Phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn công nghiệp đặc trưng

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-X W -

LÊ ANH KIÊN

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN

CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

Chuyên ngành: Máy và Thiết Bị Công nghệ Thực phẩm Mã ngành: 2.01.20

HƯỚNG DẪN: 1 PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010

Trang 2

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện từ kiến thức của chính mình Tôi không nộp luận án này cho bất cứ trường viện nào để được cấp bằng

Trang 3

Lời cảm ơn

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn chính là PGS.TSKH Lê Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu trên con đường nghiên cứu khoa học Thầy đã chân tình động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án này

Lòng biết ơn chân thành của tôi cũng xin được gửi đến GS.Vida Sharifi và GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng dẫn, đặc biệt cùng với GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow đã hỗ trợ phần kinh phí cũng như không ngừng khuyến khích tôi trong thời gian học tập tại trường Đại học Sheffield

Lời cảm ơn sâu sắc nhất được hình thành từ những ngôn từ và ngữ văn thông thường nhưng xuất phát từ tất cả trái tim và lý trí của tôi có lẽ cũng không thể nói lên được đầy đủ những gì mà người vợ yêu quý TS Lê Thị Kim Phụng đã dành trọn vẹn cho tôi, đã cùng với con gái Lê Phụng Anh Tâm trở thành nguồn động viên to lớn, giúp tôi có đủ tinh thần, sức lực để vượt qua tất cả những khó khăn trong suốt thời gian làm luận án

Xin cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè đồng nghiệp ở Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới và Bảo vệ Môi Trường, đặc biệt là TS Nguyễn Quốc Bình, đã chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu với tôi, thường xuyên động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi chuyên tâm viết nên công trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô trong khoa Công nghệ Hoá học, trong bộ môn Máy Thiết Bị đã ủng hộ tôi, tạo điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng góp những ý kiến qúy giá cho tôi, giúp tôi hoàn thành được công việc của mình

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này

Trang 4

Mục lục

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các kí hiệu viết tắt ix

Danh mục các bảng xi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xii

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC 4

7 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7

1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 7

1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN 12

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI 19

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 22

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN 22

Trang 5

2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bị lò đốt chất thải rắn 22

2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống 25

2.1.2 Phương pháp phân tích định tính cấu trúc hệ thống 25

2.2 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 25

2.2.1 Phân tích nhiệt vi sai 26

2.2.2 Thí nghiệm trên thiết bị lò đốt cột nhồi 30

2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm 30

2.2.5.2 Buồng đốt 32

2.2.2.3 Thu mẫu nhiệt độ và thành phần khí 33

2.2.2.4 Cấp khí 34

2.2.2.5 Thiết bị phân tích khí và đọc dữ liệu 34

2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bị cột nhồi 35

2.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 38

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 40

3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống 40

3.1.2 Phân tích định tính cấu trúc hệ thống 41

3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG QUÁT, THÀNH PHẦN CƠ BẢN, NHIỆT TRỊ 45

3.2.1 Thành phần hóa học 45

3.2.2 Xác định thành phần nhiệt vật lý (nhiệt trị) 46

3.3 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA QÚA TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI 48

3.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA VẬT LIỆU RẮN 53

3.4.1 Quá trình cháy của hỗn hợp khăn giấy và cactông 53

3.4.2 Quá trình cháy của hỗn hợp cactông và gỗ 69

3.4.3 Quá trình cháy của hỗn hợp gỗ và rơm 77

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC 83

Trang 6

4.1 TÁC VỤ MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC 83

4.2 XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG HỆ DỊ THỂ ĐA PHÂN TÁN 84

4.2.1 Mô tả toán học hệ dị thể đa phân tán (lớp bốn) 85

4.2.1.1 Phương trình bảo toàn vật chất 86

4.2.1.2 Phương trình bảo toàn động lượng 87

4.2.1.3 Phương trình bảo toàn năng lượng 88

4.2.1.4 Phương trình bảo toàn cấu tử trong pha khí 90

4.2.2 Mô tả toán học cho hệ dị thể một hạt và hệ đồng thể (lớp hai và ba).91 4.2.3 Mô hình truyền nhiệt bức xạ trong pha rắn 94

4.2.4 Mô hình truyền nhiệt và truyền khối giữa hai pha 94

4.2.5 Mô tả toán học thiết bị đốt kiểu cột nhồi 95

4.2.6 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 97

4.2.6.1 Đối với pha khí 97

4.2.6.2 Đối với pha rắn 97

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỐT HỖN HỢP VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI 99

5.1 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN 99

5.2 THUẬT TOÁN PHÂN LY GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH 100

5.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN GIẢI GẦN ĐÚNG HỆ CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI 102

5.3.1 Lưới tổng quát 102

5.3.2 Sai phân các phương trình liên tục 103

5.3.2.1 Phương trình liên tục trong pha khí 103

5.3.2.2 Phương trình liên tục trong pha rắn 106

5.3.3 Sai phân phương trình năng lượng 106

5.3.3.1 Sai phân phương trình năng lượng trong pha khí 106

5.3.3.2 Sai phân hóa phương trình năng lượng trong pha rắn 111

Trang 7

5.3.4 Sai phân các phương trình bảo toàn động lượng 112

5.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 113

5.4.1 Giới thiệu chương trình tính 113

5.4.2 Đánh giá sự tương thích của mô hình 117

5.4.2.1 Kiểm định nhiệt độ cháy trong cột vật liệu 118

5.4.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng của vật liệu cháy 125

5.4.2.3 Kiểm định nồng độ khối lượng của CO trong khí cháy 126

5.5 ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH 132

5.5.1 Tốc độ bắt cháy 132

5.5.2 Tốc độ cháy 133

5.5.3 Tỉ lệ cấp khí trong giai đoạn bắt cháy 134

5.6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG CỘT NHỒI SỬ DỤNG CIS135 5.6.1 Ảnh hưởng của lượng không khí cung cấp đến tốc độ cháy 135

5.6.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt 136

5.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt trị 139

5.6.4 Ảnh hưởng của độ rỗng khối hạt 140

5.7 KẾT LUẬN 141

KẾT LUẬN 143

1 KẾT LUẬN 143

2 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 144

2 1 Tính khoa học của đề tài 144

2.2 Tính thực tiễn của đề tài 144

3 NHỮNG CÔNG VIỆC CẦN TIẾP TỤC THỰC HIỆN 145

Danh mục công trình 146

Tài liệu tham khảo 148

Phụ lục P1:PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM PL1

P1.2.1 Phân tích thành phần tổng quát PL1

Trang 8

P1.2.1.1 Phân tích khối lượng ẩm PL1

P1.2.1.2 Xác định khối lượng tro PL2

P1.2.1.3 Khối lượng các chất hữu cơ bay hơi PL3

P1.2.1.4 Khối lượng cacbon cố định PL4

P1.2.2 Phân tích thành phần cơ bản PL4

P1.2.2.1 Xác định thành phần Cacbon và Hiđrô PL5

P1.2.2.2 Thành phần ôxy trong mẫu PL7

P1.2.3 Phân tích nhiệt trị của mẫu PL7

P2 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN VÀ CÁC THUẬT GIẢI PL9

P2.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN (FVM) PL9

P2.1.1 Lưới tổng quát PL9

P2.1.2 Sai phân hóa PL10

P2.1.3 Rời rạc hoá phương trình tích phân PL11

P2.2 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP FVM PL13

P2.2.1 Thuật toán SIMPLE PL14

P2.2.2 Thuật toán ma trận ba đường chéo TDMA (The tri-diagonal matrix algorithm) PL19

P3 DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM PL22

P3.1 Hỗn hợp giấy, Q=Q=468kg/m2h, m=1kg PL22

P3.2 Hỗn hợp giấy, Q=936kg/m2h, m=1kg PL33

P3.3 Hỗn hợp giấy, Q=Q=1404kg/m2h, m=1kg PL41

P4 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PL44

P5 KIỂM ĐỊNH THEO TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (χ2) PL58

P5.1 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (χ2) PL58

P5.1.1 Tiêu chuẩn Khi bình phương (χ2) PL58

P5.1.2 Xác xuất phù hợp PL58

P5.1.3 Giả thuyết “không” PL59

P5.1.4 Áp dụng kiểm định Khi bình phương đánh giá sự tương hợp giữa hai dãy số liệu thực nghiệm và tính toán PL59

Trang 9

P5.2 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH PL60

P5.2.1.3 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=Q=468kg/m2h65

P5.2.1.4 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=936kg/m2hPL67

P5.2.1.7 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=Q=1404kg/m2h PL70

P5.2.2 Độ giảm khối lượng PL74

P5.2.2.1 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=468kg/m2h PL75

P5.2.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=936kg/m2h PL76

P5.2.2.3 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=1404kg/m2h PL78

P5.2.3 Thành phần khí PL79

P5.2.3.1 Kiểm định thành phần khí với Q=Q=468kg/m2h PL81

P5.2.3.2 Kiểm định thành phần khí với Q=936kg/m2h PL84

P5.2.3.3 Kiểm định thành phần khí với Q=Q=1404kg/m2h PL87

Trang 10

Danh mục các kí hiệu viết tắt

Cp,s nhiệt dung riêng của chất rắn, J/kg.độ As bề mặt riêng chất rắn, m2 Tg nhiệt đội trong pha liên tục, K es độ phát xạ của chất rắn

Xi phần mol của cấu tử i

ms khối lượng chất đốt tại thời gian t, kg ms,0 khối lượng ban đầu của chất đốt, kg rtar tốc độ phản ứng của hơi nhựa đường, kg/s Te nhiệt độ trung bình tại thời điểm tính toán, K

mchar khối lượng than còn lại, kg ps,O2 áp suất riêng phần của ôxy trên bề mặt rắn, Pa

J thông lượng khuếch tán riêng, [mol m-2 s-1] D hệ số khuếch tán, [m2 s-1]

Trang 11

ka hằng số biểu thị sự hấp thu bức xạ, [m-1] Eb hệ số phát xạ vật thể đen

Pr chuẩn số Prandtl Re chuẩn số Reynolds,

kf,Kg hệ số dẫn nhiệt của pha khí, W/m.độ ls kích thước đặc trưng của vật liệu, m Sh chuẩn số Sherwood

Sc chuẩn số Schmidt

r tốc độ tiêu huỷ của vật liệu, kg/s k0 hằng số tốc độ trong phương trình Arrhenius s-1

α1 hệ số đối lưu nhiệt, W/m2.độ σ hằng số Stefan-Boltzmann, σ = 5,67.10-8, W/m2.độ4

νf độ nhớt động học của chất khí, m2/s ρbulk khối lượng riêng xốp, kg/m3

Trang 12

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Vị trí đo nhiệt độ và khí trong thiết bị 34

Bảng 2.2 Danh sách các đầu dò nồng độ khí sử dụng 35

Bảng 2.3 Nồng độ khí chuẩn 35

Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát 45

Bảng 3.2 Phân tích cơ bản (căn bản khô) 46

Bảng 3.3 Nhiệt trị (HHV) 46

Bảng 5.1 Kết quả đánh giá sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng 120

Bảng 5.2 Kết quả đánh giá sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng đối với đại lượng độ suy giảm khối lượng và nồng độ khối lượng CO trong khí cháy 128

Bảng P5.1 Giá trị nhập vào ban đầu cho chương trình CIS PL60

Bảng P5.2 Nhiệt độ cháy trung bình trong cột với Q=Q=468, 936, và Q=1404kg/m2h PL62

Trang 13

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị lò đốt vỉ lò di chuyển 12

Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn trên ghi lò di chuyển 13

Hình 1.5 Sơ đồ vận động theo thời gian của cột nhiên liệu 14

Hình 1.6 Thiết bị lò đốt tĩnh hai cấp 15

Hình 1.7 Sơ đồ thay đổi thể tích của vật liệu rắn trong quá trình cháy 20

Hình 2.1 Lược đồ logic tiếp cận hệ thống thiết bị đốt chất thải rắn 24

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo thiết bị phân tích nhiệt vi sai 26

Hình 2.5 Thiết bị phân tích nhiệt vi sai 27

Hình 2.6 Thiết bị đốt kiểu cột nhồi 32

Hình 2.7 Cấu tạo thiết bị thí nghiệm 33

Hình 2.8 Thiết bị ghi nhận dữ liệu 35

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống thiết bị đốt kiểu cột nhồi 36

Hình 2.10 Vật liệu đã sử dụng trong thí nghiệm 39

Hình 3.1 Đường cong TG của khăn giấy 48

Hình 3.2 TG của cactông 48

Hình 3.3 Đường cong TG của gỗ thông 48

Hình 3.4 TG của cỏ tranh 48

Hình 3.5 Đường cong TG của rơm 48

Hình 3.6 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của khăn giấy 50

Hình 3.7 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của cactông 50

Hình 3.8 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của gỗ thông 50

Hình 3.9 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của cỏ tranh 50

Hình 3.10 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của rơm 51

Hình 3.11 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với không khí Q=468kg/m2h 54

Trang 14

Hình 3.12 Độ giảm khối lượng theo thời gian 55

Hình 3.13 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=1404kg/m2h 56

Hình 3.15 Giá trị IFS trong các thí nghiệm Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h 57

Hình 3.16 Giá trị BR và SBR trường hợp Q=468; Q=1404 kg/m2h 58

Hình 3.17 Khối lượng chất trong từng giai đoạn Q=468 và Q=1404 kg/m2h 59

Hình 3.18 Khối lượng vật liệu còn lại sau quá trình bắt cháy 61

Hình 3.19a Thành phần khí trong thí nghiệm Q=468 kg/m2h 62

Hình 3.19b Thành phần khí trong thí nghiệm Q=1404 kg/m2h 62

Hình 3.20 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian tại các vị trí trong cột nhồi 63

Hình 3.22 IFS trong Q=468 kg/m2h 64

Hình 3.23 Tốc độ cháy theo thời gian 65

Hình 3.24 Nhiệt độ các vị trí trong cột theo thời gian 65

Hình 3.25 Độ giảm khối lượng trong cột theo thời gian 66

Hình3.26 Diễn biến IFS theo thời gian 66

Hình 3.27 Tốc độ cháy theo thời gian 67

Hình 3.28 Khối lượng vật liệu tiêu huỷ hoặc sinh ra 67

Hình 3.29 Khối lượng vật chất còn lại trên ghi 68

Hình 3.30 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=468 kg/m2h 68

Hình 3.31 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h 69

Hình 3.33 Diễn biến độ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/m2h 70

Hình 3.35 Độ suy giảm khối lượng với Q=1404kg/m2h 71

Hình 3.36 Nồng độ khí cháy với Q=468kg/m2h 72

Trang 15

Hình 3.37 Nồng độ khí cháy với Q=1404kg/m2h 73

Hình 3.38 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian trong trường hợp 1 74

Hình 3.39 Diễn biến độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 1 74

Hình 3.41 Độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 2 75

Hình 3.42 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 1 75

Hình 3.44 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 1 77

Hình 3.45 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 1 78

Hình 5.1 Lưu đồ của thuật toán phân ly 101

Hình 5.2 Lưới giới hạn tính toán 102

Hình 5.3 Màn hình giao diện chính của chương trình 113

Hình 5.4a Giao diện nhập vật liệu trong CIS 114

Hình 5.4b Giao diện tính chất vật liệu 114

Hình 5.4c Giao diện điều kiện vận hành 115

Hình 5.5a Diễn biến nhiệt độ tại các vị trí trong cột 115

Hình 5.5b Khối lượng vật liệu còn lại trên ghi lò 116

Hình 5.5c Thành phần khí cháy 116

Hình 5.5d Tóm tắt các thông số kỹ thuật của quá trình 117

Hình 5.6 Diễn biến nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm tại các vị trí 118

Hình 5.7 Diễn biến độ suy giảm khối lượng mô phỏng và thực nghiệm 126

Trang 16

Hình 5.8 Diễn biến nồng độ khối lượng CO trong khí cháy 127

Hình 5.9 Tốc độ bắt cháy 132

Hình 5.10 Tốc độ cháy của vật liệu 133

Hình 5.11 Tốc độ cháy của toàn bộ quá trình 133

Hình 5.12 Vận tốc bắt cháy 134

Hình 5.13 Tỉ lệ cấp khí tương đương (ER) trong giai đoạn bắt cháy 134

Hình 5.14 Tốc độ bắt cháy 135

Hình 5.15 Tỉ lệ cấp khí tương đương ER 136

Hình 5.16 Quan hệ giữa tốc độ cháy và kích thước hạt 136

Hình 5.17 Quan hệ ER và kích thước hạt 138

Hình 5.18a,b Quan hệ giữa thành phần khí cháy và kích thước hạt 138

Hình 5.19 Quan hệ giữa tốc độ cháy và nhiệt trị 139

Hình 5.20 Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương và nhiệt trị 139

Hình 5.21a,b Quan hệ thành phần các chất khí và nhiệt trị 140

Hình 5.22 Tương quan tốc độ cháy và độ rỗng của cột 140

Hình 5.23 Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương với độ rỗng 141

Hình 5.23 a,b Quan hệ giữa thành phần khí và độ rỗng 141

Hình 3.2.1 Cân phân tích mẫu PL1

Hình 3.2.2 Thiết bị sấy PL2

Hình 3.2.3 Thiết bị lò nung xác định khối lượng tro PL3

Hình 3.2.4 Lò nung ống xác định khối lượng các chất hữu cơ bay hơi PL4

Hình 3.2.5 Lò đốt cho thí nghiệm phân tích cơ bản PL5

Hình 3.2.6 Sơ đồ thiết bị xác định thành phần C và H PL5

Hình 3.2.7 Bình hấp thu PL6

Hình 3.2.8 Thiết bị đo nhiệt trị PL7

Hình 3.2.9 Sơ đồ bố trí bom nhiệt PL8

Trang 17

Hình 3.2.10 Bom nhiệt PL8

Hình P1.1 Thể tích kiểm soát trong không gian 1 chiều PL9

Hình P1.2 Thể tích kiểm soát trong không gian 3 chiều PL10

Hình P1.4 Thể tích kiểm soát vô hướng được sử dụng trong sai phân các phương trình liên tục PL17

Hình P1.5 Sơ đồ thuật toán SIMPLE trong dòng không ổn định PL18

Hình P1.6 Sơ đồ tính toán của TDMA trong hai hướng PL21

Hình P4.4a Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=468 kg/m2h PL60

Hình P4.4b Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là 936 kg/m2h PL61

Hình P4.4c Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=1404 kg/m2h PL61

Hình P4.5a Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp Q=468 kg/m2h PL74

Hình P4.5b Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp 936 kg/m2h PL74

Hình P4.5c Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h PL74

Hình P4.6a Nồng độ các khí trong trường hợp Q=468 kg/m2h PL79

Hình P4.6b Nồng độ các chất khí trong 936 kg/m2h PL80

Hình P4.6c Nồng độ khí với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h PL81

Trang 18

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tiết kiệm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm thiểu lượng rác thải, tái chế, tái sử dụng và tái sinh năng lượng từ rác thải hiện nay đang là vấn đề được quan tâm ở mức toàn cầu hoá Trong đó, tái chế chất thải đang dần trở thành một ngành công nghiệp thực sự tại các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật,… Ngành công nghiệp đặc biệt này tái chế chất thải góp phần cung cấp các loại nguyên liệu như nylon, nhựa, giấy, gỗ, kim loại, thủy tinh,… với chi phí thấp hơn nhiều so với chi phí sản xuất các loại nguyên liệu ban đầu

Phần nguyên liệu bẩn còn lại có nguồn gốc hữu cơ sau khi được phân loại, một lần nữa được xem là chất thải của ngành công nghiệp phân loại tái chế, và thường được tiếp tục xử lý bằng các phương pháp đốt khác nhau nhằm tạo điều kiện giảm áp lực quỹ đất của các bãi chôn lấp Vấn đề đốt “chất thải của chất thải” kết hợp phát điện hiện nay cũng đang được đầu tư nghiên cứu ở rất nhiều các quốc gia công nghiệp phát triển nêu trên Một trong những loại thiết bị sử dụng phổ biến là lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling bed)

Thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng phổ biến để đốt sinh khối (biomass), chất thải sinh hoạt tại nhiều nơi trên thế giới Nhiều công trình nghiên cứu của các trường Đại học, các Viện nghiên cứu, các nhà máy công nghiệp đối với loại thiết bị này đã được thực hiện và thu được những kết quả quan trọng, đóng góp vào sự hiểu biết về quá trình cháy, về phương thức nâng cao hiệu quả cháy,… trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp đốt Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào thực hiện tiếp cận quá trình đốt rác thải

Trang 19

trong thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển một cách thực sự chuẩn mực với nguyên tắc thiết bị lò đốt rác thải được xét như là một hệ thống phức tạp Trên cơ sở nhận thức sâu sắc về ý nghĩa và giá trị của việc đốt chất thải rắn trong thiết bị

đốt có vỉ lò di chuyển, đề tài luận văn Tiến sĩ “Phân tích hệ thống quá trình đốt

chất thải công nghiệp đặc trưng” được đề xuất thực hiện phối hợp tại trường Đại

học Quốc gia TP.HCM và Đại học Sheffield, UK Trong đó, đối tượng nghiện cứu được xem xét như một hệ thống phức tạp và các tác vụ nghiên cứu được xác lập và triển khai theo tinh thần của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Như đã đề cập ở trên, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm:

¾ Vật liệu nghiên cứu: chất thải rắn hữu cơ đã phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất thải của chất thải) và sinh khối thực vật (chất thải của ngành sản xuất nông nghiệp);

¾ Thiết bị: lò đốt kiểu cột nhồi (là một mô hình vật thể thu nhỏ của 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 quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Chương trình mô phỏng quá trình cháy chất thải rắn

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là:

¾ Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi;

Trang 20

¾ Xác định phương trình động học quá trình cháy của từng loại vật liệu là chất thải sau khi phân loại tái chế, tái sử dụng và sinh khối nông nghiệp; ¾ Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình cháy của vật liệu rắn

theo phương pháp phân tích hệ thống;

¾ Xây dựng chương trình mô phỏng nghiên cứu quá trình đốt vật liệu rắn theo phương pháp thể tích hữu hạn;

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung nghiên cứu chủ yếu trong luận án này gồm:

¾ Tổng quan các nghiên cứu về quá trình đốt chất thải rắn trên thế giới và trong nước theo quan điểm của phương pháp luận tiếp cận hệ thống ¾ Nghiên cứu các ảnh hưởng chủ yếu của các yếu tố vật lý đến quá trình

cháy trong hệ gồm: ảnh hưởng của lưu lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của độ rỗng của 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 dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các đặc tính cấu trúc, cấu tạo vật chất của vật liệu; nghiên cứu quá trình cháy của vật liệu trên thiết bị đốt kiểu cột nhồi để xác định các thông số của mô hình ¾ Xây dựng một chương trình CIS dựa vào phương pháp thể tích hữu hạn để

mô phỏng, kiểm chứng mô hình toán học xây dựng được

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án này được thực hiện trên cơ sở của phương pháp luận tiếp cận hệ thống và được triển khai theo một lược đồ logic tương ứng với tác vụ chủ đạo là phân

Trang 21

tích hệ thống Các phương pháp được vận dụng để tiến hành phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn bao gồm:

¾ Phương pháp phân hoạch hệ thống: được sử dụng để nhận dạng những vấn đề cụ thể cần nghiên cứu trên những quy mô, phạm vi thuộc các phân hệ

¾ Phương pháp tích hợp hệ thống: được sử dụng để tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên các phân hệ, tạo ra kết quả cho các hệ có quy mô lớn hơn

¾ Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể: từ kết quả phân hoạch hệ thống xác định được các mô hình vật thể (các thiết bị thực nghiệm) và tiến hành nghiên cứu trên các mô hình vật thể để nhận dạng quá trình đốt nhiệt phân các loại vật liệu đã được chọn làm đại diện cho các chất thải rắn Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể bao hàm cả quá trình thống kê xử lý các dữ liệu thực nghiệm

¾ Phương pháp xây dựng và nghiên cứu trên mô hình toán học: được sử dụng với mục đích hỗ trợ cho các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật thể, nhằm tạo ra những biểu đạt có tính khái quát hơn và sau đó có thể tiến hành mô phỏng quá trình đốt nhiệt phân trên cơ sở các mô tả toán học thu được

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC

• Đây là nghiên cứu đầu tiên ở trong và ngoài nước cho đến nay đã vận dụng nhất quán phương pháp Phân tích Hệ thống với tư cách là một tác vụ chiến lược của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống để nghiên cứu quá trình đốt

Trang 22

vật liệu rắn “chất thải của chất thải” trên đối tượng thiết bị lò đốt kiểu cột nhồi

• Mô tả toán học quá trình cháy của vật liệu rắn trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi đã được xây dựng trên cơ sở khai thác biểu đạt toán học tổng quát của các quá trình đa phân tán là phương trình cân bằng tính chất tập đoàn hạt

• Các nghiên cứu thực nghiệm đối với một số chất thải rắn đặc trưng của quá trình phân loại tái chế rác thải đã đóng góp vào sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình cháy các loại vật liệu đó thông qua các phương trình động học thu được

• Việc xây dựng và xác định được các đại lượng hóa-lý đóng vai trò các thông số kiểm soát quá trình cháy như tốc độ cháy trung bình (ABR), Tốc độ cháy nghiêm ngặt (SBR), kết hợp với các đại lượng tốc độ cháy lan (IFS), tốc độ bắt cháy (IR), tốc độ cháy (BR) trở thành nghiên cứu đầu tiên thể hiện sự hiểu biết tường tận quá trình cháy trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi Nhờ thế, kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần nâng cao vị thế nghiên cứu công nghệ đốt chất thải của Việt Nam lên tầm cấp khu vực và Đông Nam Á thể hiện qua các công trình đã công bố trong hội nghị RSCE 2006 tại Singapore, Hội nghị lần thứ 21 về Công nghệ Hóa học của Malaysia năm 2007 và tạp chí công nghệ Hóa học của ASEAN năm 2008 và Hội nghị về Công nghệ Hóa học ASEAN lần 2 năm 2009

• Đối tượng vật liệu nghiên cứu là hỗn hợp giấy và hỗn hợp sinh khối được sử dụng trong nghiên cứu này đã đóng góp vào các nghiên cứu chung của nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sheffield (Vương Quốc Anh) về sự hiểu biết quá trình cháy của loại vật liệu “chất thải của chất thải” Đây cũng được xem là các nghiên cứu mở đường cho việc nghiên cứu quá trình cháy của các loại chất thải rắn tương tự ở Việt Nam

Trang 23

7 Ý NGHĨA THỰC TIỄN

• Thiết bị đốt kiểu cột nhồi được nghiên cứu trong luận án có thể được triển khai ứng dụng cho thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển và thiết bị lò đốt tĩnh hai cấp Đây là hai loại lò đốt chất thải phổ biến trên thế giới và ở 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 này đã được triển khai ứng dụng xây dựng mô tả toán học trong đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất thải rắn nguy hại tại TP.HCM" và đề tài "Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu cơ trơ trong chất thải rắn sinh hoạt tại TP.HCM theo hướng sản xuất nhiên liệu"

• Đối tượng nghiên cứu trong luận án là các chất thải đã được phân loại để tái chế và tái sử dụng Kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần giải quyết sức ép của các bãi chôn lấp rác, đặc biệt là trong lĩnh vực kết hợp đốt rác và sản xuất điện năng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp

Trang 24

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

Trong vài thập niên gần đây, cùng với việc phát triển kinh tế xã hội, thải lượng chất thải rắn tăng lên đang trở thành một trong những vấn đề bức xúc của tất cả các nước trên thế giới Theo thống kê năm 2003-2004 của Bộ Môi trường, Nông nghiệp và Thực phẩm của Vương Quốc Anh (DEFRA), tổng khối lượng chất thải rắn hàng năm tại Vương Quốc Anh khoảng 434 triệu tấn, khối lượng chất thải rắn tại 15 nước thuộc Cộng đồng Châu Âu khoảng 2 tỉ tấn/năm [1, 2] Tại Mỹ, tổng lượng chất thải rắn trên toàn nước Mỹ theo thống kê năm 1996 khoảng trên 3 tỉ tấn/năm [3] Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê của Công ty Môi trường Đô thị TP.HCM, khối lượng rác sinh hoạt chiếm khoảng 6000 tấn/ngày, tương đương 2 triệu tấn rác sinh hoạt/năm

Cơ cấu loại chất thải rắn trong hoạt động của nền kinh tế của các quốc gia công nghiệp phát triển khá đồng nhất, có thành phần như trong hình 1.1 sau [1, 2]:

Chất thải xây dựngChất thải nơng nghiệpChất thải khống sảnChất thải sản xuấtChất thải sinh hoạtChất thải sản xuất nănglượng

Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn

Trang 25

Hình 1.1 cho thấy lượng chất thải nông nghiệp chiếm tỉ lệ rất lớn, chất thải rắn sinh hoạt chiếm 6% tổng lượng chất thải hàng năm của các quốc gia công nghiệp phát triển Trong khi đó, thực tế tại Việt Nam tỉ lệ chất thải sinh hoạt khá lớn do chúng bao gồm cả chất thải từ các quá trình khác

Theo kết quả thống kê của DEFRA (Vương Quốc Anh) , Eurostat (Cộng đồng châu Âu), EPA (Mỹ), tài liệu thống kê của Ngân hàng Thế giới (1999) đối với các quốc gia Đông Á, thành phần chất thải sinh hoạt nhìn chung bao gồm: giấy hỗn hợp, chất thải thực phẩm, vải sợi, cao su nhựa, kim loại, thủy tinh, gỗ, rác vườn (chỉ có thành phần này đối với các nước công nghiệp châu Âu, Mỹ), các chất có nguồn gốc hữu cơ, và một vài loại chất thải rắn khác Tỉ lệ thành phần các loại vật liệu rắn trong chất thải sinh hoạt được trình bày trong bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1 Tỉ lệ các thành phần trong rác thải sinh hoạt

TT Thành phần Anh Châu Âu

Mỹ Các quốc gia Đông Á (World Bank, 1999)

2004)

(Eurostat, 2004)

( EPA, 2003)

Thu nhập

cao

Thu nhập trung bình

Thu nhập

Trang 26

TT Thành phần Anh Châu Âu

Mỹ Các quốc gia Đông Á (World Bank, 1999)

Trang 27

Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình xử lý chất thải rắn

Việc đốt “chất thải của chất thải” được thực hiện chủ yếu trong ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn Cho đến nay, việc nghiên cứu bản chất quá trình đốt hỗn hợp các vật liệu này hầu như chưa được thực hiện tại các Viện nghiên cứu hoặc trường Đại học tiên tiến trên thế giới

Bên cạnh đó, các nghiên cứu quá trình đốt chất thải nông nghiệp, điển hình là sinh khối (biomass) nông nghiệp như rơm, vỏ trấu, gỗ, cỏ các loại, được thực hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới Các nghiên cứu này nhằm mục đích tạo nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng tạo ra các sản phẩm khí hoá, tận dụng nhiệt

Chất thải

Phân loại tại nguồn

Lò đốt

Phân loại, thu gom

Tái sử dụngThu hồi

Tái chế Ủ Compost Năng lượng Tiêu hủy

Sản phẩm

Chất thải của chất

thải

Chôn lấp CH4 Xử lý nước

Xử lý khí Bùn thải

Chất thải lỏng

Trang 28

cho phát điện Có thể chỉ ra một số nghiên cứu điển hình như: Henrich và cộng sự, Bassilakis và cộng sự nghiên cứu động học quá trình cháy và khí hóa của than đã nhiệt phân từ chất thải và sinh khối [4, 5] Di Blasi nghiên cứu về động học của quá trình khí hóa trong thiết bị dạng ngược chiều [6]; Đối với thiết bị đốt kiểu cột nhồi, một vài tác giả đã thực hiện nghiên cứu các quá trình cơ bản như Fjellerup và cộng sự nghiên cứu sự truyền nhiệt của than rơm [7], R G nghiên cứu sự truyền nhiệt trong quá trình bắt cháy của chất thải và sinh khối [8], Ryu và cộng sự nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỉ lệ cấp khí và kích thước hạt đến quá trình cháy [9], Horttanainnen và cộng sự nghiên cứu về giới hạn bắt cháy với không khí cung cấp của các loại gỗ khác nhau [10] Một vài tác giả khác đã thực hiện nghiên cứu sự ảnh hưởng của hỗn hợp vật liệu đến hiệu quả cháy như Grammelis và cộng sự thực hiện nghiên cứu trên sinh khối và than [11, 12] Các nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy trong thiết bị đốt cột nhồi cũng được nhiều tác giả thực hiện như Bryden và cộng sự mô phỏng quá trình cháy ở giữa thiết bị [13], Yang và cộng sự thực hiện nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy dưới sự ảnh hưởng của tính chất vật liệu, kích thước hạt, ảnh hưởng của sự giải phóng các chất trong quá trình cháy của gỗ thông, ảnh hưởng của không khí cung cấp và độ ẩm đến sự cháy của sinh khối [14-19], trong khi đó, Zhou và cộng sự cũng thực hiện nghiên cứu mô phỏng sự cháy của rơm trong thiết bị cột nhồi [20] Van der Lans và cộng sự mô phỏng sự cháy của rơm trong lò đốt có vỉ lò bình thường [21] Ngoài ra, một số tác giả đã nghiên cứu sự thay đổi của KCl đối với sự nhiệt phân rơm ướt của Jensen và cộng sự và tỉ lệ CO/CO2 trong quá trình ôxy hóa than của sinh khối [22, 23]

Trang 29

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 được sử dụng rất nhiều do những tính năng ưu việt như: công suất xử lý lớn, hiệu suất đốt chất thải lớn, chất thải được nạp vào liên tục và tro cũng được lấy ra liên tục Ngoài ra còn có thể tối ưu quá trình cấp khí để đạt hiệu suất xử lý cao nhất, hiệu suất nhiệt sinh ra lớn nhất Do công suất của lò lớn nên lượng khí cháy sinh ra cũng rất lớn, có thể sử dụng cấp cho lò hơi phục vụ cho việc phát điện [15, 16, 18, 19]

Hệ thống thiết bị đốt có vỉ lò di chuyển tuần hoàn được mô tả như trong hình 1.3:

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị lò đốt vỉ lò di chuyển

Chất thải được cấp liên tục từ trên phễu xuống ghi lò Ghi lò di chuyển tuần hoàn từ trái sang phải với góc nghiêng i = 10o-15o Tro được tháo ra liên tục ở đoạn cuối ghi lò Không khí cung cấp cho quá trình cháy từ dưới ghi lò được gọi là không khí sơ cấp Khí cháy sơ cấp di chuyển lên khu vực bên trên và được cung cấp tiếp ôxy, gọi là không khí thứ cấp, để phản ứng cháy trong pha khí tiếp

Trang 30

tục diễn ra Tại khu vực này, các thành phần cháy được trong pha khí sẽ tiếp tục cháy toả năng lượng và được thu nhiệt để cung cấp cho lò hơi, phục vụ cho việc tái sinh năng lượng Phần khí cháy sau khi tận dụng nhiệt sẽ được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường

Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn trên ghi lò di chuyển

Trong quá trình vận hành của lò đốt, vật liệu rắn được nạp vào lò thông qua phễu nạp liệu Vật liệu rắn sẽ nằm trên các thanh ghi lò và di chuyển cùng với ghi lò Các thanh ghi lò được gối nối tiếp lên nhau và mỗi thanh đều có lỗ thông khí từ bên dưới Hệ thống các thanh ghi lò có chức năng tương tự như băng tải vận chuyển vật liệu rắn từ đầu đến cuối lò Khi thanh ghi lò di chuyển đến cuối lò, thanh ghi lò sẽ tự quay đổi hướng và sẽ đổ tro trên bề mặt vào phễu thu tro Thanh ghi lò tiếp tục di chuyển ngược trở lại đầu lò nạp liệu và đổi hướng một lần nữa trước khi nhận nhiên liệu mới đổ vào Hệ thống thanh ghi lò được cấu tạo theo các gờ gối lên nhau với mục đích không để xảy ra hiện tượng khối vật liệu rắn trượt theo quán tính về cuối lò khi ghi lò di chuyển Điều này có nghĩa là khối vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò trong suốt quá trình di chuyển của ghi từ đầu lò đến cuối lò

Trang 31

Tại đầu vào của ghi lò, vật liệu rắn thu nhiệt và bắt đầu các quá trình bay hơi ẩm Trong quá trình di chuyển cùng với ghi lò về phía phễu thu hồi tro, vật liệu rắn tiếp tục diễn ra các quá trình giải phóng các chất, quá trình cháy của cacbon sau khi giải phóng các chất trong cấu trúc của vật liệu rắn Vật liệu rắn đi đến cuối ghi lò còn lại chủ yếu chỉ là tro xỉ

Trong quá trình cháy và di chuyển của vỉ lò, không khí sơ cấp cung cấp từ dưới ghi lò vừa đủ để không làm xáo trộn lớp vật liệu rắn bên trên Bức xạ nhiệt theo phương ngang nhỏ so với bức xạ nhiệt theo phương thẳng đứng, do vậy có thể xem như không có sự truyền nhiệt bức xạ theo phương ngang giữa các khối vật liệu trên hai thanh ghi liên tiếp

Xem xét một phân đoạn vật liệu rắn nằm trên một thanh ghi lò Trong quá trình di chuyển của ghi lò, cột nhiên liệu biến đổi tính chất theo thời gian được mô tả trong hình 1.5 như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ vận động theo thời gian của cột nhiên liệu

Không khí thứ cấp

Không khí sơ cấp

Vật liệu rắn

Vật liệu rắnTro, cacbon

Tro, cacbon căn bản

Thời gian

Trang 32

Buồng đốt sơ cấp

Buồng đốt thứ cấp

Vị trí cấp không khí sơ cấp

Ống thải khí cháy

Ống nối

Vật liệu rắn được nạp vào nằm trên ghi lò, sau đó nhiên liệu bắt cháy bắt đầu từ đỉnh của cột vật liệu Không khí sơ cấp cung cấp từ bên dưới vào cột để duy trì sự cháy Lớp vật liệu bên trên bắt cháy sẽ truyền nhiệt chủ yếu bằng bức xạ nhiệt xuống lớp vật liệu bên dưới Lớp vật liệu bên dưới tăng nhiệt độ, giải phóng hơi ẩm và nhiệt phân giải phóng các chất hữu cơ Các chất hữu cơ được giải phóng sẽ bắt cháy và tiếp tục cung cấp năng lượng bằng truyền nhiệt bức xạ xuống lớp vật liệu thấp hơn Như vậy, quá trình cứ tiếp tục cho đến khi lớp vật liệu ở đáy cột bắt cháy Tốc độ giải phóng các chất hữu cơ và tốc độ bắt cháy của các chất khí được giải phóng của các loại vật liệu khác nhau được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới Pedersen đã thực hiện các nghiên cứu trên vật liệu biomass [23], trong khi đó, các nghiên cứu của Desroches-Ducarne và những người khác đã tiến hành trên vật liệu là rác thải sinh hoạt đô thị [24] Trong quá trình bắt cháy của toàn bộ lớp vật liệu, lớp vật liệu bên trên trở thành cacbon và tiếp tục bắt cháy Tốc độ bắt cháy của than tuỳ thuộc vào nồng độ ôxy có mặt xung quanh phần tử than [11, 23, 25-27]

Đối với các loại lò đốt công suất nhỏ, thiết bị lò đốt thông thường là loại lò đốt tĩnh hai cấp Loại lò đốt chất thải này rất phổ biến ở Việt Nam, có dạng như hình 1.6

Hình 1.6 Thiết bị lò đốt tĩnh hai cấp

Trang 33

Với loại lò đốt nhiệt phân tĩnh hai cấp, vật liệu rắn được nạp vào một lần tại buồng đốt sơ cấp, lớp vật liệu rắn được đốt mồi và không khí sơ cấp được cung cấp từ đáy của vỉ lò Trong quá trình cháy, lớp vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò Với hệ thống thiết bị này, tiến hành phân hoạch hệ thống gồm vật liệu rắn và vỉ lò, không gian cấp khí sơ cấp dưới vỉ lò và không gian bên trên lớp vật liệu rắn sẽ thu được một đối tượng tương đương với mô hình cột nhồi

Các nghiên cứu về quá trình cháy trên lò đốt tĩnh hai cấp được thực hiện bởi nhiều cơ quan nghiên cứu trong nước, đặc biệt tập trung ở Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh

Tại Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm tác giả ở Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường (KTNĐ&BVMT) đã phối hợp với nhóm chuyên gia thuộc Sở Khoa học Công nghệ và Môi trường, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh tiến hành thực hiện đề tài "Điều tra khảo sát các lò đốt chất thải y tế khu vực phía Nam" vào năm 2001 Kết quả đề tài đã chỉ ra các ưu và nhược điểm của các lò đốt chất thải y tế hiện hữu, đề xuất được quy trình vận hành hợp lý, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tối đa chất ô nhiễm trong khí cháy [28] Cũng trong năm 2002, nhóm tác giả ở Viện KTNĐ&BVMT cùng với các chuyên gia thuộc trường Đại học Bách Khoa TP.HCM dưới sự tổ chức của Sở Khoa học Công nghệ và Môi trường cũng đã tiến hành triển khai đề tài nghiên cứu “Xây dựng lò đốt chất thải công nghiệp, công suất 4tấn/ngày tại TP.HCM” Sản phẩm của đề tài là tạo ra được một khuôn mẫu bản vẽ thiết kế tương đối hợp lý cho lò đốt chất thải công nghiệp, đồng thời cũng tạo ra được một mô hình lò đốt chất thải rắn ở TP.HCM Năm 2003, nhóm tác giả ở Viện KTNĐ&BVMT gồm Nguyễn Quốc Bình, Lê Anh Kiên, Trần Hoá đã tiến hành nghiên cứu thành công đề tài “Nghiên cứu công nghệ nhiệt phân để xử lý chất thải nguy hại tại TP.HCM” Kết quả đề tài

Trang 34

đã đề xuất được công nghệ nhiệt phân khá hợp lý để thu hồi lượng khí lớn nhất, sử dụng cho mục đích tái sinh năng lượng Năm 2004, nhóm tác giả ở Viện KTNĐ&BVMT đã thực hiện thành công đề tài “Ứng dụng công nghệ nhiệt phân để xử lý chất hữu cơ khó phân huỷ trong rác sinh hoạt để thu hồi vật liệu” Đề tài đã đạt được kết quả sử dụng tro làm phụ gia cho bê tông, ứng dụng làm vật liệu lót đường nông thôn Khí cháy sinh ra được thu hồi năng lượng để sấy rác đầu vào, tiết kiệm năng lượng đốt, tăng công suất xử lý của lò đốt Ngoài ra, từ các kết quả của các đề tài nghiên cứu trên, Lê Anh Kiên và những người khác đã sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng một chương trình tính toán, mô phỏng quá trình đốt, nhiệt phân trong lò đốt tĩnh hai cấp và đã công bố công trình nghiên cứu trên các tạp chí trong nước [29-32]

Tại thành phố Hà Nội, các Trung Tâm nghiên cứu, các Viện nghiên cứu và các trường Đại học cũng đã tiến hành các nghiên cứu công nghệ, chế tạo thiết bị lò đốt phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và ứng dụng xử lý chất thải rắn của thành phố Hà Nội Tuy nhiên, kết quả điều tra năm 2007 cho thấy, mỗi năm trung bình Hà Nội "sản sinh" ra khoảng 30.000 tấn chất thải công nghiệp nguy hại, trong khi đó hiện nay chỉ có duy nhất một lò đốt rác công nghiệp công suất nhỏ (4,8 - 5 tấn/ngày) tại Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn (Sóc Sơn) Đây là cơ sở xử lý chất thải công nghiệp độc hại bằng phương pháp đốt duy nhất tại miền Bắc Việt Nam Thế nên, ngoài việc phải xử lý rác thải nguy hại của cả Hà Nội (nhất là rác tồn đọng tại các xã Võng La, Đại Mạch, Kim Chung, Hải Bối, xung quanh khu công nghiệp Thăng Long huyện Đông Anh), lò đốt này còn phải xử lý cho cả khu kinh tế trọng điểm phía Bắc Và dĩ nhiên, với công suất hạn chế, thiết bị thiếu đồng bộ - lò đốt này hàng ngày xử lý lượng rác thải thấp hơn nhiều so với nhu cầu

Trang 35

Để có thể xử lý toàn bộ khối lượng chất thải nguy hại cần đốt theo qui định cho Thủ đô Hà Nội và toàn bộ khu kinh tế trọng điểm phía Bắc, cải thiện môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng dân cư, trong thời gian vừa qua, Hà Nội đã

đề xuất với Bộ KH&ĐT đăng ký Dự án xây dựng lò đốt chất thải công nghiệp tại

Nam Sơn công suất 50 tấn/ngày đêm sử dụng vốn ODA của Chính phủ Hàn Quốc Dự kiến đến năm 2010, Hà Nội sẽ hoàn thành lò đốt thùng quay kèm thiết bị xử lý khí thải đồng bộ Nếu hoàn thành, đây sẽ là lò đốt thùng quay xử lý chất thải công nghiệp thứ hai tại Việt Nam sau lò đốt của Công ty Sông Xanh (tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu) do VITTEP chế tạo năm 2007

Ngoài ra, một số đơn vị như Viện Công nghệ Hóa học – Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Công ty Thái Sơn – Bộ Quốc Phòng, Viện Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM cũng đã tiến hành thiết kế, chế tạo lò đốt chất thải rắn công nghiệp, chất thải y tế theo đơn đặt hàng thương mại của các đơn vị sản xuất Những nghiên cứu này đã đóng góp vào việc xử lý chất thải công nghiệp đặc trưng cho từng ngành sản xuất, dịch vụ

Bên cạnh đó, công trình nghiên cứu về quá trình đốt, nhiệt phân chất thải trong lò đốt tĩnh hai cấp đáng kể nhất là công trình luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý rác từ quá trình súc rửa tàu dầu ở Việt Nam” của Nguyễn Quốc Bình vào năm 2002 Trong luận án này, vấn đề nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt, nhiệt phân để xử lý rác dầu khí được khai thác rất tốt Tác giả đã tập trung vào việc nghiên cứu thực thực nghiệm để từ đó rút ra các quy luật của quá trình Mô tả toán học được thực hiện trên lớp đối tượng thứ năm, tức là toàn bộ hệ dị thể khí rắn

Trang 36

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI

Thiết bị đốt kiểu cột nhồi là một mô hình vật thể thu được từ quá trình phân hoạch thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển và lò đốt tĩnh hai cấp Quá trình cháy trong thiết bị dạng cột nhồi được nhiều nơi thực hiện nghiên cứu trong thời gian qua Đáng kể là nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc, giáo sư Shin và cộng sự, của Viện KIST đã thực hiện nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy của gỗ thông trong thiết bị đốt có ghi lò di chuyển Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phân hoạch thiết bị đốt có ghi di chuyển thành từng cột nhồi, xây dựng mô tả toán học cho từng cột nhồi trong hệ thống Mô tả toán học được xây dựng cho một đơn vị thể tích kiểm soát trong một cột nhồi như sau [33, 34]: Nhiệt thu được trong pha rắn trong một đơn vị thể tích kiểm soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hóa học cộng với nhiệt mất mát do bay hơi ẩm, nhiệt trao đổi với thể tích kiểm soát bên trên và bên dưới và nhiệt trao đổi với pha khí

, 1 ∆0

, 10

1 ∆1

(1.1) Tương tự, cân bằng nhiệt trong pha khí được viết như sau:

Năng lượng thu được của pha khí trong một đơn vị thể tích kiểm soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hoá học cộng với nhiệt trao đổi với pha rắn

,01 ∆

1 ∆1

(1.2) +

Trang 37

Khối lượng vật liệu rắn gồm khối lượng ẩm, khối lượng chất bay hơi, khối lượng

than và khối lượng tro: Mb=Mmoist+Mvol+Mchar+Mash

Tại trường Đại học Sheffield, nhóm nghiên cứu của giáo sư Swithenbank và giáo sư Sharifi đã tiến hành nghiên cứu quá trình cháy của chất thải rắn trong thiết bị lò đốt có ghi di chuyển Nhóm nghiên cứu cũng thực hiện 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 và mô phỏng quá trình cháy trên thiết bị cột nhồi này [9, 15, 17, 35]

Những nghiên cứu ở đây khi thực hiện xây dựng mô tả toán học đã xem hệ gồm toàn bộ pha rắn có các lỗ xốp bên trong Quá trình cháy của vật liệu rắn được khảo sát trong vùng thể tích này dựa trên sự thay đổi thể tích của vật liệu rắn trong quá trình cháy

Chất thải (B):A Åm Chất bay hơi

Hình 1.7 Sơ đồ thay đổi thể tích của vật liệu rắn trong quá trình cháy

Các phương trình bảo toàn trong pha liên tục và pha phân tán được viết ở dạng tổng quát như sau:

φ là mật độ vật chất ứng với 1 kg vật liệu: khối lượng, năng lượng, thành phần cấu tử, động lượng

ρ là khối lượng riêng trong pha khí hoặc pha rắn, kg/m3

v là vận tốc bề mặt trong pha khí hoặc vận tốc chuyển động của pha rắn, m/s

Trang 38

Sφ là nguồn sinh hoặc tiêu hủy trong pha khí hoặc pha rắn

Ngoài ra, các nghiên cứu khác tại trường Đại học Sheffield và những nơi khác cũng đã thực hiện trên mô hình thiết bị đốt kiểu cột nhồi với các loại vật liệu rắn khác nhau như gỗ, giấy các loại, cỏ mực, rơm,… nhằm tìm ra các ý nghĩa ứng dụng thực tiễn như ảnh hưởng của kích thước vật liệu rắn ban đầu, ảnh hưởng của lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của không khí thứ cấp đến tốc độ cháy, nồng độ cực đại các khí cháy sinh ra [7, 9, 15-21, 36-41]

Các nghiên cứu trên đã đóng góp rất nhiều vào sự hiểu biết về quá trình cháy của các loại vật liệu trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một công trình nào thực hiện nghiên cứu quá trình đốt hỗn hợp vật liệu “chất thải của chất thải” trong thiết bị đốt kiểu cột nhồi theo con đường Tiếp cận hệ thống với tác vụ Phân tích hệ thống Bằng con đường Phân tích hệ thống này, các hiện tượng co rút của vật liệu do sự giải phóng vật chất trong quá trình cháy, hiện tượng quá trình cháy diễn ra không đều làm cho tình trạng mất cân bằng động lượng của khối vật liệu xảy ra, dẫn đến hiện tượng sụp của khối vật liệu rắn trong quá trình cháy do ảnh hưởng của độ rỗng của khối hạt cùng với sự di chuyển ngẫu nhiên của pha khí từ bên dưới sẽ được làm sáng tỏ thông qua việc phân hoạch hệ thống, phân tích định tính cấu trúc hệ thống, việc bố trí thiết bị quan trắc các thông số kiểm soát quá trình ở những chương tiếp theo

Trang 39

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM2.1 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

Tiếp cận hệ thống [42] được đặc trưng bởi sự triển khai quá trình nghiên cứu hoặc thao tác trên các đối tượng theo một lược đồ logic liên kết chặt chẽ các

khối công việc : a) phát hiện các vấn đề cần giải quyết ; b) xác định các mục tiêu cần đạt được ; c) nhận dạng các rào cản ; d) xác định các tác vụ tiếp cận hệ thống cần thực hiện ; e) thực hiện các tác vụ đã được xác định ; g) thẩm định kết quả thực hiện ; h) hiệu chỉnh nội dung các khối công việc nếu kết quả thực hiện

không đạt yêu cầu Với lược đồ logic này kết luận cuối cùng luôn mang tính khách quan: hoặc khẳng định tiếp cận hệ thống đã thành công cho phép giải quyết hiệu quả các vấn đề đã đặt ra, hoặc khẳng định vấn đề đặt ra đã không giải quyết được và đòi hỏi phải có sự nhìn nhận lại một cách sâu sắc hơn, chuẩn xác hơn

Trong các khối công việc d), e) có ba nhóm tác vụ mang tính chiến lược bao

gồm: phân tích hệ thống, tổng hợp hệ thống và điều khiển hệ thống Các tác vụ này luôn luôn gắn kết với các phương tiện biểu đạt hệ thống như các mô hình

Trang 40

ngữ văn, mô hình đồ họa, mô hình vật thể, mô hình toán, mô hình số hóa và cũng không tách khỏi mục tiêu thường trực của tiếp cận hệ thống: tối ưu hóa

Phần nghiên cứu quá trình đốt nhiệt phân rác thải rắn được trình bày dưới đây là kết quả thực hiện một số nội dung cơ bản của tác vụ phân tích hệ thống áp dụng cho thiết bị đốt kiểu cột nhồi bao gồm các nội dung:

• Phân tích định tính cấu trúc hệ thống

• Xây dựng mô hình vật thể và nghiên cứu trên mô hình vật thể • Xây dựng mô hình toán học và nghiên cứu trên mô hình toán học