NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của mức đều TRƯỜNG vận tốc DÒNG KHÍ tới HIỆU SUẤT của THIẾT bị lọc bụi TĨNH điện

Trong đó: ,k ω là vận tốc trung bình tính bằng tỷ số giữa lượng khí thải bụi , Q và tổng lượng khí tiêu thụ Q chảy qua cùng mặt cắt Nh ận xét: về ảnh hưởng của mức không đồng đều của trư

NGHIÊN C ỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỀU TRƯỜNG VẬN TỐC DÒNG

KHÍ T ỚI HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

RESEARCH INFLUENCE OF GAZ FLOW VELOCITY FIED EVEN LEVEL TO

ELECTROSTATIC PRECIPITATOR EFFICIENCY

ThS Tri ệu Quý Huy 1a , PGS.TS Hoàng Văn Gợt 2b

1Trường Đại học Việt Bắc, Bộ GD&ĐT,

2Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương

TÓM T ẮT

Hiện nay ở Việt nam có hàng trăm thiết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) có nguồn gốc ngoại

nhập đang sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện và các nhà máy sản xuất xi măng, [1].Việc nghiên cứu giải pháp kỹ thuật để tạo được trường vận tốc khí đều trong buồng lọc nhằm nâng cao hiệu suất lọc bụi có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng Nhóm nghiên cứu đã đề

xuất phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để tạo ra trường vận tốc khí đều trong mô hình thiết bị LBTĐ Phương pháp nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng trong công tác vận hành có

hiệu suất cao thiết bị LBTĐ tại nước ta hiện nay

Từ khóa: lọc bụi tĩnh điện, trường vận tốc khí, hiệu suất lọc bụi

ABSTRACT

Now in Vietnam there are hundreds electrostatic precipitators (ESP) imported origin, using in thermal power plants, sement plants, The study to generate even gaz velocity field

to enhance dust filter efficiency of importance science and practical significance The research team proposed experimental methods to find even gaz velocity field in model of the the ESP The research method is possibility application for ESP operation in Vietnam now

Keywords: electrostatic precipitator, velocity field, dust filter efficiency

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện ở Việt nam có hàng trăm thiết bị LBTĐ có nguồn gốc ngoại nhập đang sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy sản xuất xi măng, Do đặc điểm nhập khẩu đồng bộ nên các thiết bị này bị lệ thuộc vào đối tác nước ngoài từ khâu thiết kế, chế tạo và cả khâu kỹ thuật điều chỉnh vận hành Nhiệm vụ đặt ra cho Viêt Nam là phải khai thác lượng lớn thiết bị LBTĐ nêu trên đạt hiệu suất cao Bài báo đã đề xuất phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết

hợp với thực nghiệm để tạo được trường vận tốc khí đều trong buồng lọc nhằm nâng cao hiệu

suất cho thiết bị LBTĐ, phù hợp với điều kiện Việt Nam

2 N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên lý ho ạt động thiết bị lọc bụi bằng điện [2]

Lọc bụi tĩnh điện thu bụi trên nguyên lý ion hoá và tách bụi ra khỏi dòng không khí qua vùng có trường điện lớn Buồng lọc bụi tĩnh điện được cấu tạo hình tháp tròn hoặc hình hộp

chữ nhật, bên trong có đặt các tấm cực dương song song xen kẽ các thanh thép gai Hạt bụi

với kích thước nhỏ, nhẹ, bay lơ lửng trong không khí được đưa qua buồng lọc có đặt các tấm

cực được cấp điện cao áp một chiều cỡ từ vài chục cho đến 100kV để tạo thành một điện trường có cường độ lớn Hạt bụi khi đi qua điện trường mạnh sẽ bị ion hoá thành các phân tử ion mang điện tích âm, sau đó chuyển động về phía tấm cực dương và bám vào đó Bụi sẽ

được tách khỏi các tấm cực bằng việc rung rũ tấm cực Sơ đồ nguyên lý tích bụi trong buồng

lọc (hình 1), [3]

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của lọc bụi bằng điện 2.2 Ảnh hưởng của vận tốc tới hiệu suất lọc

Vận tốc di chuyển của phần tử bụi ảnh hưởng đáng kể tới thu bụi của cực lắng; khi vận

tốc tăng, động năng tăng, làm giảm hiệu quả hút bụi của tấm cực thu, khi vận tốc giảm thì

hiệu quả thu bụi tăng, hiệu suất tích bụi tăng Mô hình toán học thể hiện công thức (1), [3]:

3

qE v

d

πµ

Liên hệ giữa vận tốc di chuyển bụi (v) và hiệu suất lọc bụi, thể hiện tại công thức (2), [3]:

vA Q

e

Trong đó: v- vận tốc di chuyển của bụi, cm/s; μ- độ nhớt khói, g/cm.s; q- điện tích của

hạt bụi; E- cường độ điện trường, Kv/cm; d- đường kính hạt bụi, cm, Q- lưu lượng dòng khói

có bụi, m3/s; A- tổng diện tích bề mặt tích bụi, m2

2.3 S ự phân bố của trường vận tốc khí trong buồng lọc

Sự phân bố trường vận tốc dòng khí trong buồng lắng lọc bụi tĩnh điện thể hiện trên sơ

đồ hình 1, [4] Một đặc tính của dòng vận tốc là độ đồng đều có ảnh hưởng mạnh tới hiệu suất

của thiết bị Do vậy hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu sự ảnh

hưởng này để tìm giải pháp cải thiện hiệu suất lọc bụi

Hình 2 S ự phân bố vận tốc dòng khí trong buồng lắng lọc bụi tĩnh điện

a L ọc bụi tĩnh điện nằm ngang; b Loại đứng

2.4 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của mức đều trường vận tốc khí tới hiệu suất lọc

c ủa thiết bị

M ột số công thức tính toán chính [4]:

1

yh k yh

nx

g

g

−

Trong đó: gyh – lượng phần tử bụi tại cửa ra và gBx- lượng phần tử bụi tại cửa vào, k1-

tham số, phụ thuộc vào kết cấu và các yếu tố khác của thiết bị

1

( )

1 g yh 1 e kω

1 n yh

Áp dụng cho lọc bụi tĩnh điện tính k1 theo Deich, [4]:

1 1

k

cE l

δ

∋

= (5b)

Trong đó: C- hệ số đặc trưng tính linh hoạt và đặc tính của phần tử bụi và bằng hằng số

cho lọc bụi diện cụ thể, E1- điện áp trung bình của điện trường, δэ- khoảng cách giữa cực lắng

và cực phóng Để xác định sự ảnh hưởng của vận tốc dòng khí tới hiệu suất lọc thường lấy

k1= hằng số

Hệ số thải bụi và hiệu suất trung bình:

- Giá trị trung bình của hệ số thải bụi khi phân bố không đều vận tốc (ω) đi qua một đơn

vị diện tích, [7]:

k

k F

F

1

1

k

k yh

k F

F

ω ω

Khi có sự phân bố đều vận tốc ta có: ω ω= k:thì hệ số thải bụi được xác định, [4]:

( ) ( ) 1

1 k

k

yh k

−

−

Tính hệ số phân bố không đều Mk, mặt cắt tròn và mặt cắt phẳng:

k

−

0, 5

k

−

Hệ số phân bố không đều Mk [4]:

k k

k k k F F

dF

ω

ω ω

∫

k k k k

k k k

M

Trong đó: ,

k

ω là vận tốc trung bình tính bằng tỷ số giữa lượng khí thải bụi ,

Q và tổng lượng khí tiêu thụ Q chảy qua cùng mặt cắt

Nh ận xét: về ảnh hưởng của mức không đồng đều của trường vận tốc theo mặt cắt

ngang buồng lọc tới hiệu suất thiết bị: Theo [4], ảnh hưởng của mức không đồng đều của trường vận tốc là rất lớn, thậm trí khi Mk=1,31 thì hệ số thu bụi đã tăng 2 lần

2.5 Cơ chế cân bằng lực cản theo mặt cắt

2.5.1 B ộ phân phối dòng

Thông thường giải pháp làm cân bằng lực cản khí vào thiết bị là dùng bộ hướng dòng,

nhưng phương pháp này chưa đạt hiệu quả Hiện nay có giải pháp hữu hiệu hơn là phương

pháp cân b ằng trở lực theo mặt cắt, sử dụng bộ phân dòng khí dạng các lưới chuyên dùng

hoặc vật liệu chuyên dùng khác Kết quả điều chỉnh bộ phân dòng (lưới) đã làm đều được trường vận tốc chảy trong kênh, điều này có tác dụng làm tăng hiệu suất lọc bụi [4] Có ba

mức điều chỉnh dòng khí: mức nhỏ, mức lớn và mức toàn phần:

- Mức nhỏ: bản chất cơ chế điều chỉnh để dòng khí chủ yếu chảy tịnh tiến dọc kênh dẫn Đặc tính dòng chảy này phù hợp với kênh dẫn là ống thẳng;

- Mức lớn: là mức cửa khí vào có góc mở rộng lớn (α1= 8 - 90o), trường hợp kênh dẫn là ống dài thì α1<8o;

- Mức toàn phần: Dạng cửa vào có góc mở tăng đột ngột, α1>90o, đặc điểm của dòng khí là không có phần tử bụi chuyển động tịnh tiến trên phần lớn mặt cắt ngang

2.5.2 Phân lo ại lực cản dòng khí

Lực cản của kênh dẫn khí và cơ cấu bộ phân phối dòng có ảnh hưởng rất quan trọng tới

mức đều của trường vận tốc khí tại mặt cắt ngang kênh dẫn Theo [5] lực cản của bộ phân dòng được chia ra các loại sau: lực cản tới hạn - lực cản cần thiết để dòng chảy khí đạt được hoàn toàn mức đều của trường vận tốc; lực cản tiêu thụ là lực cản thực tế phát sinh khi dòng khí chảy qua bộ phân dòng

2.5.3 Phương pháp cân bằng lực cản

Theo [5], để tạo được mức đều của vận tốc trên mặt cắt ngang kênh dẫn khí sau lưới phân dòng có thể sử dụng các phương pháp cân bằng lực cản sau:

- Xác định hệ số cản tới hạn của bộ lưới phân phối khí: kr 2 2p opt;

p

p

δ

ρω

vận tốc trung bình của dòng khí, m/s; δpp –mất mát áp lực do lưới phân dòng, pa);

- Xác định tỷ số giữa diện tích làm việc Fk và diện tích cửa vào Fo của thiết bị: ( k

o

F

F ) và

hệ số cản của lưới phân phối ζp;

- Xác định xác định tỷ số giữa diện tích mặt cắt tương đối F ctp của dòng khí phân tán ra trên mặt lưới và diện tích Fk: ctp

k

F F

o

F F

  của bộ phân dòng, sau đó xác định hệ số

cản tiêu thụ của bộ phân dòng (ζпotp);

- Xác định tỷ số: ( k

o

F

F ) sau đó xác định hệ số cản tối ưu (ζoпt) của bộ phân dòng, có nghĩa là nhờ hệ số đó để dòng khí chảy đạt được phân bố đều trên toàn bộ mặt cắt

2.5.4 Cơ chế điều chỉnh dòng chảy khí qua lưới phân phối dòng

Xem xét một số thí nghiệm trên mô hình kênh dẫn khí:

- Khi có dòng khí chảy trong kênh dẫn không có vách giới hạn và khi đi qua bộ lưới

chắn dòng, vận tốc bị chậm lại, dòng chảy được mở rộng ra, suất hiện áp lực tĩnh (h.3a) và khi dòng lưới chảy trong kênh có vách giới hạn với lưới phân dòng thì vùng sau lưới xuất hiện sự điều chỉnh có khuynh hướng đều trường vận tốc (h.3b);

- Khi cho dòng khí chảy trong kênh dẫn hướng tâm lên với trở lực (ζp) khác nhau, kết

quả cho mức đều của trường vận tốc khác nhau Khi có bộ hướng dòng thì mức đều của trường vận tốc cải thiện rõ ràng, thể hiện trên sơ đồ (h 4đ, hình phía dưới phải);

- Khi cho dòng khí chảy trong kênh dẫn hướng tâm ngược xuống, kênh dẫn không có lưới

chắn và có lưới chắn phân dòng, kết quả sẽ cho mức đều của trường vận tốc khác nhau, khi bổ sung lưới có cánh hướng dòng thì mức đều trường vận tốc được cải thiện rõ ràng (h.5c);

- Phương pháp sử dụng nhiều lưới phân dòng: sử dụng ba lưới phẳng với trở lực nhỏ, đặt nối tiếp: một loại (6a) hệ thống lỗ thủng, loại với các lỗ dạng ống (hình 6b) có kết quả

mức đều của biểu đồ vận tốc đạt khá cao;

- Phương pháp sử dụng hai lưới phân dòng: hai lưới đặt nối tiếp nhưng với khoảng cách (lp) khác nhau: khoảng cách nhỏ (7a), khoảng cách hợp lý (7b) và khoảng cách lớn (7c) Trường

hợp khoảng cách hai tấm lưới hợp lý đã cho mức đều của biểu đồ vận tốc tốt nhất (h.7b)

Hình 3 Sơ đồ dòng khí có lưới chắn: a) không có ống giới hạn, b) có ống giới hạn

a) b), c) d), đ)

Hình 4 Sơ đồ dòng khí hướng vào tâm kênh (: a) không lưới, b) có lưới phẳng khi trở lực ζ p > ζ kp ; c) có lưới nhưng trở lực ζ p < ζ kp ; d) có bộ hướng dòng; đ) lưới phẳng nhưng

tr ở lực ζ p giá tr ị rất lớn

a) b) c)

Hình 5 Sơ đồ dòng khí cấp vào trung tâm hướng xuống phía dưới: a) không lưới, b) lưới

ph ẳng với trở lực ζ p l ớn; c) lưới phẳng với trở lực ζ p l ớn và có hướng dòng

Hình 6 Sơ đồ dòng chảy với ba lưới: a) ba lưới phẳng; b) ba lưới dạng ống

a) b) c)

Hình 7 T rường vận tốc sau hai lưới phân dòng với khoảng cách giữa chúng (l p ) thay đổi

a) L p nh ỏ; b) L p h ợp lý, c) L p - l ớn

Nh ận xét: Từ phân tích lý thuyết và thực nghiệm nêu trên ta thấy:

- Lưới phân dòng làm thay đổi đặc tính của trường vận tốc trên mặt cắt ngang;

- Hiệu suất lọc của thiết bị phụ thuộc đáng kể vào mức đều của biểu đồ vận tốc khí trên

mặt cắt ngang kênh dẫn;

- Khi thay đổi chủng loại, số lượng, điều chỉnh vị trí tương đối của các lưới phân dòng

sẽ làm thay đổi trở lực, dẫn tới điều chỉnh được mức đều của vận tốc trên mặt cắt ngang kênh

dẫn khí

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Gi ải pháp có thể làm tăng hiệu suất thiết bị lọc bụi

Từ phân tích trên cho thấy có nhiều giải pháp có thể làm tăng hiệu suất thiết bị lọc bụi như:

- Vận tốc khí tối ưu: Hiệu suất thiết bị lọc bụi phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí, tùy theo

cỡ hạt của phần tử bụi để lựa chọn vận tốc vận hành Vận tốc có thể lựa chọn theo kinh nghiệm Phương pháp chính xác hơn là phương pháp thực nghiệm;

- Góc mở của kênh cấp khí: Góc mở của cửa vào ảnh hưởng tới đặc tính dòng khí [4],

có khả năng hướng dòng khí vào vùng trung tâm của buồng lọc, làm tăng hiệu suất lọc của

thiết bị [4];

- Điều chỉnh bộ phân dòng: Bộ phân dòng có ảnh hưởng tới trở lực dòng khí và làm

thay đổi mức đều của biểu đồ vận tốc, làm nâng cao hiệu suất lọc Số lượng và vị trí lắp đặt

tương quan các tấm lưới của bộ phân dòng có ảnh hưởng tới trở lực dòng khí liên quan tới

mức đều của biểu đồ vận tốc, làm ảnh hưởng tới hiệu suất lọc;

- Điều chỉnh hướng dòng khí: Hướng dòng khí bụi vào vùng trung tâm buồng lọc:

theo[5] vùng trung tâm buồng lọc có khả năng thu tới 90% lượng bụi đi qua buồng lọc Bộ

hướng dòng làm tăng lượng của dòng khí vào vùng trung tâm buồng lọc, làm tăng rất đáng kể

hiệu suất lọc;

- Chủng loại lưới: Chủng loại lưới như lưới phẳng, lưới không gian, lưới có hệ lỗ dạng

ống, dạng lỗ tròn, dạng lỗ chữ nhật, dạng lớp vật liệu hạt,…tất cả đều ảnh hưởng trực tiếp tới

đặc tính của trường vận tốc và hệ quả là cải thiện hiệu suất lọc bụi của thiết bị

3.2 L ựa chọn giải pháp kỹ thuật

Các phương pháp nêu trên đi tới mục tiêu làm đều trường vận tốc trong kênh dẫn khí

vào thiết bị lọc bụi Hiện nay tại Việt Nam, hàng trăm thiết bị lọc bụi điện nhập ngoại có bộ

phân dòng chủ yếu là lưới dạng phẳng, hệ lỗ tròn, lỗ dạng ống Do vậy sử dụng kỹ thuật điều

chỉnh bộ phân dòng để nâng cao hiệu suất lọc của thiết bị là vấn đề có ý nghĩa khoa học và

thực tiễn cao, có giá trị kinh tế và cải thiện được môi trường khí thải công nghiệp Giải pháp

thực hiện hữu hiệu nhất là kết hợp lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Song thực tế là do

thiết bị lọc bụi quá lớn nên rất khó làm được một mô hình thiết bị lọc bụi điện, đáp ứng đồng

dạng về thiết kế, đáp ứng điều kiện môi trường làm việc tương tự

Từ phân tích khoa học về thực trạng nêu trên tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu đề xuất

giải pháp kỹ thuật: điều chỉnh bộ phân dòng Đây là giải pháp có tính khả thi về khả năng

thiết kế chế tạo và thực hiện thí nghiệm Thí nghiệm được thực hiện trước trên mô hình

trong điều kiện phòng thí nghiệm để xác định mức đều của biểu đồ vận tốc dòng khí trên cơ

sở điều chỉnh bộ phân dòng, sau đó áp dụng kiểm nghiệm kết quả trên thiết bị lọc bụi tĩnh

điện công nghiệp

3.3 Khái quát mô tả phương pháp thực nghiệm

Mô hình buồng lọc: Thiết bị thí nghiệm là mô hình buồng lọc bụi có kết cấu cơ khí

đồng dạng với buồng lọc của thiết bị lọc bụi tĩnh điện công nghiệp về cấu tạo hình học, về cấu

trúc bên trong buồng lọc, có bộ phân dòng cùng các điều kiện cơ cấu để điều chỉnh, quạt gió,

van tiết lưu và có hệ thống thiết bị đo lường các thông số kỹ thuật liên quan thí nghiệm như:

đồng hồ tiết lưu, đồng hồ đo vận tốc và áp suất khí,…

Điều kiện thí nghiệm: đặt các giá trị giới hạn của khoảng cách hai tấm lưới phân dòng

[ Lmax; Lmin], đặt hệ số thoáng của lưới [kmax; kmin], đặt tỷ lệ giữa L và đường kính lưới [L/D lmax; L/Dl min]

Cách thực hiện thí nghiệm: Cho biến thiên các thông số kỹ thuật theo điều kiện nêu trên,

đo mức biến thiên vận tốc theo hướng xác định mức đều của trường vận tốc khí bằng cách đo

vận tốc tại một số mặt cắt ngang của mô hình đã được định sẵn, xác định hàm lượng bụi sau

khi lọc của mỗi giải pháp điều chỉnh các thông số lưới phân dòng

Đánh giá kết quả: Kết quả thu được sẽ là mức đều của trường vận tốc tại mặt cắt ngang

của mỗi phương án sẽ khác nhau và đương nhiên hệ số hiệu suất lọc cũng khác nhau Theo [5]

thì mức đều của biểu đồ vận tốc càng tốt (sai lệch nhỏ nhất so với mức tối ưu) thì hệ số hiệu

suất lọc Kη càng cao

4 K ẾT LUẬN

Từ phân tích trên cho phép kết luận như sau:

- Hiệu suất lọc của thiết bị lọc bụi điện phụ thuộc vào mức đều của trường vận tốc trong

buồng lọc Đây là yếu tố lần đầu được đề cập nghiên cứu tại Việt Nam;

- Ảnh hưởng của mức đều của trường vận tốc tới hiệu suất lọc của thiết bị lọc bụi điện

là đáng kể Do vậy, cần tìm giải pháp kỹ thuật để điều chỉnh mức đều của biểu đồ vận tốc dòng khí nhằm nâng cao hiệu suất lọc;

- Lựa chọn giải pháp kỹ thuật: Chọn giải pháp điều chỉnh bộ phân dòng để cân bằng trở

lực, tạo mức đều cho trường vận tốc dòng khí trên mặt cắt ngang sau lưới phân dòng của kênh

dẫn khí;

- Đối tượng thí nghiệm: Bộ phân phối dòng khí dạng lưới phẳng với hệ lỗ tròn lắp trên

mô hình buồng lọc bụi điện không có bụi để thí nghiệm, điều chỉnh một số thông số kỹ thuật

của bộ phân phối dòng khí với mục đích làm đều biểu đồ vận tốc dòng khí trên mặt cắt ngang;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: kết hợp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình

buồng lọc nhỏ trong phòng thí nghiệm để xác định mức đều biểu đồ vận tốc dòng khí và kiểm nghiệm hiệu suất lọc trên thiết bị lọc bụi điện công nghiệp Đây là phương pháp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, phù hợp với điều kiện Việt nam

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Viện Nghiên cứu Cơ khí, báo cáo tổng kết đề tài KHCN: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo lọc

bụi công suất lớn cho dây chuyền xi măng lò quay, công suất 2500 tấn clanke/ngày” NXB: Viện Nghiên cứu Cơ khí, 2010

[2] GS.TS Trần Ngọc Chấn, Cơ học về bụi và phương pháp xử lý bụi, tập 2 NXB Khoa học

và Kỹ thuật, 2001

[3] GS.TSKH Nguyễn Sỹ Mão, Môi trường và kỹ thuật xử lý chất phát thải, NXB Khoa học

và Kỹ thuật, 2008

выбросов пыли, аэрозолей и тумалов, Ярославль “Русь” 2004

THÔNG TIN LIÊN LẠC TÁC GIẢ

1 ThS Tri ệu Quý Huy Trường Đại học Việt Bắc, Bộ GD&ĐT,

Email: Lipit2010@gmail.com, ĐT: 0986640023

2 PGS.TS Hoàng Văn Gợt Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương