5.7 KẾT LUẬN Các kết trình bày hình cho thấy mô hình toán xây dựng chương với thông số mô hình nhận dạng từ thí nghiệm chương biểu đạt thành công trình đốt nhiệt phân diễn thiết bị kiểu cột nhồi Quá trình tự cháy lan dần từ mặt (ở độ cao 56 cm) xuống lớp vật liệu bên (độ cao 32 cm cm) thể rõ tương đồng đường nhiệt độ mô (M) với đường thực nghiệm (E) Sau khoảng 10 phút lớp vật liệu bị nhiệt phân khoảng 10 phút nhiệt độ trì toàn không gian cột với trình tiếp tục khí hóa sản phẩm nhiệt phân Các diễn biến nói thấy rõ đường biến thiên khối lượng pha rắn theo thời gian với tương đồng tốt mô thực nghiệm Các kết mô theo nồng độ cấu tử CO2 , CO, O2 cho thấy diễn biến trình Hàm lượng O2 lúc đầu cao có lớp mỏng mặt cột tham gia cháy phân hủy Sau hàm lượng O2 pha khí giảm mạnh cường độ cháy phân hủy rác thải tăng mạnh toàn thể tích cột Ở giai đoạn cuối trình hóa học kết thúc từ từ, nhu cầu tiêu thụ oxy giảm dẫn đến tăng trở lại thông số Sự biến thiên nồng độ cấu tử CO2 , CO xảy theo chiều hướng ngược lại Kiểm định tương thích mô hình với thực nghiệm thực với nhiều thông số từ đơn giản đến phức tạp độ suy giảm khối lượng, nhiệt độ, thành phần khí cháy vị trí khác thiết bị nhiệt độ thực với nhiều trường hợp điều kiện thí nghiệm khác Kết cho thấy mô hình có độ tin cậy khác với thông số khác sử dụng để tiếp tục mô phỏng, tiếp tục nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hàng loạt yếu tố khác tác động lên trình đốt nhiệt phân rác thải rắn Các mơ hình đốt chất thải rắn Yang cộng Đại học Sheffield Shin cộng Viện KIST không thực việc kiểm định đánh giá tương thích mô hình với thực nghiệm Việc kiểm định mô hình nhiều phương diện phức tạp thể khác biệt đặc biệt tin cậy mô hình so với mô hình khác KẾT LUẬN KẾT LUẬN Luận án đạt tất nội dung đặt việc nghiên cứu trình đốt chất thải rắn công nghiệp đặc trưng gồm: Xác định đặc tính thành phần tổng quát, thành phần bản, nhiệt trị loại vật liệu rắn đặc trưng hỗn hợp “chất thải chất thải” 24 Xây dựng biểu thức liên hệ thành phần tổng quát nhiệt trị HHV loại vật liệu Xây dựng phương trình động học cháy loại vật liệu không khí thông qua việc xác định lượng hoạt hóa, số tốc độ bậc phản ứng từ kết phân tích nhiệt vi sai Nghiên cứu cháy hỗn hợp vật liệu mô hình thiết bị cháy kiểu cột nhồi quan điểm Tiếp cận Hệ thống Xây dựng thông số kiểm soát trình để làm rõ tượng cháy không đều, tượng cháy than giai đoạn khí hóa, tác động việc sản sinh khí nhựa đường đến trình cháy Xây dựng mô tả toán học trình cháy vật liệu rắn thiết bị đốt kiểu cột nhồi Xây dựng chương trình mô có độ tin cậy cao giai đoạn bắt cháy vật liệu, sử dụng để thực mô trình cháy vật liệu rắn nhiều trường hợp TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Tính khoa học đề tài • Nghiên cứu áp dụng thực phương pháp phương tiện nghiên cứu thực nghiệm đại, dẫn đến kết thực nghiệm thu có độ tin cậy cao, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu khác • Đây nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán mô trình cháy lò đốt kiểu cột nhồi môi trường Matlab theo phương pháp thể tích hữu hạn • Việc vận dụng phân tích thống kê làm chuẩn đánh giá tương thích mô hình thực nghiệm cho trình cháy vật liệu rắn thiết bị đốt kiểu cột nhồi nghiên cứu thực nhóm nghiên cứu lượng lò đốt trường Đại học Sheffield Việt Nam • Nghiên cứu đóng góp vào nghiên cứu nhóm nghiên cứu trường Đại học Sheffield hiểu biết trình cháy loại vật liệu phế thải khả tái chế Đây xem nghiên cứu mở đường cho nghiên cứu trình cháy vật liệu tương tự Việt Nam 2.2 Tính thực tiễn đề tài • Thiết bị đốt kiểu cột nhồi nghiên cứu luận án triển khai ứng dụng cho thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển thiết bị lò đốt tónh hai cấp Đây hai loại lò đốt chất thải phổ biến giới Việt Nam Với việc vận dụng thành công phương pháp luận Tiếp cận hệ thống thông qua tác vụ phân tích hệ thống để xây dựng mô tả toán học, phương pháp nghiên cứu triển khai ứng dụng xây dựng mô tả toán học đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất thải rắn nguy hại TP.HCM" đề tài "Nghiên cứu ứng dụng trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu trơ chất thải rắn sinh hoạt TP.HCM theo hướng sản xuất nhiên liệu" • Đối tượng nghiên cứu luận án chất thải phân loại để tái chế tái sử dụng Kết nghiên cứu đề tài góp phần giải sức ép bãi chôn lấp rác, đặc biệt lónh vực kết hợp đốt rác sản xuất điện năng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt sản xuất công nghiệp • Ngoài ra, đề tài thực phần dự án nghiên cứu chung nhóm nghiên cứu trường Đại học Sheffield, UK NHỮNG CÔNG VIỆC CẦN TIẾP TỤC THỰC HIỆN Bên cạnh kết đạt được, đề tài cho thấy vấn đề cần tiếp tục làm rõ công trình nghiên cứu khác sau: ™ Nghiên cứu thực nghiệm cần phải thực với thiết bị đo có độ xác cao hơn, đặc biệt thiết bị xác định thành phần khí cháy ™ Đối với mô hình toán học mô tả trình cháy vật liệu rắn thiết bị đốt kiểu cột nhồi, cần phải tiến hành hiệu chỉnh mô hình xây dựng thông qua việc nhận dạng thông số mô hình điều kiện cụ thể ™ Nghiên cứu công nghệ đốt biomass phục vụ việc phát điện, phát triển lượng Việt Nam Danh mục công trình Các báo công bố: Lê Anh Kiên, Lê Xuân Hải, Biomass co-combustion in packed bed reactor - birdview of the system approach methodology Tạp chí Khoa Học Công Nghệ, Viện Khoa học Công ngheä Vieät Nam, 2009 25 10 Lê Anh Kiên, Lê Xuân Haûi, V.N Sharifi, J Swithenbank, System approach for biomass combustion in packed bed reactor Asian Journal of Chemical Engineering, 2008 Vol.1 Lê Xuân Hải, Lê Anh Kiên, TIẾP CẬN HỆ THỐNG ĐỐT RÁC THẢI RẮN TRONG THIẾT BỊ KIỂU CỘT NHỒI Tạp chí Phát Triển Khoa Học Công Nghệ, 2008 Vol 11 Lê Xuân Hải, Lê Anh Kiên, Prediction for the solid waste combustion in packed bed reactor part 2: the effects of fuel properties and operating conditions on the contaminated paper combustion 1st VNU-HCM International Conference for Environment, 2008 Lê Xuân Hải, Lê Anh Kiên, Prediction for the solid waste combustion in packed bed reactor part 1: the development of computational model 1st VNU-HCM International Conference for Environment, 2008 Lê Xuân Hải, Lê Anh Kiên, Lê Thị Kim Phuïng, Research on the effect of secondary air and operating condition on the combustion in incinerator 1st VNU-HCM International Conference for Environment, 2008 Lê Anh Kiên, Nguyễn Quốc Bình, Prospective energy from industrial solid waste combustion in Vietnam - recovery energy application 21st Symposium of Malaysian Chemical Engineer, 2007 Nguyeãn Quốc Bình, Lê Anh Kiên, Application of the pyrolyis process in recycling nonbiodegradble organic components of municipal solid waste in hot-mix asphalt concrete 21st Symposium of Malaysian Chemical Engineer, 2007 Lê Anh Kiên, Lê Xuân Hải, V.N Sharifi, J Swithenbank, Predicting the effect of random factors on the combustion of oily solid waste using Fluent 13th Regional Symposium on Chemical Engineering, NTU, Singapore, 2006 Lê Anh Kiên, Lê Xuân Hải, V.N Sharifi, J Swithenbank, Predicting combustion in packed bed reactor using UDFs and Eulerian model The AIChE 2006 Annual meeting, San Francisco,USA, 2006 26 Tài liệu tham khảo DEFRA, Municipal Waste Management Survey 2002/03 Environmental Protection, 2004 Defra, MUNICIPAL WASTE MANAGEMENT STATISTICS 2003/04 Department for Environment Food and Rural Affairs, 2005 Yang, Y.B., et al., Fuel size effect on pinewood combustion in a packed bed Fuel, 2005 84(16): p 20262038 Yang, Y.B., et al., Effects of fuel devolatilisation on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal solid wastes in a packed bed* Fuel, 2003 82(18): p 2205-2221 Yang, Y.B., V.N Sharifi, and J Swithenbank, Effect of air flow rate and fuel moisture on the burning behaviours of biomass and simulated municipal solid wastes in packed beds Fuel, 2004 83(11-12): p 15531562 Yang, Y.B., et al., A diffusion model for particle mixing in a packed bed of burning solids Fuel, 2005 84(23): p 213-225 K, P., The product ratio of CO/CO2 in the oxidation of biomass char 2003(Master Thesis, Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, Denmark) Desroches-Ducarne, E., et al., Modelling of gaseous pollutants emissions in circulating fluidized bed combustion of municipal refuse Fuel, 1998 77(13): p 1399-1410 Wu, C.-H., et al., Thermal treatment of coated printing and writing paper in MSW: pyrolysis kinetics Fuel, 1997 76(12): p 1151-1157 10 Grammelis, P., G Skodras, and E Kakaras, Effects of biomass co-firing with coal on ash properties Part I: Characterisation and PSD Fuel The 2005 World of Coal Ash Conference, 2006 85(16): p 2310-2315 11 Upadhyay, P.N.D.a.S.N., Ind Eng Chem Process Design Dev, 1976 16: p p 157 12 Yu, Y.H., et al., Kinetic studies of dehydration, pyrolysis and combustion of paper sludge Energy, 2002 27(5): p 457-469 13 Shin, D and S Choi, The combustion of simulated waste particles in a fixed bed Combustion and Flame, 2000 121(1-2): p 167-180 14 Ryu, C., D Shin, and S Choi, Effect of fuel layer mixing in waste bed combustion Advances in Environmental Research, 2001 5(3): p 259-267 15 Lim, C.N., et al., The modelling of solid mixing in municipal waste incinerators Powder Technology, 2001 114(1-3): p 89-95 16 Yang, Y.B., et al., Effect of fuel properties on biomass combustion Part II Modelling approach-identification of the controlling factors Fuel, 2005 84(16): p 2116-2130 17 Ryu, C., et al., Effect of fuel properties on biomass combustion: Part I Experiments fuel type, equivalence ratio and particle size Fuel, 2006 85(7-8): p 1039-1046 18 Bruch, C., B Peters, and T Nussbaumer, Modelling wood combustion under fixed bed conditions* Fuel, 2003 82(6): p 729-738 19 Anhkien Le, X.L., V.N Sharifi, J Swithenbank, Predicting combustion in packed bed reactor using UDFs and Eulerian model 2006 20 Di Blasi, C., Dynamic behaviour of stratified downdraft gasifiers Chemical Engineering Science, 2000 55(15): p 2931-2944 21 Fjellerup, J., et al., Heat transfer in a fixed bed of straw char Energy and Fuels, 2003 17(5): p 1251-1258 22 van der Lans, R.P., et al., Modelling and experiments of straw combustion in a grate furnace Biomass and Bioenergy, 2000 19(3): p 199-208 23 Zhou, H., et al., Numerical modeling of straw combustion in a fixed bed Fuel, 2005 84(4): p 389-403 24 Yin, F., et al., Experimental studies of liquid flow maldistribution in a random packed column Canadian Journal of Chemical Engineering, 2000 78(3): p 449-457 25 B Manz, L.F.G., P B Warren,, Flow and dispersion in porous media: Lattice-Boltzmann and NMR studies AIChE Journal, 1999 45(9): p 1845-1854 26 Tetsuya Suekane, Y.Y., Shuichiro Hirai,, Inertial flow structures in a simple-packed bed of spheres AIChE Journal, 2003 49(1): p 10-17 27 Demirbas, A., Calculation of higher heating values of biomass fuels Fuel, 1997 76(5): p 431-434 28 Sheng, C and J.L.T Azevedo, Estimating the higher heating value of biomass fuels from basic analysis data Biomass and Bioenergy, 2005 28(5): p 499-507 27 29 Parikh, J., S.A Channiwala, and G.K Ghosal, A correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels Fuel, 2005 84(5): p 487-494 30 Yang, Y.B., et al., Effect of moisture content of fuel on the combustion behaviour of biomass and municipal solid waste in a packed bed Journal of the Institute of Energy 76(509): p 105-115 Garcia, A.N., A Marcilla, and R Font, Thermogravimetric kinetic study of the pyrolysis of municipal solid 31 waste Thermochimica Acta, 1995 254: p 277-304 Cao, Q., et al., Pyrolytic behavior of waste corn cob Bioresource Technology, 2004 94(1): p 83-89 32 33 Biagini, E., et al., Devolatilization rate of biomasses and coal-biomass blends: an experimental investigation Fuel, 2002 81(8): p 1041-1050 34 Senneca, O., Kinetics of pyrolysis, combustion and gasification of three biomass fuels Fuel Processing Technology, 2006 In Press, Corrected Proof Ryu, C., et al., Ignition and burning rates of segregated waste combustion in packed beds Waste 35 Management In Press, Corrected Proof Kafarov V.V., D.I.N., Le Xuan Hai, Equation of the balance of ensemble properties for the description of 36 polydisperse system with multidimensional distribution of practicles according to the state coordinates Reports for USSR's Academy of Science, 1986 289(No 1): p 163-168 37 Le Xuan Hai, L.A.K., TIẾP CẬN HỆ THỐNG ĐỐT RÁC THẢI RẮN TRONG THIẾT BỊ KIỂU CỘT NHỒI Tạp chí Phát Triển Khoa Học Công Nghệ, 2008 11 38 R, G., On the propagation of a reaction front in a packed bed: thermal conversion of municipal solid waste and biomass 1995(PhD Thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands) 39 Thipse, S.S., et al., Chemical makeup and physical characterization of a synthetic fuel and methods of heat content evaluation for studies on MSW incineration Fuel, 2002 81(2): p 211-217 40 Corella, J., et al., Steam gasification of cellulosic wastes in a fluidized bed with downstream vessels Industrial and Engineering Chemistry Research, 1991 30(10): p 2252-2262 41 Bryden, K.M and K.W Ragland, Numerical modeling of a deep, fixed bed combustor Energy and Fuels, 1996 10(2): p 269-275 42 A.N Hautman, F.L.D., K.P Schlug and I.A Glassman, Combust Sci Technol, 1981: p p 219 Blasi, C.D., Dynamic behaviour of stratified downdraft gasifiers Chemical Engineering Science, 2000 43 55(15): p 2931-2944 Peters, B and C Bruch, A flexible and stable numerical method for simulating the thermal decomposition of 44 wood particles Chemosphere, 2001 42(5-7): p 481-490 Grammelis, P., et al., Effects of biomass co-firing with coal on ash properties Part II: Leaching, toxicity and 45 radiological behaviour Fuel The 2005 World of Coal Ash Conference, 2006 85(16): p 2316-2322