1.4.1. Lý do quay vũng khớ thải
Trờn thế giới hiện nay người ta thường sử dụng khớ Endo-gas làm khớ thấm cacbon. Loại khớ này cú thành phần ổn định khi được đưa vào lũ thấm cacbon, vỡ vậy khụng thể thay đổi thành phần khớ thấm ban đầu. Việc thờm hệ thống đốt và quay vũng tải sử dụng khớ thải là tăng chi phớ và thay đổi cụng nghệ thấm do đú cỏc
nhà sản xuất thường ngại. Hơn nữa xả khớ độc hại cho mụi trường cú lợi cho mỡnh và khụng gõy ảnh hưởng cho ai ngay. Nhiều lũ cụng nghiệp lớn hơn, xả nhiều khớ độc hại ra mụi trường hơn. Đú là tõm lý xấu cần phải thay đổi.
Ở Việt nam hiện nay rất ớt cỏc nhà mỏy cú dựng khớ endo-gas làm khớ thấm do chi phớ đầu tư ban đầu lớn (với cỏc nhà mỏy mua thiết bị chế tạo khớ), hoặc khụng chủ động được nguồn khớ thấm (nhập khớ endo-gas). Nguồn khớ thấm chủ yếu trong nước vẫn là sử dụng khớ thấm trờn cơ sở khớ gas việt nam, và trong cụng nghệ thấm sử dụng khớ Gas Việt Nam thỡ hỗn hợp khớ thấm (Gas, CO2, N2) cú thể thay đổi về tỷ lệ do được đưa vào lũ thụng qua hệ thống lưu lượng kế. Mặt khỏc, khớ thải ra khi đốt hoàn toàn sản phẩm chủ yếu là CO, CO2, N2 và hơi nước. Nếu loại bỏ được hơi nước thỡ khớ quay vũng lại lũ là CO, CO2 và N2, đõy chớnh là 2 trong 3 chất trong hỗn hợp khớ thấm đưa vào ban đầu.
Tại sao lại quay vũng khớ thải khi thấm cacbon sử dụng khớ Gas Việt Nam? Cú thể đưa ra cỏc lý do sau đõy:
9 Khi tỏi sử dụng khớ thải để quay vũng lại thỡ sẽ tận dụng được lượng CO2 và N2 khỏ lớn do đú giảm tiờu thụ cho khớ CO2 và N2 ban đầu.
9 Bờn cạnh đú do lượng CO và Hyđro trong khớ thấm thoỏt ra mụi trường là tương đối cao nờn nếu cú thể chỉ loại bỏ khớ hyđro, hỗn hợp cũn lại chủ yếu là CO, N2đưa trở lại lũ thấm thỡ cú thể giảm bớt được lượng khớ gas cung cấp ban dầu.
9 Khớ thải ra được quay vũng cú thể sử dụng một phần hoặc toàn bộ. Bởi vậy, trong quỏ trỡnh thấm khụng thải khớ độc (hoặc một phần nhỏ) ra mụi trường.
Do vậy nếu cú thể tỏi sự dụng khớ thải thỡ khụng những cú thể làm giảm chi phớ trong sản xuất mà cũn gúp phần làm giảm phỏt thải khớ CO2 vào mụi trường.
1.4.2. Mục tiờu quay vũng khớ thải
Mụi trường thấm cacbon sử dụng khớ gas Việt Nam bao gồm CO, H2, N2 và một lượng nhỏ CO2, hơi nước, cacbua hyđrụ. Trong quỏ trỡnh thấm cacbon chỉ sử dụng khoảng vài phần trăm chất thấm, cũn lại chỳng được thải ra ngoài qua ống khớ thải. Nếu muốn tỏi sử dụng khớ thải ra thỡ phải xử lý khớ thải, quay vũng lại chất mang cacbon, Oxy và N2 quay trở lại lũ. Điều đú cú nghĩa là loại bỏ triệt để H2
trong khớ thải vỡ nếu quay vũng cả H2 thỡ mụi trường thấm cú quỏ nhiều H2 gõy nờn hiện tượng giũn.
Phương phỏp xử lý khớ thải:
9 Phương phỏp vật lý: dựa vào tớnh chất vật lý khỏc nhau của cỏc khớ CO, H2 và N2 để tỏch riờng. Như dựa vào sự khỏc nhau về trọng lượng riờng hay nhiệt độ húa lỏng của chỳng. Tuy nhiờn do hạn chế về mặt thiết bị cũng như cỏch thức thực hiện rất khú khăn nờn đề tài khụng sử dụng phương ỏn này để xử lý khớ thải.
9 Phương phỏp húa học: dựa vào phản ứng chỏy của CO và H2. Khi đú CO sẽ chuyển húa thành CO2 và H2 sẽ chuyển húa thành hơi nước. Phương ỏn này dễ thực hiện hơn do CO và H2 là 2 khớ rất dễ chỏy khi cú mặt của oxy, mặt khỏc nú cũng cho hiệu quả xử lý cao hơn.
Mục tiờu của đề tài là oxy hoỏ khớ H2 thành khớ hơi nước. Khi loại bỏ được hơi nước thỡ khớ thải cũn lại CO, CO2 và N2 quay vũng trở lại lũ thấm.
1.4.3. í nghĩa của quay vũng khớ thải
9 Bảo vệ con người và mụi trường
9 Đảm bảo hạn chế phỏt thải CO2
9 Tỏi sử dụng khớ thải ra trong cụng nghệ thấm cacbon thể khớ sử dụng khớ gas Việt Nam
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Sơ đồ thực nghiệm
2.1.1. Sơ đồ quy trỡnh thực nghiệm quay vũng khớ thải
Hỡnh 2.1. Sơđồ khối quy trỡnh thực nghiệm quay vũng khớ thải
Lũ thấm Buồng đốt Buồng làm nguội Lưu lượng kế Van an toàn Lưu lượng kế Sensor Hydro Nắp quan sỏt Bỡnh ngưng nước Bơm nộn Bỡnh tớch Đường dẫn khớ quay trở lại lũ thấm Sensor Hydro Lưu lượng kế Sensor oxy
2.1.2. Quy trỡnh thớ nghiệm và mẫu nghiờn cứu
Hỡnh 2.2. Sơđồ quy trỡnh thớ nghiệm quay vũng khớ thải
Quy trỡnh cụng nghệ:
Nõng nhiệt độ lũ lờn 5000C đểđồng đều nhiệt.
Đặt nhiệt lờn 8000C để đốt muội (sau mỗi mẻ thấm và trước khi thấm) đồng thời bật hệ thống nước làm mỏt.
Nhiệt độ thấm ở 920 - 9300C
Mẫu mỏng đưa ra khỏi lũ sau khi được làm nguội bằng Ar. Mẫu sử dụng cho cỏc thớ nghiệm:
Mẫu sử dụng trong thớ nghiệm gồm cú mẫu mỏng và mẫu khối, cỏc mỏc thộp được sử dụng là 1010, SCM 420
(a) (b)
Hỡnh 2.3. Kớch thước mẫu mỏng (a) và mẫu khối (b)
Bảng 2.1. Bảng thành phần húa học cỏc mỏc thộp sử dụng
Mỏc thộp %C %Si %Mn %Cr %Mo %Ni %S %P 1010 0,114 0,115 0,433 0,019 - 0,014 - -
SCM420 0,184 0,167 0,777 1,030 0,158 0,029 0, 026 0,016
2.2. Hệ thống quay vũng khớ thải
Dựa trờn thiết kế của lũ đang sử dụng tại xưởng Nhiệt Luyện trường Đại Học Bỏch Khoa, lũ mới đó được thiết kế, bổ sung một số chi tiết nhằm cải tiến nõng cao chất lượng trong quỏ trỡnh làm việc kớn như việc dựng thờm gioăng cao su bờn cạnh việc dựng gioăng amiăng như cũ. Để làm mỏt cho nắp lũ, bớch dưới đó được hàn thờm hộp nước làm mỏt. Động cơ và ổ bi cũng được thay thế, thay vỡ một ổ bi như trước đõy, nay lũ mới đó dựng hai ổ bi, điều này cũng gúp phần làm lũ kớn hơn rất nhiều so với lũ cũ. Mặt khỏc, hỗn hợp khớ thấm được đưa từ dưới lờn thay vỡ đưa từ trờn xuống như trước.
Hỡnh 2.5. Hỡnh ảnh hệ thống thiết bị quay vũng khớ thải 2.2.1. Lũ thấm - kớch thước nồi lũ :Φ170x540, thể tớch sử dụng hữu ớch buồng lũ là 10,8 (lit) - Cụng suất lũ 5KW - Nhiệt độ làm việc tối đa là 10000C - Hệ thống làm mỏt được gắn dưới bớch nồi lũ - Quạt khuấy nhằm đồng đều khớ trong lũ. Động cơ quạt sử dụng là động cơ 3 pha, cụng suất 150W Hỡnh 2.6. Lũ thớ nghiệm
2.2.2. Mỏ đốt
Yờu cầu: đảm bảo được khả năng dẫn khớ kớn tuyệt đối và chịu nhiệt ở nhiệt độ cao 1000-15000C . Ngoài ra cũn phải đảm bảo yờu cầu đốt chỏy hết khớ ra khỏi lũ đồng thời khụng cho lửa chỏy lan ngược trở lại lũ.
Hỡnh 2.7. Cấu tạo mỏđốt
Cấu tạo: gồm một ống nối hỡnh chữ T cú hai đầu thẳng được hàn kớn, trong lũng ống đặt ống dẫn khớ từ lũ ra, đầu ra của ống cú đục lỗđể khớ thoỏt ra đều xung quanh giỳp cho phản ứng chỏy được hoàn toàn. Ống dẫn khớ oxy được đưa vào lỗ cũn lại của ống chữ T và cũng được bịt kớn. Tại trớ đốt ở vũng ngoài cú đục lỗ xung quanh nhằm tạo điều kiện cho quỏ trỡnh chỏy xảy ra dễ dàng. Kớch thước và vị trớ của cỏc chi tiết được mụ tả cụ thể như hỡnh vẽ trờn.
Nguyờn lý hoạt động: Hỗn hợp khớ thấm ra khỏi lũ thấm được dẫn vào mỏ đốt qua ống dẫn khớ tại buồng đốt. Ở đõy hỗn hợp khớ thấm gặp oxy xảy ra phản ứng chỏy. Lượng oxy được tớnh toỏn sao cho thành phần hyđrụ chỏy hết hoàn toàn. Khớ sau khi chỏy được dẫn cựng chiều với hỗn hợp khớ vào đưa thẳng vào buồng làm nguội. Nhiệt độ ở tại buồng đốt rất lớn do cỏc phản ứng chỏy của cỏc khớ CO, H2 với hàm lượng phần trăm lớn. Cỏc phản ứng chỏy chủ yếu tại buồng đốt:
2H2 + O2 = 2H2O 2CO + O = 2CO
2.2.3. Buồng làm nguội
Là thiết bị làm nguội hỗn hợp khớ vừa được đốt ở buồng đốt xuống nhiệt độ thường (250C). Buồng làm nguội được cấu tạo bằng thộp ống cú chứa nước chảy liờn tục sao cho nhiệt độ khớ sau khi qua thiết bị này cú nhiệt độ bằng nhiệt độ ngoài trời, đồng thời ngưng tụ một phần hơi nước sinh ra sau phản ứng đốt chỏy hyđrụ.
Hỡnh 2.8. Cấu tạo buồng làm nguội
Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động :Khớ núng sau khi ra khỏi buồng đốt được dẫn trong ống cú đường kớnh 10mm và được đặt trong lũng ống bằng thộp cú đường kớnh 80mm, hai đầu ống thộp được bịt kớn, cú bố trớ 2 ống ở 2 bờn đối nhau để dẫn nước lưu thụng trong ống .
Dũng khớ vào và dũng nước làm nguội được thiết kế chảy ngược chiều nhau để đảm bảo nhiệt độ hỗn hợp khớ sau khi ra khỏi buồng làm nguội ra đỳng bằng
nhiệt độ đầu vào của dũng nước (nhiệt độ mụi trường bờn ngoài). Hỗn hợp khớ sau khi ra khỏi buồng làm nguội được đưa vào bơm nộn nhằm tạo ra ỏp suất, phần nước ngưng đọng được đưa vào bỡnh thủy tinh lớn (hỗn hợp khớ cũng được đưa qua bỡnh này vào bơm nộn).
2.2.4. Bơm nộn
Yờu cầu: Tạo ra ỏp suất khớ cao nhằm ngưng tụ hoàn toàn phần hơi nước cũn lại sau khi qua buồng làm nguội đồng thời đưa khớ sau khi xử lý quay trở lại lũ . Áp suất tạo ra qua bơm nộn tối thiểu phải cao hơn ỏp suất trong lũ thấm cỡ 1,2 at nhưng khụng được cao quỏ để trỏnh tạo ỏp lực lờn cỏc thiết bị khỏc của hệ thống. Thụng thường dưới 2 at là hợp lý.
Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động: Do cấu tạo của bơm hoạt động với cụng suất quỏ lớn nờn việc cấp khớ vào bỡnh tớch thụng qua bơm được lấy tuần hoàn ngược lại. Lượng khớ lấy ngược lại được tớnh toỏn sao cho lưu lượng khớ dư sau khi tuần hoàn qua bơm đỳng bằng lượng hỗn hợp khớ chỏy sau khi qua buồng làm nguội.
Hỡnh 2.9. Bơm bộn khớ và mụ hỡnh điều chỉnh lưu lượng hỳt
Mặt khỏc, lưu lượng hỳt của bơm nộn là cố định gõy khú khăn trong việc điều chỉnh. Thiết kế trờn cũng đó giải quyết vấn đề này, giỳp điều chỉnh lưu lượng hỳt của bơm theo yờu cầu.
2.2.5. Bỡnh tớch ỏp
Yờu cầu: Cú nhiệm vụ chuyển hết lượng hơi nước cũn lại sau khi qua bơm nộn thành nước ở dạng lỏng, tớch khớ cũn lại và xử lý quay ngược trở lại lũ. Bằng cỏch tạo ỏp suất cao, dưới tỏc dụng của ỏp suất cao nước ở dạng hơi sẽđược chuyển húa thành dạng lỏng. Trờn bỡnh tớch cú 1 đường ống dẫn khớ từ bơm nộn vào, cú một đường ống dẫn khớ quay ngược trở lại lũ, 1 van an toàn cú tỏc dụng khống chế ỏp suất trong bỡnh ở tại 1 ỏp suất nhất định. Khi ỏp suất vượt quỏ giỏ trị đú lượng khớ dư sẽ tựđộng xả ra ngoài qua van 1 chiều được gắn trực tiếp trờn van. Ngoài tỏc dụng là van an toàn cũn cú tỏc dụng là đồng hồ đo ỏp suất. Một van xả nước được bố trớ ở đỏy của bỡnh tớch cú nhiệm vụ xả toàn bộ lượng nước sau mỗi lần thớ nghiệm.
Cấu tạo: Gồm một bỡnh hỡnh trụ cú đường kớnh 170 mm, chiều cao 300mm cú bố trớ một đường ống dẫn khớ vào ở phớa dưới, ống dẫn khớ ra ở phớa trờn, ngoài ra cũn cú van thỏo nước được bố trớ ở dưới đỏy của bỡnh nhằm mục đớch thỏo hết nước được ngưng tụ sau mỗi thớ nghiệm, một van an toàn được bố trớ ở phớa mặt trờn của bỡnh để dễ quan sỏt và điều chỉnh.
2.2.6. Đường ống dẫn khớ quay ngược về lũ
Cấu tạo: gồm một đường ống cú đường kớnh 10 mm, một đầu được gắn với bỡnh tớch, đầu cũn lại được nối với ống dẫn khớ ban đầu vào lũ. Trờn đường ống cú gắn một lưu lượng kế nhằm khống chế và theo dừi lượng khớ quay vũng lại lũ sao cho hợp lý. Lượng khớ dư cũn lại sẽđược đưa ra ngoài mụi trường qua van an toàn gắn trờn bỡnh tớch. Đõy là thiết bị dẫn khớ quay ngược trở lại lũ tiếp tục quỏ trỡnh thấm của lũ. Sơđồ hỡnh vẽđược mụ tả trờn hỡnh vẽ tổng ở phần trờn.
2.2.7. Cỏc thiết bị phõn tớch
Cỏc thiết bị hỗ trợ bao gồm sensor và hệ thống lưu lượng kế. Cỏc thiết bị này giỳp điều khiển và xỏc định cỏc thụng số cần thiết.
9 Sensor Oxy: (GoldProbe của hóng SSI (USA))
Theo dừi thế cacbon CP và nhiệt độ của mụi trường thấm. Thụng qua bộ hiển thị AC20.
Hỡnh 2.11.Sensor Oxy
Hỡnh 2.12. Bộ thu tớn hiệu AC20 và Sơđồ nối của AC20
- Nguyờn lý đo: Dựa trờn cấu trỳc của ZrO2 cú chứa cỏc lỗ hổng O2, Vo.. + 2e (theo ký hiệu của Kroger-Vink). Nồng độ lỗ hổng phụ thuộc vào nồng độ Oxy. Ứng
với mỗi hàm lượng lỗ hổng sẽ cú một giỏ trị điện thế xỏc định do đú phản ỏnh ỏp suất riờng phần của Oxy, từđú xỏc định được thế cacbon mụi trường. [4]
9 Sensor Hyđrụ
Xỏc định hàm lượng H2 trong khớ thải.
Hỡnh 2.13.Sensor Hyđrụ
- Sensor Hyđrụ của hóng Stange (Đức) đểđo khớ ngoài lũ. - Đặc tớnh kĩ thuật cơ bản của Sensor :
+ Đo được nồng độ H2 : 0 - 75%.
+ Điện ỏp nguồn : 24 V, dựng nguồn một chiều. + Dũng ra: 4- 20 mA.
- Nguyờn lý đo: Sử dụng mạch cầu cõn bằng, cỏc điện trở làm từ vật liệu phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Cú 2 điện trở nằm trong buồng khớ chuẩn và 2 điện trở cũn lại nằm trong vựng đo. Trong quỏ trỡnh đo, cả 4 điện trở này đều được nung tới trờn 500oC. Độ dẫn nhiệt của khớ trong mụi trường phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng Hyđrụ. Do vậy, điện trở trong buồng đo sẽ thay đổi. Dựa trờn sự thay đổi tớn hiệu dũng điện ra sẽ xỏc định được nồng độ H2 của mụi trường.
9 Mỏy phõn tớch CO và CO2 (Gas Broad)
Điện ỏp dử dụng: Điện xoay chiều 220V Khoảng đo: CO : 0-70%, CO2 : 0-70%
Nguyờn lý đo: Mỏy phõn tớch khớ sử dụng tia hồng ngoại thường được sử dụng để phõn tớch cỏc khớ CO, CO2, CH4, H2O và NH3.
Sơđồ thiết bị phõn tớch bằng hồng ngoại được mụ tả như sau:
Cấu tạo chớnh là một nguồn hồng ngoại (đốn), buồng một mẫu, một bộ lọc bước súng, và mỏy dũ hồng ngoại. Cỏc khớ được bơm (hoặc khuếch tỏn) vào buồng mẫu. Những tia ỏnh sỏng hồng ngoại sẽ đi xuyờn qua buồng mẫu và tới đầu dũ. Song song sẽ cú một khoang khỏc trong đú cú một khớ chuẩn, điển hỡnh là nitơ. Phớa trước đầu dũ cú một bộ lọc ỏnh sỏng để loại bỏ tất cả cỏc bước súng ỏnh sỏng, ngoại trừ bước súng bị khớ cần phõn tớch hấp thụ.Người ta đo cường độ ỏnh sang của khớ chuaanrr và khớ phõn tớch sau đú xỏc định được nồng độ khớ phõn tớch. Cường độ của ỏnh sỏng hồng ngoại đến đầu dũ tỷ lệ nghịch với nồng độ khớ cần phõn tớch trong buồng mẫu. Khi khụng cú khớ cần phõn tớch trong buồng đầu dũ sẽ nhận được đầy đủ cường độ ỏnh sỏng. Khi nồng độ tăng lờn, cường độ của ỏnh sỏng hồng tới đầu dũ se giảm. Theo định Luật Beer mụ tả mối quan hệ giữa cỏc cường độ ỏnh sỏng hồng ngoại và nồng độ khớ:
I = I0.ekP Trong đú:
I: cường độ ỏnh sỏng tới đầu dũ
I0: cường độđo được trong buồng khớ chuẩn k: hằng số P: nồng độ của khớ cần đo Buồng mẫu Buồng khớ chuẩn Motor Bộ lọc D1 D2 Detecter Gương Gương Nguồn hồng ngoại Hỡnh 1.14. Sơđồ thiết bị xỏc định CO và CO2