BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ ĐỐT CHẤT THẢI Y TẾ.

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ ĐỐT CHẤT THẢI Y TẾ. Họ và tên: Nguyễn Văn Đức MSV: 1321080019 Lớp: DCMTDS58 ĐỀ BÀI:Thiết kế lò đốt chất thải y tế nguy hại cho bệnh viện có khối lượng chất thải y tế phát sinh là 160 kgngày. Lò đốt hoạt động 2hngày. Thành phần rác thải y tế gồm C,H,O,N, S và Cl. Độ tro 14,658%. Lượng bụi ở trong khói chiếm 30% lượng tro Độ ẩm rác :42% Nhiệt trị là 2150 kcalkg. Bảng 1: Thành phần các nguyên tố có trong 80kg CTYT Stt Thành Phần Khối Lượng (Kg) 1 C 17,614 2 H 2,375 3 O 12,3936 4 N 1,0224 5 S 1,2928 6 Cl 0,0632 7 Tro 11,7264 8 Âm 33,6 Dùng dầu DO làm nhiên liệu. Nhiệt trịthấp của dầu bằng 9800 (kcalkg) Bảng 2: Thành phần các nguyên tố có trong 1kg dầu DO Thành phần của dầu DO Lượng chất có trong 1kg dầu DO C 0,855 H 0,12 O 0,002 N 0,003 S 0,02 A (Độ tro) 5105 Hệsốdưoxy cung cấp để đốt cháy dầu DO nằm trong khoảng 1,10 – 1,20; Theo một sốtài liệu vềlò đốt rác y tếhệsốnày đối với rác thải y tế là 1,5. Không khí cấp vào lò có khối lượng riêngρkk =1,29 (kgm3).Khối lượng riêng của O2 =1,4289(kgm3). Lấy nhiệt độ trung bình của không khí là 25oC. Không khí chứa 10g hơi nước1kg không khí khô. Nhiệt độ của buồng đốt thứ cấp là 12000C. Thời gian lưu ở buồng thứ cấp là 2 giây. Nhiệt độ của buồng sơ cấp là 7000C.

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ ĐỐT CHẤT THẢI Y TẾ.

Họ và tên: Nguyễn Văn Đức

MSV: 1321080019

Lớp: DCMTDS58

ĐỀ BÀI: Thiết kế lò đốt chất thải y tế nguy hại cho bệnh viện có khối lượng chấtthải y tế phát sinh là 160 kg/ngày Lò đốt hoạt động 2h/ngày Thành phần rác thải y tếgồm C, H, O, N, S và Cl

Độ tro 14,658% Lượng bụi ở trong khói chiếm 30% lượng tro

Dùng dầu DO làm nhiên liệu Nhiệt trị thấp của dầu bằng 9800 (kcal/kg)

Bảng 2: Thành phần các nguyên tố có trong 1kg dầu DO

Thành phần của dầu DO Lượng chất có trong 1kg dầu DO

Hệ số dư oxy cung cấp để đốt cháy dầu DO nằm trong khoảng 1,10 – 1,20; Theo một

số tài liệu về lò đốt rác y tế hệ số này đối với rác thải y tế là 1,5

Không khí cấp vào lò có khối lượng riêng ρkk =1,29 (kg/m3) Khối lượng riêng của O2

ρ O

2 =1,4289(kg/m3)

Lấy nhiệt độ trung bình của không khí là 25oC

Không khí chứa 10g hơi nước/1kg không khí khô

Nhiệt độ của buồng đốt thứ cấp là 12000C Thời gian lưu ở buồng thứ cấp là 2 giây.Nhiệt độ của buồng sơ cấp là 7000C

BÀI LÀM CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG

Thành phần các nguyên tố có trong 80kg CTYT

Bảng 1.1: Khối lượng các nguyên tố hóa học có trong 80kg CTYT

Lượng chất có trong 1kg dầu

Lượng chất có trong x kg dầu

1 C 17,614 + 0,855.x

1.1 Cân bằng vật chất

1.1.1 Lượng không khí cần được nạp vào lò.

Để tính lượng không khí cần để cấp vào lò ta cần tính lượng O2 cần thiết cho quá trình cháy Các chất tham gia trong quá trình cháy như sau : C, H, S, N, Cl

Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy như sau :

C + O2 = CO2 (1)

C + O2 = CO (2)

4H + O2 = 2H2O (3)

2N + O2 = 2NO (4)

2NO + O2 = 2NO2 (5)

N2

- Xét phản ứng 1:

Gọi lượng O2 cần để phản ứng hết với Cacbon là G1 Từ đó ta có

G1=32.(17,614+ 0,855.x)/12 = 3,135x +64,5846 (kg/h)

- Xét phản ứng 2 :

Do lò đốt làm việc ở nhiệt độ cao ( 600oC – 1100oC) và thừa O2 nên lượng khí CO sinh

ra ở phẩn ứng 2 sẽ phản ứng trực tiếp với oxi trong buồng đốt thứ cấp :

CO + ½ O2 = CO2

Vì vậy khi nhiệt độ của lò đốt được nâng lên 1100oC, lượng CO sinh ra không đáng kể

có thể xem như CO đã phản ứng hoàn toàn với O2 tạo thành CO2

7.10-312,7.10-187,5.10-91,07.10-50,00040,0035

1,4.1064,90,110,0110,00350,0018

Khi nhiệt độ lên đến 1100oC thì hằng số Kp(4) nằm trong khoảng 7,5.10-9 – 1,07.10-5nên lượng NO sinh ra là rất nhỏ

5

Khi nhiệt độ tăng thì quá trình phân huỷ NO2 thành NO và O2 sẽ tăng lên Ở nhiệt độtrên 650oC thì hầu như NO2 phân huỷ hết Vậy nếu ở nhiệt độ cháy của buồng đốt có thể coilượng NO2 bằng 0.

Gọi lượng O2 trên lý thuyết cần cho quá trình đốt là G O

2 < ¿¿

Ta có : G O2<¿¿= G1 + G3 + G4 + G6 - G7 - G8

= 3,2614x + 55,7683 – 0,0142y (kg/h)

Để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn thì lượng Oxy cung cấp cần dư so với lý thuy ết

Hệ số dư Oxy cung cấp để đốt cháy dầu DO nằm trong khoảng 1,10 – 1,50 Do lượng Oxycung cấp vào lò có nhiệm vụ duy trì quá trình cháy cho cả dầu và chất thải rắn, chọn hệ số

dư Oxy α = 1,5

Vậy lượng Oxy thực tế ( G O2tt) cấp vào lò là:

G O2tt=1,5 GO2<¿=4,8921x +83,6525−0,092 y¿ (kg/h)

Trong không khí, O2 chiếm 21% thể tích, khối lượng riêng của O2 là ρ O2=1,4289 kg/m3

Gkktt : Lượng không khí khô thực tế cần cấp vào lò

Vậy lượng không khí cần cung cấp :

- Lượng hơi nước ra theo khói lò, ký hiệu: Ghn (kg/h).

- Lượng khí ra theo khói lò: CO2, SO2, N2, O2,dư , Cl2 dư, HCl Ký hiệu: Gkhí (kg/h)

Vậy lượng vật chất đi ra khỏi lò là : Gr = Gtro + Ghn + Gkhí

a Lượng tro hình thành trong quá trình đốt

7

Gtro = Gtro xỉ + Gtro bay = 5.10-5x + 11,7264 (kg/h)

b Lượng hơi nước đi ra khỏi lò

Ghn = Gct + Gkk ẩm + Gpu3 - Gpu7Trong đó : Gct : là lượng hơi nước hình thành trong độ ẩm của rác

Gkk ẩm : là lượng hơi nước hình thành do không khí ẩm được cấp vào lò

Gpu3: Lượng H2O sinh ra ở phản ứng (3)

Gpu7: Lượng H2O mất đi ở phản ứng (7)

- Lượng hơi hình thành từ ẩm chất thải: Gct = 33,6 (kg/h)

- Lượng hơi hình thành từ ẩm không khí :

Gkk ẩm = 0,2103x + 3,5964 – 0,00092y (kg/h)

- Lượng hơi nước sinh ra ở phản ứng 3:

Gpu3= 9.(2,375 + 0,12.x) = 1,08x + 21,375 (kg/h)

- Lượng hơi nước mất đi ở phản ứng 7 :

Gpu7= 18.0,0632.y/71 = 0,016y (kg/h)

Vậy tổng lượng hơi nước đi ra khỏi lò là :

Ghn = Gct + Gkk ẩm + Gpu3 - Gpu7 = 1,2903x + 58,5714 – 0,01692y (kg/h)

c Lượng khí đi ra khỏi lò:

- Lượng N2 đi ra khỏi lò bằng lượng N2 có trong không khí + lượng N2 do NO phân lira:

( Lượng NO sinh ra ở pư (4 và 8) sẽ bị phân hủy thành N2 và O2)

1.2 Cân bằng nhiệt lượng.

1.2.1 Lượng nhiệt đi vào lò:

+ Lượng nhiệt do chất thải mang vào: Q ct (kcal/h).

+ Lượng nhiệt do dầu mang vào: Q d (kcal/h).

9

+ Lượng nhiệt do không khí mang vào: Q kk (kcal/h).

+ Lượng nhiệt toả ra khi cháy chất thải: Q ct c (kcal/h).

+ Lượng nhiệt toả ra khi nhiên liệu cháy: Q d c (kcal/h).

+ Tổng lượng nhiệt vào lò: Q vào (kcal/h).

Vậy ta có : Q vào=Q ct+Q d+Q kk+Q ct c

+Q d c

a Lượng nhiệt do chất thải mang vào lò

Qct = Qtro + Qcháy + Qẩm= Gtro.C1.tct + Gcháy.C2.tct + Gẩm.Cw.tct

= 25.(34,6736.0,248 + 11,7264.0,268 + 33,6.1) = 1133,5432 (kcal/h)

b Nhiệt lượng do dầu DO đưa vào.

Qd= Gd.Cd.td trong đó:

Gd: lượng dầu đưa vào lò trong 1h

Cd : Nhiệt dung riêng của dầu

td : Nhiệt độ của dầu DO, td = tmt = 25oC

Vậy : Qd = Gd.Cd.td = x.0,44.25 = 11x (kcal/h)

c Nhiệt lượng do không khí mang vào lò đốt

Nhiệt lượng này bao gồm nhiệt của không khí khô thực tế (G kktt) và không khí ẩm (

G kk ẩm) cấp vào lò

Qkk = Qkktt+ Qẩm = Gkktt.Ckk.t + Gkktt .( ro+ Ch.t ).d = Gkktt.Ckk.t + Gkktt.ro.d + Gkktt.Ch t.dTrong đó: Gkktt: Lượng không khí thực tế cấp vào lò đốt, kg/h

Ckk: Nhiệt dung riêng của không khí, Ckk = 0,24 kcal/kg o C

ro: Nhiệt hoá hơi của nước, ro = 540,5 kcal/kg

Ch: Nhiệt dung riêng của nước, Ch = 0,487 kcal/kg o C

d: Phần ẩm của không khí, d = 0,01 kg/kg không khí khô

t: Nhiệt độ của không khí, t = 25oC

Vậy: Qkk = 242,3734x + 4144,6772 – 1,0603y (kcal/h)

d Nhiệt tỏa ra khi đốt chất thải.

1.2.2 Nhiệt lượng ra khỏi lò.

+ Lượng nhiệt do tro mang ra: Q tro (kcal/h).

+ Lượng nhiệt do khói lò mang ra: Q kl (kcal/h).

+ Lượng nhiệt do hơi nước mang ra: Q hn (kcal/h).

+ Lượng nhiệt tổn thất qua tường: Q t (kcal/h).

+ Lượng nhiệt tổn thất khi mở cửa lò đốt: Q m (kcal/h).

a Lượng nhiệt thất thoát do tro mang ra.

Q tro=G tro C tro t = 0,268.(11,7264 + 5.10-5x).(700 – 25) = 2121,3058 + 9,045.10-3x

b Nhiệt lượng khói lò mang ra

Trong đó: Q hn nhiệt lượng do hơi nước mang ra

Chn nhiệt dung riêng của nước, C hn = 0,58 (kcal/kg o C)

t2 nhiệt độ hơi nước thoát ra, t2 = 1200oC

G hn là lượng hơi nước mang ra, kg/h

Vậy nhiệt lượng do hơi nước mang ra là:

Q hn=0,58 (1,2903 x+58,5714 – 0,01692 y ) (1200−25 )=879,3394 x +39916,4091−11,531 y (kcal /h)

d Nhiệt lượng tổn thất qua tường lò đốt

Nhiệt lượng tổn thất qua tường bằng 5% lượng nhiệt sinh ra do cháy chất thải và

nhiên liệu cháy ta có

Q t=0,05(Q ct c+Q d c)=0,05 (172000+9800 x )=490 x +8600(kcal/h)

e Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình mở của lò nạp liệu

Nhiệt lượng tổn thất do mở cửa lò bằng 10% lượng nhiệt thất thoát qua tường đốt ta có:

Vậy ta có phương trình: 1140,472x – 5873,7845 + 30,5928y = 0 (*)

Do nhiệt độ lò đốt là 1200oC nên Clo trong chất thải có tham gia phản ứng y = 1 tươngứng với toàn bộ Cl trong chất thải tham gia phản ứng cháy

13

Bảng 1.7: Cân bằng năng lượng

Trong đó : V sclà thể tích buồng đốt sơ cấp trên lý thuyết (m3)

Q là lượng nhiệt sinh ra trong 1 giờ, Q = Q CT

C

+Q C D kcal/h.

q là mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt, kcal/m 3 h.

q= 250.103 – 500.103 (kcal/m 3 h)

Trên thực tế thể tích của buồng đốt sơ cấp phải tính đến lượng chất thải chiếm chỗ, hệ

số ảnh hưởng của công suất, hệ số ảnh hưởng của thời gian

Tỷ trọng riêng của chất thải 125 kg/m3, lượng chất thải cho vào lò trong 1 giờ là 80 kgđược chia làm 2 mẻ, mỗi mẻ nạp 40 kg rác Vậy thể tích chất thải chiếm chỗ là:

V ct cc

2.125=¿ 0,32 (m3)Chọn hệ số ảnh hưởng của công suất là 0,85

Hệ số ảnh hưởng của thời gian là 0,95

Vậy thể tích thực của buồng đốt sơ cấp là:

Trong đó : V ct cc là thể tích chất thải chiếm chỗ trong lò đốt

h ct là chiều cao của phần chất thải chiếm chỗ trong lò; h = 0,2 - 0,3 (m) chọn h = 0,2 m

Chọn đáy lò có thiết diện là hình chữ nhật, chiều dài 2m, chiều rộng 1m

c Chiều cao buồng đốt sơ cấp

Chiều cao buồng đốt sơ cấp được tính :

H sc=V sc tt

S gl=

1,51,6=0,95(m)

2.1.2 Buồng đốt thứ cấp.

15

Thế tích lý thuyết của buồng đốt thứ cấp được tính toán theo công thức :

V tc¿

=θ q(m3)

Trong đó : - θ là thời gian lưu khí trong buồng đốt thứ cấp, để giảm khả năng hìnhthành các khí độc hại như dioxin và furan thường chọn thời gian lưu của khí trong buồng đốtthứ cấp là 1 ÷ 2 giây, chọn θ=2 giây

- q là lưu lượng dòng khí đi vào buồng đốt thứ cấp, lưu lượng này bao gồmkhí sinh ra từ buồng đốt sơ cấp và lưu lượng không khí cấp cho lò:

Bảng 2.1: Lượng khí và hơi sinh ra từ quá trình đốt rác trong 1 giờ

Chất khí Khối lượng (kg) Khối lượng mol (kmol/h)

- Tổng số mol khí và hơi sinh ra trong 1h là : 22,7661 (kmol/h) = 6,32.10-3 (kmol/s)

- Thế tích khí sinh ra trong 1s được tính như sau :

Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng p.V = n.R.T

Trên thực tế thể tích của buồng đốt thứ cấp phải tính đến hệ số ảnh hưởng của côngsuất và hệ số ảnh hưởng của thời gian Chọn hệ số ảnh hưởng của công suất là 0,85 Hệ sốảnh hưởng của thời gian là 0,95

 Vật liệu: thép, nắp cửa lò 0,8 m, có khóa

 Thiết bị nạp liệu: gầu ngoạm

Chọn cấu tạo của lớp tường buồng đốt:

- Bên trong cùng là gạch chịu lửa, chiều dày δ1, hệ số dẫn nhiệt  1

- Lớp thứ 2 là bông thủy tinh, chiều dày 2, hệ số dẫn nhiệt 2

- Lớp thứ 3 là gạch, chiều dày δ3, hệ số dẫn nhiệt  3

- Lớp thứ 4 là thép, chiều dày δ4, hệ số dẫn nhiệt  4

17

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo tường lò đốt chất thải

- Chiều dày của lớp gạch chịu lửa:δ1=0,113(m)

- Chiều dày của lớp bông thủy tinh : δ2

- Chiều dày của lớp gạch: δ3=0,113(m)

- Chiều dày của lớp vỏ thép: δ4=0,003 (m)

BảngV.9 : Đặc tính của vật liệu xây lò

Vật liệu Khối lượng

t w3=t w4+q δ3

λ3=50,023+ 375

0,1130,221=241,77(oC)Vậy chiều dày lớp bông thủy tinh là:

2.5 Gia nhiệt cho lò đốt trước khi làm việc

Lượng nhiệt cần cấp khi khởi động lò:

 Nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 m 2 tường lò đốt.

Lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt cho 1 m2 tường lò đốt được tính toán theo công thức:

Q=G i C i ∆ t i (kcal) Trong đó : Ci là nhiệt dung riêng của vật liệu làm tường lò đốt

Gi là khối lượng của 1 m2 vật liệu làm tường lò G i=V i ρ i (kg)

19

Vi thề tích của 1 m2 vật liệu làm tường lò V i=S δ i=δ i (m3)

∆ t i Chênh lệch nhiệt độ của lớp vật liệu so với không khí bên ngoài lò

Gi (kg) 214,

7

18,4

0

1169,82

50,023

50

9,82

241,77

9,91

680,795

25,012

250 5,33

373,0 8

3.51

 Nhiệt lượng cần cung cấp cho tổng diện tích bề mặt của lò đốt

Vậy tổng nhiệt lượng cần cấp khi khởi động lò là:

Trong đó: a là chiều rộng buồng sơ cấp

b là chiều dài buồng sơ cấp

h là chiều cao buồng sơ cấp

Trong đó: a là chiều rộng buồng thứ cấp

b là chiều dài buồng thứ cấp

h là chiều cao buồng thứ cấp

F dtb=1 2+(1+2 0,321)(2+2.0 ,321 )

2 =3,2 (m2)

F ttc = F ttb + F dtb = 10,12 + 3,2 = 13,32 (m2)Vậy tổng nhiệt lượng cần cấp khi khởi động lò là:

s là chiều dày viên gạch, mm

a là chiều ngang viên gạch, mm

d là chiều dày mạch xây, d = 2mm

φ là góc ở tâm vòm, φ=45, vậy bán kính của vòm R nên theo tỷ lệ R/B

2.7.1 Quạt cấp khí

Tổng lượng không khí cần cấp vào lò = lượng không khí cần để đốt cháy hết lượng dầu

và CTYT + lượng không khí cần để gia nhiệt cho lò đốt trước khi làm việc

Trong đó: Q là lưu lượng không khí cần cấp, (m3/s)

η tr và ηq lần lượt là hiệu suất chuyển động và hiệu suất của quạt,

∆ P=∆ P d+∆ P m+∆ P c Trong đó: ∆ P d=ρ ω2

Trong đó: ρ: khối lượng riêng của không khí, ρ kk ¿1,29 kg /m3

ω: vận tốc dòng khí đi trong ống, chọn đường kính ống dẫn khí là D =250mm

0,785 D2=

0,890,785 0,252=18 m/ s

l là chiều dài đường ống, chọn l = 15m

dtd là đường kính tương đương, m

5 > 4000 Vậy dòng khí đi trong ống ở chế độ chảyxoáy

√λ=−2 lg[ (6,81ℜ )0,9+ ε

3,7 D]

23

Trong đó ε là độ nhám tuyệt đối phụ thuộc vào chất liệu ống Chọn ống thép tráng kẽm

Hệ thống đường ống cấp khí vào lò bao gồm một ống 3 ngả, 3 khuỷu 90o

Chọn ống 3 ngả có vận tốc các đoạn rẽ nhánh bằng nhau và đường kính các đoạn rẽ lànhư nhau

Q: năng suất của quạt, Q = 0,89 m3/s

η td: hiệu suất truyền động, lắp trực tiếp với động cơ điện η td=1

η q: hiệu suất quạt, tra đặc tuyến quạt ly tâm ta có η q=0,8

d=√4 F D

3 14=√4 0 23 14 = 0,5 m = 500 mm

25