4 Những đúng gúp mới của đề tài
1.3.2 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu lũ đốt trấu ở Việt Nam
Ở nước ta đó cú một số trường đại học, viện nghiờn cứu, doanh nghiệp đó nghiờn cứu và đưa vào ứng dụng một số loại lũ đốt trấu như sau:
a. Lũ khớ húa trấu
Năm 2006 Viện Cơ điện Nụng nghiệp và Cụng nghệ Sau thu hoạch đó nghiờn cứu và thiết kế lũ khớ hoỏ trấu năng suất 30 kg/h. Tuy nhiờn, lũ vẫn cú hiệu suất thấp và khi thiờu kết vẫn hỡnh thành nhựa tro bỏm vào ghi gõy cản trở
sự làm việc ổn định của lũ, đồng thời việc xả tro ra ngoài cũn khú khăn. Khớ chỏy mang theo rất nhiều bụi tro.
Hỡnh 1.10. Lũ khớ húa trấu của Viện Cơđiện NN và Cụng nghệ STH 2.1
b. Lũ đốt trấu ghi nghiờng
Lũ đốt trấu ghi nghiờng là loại lũ được dựng phổ biến để sấy thúc ở vựng
đồng bằng sụng Cửu Long được chế tạo theo mẫu lũ của Philippine [ ]. Sơ đồ
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 16
Hỡnh 1.11: Lũ đốt trấu ghi nghiờng
1- Ghi lũ; 2- Phễu nạp liệu; 3-Trần lũ; 4-Vỏch ngăn; 5- Cửa thoỏt khớ; A- Hố
tro; P- Buồng đốt; C- Buồng lắng tro; K- Đường khớ vào
Nhiờn liệu được cấp từ phễu nạp liệu 2, do cấu tạo của ghi hỡnh bậc thang nờn trong quỏ trỡnh chỏy trấu được trụi dần xuống phớa dưới trải suốt bề mặt nghiờng của ghi lũ 1. Xuống đến bậc thang cuối cựng trấu đó chỏy hết, chỉ cũn tro và một phần than chưa chỏy hết được cời ra khỏi cửa thỏo, khúi bốc lờn mang theo một phần tro và than cú kớch thước nhỏ. Vỏch ngăn 4 cú tỏc dung gõy trở
lực cục bộ làm lắng đọng lại một phần tro. Khớ lũ được hỳt qua cửa hỳt 5, một phần tro được lấy ra theo cửa C. Loại lũ này, quỏ trỡnh chỏy khụng ổn định và trấu khụng được chỏy hoàn toàn, khả năng điều chỉnh nhiệt độ khi sấy rất khú, khi hoạt động ở năng suất thấp thường nhiờn liệu khụng chỏy hết.
c. Lũ đốt trấu ghi nghiờng cải tiến
Lũ đốt trấu ghi nghiờng cải tiến do Trường Đại học Nụng - Lõm TP Hồ Chớ Minh thiết kế và chế tạo theo mẫu lũ của Philippine trờn hỡnh 1.11. Sơđồ cấu tạo của lũ đốt trấu ghi nghiờng cải tiến thể hiện trờn hỡnh 1.12. Lũ cú kết cấu hỡnh trụ được sử dụng như xyclon lắng tro, cú cải tiến buồng đốt gồm cú hai phần nhằm tạo đủ ụxi cho quỏ trỡnh chỏy, tăng hiệu suất của lũ.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 17
Hỡnh 1.12: Lũ đốt trấu cải tiến của Đại học nụng – lõm TPHCM
1- Đỏy lũ ; 2- Tường dưới; 3- Guồng thỏo tro; 4- Cửa khớ ra; 5- Cửa khớ thứ; 6- Tường trờn; 7- Ống trung tõm; 8- Van tiếp liệu; 9- Phễu nạp liệu; 10- Ghi lũ;
A- Hốđọng tro; B- Buồng chỏy; C- Buồng lắng tro
Ưu điểm của cỏc loại lũ đốt trờn là cú cấu tạo đơn giản, đầu tư thấp và dễ vận hành. Song nhược điểm cơ bản của nú là: Vỡ quỏ trỡnh chỏy ở lớp chặt nờn hiệu suất thấp do lượng cacbon chỏy khụng hết, quỏ trỡnh chỏy khụng ổn định nờn lượng NOx cao gõy ụ nhiễm mụi trường. Mặt khỏc cỏc lũ đốt loại này chỉ thớch hợp khi sản xuất nhỏ (cho cỏc mỏy sấy quy mụ nhỏ), khụng cơ giới hoỏ và tự động hoỏ được khi liờn hợp với một hệ thống mỏy và thiết bị làm việc liờn tục
đũi hỏi cơ giới hoỏ và tựđộng hoỏ cao.
Nhỡn chung cỏc nghiờn cứu về lũ đất trấu ở nước ta hiện nay đó cú những kết quả nhất định và đó gúp phần tớch cực vào việc triển khai cỏc loại lũ đốt trấu vào thực tiễn sản xuất. Tuy nhiờn do cũn nhiều hạn chế như hiệu suất lũ đốt thấp, quỏ trỡnh chỏy khụng ổn định và khụng chỏy hết, lượng NOx cao gõy ụ nhiễm mụi trường nờn cỏc cơ sở sản xuất khú chấp nhận.
Vỡ vậy việc nghiờn cứu lũ đốt trấu cú hiệu suất nhiệt cao, cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và vận hành để triển khai vào thực tế sản xuất là vấn đề cấp thiết.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 18
Chương 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIấN CỨU
Trờn cơ sở phõn tớch ưu, nhược điểm của cỏc loại lũ đốt trấu được sử dụng phổ biến trong và ngoài nước, chỳng tụi chọn lũ đốt trấu theo nguyờn lý xoỏy ly tõm năng suất 80kg/giờ (ký hiệu LDLT- 80) làm đối tượng nghiờn cứu. Sơ đồ
nguyờn lý cấu tạo lũ đốt LDLT- 80 trờn hỡnh 2.1.
Hỡnh 2.1. Sơđồ nguyờn lý lũ đốt trấu xoỏy ly tõm LDLT- 80
1. Phễu chứa trấu; 2. Bộ phận định lượng trấu; 3. Hệ thống cấp trấu và cấp khớ sơ cấp; 4. Hệ thống cấp khớ thứ cấp; 5. Buồng đốt; 6. Ghi lũ; 7. Cơ cấu xả tro; 8. Hệ thống thỏo tro; 9. Bộ phận điều chỉnh hũa khớ; 10. Hệ thống hỳt khớ núng;
11. Vị trớ đo nhiệt độ tõm lũ; 12. Vị trớ đo nhiệt độ khớ ra sau khi hũa trộn
Cấu tạo lũ gồm cú: thựng chứa trấu 1, bộ phận định lượng trấu 2, hệ thống cấp trấu vào buồng đốt và cấp khớ sơ cấp 3, hệ thống cấp khớ thứ cấp 4, buồng đốt
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 19 5, ghi lũ 6, cơ cấu xả tro 7, hệ thống thỏo tro 8, bộ phận điều chỉnh hũa khớ 9 và hệ thống hỳt khớ núng đó hũa trộn để cấp nhiệt cho nhu cầu sử dụng 10.
Qỳa trỡnh hoạt động của lũ đốt như sau: Bộ phận định lượng trấu 2 nhận trấu từ thựng chứa 1 và đinh lượng lượng trấu đốt theo yờu cầu năng suất nhiệt. Hệ
thống cấp trấu 3 sẽ đẩy trấu vào buồng đốt 5 theo phương tiếp tuyến với thành trong buồng đốt để tạo dũng xoỏy cho nhiờn liệu theo nguyờn lý ly tõm. Nhờ đi theo dũng xoỏy mà nhiờn liệu cú đường đi dài trong buồng đốt đủ thời gian cho quỏ trỡnh chỏy diễn ra, đồng thời trấu sẽ ma sỏt với thành buồng đốt để giảm dần
động năng và lắng xuống đỏy khi chỏy hết. Hệ thống cấp khớ thứ cấp 4 được cấp vào để đốt chất bốc từ nhiờn liệu làm tăng hiệu suất đốt. Tro lắng xuống trờn bề
mặt ghi 6 được cơ cấu 7 xả xuống buồng thu và được hệ thống thỏo tro 8 đưa ra ngoài. Khúi lũ bốc lờn cú nhiệt độ cao được qua bộ phận hũa khớ 9 đểđiều chỉnh
đỳng nhiệt độ yờu cầu và được hệ thống hỳt 10 đưa tới bộ phận sử dụng nhiệt. Với kết cấu như trờn lũ đốt trấu xoỏy LDLT- 80 cú thể đạt được những ưu
điểm như sau:
- Nhiờn liệu được cấp vào và chỏy trong quỏ trỡnh di chuyển theo đường xoỏy từ trờn xuống trong buồng đốt tạo nờn khoảng khụng xung quanh hạt nhiờn liệu, trấu luụn ở dạng động, trỏnh hiện tượng của lớp chặt, tăng khả năng tiếp xỳc với khụng khớ, nhờđú quỏ trỡnh chỏy của trấu diễn ra tốt hơn và triệt để hơn nờn hiệu suất chỏy cao.
- Khi chỏy, trấu di chuyển từ trờn xuống theo đường xoắn do nguyờn lý cấp xoỏy, nờn tro được lắng ngay xuống khi kết thỳc quỏ trỡnh chỏy và được thỏo ra ở
phớa dưới nờn khúi lũ hầu như khụng bụi.
- Kết cấu lũ đốt tương đối đơn giản, dễ vận hành, chiếm ớt diện tớch lắp đặt.
2.1.1. CƠ SỞ Lí THUYẾT CỦA QUÁ TRèNH CHÁY
2.1.1.1. Cỏc yờu cầu và phõn loại buồng lửa
a) Cỏc tiờu chuẩn kinh tế kỹ thuật đối với buồng lửa
Buồng lửa là hệ thống thiết bị khụng gian để tiến hành cỏc giai đoạn của quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu. Khi thiết kế cần chỳ ý cỏc tiờu chuẩn sau:
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 20 • Cú khả năng đốt chỏy hoàn toàn nhiờn liệu khỏc nhau. Với hệ số khụng khớ thừa nhỏ nhất, cỏc loại tổn thất nhiệt ớt nhất trong phạm vi thay đổi phụ tải lớn nhất.
• Cú kớch thước nhỏ, tiết kiệm được nguyờn vật liệu. Muốn vậy phải nõng cao được cường độ chỏy và cường độ truyền nhiệt. Cường độ cao tức là nhiệt thể
tớch của buồng lửa, nhiệt thế diện tớch cỏc ghi phải cao. Muốn tăng cường độ
truyền nhiệt, phải tăng cường tỷ lệ bề mặt truyền nhiệt bức xạ, chọn cỏc chuyển
động của mụi chất thớch hợp, trỏnh đúng cỏu cặn, tro xỉ, và nếu cú đúng cỏu cặn và tro xỉ thỡ cú thể làm sạch một cỏch dễ dàng. Nhiệt thế thể tớch của buồng lửa hoặc nhiệt thế diện tớch của ghi thường xỏc định theo kinh nghiệm hoặc thực nghiệm tựy thuộc đặc tớnh của nhiờn liệu, hỡnh dạng kớch thước của buồng lửa và ghi cựng với phương thức vận hành.
- Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, rẻ tiền, dễ chế tạo, dễ theo dừi kiểm tra, dễ sửa chữa bảo dưỡng.
- Vận hành đơn giản, nhẹ nhàng, ổn định mà lại cú thể điều chỉnh linh hoạt, dễ dàng tựđộng húa.
b) Phõn loại buồng lửa.
Qua quỏ trỡnh phỏt triển lõu đời, đến nay đó cú rất nhiều loại buồng lửa khỏc nhau. Dựa theo cỏch đốt, cú thể chia 3 loại:
- Buồng lửa đốt theo tầng (buồng lửa ghi): nhiờn liệu được xếp theo tầng, thường là ở trờn ghi đểđốt. Loại buồng lửa này chỉđốt được nhiờn liệu rắn.
- Buồng lửa phun: trong loại buồng lửa này nhiờn liệu được phun vào cựng khụng khớ, hỗn hợp với nhau và tiến hành cỏc giai đoạn của quỏ trỡnh chảy trong khụng gian buồng lửa. Loại buồng lửa này cú thể đốt được tất cả cỏc loại nhiờn liệu (nhiờn liệu khớ, nhiờn liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiờn liệu rắn nghiền thành bột).
- Buồng lửa hỗn hợp: trong loại buồng lửa này nhiờn liệu cú thể một phần chỏy theo tầng, một phần chỏy trong khụng gian như buồng lửa xoỏy hoặc lơ lửng, bập bựng trong một khoảng khụng gian buồng lửa, khụng xếp hẳn thành lớp mà cũng khụng bay hẳn theo sản phẩm chỏy như trong buồng lửa tầng sụi.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 21
2.1.1.2. Sự chỏy của nhiờn liệu trong buồng lửa
Quỏ trỡnh chỏy trong buồng lửa là sự tổng hợp của cỏc quỏ trỡnh phúng thớch năng lượng, truyền nhiệt và chuyển húa năng lượng. Trong quỏ trỡnh chỏy phản ứng húa học xảy ra mónh liệt, phỏt ra ỏnh sỏng và lượng nhiệt rất cao đồng thời kộo theo một loạt sự biến húa vật chất khỏc.
Nghiờn cứu quỏ trỡnh chỏy tức là tỡm hiểu sõu về bản chất cỏc hiện tượng trờn, tỡm ra được cỏc mối liờn hệ và cỏc yếu tố ảnh hưởng đến nú, mà trung tõm là nguyờn cứu quỏ trỡnh động học của phản ứng chỏy. Đú là những vấn đề:
- Cỏc phản ứng húa học trong quỏ trỡnh chỏy và phúng thớch năng lượng trong nhiờn liệu.
- Quỏ trỡnh bốc chỏy nhiờn liệu và sự truyền lan ngọn lửa;
- Cỏc quỏ trỡnh vật lý cơ bản xảy ra trong quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu; - Đặc điểm của quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu
- Những cơ sở khớ động trong phõn loại buồng lửa
a) Cỏc phản ứng húa học trong quỏ trỡnh chỏy và phúng thớch năng lượng trong nhiờn liệu Cỏc phương trỡnh phản ứng chỏy: Cỏc phương trỡnh phản ứng chỏy: C + O2 = CO2 H2 + ẵ O2 = H2O S + O2 = SO2 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O CmHn + (m +n/4)O2 = mCO2 + n/2H2O H2S + 3/2 O2 = SO2 +H2O
Tốc độ phản ứng húa học là tốc độ thay đổi nồng độ của cỏc vật chất tham gia phản ứng.
Theo định luật khối lượng tỏc dụng thỡ tốc độ phản ứng húa học tỷ lệ với tớch số nồng độ vật chất tham gia phản ứng. Trong trường hợp đơn giản, khi phần tử gam của cỏc vật chất tham gia phản ứng bằng nhau, nghĩa là phản ứng cú dạng sau:
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 22 A + B ↔ C + D
Tốc độ phản ứng thuận chiều (chiều từ trỏi sang phải) sẽ là: V1= K1.CA.CB
Tốc độ phản ứng nghịch (chiều từ phải sang trỏi) sẽ là: V2= K2.CC.CD
Trong đú: CA, CB, CC, CD – nồng độ ban đầu cỏc chất A,B,C,D K1,K2 – hằng số tốc độ phản ứng húa học.
Nếu cỏc chất tham gia phản ứng cú số mol (phõn tử gam) khỏc nhau như
phản ứng sau:
aA + bB ↔ cC + dD
Trong đú: a,b,c,d – là số mol của cỏc nguyờn tố A, B, C, D thỡ tốc độ phản
ứng thuận nghịch sẽ là: a b 1 1 K .CA.CB V = (2.1) c d C 2 2 K .C .CD V = (2.2)
Trong quỏ trỡnh phản ứng, nồng độ của vật chất ban đầu giảm đi dẫn đến tốc độ của phản ứng thuận giảm đi liờn tục. Nhưng đồng thời nồng độ của cỏc sản phẩm do phản ứng tạo nờn lại tăng lờn dẫn đến tốc độ phản ứng nghịch khụng ngừng tăng lờn. Đến một thời điểm nhất định, phản ứng thuận, nghịch tiến hành với tốc độ bằng nhau, tức là phản ứng đó đạt tới trạng thỏi cõn bằng húa học: c d C 2 b a A 1.C .CB K .C .CD K = (2.3) Trong đú: CA, C – là nồng độ vật chất A, B, C, D ở trạng thỏi cõn bằng. Từđú ta rỳt ra hằng số cõn bằng: d D b B o 1 2 c C C . C C K K K = = (2.4) Khi vật chất tham gia phản ứng đều ở thể khớ, thỡ hằng số cõn bằng cú thể
tỡm được qua cỏc ỏp suất riờng phần của cỏc chất khớ ở trạng thỏi cõn bằng, nghĩa là:
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 23 d D b B c C A p P P . P P K = (2.5) Giữa Kc và KP cú quan hệ sau: Kc Kp(RT)∆n = (2.6) Trong đú: R – hằng số chất khớ, kJ/mol.độ; T – nhiệt độ phản ứng,oK;
∆n = (c + d) – (a +b) – là số lượng mol trong phản ứng. 2 RT Q dT K ln d = (2.7)
Trong đú: Q – là hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở trạng thỏi đẳng tớch Qv hay đẳng ỏp Qp, kJ/mol;
K – là hằng số cõn bằng, hoặc là Kc, Kp.
Từ phương trỡnh (2-27) ta thấy cựng với sự tăng nhiệt độ thỡ hằng số cõn bằng sẽ tăng lờn trong phản ứng thu nhiệt (Q>0) và sẽ giảm xuống trong phản
ứng tỏa nhiệt (tỏa nhiệt Q<0).
Bởi vỡ hằng số cõn bằng tăng lờn cú nghĩa là tăng nồng độ vật chất ban
đầu mà giảm nồng độ sản phẩm sinh ra. Hay núi một cỏch khỏc, ở nhiệt độ thấp cú thể tiến hành hoàn toàn phản ứng thu nhiệt, cũn ở nhiệt độ cao thỡ dễ tiến hành hoàn toàn phản ứng tỏa nhiệt.
- Phản ứng húa học giữa hai phõn tử chỉ cú thể xảy ra khi chỳng va chạm vảo nhau. Song khụng phải bất kỳ một sự va chạm nào cũng cú thể gõy nờn phản
ứng húa học, mà chỉ lỳc nào sự và chạm đú đủ sức phỏ vỡ cỏc liờn kết cũ giữa cỏc phõn tử mà tạo thành những liờn kết mới, lỳc đú sẽ xảy ra phản ứng. Năng lượng cần thiết để gõy nờn phản ứng được gọi là “năng lượng hoạt động” của phản ứng.
Cho hai chất ban đầu A và B cú năng lượng ZA, ZB tương ứng với mức năng lượng I, sau khi phản ứng tạo thành hai chất C và D cú năng lượng ZC, ZD tương ứng với mức năng lượng II, thỡ trong điều kiện phản ứng phỏt nhiệt (tỏa nhiệt) đẳng ỏp từ trạng thỏi ban đầu A, B biến thành trạng thỏi cuối C và D thỡ nội năng đó giảm đi một lượng là:
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 24 Q (Z Z )- (Z Zo) D o C o B o A + + = (2.8)
Độ giảm nội năng Q chớnh là lượng nhiệt tạo ra của phản ứng. Song muốn cho A và B cú thể phản ứng được với nhau cần phải cung cấp cho chỳng một năng lượng cao hơn mức o