150 PHỤ LỤC 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HÓA KHÍ TRẤU 1 Tính toán hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống 1 1 Lượng nhiệt cần cung cấp cho một gia đình ở nông thôn Giả sử một gia đìn[.]
150 PHỤ LỤC TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HĨA KHÍ TRẤU Tính tốn hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí xuống 1.1 Lượng nhiệt cần cung cấp cho gia đình nơng thơn Giả sử gia đình vùng nơng thơn nấu ăn trung bình 20 ngày hết bình ga 12 kg Trong đó: 1g ga (LPG) đốt cháy sinh 50000 J 12 kg ga (LPG) đốt cháy sinh ra: 12000 x 50000 = 600 MJ Nhiệt lượng cần để đun thức ăn hàng ngày là: 600/20 = 30 MJ Một ngày nấu ăn buổi, trung bình buổi giờ: 30/2 = 15 MJ/h = 15.106/3.600 ≈ 4,2 kW Theo [120] nhiệt lượng cần nấu tính toán cần nhân thêm hệ số k tổn thất q trình nấu cách bố trí lúc nấu không liên tục Chọn k = Vậy nhiệt lượng bếp cung cấp cho lần nấu là: công suất hệ thống là: Qna = 4,2 = 8,4 kW ≈ 7224 kcal/h 1.2 Tính lượng trấu cần nạp vào buồng đốt hóa khí Gtr = Qna / (LHVtr ղn) = 7224/(3710.32%) = 6,1 kg/h (PL3.1) Gtr: khối lượng trấu cần cung cấp, kg/h Qna= 7224 kcal/h: nhiệt lượng cần đun nấu LHVtr= 15,55 MJ/kg ≈ 3710 kcal/kg: nhiệt trị trấu ղn= 32% hiệu suất sử dụng bếp hóa khí để đun nấu 1.3 Đường kính buồng đốt Đường kính buồng đốt hóa khí đường kính mặt cắt ngang ống trụ nơi trấu bị cháy để hóa khí Đường kính buồng đốt tính theo: 𝐷=√ 1,27 𝐺𝑡𝑟 𝑆𝐺𝑅 6,1 = √1,27 = 0,254 m 120 D: đường kính buồng đốt (m) Gtr = 6,1: lượng nhiên liệu cần thiết (kg/h) SGR = 110 – 210: tốc độ hóa khí riêng (kg/ m-2.h) Ta chọn SGR = 120 kg/ m-2.h (PL3.2) 151 Chọn đường kính thiết kế 0,25 m 1.4 Chiều cao buồng đốt Chiều cao buồng đốt hóa khí tổng khoảng cách từ đỉnh đến đáy buồng đốt Chiều cao xác định khoảng thời gian buồng đốt hoạt động nạp đầy lần nhiên liệu H = (SGR.τ)/ρbt = 120.0,5/100 = 0,6 m (PL3.3) SGR = 120: hóa khí riêng (kg/m2.h) H: chiều cao buồng đốt (m) τ = 0,5: thời gian yêu cầu cháy hết trấu (h) ρbt = 100: khối lượng thể tích trấu trạng thái tự nhiên (kg/m3) 1.5 Tốc độ cháy Tốc độ cháy thời gian cần thiết để vùng cháy di chuyển xuống phía dưới, tính theo cơng thức: Z = H/τ = 0,6/0,5 = 1,2 m/h (PL3.4) H= 0,6: chiều cao buồng đốt (m) τ = 0,5: thời gian đốt cháy hết trấu (h) Như tốc độ cháy 0,33 mm/s 1.6 Lưu lượng khơng khí cần thiết cho q trình hóa khí Lượng khơng khí cung cấp cho buồng đốt sau: Mq = (ER.Gtr.A)/ρkk = (0,4.6,1.4,5)/1,2 = 9,15 m3/h (PL3.5) ER : Hệ số khơng khí cấp; Chọn ER = 0,4 Theo [33] q trình hóa khí ER = 0,2 – 0,4 Để đốt cháy hoàn toàn kg trấu điều kiện bình thường, phải cung cấp cho trấu từ 4,3 - 4,7 kg khơng khí Chọn A= 4,5 kg khơng khí ρkk = 1,2: khối lượng riêng khơng khí (kg/m3), t = 25 oC 1.7 Vận tốc khí qua lớp trấu Vận tốc dịng khí qua lớp trấu q trình hóa khí, theo cơng thức: vs = Mq/(π.D2/4).3600 = 9,15/(3,14.0,252/4.3600) = 0,045 m/s vs: Vận tốc khơng khí xun qua lớp nhiên liệu (m/s) (PL3.6) 152 1.8 Tính tốn cyclone lọc bụi Khí sau khỏi buồng hóa khí lẫn nhiều bụi tro nên việc chọn cyclone phù hợp cho hệ thống quan trọng nhằm làm khí trước đưa vào thiết bị sử dụng Hiện có nhiều kiểu cyclone, phù hợp với mục đích thiết kế khác Thành phần khí từ hóa khí trấu chứa lượng tro bụi, thiết kế loại cyclone theo Kaupp công [27] để đạt hiệu suất lọc bụi cao Các thơng số hình học cyclone tính tốn trình bày hình PL3.1 Ở đây, ta cần tính kích thước miệng vào cyclone, từ tính thơng số kích thước cịn lại cyclone Hình PL3.1 Thơng số hình học cyclone Tính nhiệt trị thấp khí thoát: LHVg = 127,7 CO + 108 H2 + 359,6 CH4 = 3002,39 kJ/m3 ≈ MJ/m3 (PL3.7) Nhiệt trị trấu: LHVtr = 15,55 MJ/kg (PL3.8) Như vậy, nhiệt lượng cung cấp cần thiết cho hệ thống hóa khí: Q = LHVtr Gtr = 15,55 6,1 = 94,86 MJ/h (PL3.9) Lượng khí sinh giờ: Mg = Q/LHVg = 94,86/3 = 31,6 m3/h (PL3.10) 153 Theo [11] thiết bị hóa khí cố định, nhiệt độ khí trước khí vào cyclone tk khoảng 450 – 650 oC, chọn tk = 550 oC áp suất xem không đổi (phần cộng thêm áp suất tĩnh không đáng kể so với áp suất atm) Lưu lượng khí vào thiết bị cyclone Mgi tỷ lệ thuận với áp suất khí nhiệt độ tuyệt đối T [121] Mgi = Mg.(Tk / T0) = 31,6.(823/298) = 87,32 m3/h (PL3.11) T0 : Nhiệt độ tuyệt đối khí trước vào động (to= 25oC) Tk : Nhiệt độ tuyệt đối khí trước vào cyclone (tk = 550oC) Đối với dịng khí có mật độ hạt bụi cỡ trung bình vận tốc dịng khí vào cyclone Vx = 15 m/s [121] Diện tích cửa vào cyclone: Sxv = Mgi / (3600.Vx) = 87,32/(3600.15) = 0,0016 m2 (PL3.12) Với diện tích cửa vào cyclone vừa tính tỷ lệ bx = ax/2, ta chọn kích thước đường vào cyclone: ax = 0,05m, bx =0,025m Từ tính kích thước cịn lại cyclone lọc bụi hiệu suất cao: ax = 0,05 m, bx = 0,025 m, Dx = bx.4 = 25.4 = 0,1 m, Dex = Dx/4 = 100/4 = 0,025 m Sx = (5/8).Dx = (5/8).100 = 0,0625 m, hx = 2.Dx = 2.100 = 0,2 m, Hx = 4.Dx = 4.100 = 0,4 m, Zx = 2.Dx = 2.100 = 0,2 m, Bx = Dx /4 = 100/4= 0,025 m 1.9 Tính toán phận cấp trấu Cấu tạo phận cấp trấu gồm thùng chứa liệu vít tải gắn với động ¼HP Với cấu tạo việc chế tạo đơn giản Ngồi ra, việc bố trí phận cấp liệu gần buồng hóa khí giúp cho việc cấp liệu kịp thời vào buồng đốt, không gây nghẹt bị nén trấu Vít tải lựa chọn phù hợp với lưu lượng nhiên liệu cấp vào lò điều khiển động đặt nắp buồng hóa khí, đảm bảo chiều cao lớp trấu ổn định trì q trình hóa khí diễn liên tục a Tính kích thước thùng trấu Với lưu lượng nhiên liệu trấu vào 6,1 kg/h, ta chọn thể tích thùng cấp liệu chứa 10 kg trấu cấp vào Như vậy: Vth = Gth/ρtr Vth: thể tích thùng chứa (m3) Gth = 10 khối lượng trấu chứa thùng (kg) (PL3.13) 154 ρtr = 100 khối lượng thể tích trấu (kg/m3) => Vth = Gth/ρtr = 10/100 = 0,1 m3 Chọn kích thước thiết kế 0,1 m3 b Tính tốn vít tải cấp trấu Chọn chiều dài vận chuyển 0,5 m Năng suất vít cấp liệu xác định theo công thức: Nv = 60π D2v −d2v Sv nv ψ C1 ρtr (PL3.14) Nv: suất vận chuyển (kg/h) Dv: đường kính ngồi vít xoắn, chọn Dv = 0,085 m dv: đường kính vít xoắn, chọn dv = 0,025 m Sv: bước vít, thơng thường Sv = (0,8 ÷ 1) D, chọn Sv = 0,9.D = 0,0765 m Ψ = 0,4 hệ số nạp đầy, vật liệu dạng hạt ψ = (0,3 ÷ 0,45) nv: Số vịng quay vít xoắn, chọn nv = vịng/phút C1 = 0,8 hệ số xét tới độ dốc vít tải so với mặt phẳng ngang ρtr = 100 khối lượng thể tích trấu (kg/m3) Nv = 60π 0,0852 −0,0252 0,0765 0,4 100 = 6,1 kg/h (PL3.15) Thể tích vít tải định lượng Vvt: Vvt = Nv / ρtr = 6,1/100 = 0,06 m3/h (PL3.16) 1.10 Tính tốn phận vít tải tháo tro Khối lượng tro tạo thành với khối lượng trấu cấp Gtr liên quan theo công thức: Gtro = 40%.Gtr = 40%.6,1 = 2,44 kg/h (PL3.17) Gtro: khối lượng tro tạo thành (kg/h) Gtr: khối lượng trấu cấp (kg/h) 40%: thành phần tro thu lớn hệ thống hóa khí [52] 1.11 Tính tốn lựa chọn thiết bị phụ - Motor vít tải Với suất vận chuyển trấu vít tải 6,1 kg/h khối lượng tro tạo thành 2,44 kg/h ta chọn motor giảm tốc loại 90W với thông số đây: + Motor phase – Poles + Motor AC (110V, 220V) cực 155 + Giảm tốc xoắn ốc bánh trục thẳng + Công suất: 90W + Tần số: 50Hz 60Hz + Điều chỉnh số vòng quay thơng qua biến tần - Quạt hút khí ga dạng ly tâm Mua thị trường điều chỉnh thơng qua biến tần cho lưu lượng khí cấp mong muốn Tóm tắt thơng số hệ thống hóa khí trấu Bảng PL3.1 Thơng số hệ thống hóa khí trấu chế tạo Đơn vị Giá trị Công suất hệ thống hóa khí kW P = 8,4 Lượng trấu tiêu thụ kg/h Gtr = 6,1 Đường kính buồng phản ứng mm D = 250 Chiều cao buồng phản ứng mm H = 600 Tốc độ cháy m/h Z = 1,2 Lưu lượng khơng khí cấp m3/h Mq = 9,15 Vận tốc khí qua lớp trấu m/s vs = 0,045 Thể tích thùng chứa trấu m3 Vth = 0,1 Năng suất cấp trấu vít tải kg/h Nv = 6,1 Thể tích cấp trấu vít tải m3/h Vvt = 0,16 Khối lượng tro tạo thành kg/h Gtro = 2,44 Thơng số 156 Thiết kế hệ thống hóa khí trấu Thùng chứa trấu Cơ cấu gạt than 17 Quạt hút Ống cấp khơng khí 10 Bình chứa tạp chất lớn 18 Động quạt ly tâm Vít tải cấp trấu 11 Thùng nước làm mát 19 Ống xoắn Đáy buồng phản ứng 12 Rắc co 20 Tấm làm mát Vít tải than 13 Van xả 21 Quạt làm mát Động vít tải than 14 Thùng lọc than hoạt tính 22 Cyclone lọc thô Thùng chứa than 15 Béc đốt 23 Buồng phản ứng Khung máy 16 Vị trí đo khí tổng hợp 24 Nắp buồng phản ứng Hình PL3.2 Hệ thống hóa khí trấu thiết kế Ngun lý hoạt động: Trấu vít tải (3) cấp vào buồng phản ứng (23), buồng phản ứng trấu dịch chuyển từ xuống qua vùng sấy, vùng nhiệt phân, vùng cháy vùng khử tạo khí tổng hợp than sinh học Dựa vào nhiệt độ cài đặt mà than sinh học cấu gạt than (9) điều khiển thời gian di chuyển qua vùng khử thích hợp Than sinh học sau bị gạt xuống đáy buồng phản ứng (4) vít tải (5) tải đến thùng chứa (7) Trong q trình hoạt động lượng khơng khí cấp điều khiển quạt hút (17), khơng khí cấp trực tiếp vào vùng cháy qua ống cấp không khí (2) Trong buồng phản ứng khí tổng hợp tạo thành 157 quạt hút (17) hút qua cyclone (22) để lọc tạp chất lớn, đến cụm làm mát để hạ nhiệt độ hỗn hợp khí qua lọc tinh (14) để lọc tạp chất nhỏ sót lại trước đưa ngồi qua béc đốt (15) Kết chế tạo hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí xuống 4.1 Quy trình chế tạo Hệ thống hóa khí kiểu dịng khí xuống chia thành 04 cụm để thuận tiện cho việc chế tạo vận hành sau: + Cụm hóa khí tháo tro: Cụm hóa khí nơi xảy trình cấp trấu vào buồng phản ứng, chuyển đổi hóa lý có nhiệt độ cao, gạt tro khỏi buồng phản ứng nên chế tạo vật liệu inox 304, đường kính D = 250 mm, chiều cao H = 600 mm, chứa 6,1 kg trấu Bộ phận tháo tro: Cơ cấu tháo tro kiểu cánh gạt nằm sát đáy buồng phản ứng, cánh gạt kết nối với trục điều khiển động cơ, cánh gạt quay tròn gạt tro rơi xuống đáy cụm hóa khí, tro vít tải ngồi Hình PL3.3 Hình PL3.3 Chế tạo cụm hóa khí + Cụm cyclone lọc ống dẫn khí: cyclone có đường kính phần trụ Ø150 mm, chiều cao 400 mm Cyclone bố trí khí tổng hợp vừa khỏi buồng hóa khí nhằm tách phần nước, keo nhựa bụi lớn Ống dẫn khí làm thép CT3 có đường kính Ø60 có chiều dài 6000 mm gồm đoạn thẳng đoạn xoắn dạng lị xo Hình PL3.4 158 Hình PL3.4 Chế tạo cụm Cyclone lọc ống dẫn + Hệ thống làm mát: Hệ thống làm mát gồm thùng chứa nước thép có đường kính Ø500 mm để chứa đoạn ống dẫn khí dạng lị xo; phía thùng cụm giải nhiệt dạng tháp gồm giải nhiệt kiểu tổ ong quạt dọc trục, bơm nước tuần hồn để quạt giải nhiệt Hình PL3.5 Hình PL3.5 Hệ thống làm mát ga + Cụm lọc tinh bét đốt: Cụm lọc tinh gồm hình trụ có đường kính Ø300 mm, chiều cao 1000 mm Bên hình trụ chứa than bơng gịn để lọc bụi nhỏ cịn sót lại sau qua lọc cyclone Bét đốt giúp quan sát đánh giá cảm quan q trình cháy khí sinh 4.2 Hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí xuống chế tạo hồn chỉnh Hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí xuống chế tạo hồn chỉnh hình PL3.6 Gồm cụm trình bày phần gồm cụm hóa khí (1), cụm cyclone lọc (2), cụm làm mát (3) cụm lọc tinh (4) [118] 159 Hình PL3.6 Hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí xuống