ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ CẤP ĐẾN NỒNG ĐỘ CO VÀ NO x TRONG KHÍ THẢI LÒ ĐỐT CÔNG NGHIỆP EFFECT OF SECONDARY AIR SUPPLYING POSITION TO CO AND NO X CONCENTRATIONS IN COMBUSTION PRODUCT OF INDUSTRIAL FURNACE BÙI VĂN GA, Đại học Đà Nẵng LÊ VĂN LỮ, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HỒ SĨ XUÂN DIỆU, Công ty Đăng kiểm Thừa Thiên-Huế TÓM TẮT Nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO, NO x trong sản phẩm cháy của lò đốt công nghiệp nhưng với mức độ và xu hướng khác nhau. Vì vậy việc phân bố nồng độ không khí trong trường nhiệt độ cháy phù hợp có thể làm giảm đồng thời nồng độ của chúng. Bài báo này tiến hành phân tích khí tại các mặt cắt khác nhau dọc theo trục ngọn lửa và trong ống khói lò đốt để trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp L i và hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 tối ưu nhằm đạt được nồng độ CO và NO x lý tưởng (L i /L=0,4 và 2 > 0,25 khi T a = 720 o C và 1 = 1,0). ABSTRACT Temperature and mixture fraction have essential effects on CO, NO x concentrations in the combustion product of an industrial furnace, but with different intensity and tendency. Thus a reasonable distribution of air concentration in temperature field of combustion can attaint a simultaneous reduction of these two pollutant concentrations. In this paper, gas analysis has been carried out in different cross sections of the flame and in the chimney of the furnace. The results allow us to identify appropriate secondary air supplying position L i and secondary air ratio 2 to attaint optimal CO and NO x concentrations (Li/L=0,4 and 2 > 0,25 when T a = 720 o C and 1 = 1,0). 1. Giới thiệu CO là chất khí không màu, không mùi, được mệnh danh là “kẻ giết người thầm lặng” bởi lẽ nó làm cho nạn nhân tử vong mà không hề hay biết. Khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 600ppm, trên 70% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân thiếu oxy dẫn đến tử vong (hình 1). NO x là một họ gồm ba chất NO, NO 2 và N 2 O, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NO là chất không độc nhưng nó lại là chất trung gian sinh ra NO 2 là chất độc, gây viêm loét đường hô hấp, gây tổn thương phổi và gây mưa a-xít. Các giải pháp kỹ thuật để hạn chế nồng độ NO x trong khí thải có thể tham khảo [1]. Việc xử lý đồng thời CO và NO x trên đường thải của thiết bị cháy công nghiệp gặp khó khăn do một bên phải oxy hóa (cần có sự hiện diện của o-xy) còn một bên là khử (không có sự hiện diện của o-xy) [2]. Vì vậy giải pháp hữu ích là hạn chế nồng độ của chúng ngay từ nguồn phát thải. Cơ chế hình thành CO được biểu diễn bởi phản ứng sau : CO + OH CO 2 + H (1) H + H 2 O OH + H 2 (2) CO + O 2 CO 2 + O (3) 0,1 1 10 100 5 10 50 100 15 ppm 30 ppm 100 ppm 300 ppm 600 ppm Thời gian tiếp xúc (h) Hồng cầu bị khống chế (%) Không ảnh hưởng Nhức đầu, giảm trí nhớ Tử vong Hôn mê Nôn mửa, xỉu Nhức đầu dữ dội Hình 1: Tác h ại của CO đối với sức khỏe con người Phản ứng (1) là cơ chế chính để biến CO thành CO 2 . Trong trường hợp hỗn hợp nghèo, sự biến đổi CO thành CO 2 cũng diễn ra theo phản ứng (3) nhưng với tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng (1). Sự hình thành NO x được biểu diễn bởi cơ chế Zeldovich: O + N 2 NO + N (4) 2 N + O 2 NO + O (5) N + OH NO + H (6) Trong 3 phản ứng (4), (5) và (6) thì 2 phản ứng đầu đóng vai trò quan trọng. Năng lượng hoạt tính của phản ứng (4) rất lớn vì vậy tốc độ của nó phụ thuộc mạnh và nhiệt độ. Tốc độ phản ứng (5) lớn hơn rất nhiều so với các phản ứng còn lại. Tốc độ các phản ứng trên phụ thuộc vào tốc độ hình thành chất trung gian N. Trong quá trình cháy, sau giai đoạn quá độ ban đầu, tốc độ hình thành chất trung gian N được viết như sau: ]O[k ]N][O[k N 22,f 21,f s (7) Biểu thức (7) cho thấy tốc độ hình thành N phụ thuộc vào nồng độ O 2 trong hỗn hợp. Từ các nghiên cứu trên đây chúng ta thấy sự phân bố thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy trong lò ảnh hưởng lớn đến nồng độ CO và NO x trong sản phẩm cháy [4], [5]. Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NO x trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp tối ưu nhằm làm giảm đồng thời nồng độ của chúng trong khí thải của lò đốt công nghiệp. 2. Bố trí thí nghiệm Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình lò đốt công nghiệp có buồng cháy hình trụ tròn với đường kính trong 200mm, chiều dài 820mm. Lò được trang bị mỏ đốt nhiên liệu dầu nhẹ loại Minor-6 của hãng Ecoflam, biến bụi nhiên liệu bằng phương pháp cơ học với áp suất phun 20 bar qua đầu phun số 0.75 có góc phun 60 o . Không khí sơ cấp được cấp từ quạt gió có áp suất 12 mbar (hình 2) [3]. Lượng không khí thứ cấp được cấp qua một ống thép chịu nhiệt 21mm uốn hình khuyên theo sát tường trong của buồng đốt và được nối với đường khí cấp từ quạt gió. Phía trong ống hình khuyên có khoan nhiều lỗ 3mm hướng một góc nghiêng 45 o so với trục lò. Vòng ống này có thể di chuyển tịnh tiến dọc theo chiều dài ngọn lửa để thay đổi vị trí cấp không khí thứ cấp (hình 3). Công suất nhiệt cực đại của mỏ đốt là 125.000 kJ/h Mô hình thí nghiệm này cho phép thay đổi các thông số vận hành chính của lò như hệ số dư lượng không khí (sơ cấp và thứ cấp), nhiệt độ buồng cháy. Sản phẩm cháy được thu vào ống khói kim loại Hình 2: Ảnh chụp lò đốt thí nghiệm Không khí sơ c ấp 0 100 100 120 4 6 8 100 10 100 2 D ầu Không khí th ứ cấp G F T Hình 3: S ơ đ ồ các vị trí cấp không khí thứ cấp v à các vị trí lấy mẫu khí phân tích có đường kính 90mm dài 500mm để đo đạc thành phần khí thải. Thiết bị đo đạc bao gồm: thiết bị đo lưu lượng không khí sơ cấp kiểu màng, thiết bị đo lưu lượng dầu kiểu đếm thể tích với độ chính xác 1/100 lít, thiết bị Blow by Meter 442 AVL để đo lưu lượng không khí thứ cấp. Nồng độ NO x và CO được xác định bởi máy phân tích khí AVL Digas 4000. Mẫu sản phẩm cháy cục bộ được lấy tại mỗi mặt cắt ngang ngọn lửa ở ba vị trí : G (tại tâm ngọn lửa), F (cách tâm ngọn lửa 25mm về phía phải), T (cách tâm ngọn lửa 25 mm về phía trái) (hình 3). Mẫu khí thải của lò được lấy từ ống khói. Các số liệu thí nghiệm được ghi nhận theo trình tự qui hoạch trước khi mỏ đốt hoạt động ổn định ở một chế độ đốt cháy đã xác lập. Để có được kết quả của phép đo một cách chính xác và tránh sai số ngẫu nhiên, thí nghiệm ứng với mỗi chế độ đốt được thực hiện 5 lần và số liệu thu nhận là giá trị trung bình của các lần đo đó. 3. Kết quả và bình luận Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện lưu lượng nhiên liệu 2,6 lít/h, lưu lượng không khí 26 m 3 /h. Các thông số vận hành của lò thay đổi gồm hệ số dư lượng không khí sơ cấp 1 , hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 và nhiệt độ buồng cháy T a . Các kết quả đo đạc nồng độ khí NO x và CO trong sản phẩm cháy thoát ra từ buồng đốt của lò khi không cung cấp không khí thứ cấp ( 2 =0) và thay đổi hệ số dư lượng không khí sơ cấp 1 từ 0,5 đến 1,5 được trình bày trên hình 4. Thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ buồng đốt khác nhau 700, 800 và 900 o C. Kết quả này cho thấy khi tăng nhiệt độ buồng đốt, nồng độ NO x tăng đối với mọi thành phần hỗn hợp. Tuy nhiên khi nhiệt độ buồng cháy thấp dưới 1.000 o C thì vai trò ảnh hưởng của hệ số không khí dư đến nồng độ NO x không đáng kể (nồng độ NO x thay đổi khoảng 20% khi hệ số dư lượng không khí sơ cấp thay đổi từ 0,5 đến 1,5). Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ảnh hưởng mạnh đến nồng độ của CO khi hỗn hợp giàu. Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần hỗn hợp đến CO, NO x , chúng tôi thực hiện phân tích khí tại các vị trí cục bộ trong ngọn lửa. Thí nghiệm được tiến hành với nhiệt độ lò cố định ở 720 o C và lưu lượng dầu diesel 2,6 lít/h. Hệ số dư lượng không khí thay đổi = 0.75; 1,0 và 1,25. Mẫu khí được lấy tại vị trí có khoảng cách tới miệng mỏ đốt 120mm (mặt cắt 2); 220 mm (mặt cắt 4); 320 mm (mặt cắt 6) và 420 mm (mặt cắt 8). Tại mỗi mặt cắt nồng độ CO, NO x được phân tích tại 3 vị trí G, T và F. Kết quả thí nghiệm về sự thay đổi nồng độ NO x theo chiều dài của ngọn lửa được biểu diễn trên 5a, b. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở cùng nhiệt độ buồng cháy, hệ số không khí dư ảnh hưởng không đáng kể đến nồng độ NO x trong ngọn lửa. NO x tăng dần theo chiều dài ngọn lửa, chứng tỏ phản ứng ôxy hóa N 2 diễn ra mạnh mẽ trong vùng nhiệt độ cao. Phía cuối ngọn lửa, trong điều kiện thí nghiệm này là khoảng cách tới gốc ngọn lửa khoảng 400mm, nồng độ NO x hầu như không thay đổi trên cùng mặt cắt ngang, điều đó chứng tỏ sự hòa trộn rối của luồng khí chuyển động có tác dụng làm đồng đều thành phần NO x trong sản phẩm cháy. NO x (ppm) CO (ppm) 0 40 80 120 160 0 4.000 T a ( o C) 900 800 700 NO x CO 1,5 1,25 1,0 0,85 0,7 0,5 8.000 12.000 16000 Hình 4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí và nhiệt độ đến nồng độ CO, NOx trong khí thải lò hơi a) = 0.75 b) =1,25 Hình 5: Biến thiên nồng độ NO x theo chiều dài ngọn lửa Kết quả đo nồng độ CO theo chiều dài ngọn lửa tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa, khi thay đổi hệ số dư lượng khơng khí cho trên 6. Kết quả trên cho thấy nồng độ CO rất cao (6.000ppm) trong phần đầu của ngọn lửa và giá trị này giảm rất nhanh về phía đi ngọn lửa. Các kết quả nhận được trên đây cho thấy nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO và NO x . Biến thiên nồng độ của hai chất ơ nhiễm này cùng chiều về phía hỗn hợp nghèo nhưng ngược chiều về phía hỗn hợp giàu. Làm nghèo hỗn hợp sẽ dẫn đến làm giảm nồng độ CO tại bất kỳ vị trí nào của ngọn lửa. Tuy nhiên làm nghèo hỗn hợp tại những vị trí nhiệt độ cao sẽ làm gia tăng nồng độ NO x . Vì vậy để làm giảm nồng độ đồng thời của hai chất này, chúng ta có thể cung cấp khơng khí thứ cấp vào một vị trí phù hợp trong ngọn lửa. Trong nghiên cứu này chúng tơi khảo sát ảnh hưởng của vị trí cung cấp khơng khí thứ cấp đến nồng độ CO và NO x trong khí thải của lò đốt để tìm vị trí cấp khí tối ưu. Vòng cấp khí thứ cấp được đặt tại các mặt cắt số 2, 6, 8 và 10 ứng với các khoảng cách tương ứng Li tới gốc ngọn lửa lần lượt là 120, 320, 420 và 520mm. Hệ số dư lượng khơng khí sơ cấp 1 = 1,0, nhiệt độ lò được giữ cố định ở 720 o C và lưu lượng dầu diesel 2,6 lít/h. Biến thiên nồng độ CO, NO x trong khí thải theo vị trí cung cấp khơng khí thứ cấp ứng với các giá trị 2 khác nhau được trình bày trên hình 7. Từ kết quả thí nghiệm, cho ta rút ra một số nhận xét sau: - Khi 2 vượt q 0,25, vị trí cấp khơng khí thứ cấp ảnh hưởng rất nhẹ đến nồng độ NO x . Nồng độ NO x giảm khoảng 10% khi khơng khí thức cấp được cấp sau khu vực cháy chính của ngọn lửa. Khi hệ số khơng khí thứ cấp nhỏ hơn giá trị này, nồng độ NO x đạt giá trị cực đại cách miệng vòi đốt 420mm. Khi cung cấp lượng khí dư lớn, nhiệt độ cháy giảm làm tốc độ phản ứng (4) giảm, dẫn đến giảm nồng độ NO x . Khi cung cấp lượng khơng khí vừa phải, nhiệt độ cháy khơng giảm nhiều, tốc độ phản ứng (5) tăng làm tăng NO x . Mức độ gia tăng nồng độ NO x khoảng 10% khi 2 = 0,2 và đạt 20% khi 2 = 0,1. 0 8.000 = 1,25 = 0,75 Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) CO (ppm) 120 220 320 420 6.000 4.000 2.000 Hình 6: Biến thiên nồng độ CO theo chiều dài ngọn lửa 0 20 40 60 80 100 120 Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) NOx (ppm) 120 220 320 420 T F G 0 20 40 60 80 100 120 120 220 320 420 NOx (ppm) Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) T F G - Hệ số 2 và vị trí cung cấp không khí thứ cấp ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ CO. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi không khí thứ cấp được cấp vào khu vực đang cháy, nồng độ CO trong khí thải giảm đi rõ rệt. Trong trường hợp thí nghiệm này, nếu cấp không khí thứ cấp tại mặt cắt số 2, nồng độ CO trong khí thải giảm đến mức lý tưởng. Nếu cấp không khí thứ cấp trước hay sau vị trí này, nồng độ CO trong khí thải đều tăng. Điều này có thể giải thích ở khu vực nhiệt độ cao, sự gia tăng nồng độ O 2 sẽ làm tăng tốc độ các phản ứng (1) và (3) theo chiều thuận dẫn đến sự oxy hóa CO thành CO 2 trong khí thải. Kết quả này cho thấy để làm giảm đồng thời nồng độ CO và NO x chúng ta có thể cung cấp không khí thứ cấp ở vị trí cách miệng vòi đốt một khoảng L i sao cho L i /L= 0,4. Nếu nhiệt độ lò cho phép, chúng ta có thể chọn 2 > 0,25. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra những kết luận sau đây: 1. Ở chế độ nhiệt độ lò thấp, thành phần hỗn hợp ít gây ảnh hưởng đến nồng độ NO x nhưng ảnh hưởng mạnh đến nồng độ CO trong vùng hỗn hợp giàu. 2. Khi tăng hệ số dư lượng không khí thứ cấp nồng độ NO x trong khí thải giảm. Khi 2 >0,25 nồng độ NO x giảm 10% nêu không khí thứ cấp được cấp sau khu vực cháy chính. Khi <0,25, nồng độ NO x đạt giá trị cực đại sau khu vực cháy chính. 3. Khi tăng 2 , nồng độ CO giảm. Có một vị trí cung cấp khí thứ cấp tối ưu làm cho nồng độ CO trong khí thải giảm đến mức lý tưởng. 4. Giải pháp kỹ thuật làm giảm đồng thời CO và NO x là cung cấp không khí thứ cấp tại vị trí diễn ra quá trình cháy mãnh liệt nhất trong buồng đốt (L i /L= 0,4). Công trình này được thực hiện nhờ tài trợ của Chương trình nghiên cứu khoa học cơ bản cấp Nhà Nước TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. http://www.einstrumentsgroup.com/gas_analyzers/combustion/nox-reduction.php 2. http://www.dcl-inc.com/catthrway.cfm 3. BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, LE VAN LU: Quan hệ giữa nồng độ bồ hóng và nồng độ NOx trong sản phẩm cháy của lò hơi. Kỷ yếu Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc năm 2005, pp. 107-114, Hạ Long, 20-22/7/2005 4. BUI VAN GA, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lò đốt công nghiệp đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải. Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Vũng Tàu, 26-27/7/2006 5. BUI VAN GA, LE VAN LU: Nghiên cứu thực nghiệm sự hình thành NOx và CO trong buồng đốt lò hơi công nghiệp. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 3(15), 4(16).2006, pp. 1-5. NO x (ppm) 0 40 80 120 160 120 220 320 420 520 x(mm) 2 =0,1 2 =0,2 2 =0,25 2 =0,25 2 =0,2 2 =0,1 CO(%) 0,4 0,8 1,2 1,6 Hình 7: Biến thiên nồng độ CO, NOx trong khí thải theo vị trí cung cấp không khí thứ cấp . lớn đến nồng độ CO và NO x trong sản phẩm cháy [4], [5]. Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NO x trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp. thể cung cấp khơng khí thứ cấp vào một vị trí phù hợp trong ngọn lửa. Trong nghiên cứu này chúng tơi khảo sát ảnh hưởng của vị trí cung cấp khơng khí thứ cấp đến nồng độ CO và NO x trong khí. ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ CẤP ĐẾN NỒNG ĐỘ CO VÀ NO x TRONG KHÍ THẢI LÒ ĐỐT CÔNG NGHIỆP EFFECT OF SECONDARY AIR SUPPLYING POSITION TO CO AND NO X CONCENTRATIONS IN COMBUSTION