6. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1.2. Tính tốn kiểm tra thơng số kỹ thuật lị đốt lựa chọn tại Nhà máy
a). Các giả thiết tính tốn
Để tính tốn thơng số kỹ thuật của lị đốt CTNH, các giả thiết sau được lựa chọn:
- Các chất hữu cơ trong chất thải cơng nghiệp nguy hại chứa nhiều thành phần phức tạp khĩ xác định, nên để đơn giản trong tính tốn sẽ quy phần chất hữu cơ này cĩ thành phần phân tử tương đương với gỗ (củi) với cơng thức phân tử gần đúng là C6H10O5 và hệ số chuyến đổi lựa chọn là 1,3 để đảm bảo quá trình cháy xảy ra hồn tồn.
- Trong quá trình tính tốn coi độ ẩm của CTNH là 10% và thành phần chất khơ là 90%.
- Phần tro xỉ của quá trình sau đốt là các tạp chất trơ, chiếm 30% - Lượng nhiệt thất thốt dự kiến 15% so với lượng nhiệt đầu vào.
b). Các thơng số thiết kế đầu vào
Các thơng số thiết kế đầu vào của lị đốt CTNH được lựa chọn như sau: (1). Thành phần, khối lượng chất thải nguy hại:
- Độ ẩm: 10%.
- Thành phần hữu cơ lớn nhất 60%, quy đổi thành tương đương với gỗ là 78%. - Tạp chất trơ: 30%.
- Tỷ trọng của rác thải nguy hại 700 – 800 kg/m3 (2). Nhiệt độ thiết kế:
- Buồng sơ cấp: 400 – 8000C. - Buồng thứ cấp: 1000 - 11500C. (3). Thời gian lưu: 2- 3 giây. (4). Cơng suất lị đốt: 300 kg/ giờ. (5). Nhiên liệu sử dụng: Dầu DO.
c). Tính tốn định mức sản phẩm khi đốt 1 kg chất thải nguy hại
(1). Tính nhiệt lượng riêng của 1 kg CTNH
Lượng nhiệt phát sinh khi đốt CTNH (Kcal/kg) là do quá trình cháy chất hữu cơ cĩ trong CTNH và được tính theo cơng thức xấp xỉ Dulơng sau:
Trong đĩ %C, %H, %O, %S là thành phần phần trăm của Carbon, Hydro, Oxy, Lưu huỳnh cĩ trong chất hữu cơ.
- Tính nhiệt lượng riêng của 1 kg gỗ
Với thành phần nguyên tố 44,4%C, 6,2%H, 49%O trong C6H10 O5, áp dụng cơng thức (3.1) ta tính được nhiệt lượng riêng C6H10O5 là 6473,04 (Btu/lb) hay 3596,42 (kcal/ kg gỗ).
- Tính nhiệt lượng riêng của 1 kg CTNH
Từ nhiệt lượng riêng của 1 kg gỗ tính được nhiệt lượng riêng của 1 kg CTNH như sau: 78% x 3596,42 Kcal/ kg = 2805,208 Kcal/ kg CTNH
(2). Tính tốn nhu cầu khơng khí cung cấp khi đốt 1 kg CTNH
Tính tốn nhu cầu khơng khí cần cấp dựa vào phản ứng khi đốt 1 kg gỗ
Theo phản ứng cháy, lượng Oxy cần thiết để đốt cháy 1 kg gỗ là 1,185 kg. Tuy nhiên để phẩn ứng cháy diễn ra hồn tồn thì cần phải cung cấp một lượng Oxy dư. Đối với chất thải rắn lượng Oxy dư thường trong khoảng 75 – 200% so với lượng Oxy cần thiết để đảm bảo sự cháy. Ở đây lựa chọn lượng Oxy dư là 130%, Như vậy lượng Oxy dư cần cung cấp khi đốt cháy 1 kg gỗ là 1,541 kg. Do đĩ tổng lượng Oxy cần cung cấp để đốt cháy 1kg gỗ: 1,185kg + 1,541kg = 2,726 kg.
Trong khơng khí, tỷ lệ khối lượng N2 so với O2 là 3,3197/1, nên khối lượng N2 cĩ mặt trong khơng khí cung cấp là: 2,726 kg x 3,3197 = 9,049 kg.
Do đĩ tổng lượng khơng khí thực cần cung cấp sẽ là: 2,726 kg + 9,049 kg = 11,775 kg.
Ở đây, bỏ qua các thành phần khí khác trong khơng khí vì lượng này nhỏ. Hàm lượng khí thải khi đốt 1 kg gỗ được trình bày trong bảng 3.2 như sau: Bảng 3. 2: Thành phần khí thải khi đốt 1 kg gỗ
STT Thành phần Khối lượng
(kg/ kg gỗ) Ghi chú 1 CO2 sản phẩm cháy 1,629 Theo phương trình (3.1) 2 H2O sản phẩm cháy 0,556 Theo phương trình (3.1)
3 N2 khơng khí 9,049 Khơng khí dư 130%
4 O2 dư từ khơng khí 1,541 Khơng khí dư 130% T1 Tổng lượng khí thải 12,775 1 + 2 + 3 + 4 T2 Tổng lượng khơng khí cần 11,775 3 + 4 + O2 cháy
Khi đốt cháy thành phần hữu cơ trong 1 kg CTNH các thành phần khí thải sinh ra được trình bày trong bảng 3.3 như sau:
C6H10O5 + 6 O2 6 CO2 + 5 H2O (3.1) Kg 162 6x32 6x44 5x18
Bảng 3. 3: Thành phần khí thải khi đốt cháy phần hữu cơ trong 1 kg CTNH
STT Thành phần Khối lượng
(kg/ kg gỗ) Ghi chú 1 CO2 sản phẩm cháy 1,271 Theo phương trình (3.1) 2 H2O sản phẩm cháy 0,434 Theo phương trình (3.1)
3 N2 khơng khí 7,058 Khơng khí dư 130%
4 O2 dư từ khơng khí 1,202 Khơng khí dư 130% T1 Tổng lượng khí thải 9,965 1 + 2 + 3 + 4 T2 Tổng lượng khơng khí cần 9,185 3 + 4 + O2 cháy
Tổng hơp các thành phần trong khí thải phát sinh khi đốt 1 kg CTNH được trình bày trong bảng 3.4 dưới đây:
Bảng 3. 4: Tổng hợp các thành phần sinh ra khi đốt 1 kg CTNH
STT Thơng số tính tốn Khối lượng
(kg/ kg CTNH) Ghi chú
1 CO2 1,271 Đốt chất hưu cơ trong CTNH
2 H2O 0,434 Đốt chất hưu cơ trong CTNH
3 H2O 0,1 Độ ẩm của CTNH
4 N2 7,058 Đốt chất hưu cơ trong CTNH
5 O2 1,202 Đốt chất hưu cơ trong CTNH
6 Tro xỉ 0,3 Tạp chất trơ của CTNH
7 Tổng lương khí thải 10,065 Đốt chất thải nguy hại 8 Khơng khí cung cấp 9,185 Đốt chất hưu cơ
(3). Lập cân bằng vật chất cho quá trình đốt CTNH
- Cân bằng vật chất cho quá trình đốt 1 kg CTNH:
Bảng 3. 5: Cân bằng vật chất cho quá trình đốt 1 kg CTNH
Đầu vào Giá trị (kg/ kg
CTNH ) Đầu ra Giá trị (kg/ kg
Chất hữu cơ 0,78 CO2 1,271 Đốt chất hữu cơ
Tạp chất trơ 0,3 H2O 0,434 Đốt chất hữu cơ
Độ ẩm của rác 0,1 H2O 0,1 Độ ẩm của rác
Khơng khí cung cấp 9,185 N2 7,058 Trong khơng khí dư O2 1,202 Đốt chất hữu cơ và trong khơng khí dư Tro xỉ 0,3 Tổng 10,365 tổng 10,365
- Cân bằng vật chất cho quá trình đốt 300 kg CTNH trong 1 giờ
Bảng 3. 6: Cân bằng vật chất cho quá trình đốt 300 kg CTNH
Đầu vào Giá trị
(kg/giờ) Đầu ra Giá trị
(kg/giờ) Ghi chú
Chất hữu cơ 234 CO2 381,3 Đốt chất hữu cơ
Tạp chất trơ 90 H2O 130,2 Đốt chất hữu cơ
Độ ẩm của rác 30 H2O 30 Độ ẩm của rác
Khơng khí cung cấp 2755,5 N2 2117,4 Trong khơng khí dư O2 360,6 Trong khơng khí dư Tro xỉ 90 Tổng 3109,5 tổng 3109,5 Tổng lượng khí thải 2929,5
(4). Tính tốn nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg CTNH
Để tính tốn nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg CTNH ta cần tính tốn một số đại lượng như:
Nhiệt dung riêng của thành phần hữu cơ (C6H12O5) trong CTNH được tính theo cơng thức sau: C = n1c1 + n2c2 + …../M (2)
Trong đĩ:
M: khối lượng mol của hợp chất C: nhiệt dung riêng của hợp chất J/ kg
n1, n2: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất
c1, c2: nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, J/kg Ap dụng cơng thức (2) thay các giá trị ta được:
hay = 0.332 Kcal/kg
Nhiệt dung riêng của thành phần tạp chất trơ trong CTNH được tính theo cơng thức sau: C = 8 . 4186 32 5 9 25 . 0 5 . 753 T ( Kcal/kg) (3)
Thay giá trị T = 300C vào cơng thức (3) ta được C = 0,182 Kcal/kg Thay giá trị T = 8000C vào cơng thức (3) ta được C = 0,268 Kcal/kg +). Entanpy
Entanpy của hơi nước được tính theo cơng thức sau: ihơi nước = (2493 + 1,97x t), KJ/kg (4)
Thay giá trị t = 8000C vào cơng thức (4) ta được ihơi nước = 4069 KJ/kg hay 972.05 kcal/kg
Entanpy của khí khơ được tính theo cơng thức sau: ikhí khơ = CK x t (5)
Trong đĩ CK là nhiệt dung riêng của khơng khí khơ: CK = 1.005 KJ/kg Thay giá trị t = 8000C vào cơng thức (5) ta được ikhí khơ = 804 KJ/kg hay 192.06 kcal/kg
Với các giá trị đã tính tốn ở trên, nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg CTNH được tính tốn và trình bày trong bảng 3.7 như sau:
Bảng 3. 7: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg CTNH
6(7500) +10(9630) + 5(16800)
Cp(chất hữu cơ) = --- = 1390.74 J/kg 162
STT Đầu vào (T1=300C) Cách tính Giá trị (Kcal)
1 Nhiệt lượng đốt chất hữu cơ mRác thảix2805,208 Kcal/kg 2805,208
2 Hàm nhiệt ẩm mẩmxCH2Ox30 3
3 Hàm nhiệt chất hữu cơ mHữu cơx CHữu cơ x30 7,769 4 Hàm nhiệt tạp chất mTạp chất x CTạp chất x30 1,638
Tổng nhiệt lượng đầu vào (QVào) 2817,615
STT Đầu ra (T2=8000C) Cách tính Giá trị (Kcal)
1 Hàm nhiệt khí khơ (mCO2x mO2x mN2)x ikhí khơ 2070,945 2 Hàm nhiệt hơi nước mhơi nướcx ihơi nước 527,823 3 Hàm nhiệt tạp chất mTạp chất x CTạp chất x800 64,32
4 Nhiệt thất thốt 15% nhiệt đầu vào 422,642
Tổng nhiệt lượng đầu ra (Qra) 3085,73
d). Tính tốn nhu cầu khơng khí khi đốt 1 kg dầu DO
Thành phần hĩa học của dầu DO là 86,46%C; 12,54%H; 1%S từ đĩ ta xác định được cơng thức hĩa học của dầu DO là C230,56H401,28S.
Phương trình phản ứng cháy khi đốt dầu DO như sau:
Nhiệt lượng của dầu DO tính theo cơng thức Dulơng (1): Qdầu = 9057,976 Kcal/kg.
Sản phẩm của quá trình đốt cháy 1 kg dầu DO với khơng khí dư chọn 30% như trong bảng 3.8 như sau:
Bảng 3. 8: Thành phần khí thải khi đốt 1 kg dầu DO
STT Thành phần Khối lượng
(kg/kgdầu) Ghi chú
1 CO2 sản phẩm cháy 3,17 Theo phương trình (3.2) 2 SO2 sản phẩm cháy 0,02 Theo phương trình (3.2) 3 H2O sản phẩm cháy 1,129 Theo phương trình (3.2)
C230,56H401,28S + 331,88 O2 230,56 CO2 + 200,64 H2O + SO2 (3.2) Kg 3200 331,88*(32) 230,56*(44) 200,64*(18) 64
4 N2 khơng khí 14,323 Khơng khí dư 30% 5 O2 dư từ khơng khí 0,996 Khơng khí dư 30% T1 Tổng lượng khí thải 19,638 1 + 2 + 3 + 4 + 5 T2 Tổng lượng khơng khí cần 18,638 4 + 5 + O2 cháy
e). Tính nhiệt lượng cho lị đốt CTNH cơng suất 300 kg/giờ
Nhiệt lượng nhiên liệu cần cung cấp cho lị đốt như sau:
Qnhiên liệu = (Qra-Qvào)x300 = (3085,73 – 2817,615) x 300 = 80434,5 Kcal/giờ Trong quá trình gia nhiệt đến nhiệt độ của lị đốt (8000C), một phần nhiệt lượng từ nhiên liệu sẽ bị tổn thất qua thành lị, khí thải... Theo thực tế thì lượng nhiệt thất thốt thường chiếm khoảng 35%. Do đĩ nhiệt lượng của dầu DO lúc này là: QdầuSC = [9057.976 – (9057.976 x 0.35)]= 5887,684 Kcal/kg.
Qua đĩ, ta tính tốn được lượng dầu cần cung cấp cho lị đốt CTNH tại Nhà máy với cơng suất 300 kg/giờ để đạt nhiệt độ 8000C tại buồng sơ cấp như sau:
mnhiên liệu = Qnhiên liệu/ Qdầu SC = 80434,5 / 5887,684 = 13,661 kg/giờ hay 16,3 lít/giờ (Khối lượng riêng của dầu DO là 0,84 kg/l).
Căn cứ vào bảng 3.8 ta tính được lượng khơng khí cần cung cấp và sản phẩm cháy khi đốt 13,661 kg dầu DO trong bảng 3.9 như sau:
Bảng 3. 9: Lượng khơng khí cần cung cấp và sản phẩm khi đốt 13,661 kg dầu DO
Đầu vào Giá trị (kg/giờ) Đầu ra Giá trị (kg/giờ)
Dầu DO 13,661 CO2 43,305
Khơng khí cung cấp 254,614 SO2 0,273
N2 195,667
O2 13,607
H2O 15,423
Tổng 268,275 Tổng 268,275
Cân bằng vật chất cho tồn bộ quá trình đốt CTNH với cơng suất 300 kg/giờ được trình bày trong bảng 3.10 như sau:
Đầu vào Giá trị (kg/giờ) Đầu ra Giá trị (kg/giờ)
Chất hữu cơ 234 CO2 424,605
Tạp chất trơ 90 SO2 0,273
Độ ẩm của rác 30 N2 2313,067
Khơng khí cung cấp 3010,114 O2 374,207
Dầu DO 13,661 H2O 175,623
Tro xỉ 90
Tổng đầu vào 3377,775 Tổng đầu ra 3377,775
Tổng lượng khí thải 3287,775
Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình đốt CTNH được tính tốn và trình bày trong bảng 3.11 như sau:
Bảng 3. 11: Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình đốt 300 kg CTNH/giờ một cách tổng quát
STT Thơng số tính tốn Giá trị (Kcal/giờ)
1 Hàm nhiệt phát sinh trong rác 925719,000 2 Hàm nhiệt khơng khí khơ của DO 31476,082
3 Hàm nhiệt hơi nước của DO 14991,927
4 Tổng nhiệt lượng phát sinh(Qbuồng đốt) 972187,009 5 Tổng nhiệt lượng của khí thải 779630,4
f). Cân bằng vật chất buồng đốt thứ cấp cơng suất 300 kg/giờ
Thành phần khí thải và nhiệt lượng khí thải tại buồng đốt sơ cấp theo các kết quả tính tốn ở trên lấy làm cơ sở để tính tốn cho buồng thứ cấp.
(1). Các thơng số đầu vào
Các thơng số đầu vào của buồng đốt thứ cấp được đưa ra trong bảng 3.12 như sau:
Bảng 3. 12: Các thơng số đầu vào của buồng thứ cấp
Thơng số tính
tốn Giá trị (kg/giờ)
Giá trị (Kcal/giờ)
CO2 424,605
SO2 0,273
N2 2313,067
O2 374,207
H2O 175,623
Nhiệt lượng khí thải tại buồng đốt( QKTbuồng đốt) 779630,4
Nhiệt độ khí thải tại buồng đốt 800
(2). Các thơng số đầu ra
Nhiệt độ tại buồng thứ cấp: 12000C.
Để nâng nhiệt độ khí thải từ buồng đốt sơ cấp lên 12000C, trong buồng đốt thứ cấp cần phải cung cấp thêm nhiệt lượng. Giá trị này được tính tốn thơng qua hàm nhiệt của khí thải ở 12000C và nhiệt lượng khí thải từ buồng đốt sơ cấp.
Hàm nhiệt khí thải ở 12000C = Hàm nhiệt khí khơ + Hàm nhiệt hơi nước = (mCO2 + mSO2 + mN2 + mO2)x ikhí khơ ở 12000C + mhơi nước x ihơi nước ở 12000C (6) Trong đĩ:
+). ihơi nước ở 12000C
ihơi nước = (2493 + 1,97x t) = (2493 + 1,97 x 1200) = 4857 KJ/kg hay 1160.27 kcal/kg
+). ikhí khơ ở 12000C
ikhí khơ = CK x t = 1,005 x 1200 = 1206 KJ/kg hay 288.09 kcal/kg
Thay các giá trị vừa tính tốn vào cơng thức (6) ta được hàm nhiệt khí thải ở 12000C là 1100349,966 Kcal/giờ.
Nhiệt lượng cần cung cấp cho buồng đốt thứ cấp:
Qnhiệt lượngTC = 1100349,966 – 779630,4 = 320719,566 Kcal/giờ Nhiệt lượng của dầu Qdầu = 9057,976 Kcal/kg (theo cơng thức Dulơng) Khi đốt nhiên liệu, sản phẩm của quá trình đốt cũng cần phải được gia nhiệt đến nhiệt độ của lị đốt 12000C nên một phần nhiệt lượng của nhiên liệu mất đi, ở đây coi lượng nhiệt thất thốt là 35%. Do đĩ nhiệt lượng của dầu lúc này là:
QdầuTC = [9057.976 – (9057.976 * 35%)] = 5887,684 Kcal/giờ
mnhiênliệuTC = Qnhiệt lượngTC/ QdầuTC = 320719.566 54.473 / 5887.684 kg h
mnhiênliệuTC = 54,473 kg/giờ hay 64,85 lít/giờ (khối lượng riêng của dầu DO 0,84 kg/lít).
Bảng 3. 13: Lập cân bằng vật chất tại buồng đốt thứ cấp
Đầu vào Giá trị (kg/giờ) Đầu ra Giá trị (kg/giờ)
CO2 424,605 CO2 597,284 SO2 0,273 SO2 1,362 N2 2313,067 N2 3093,284 O2 374,207 O2 428,462 H2O 175,623 H2O 237,123 Dầu DO 54,473 Khơng khí cung cấp 1015,268
Tổng đầu vào 4357,516 Tổng đầu ra 4357,516
g). Tính lưu lượng khí thải phát sinh trong lị đốt sơ cấp
(1). Lưu lượng khí thải sinh ra khi đốt 300 kg CTNH ở 8000C
Ơ điều kiện 00C, áp suất 1atm thì 1 phân tử khí tương đương với 22.4l. - Thể tích N2 cung cấp : * 22.4 7, 058*1000* 22.4 3 5646.4 / 5.646 / 28 m V l h m h M - Thể tích O2 cung cấp: * 22.4 1,202*1000* 22.4 3 841.4 / 0.841 / 32 m V l h m h M
- Thể tích CO2 sinh ra: * 22.4 1, 271*1000* 22.4 3
647.055 / 0.647 / 44 m V l h m h M
- Thể tích H2O sinh ra: * 22.4 0.534*1000* 22.4 3
664.533 / 0.665 / 18 m V l h m h M - Tổng thể tích khí cung cấp: VN2 + VO2= 5,646 + 0,841 = 6,487 m3/h - Tổng thể tích khí sinh ra: VCO2 + VH2O = 0,647 + 0,665 = 1,312 m3/h
Tính lưu lượng khí sinh ra tại buồng đốt sơ cấp theo cơng thức sau:
h m T V V B Q / 273 273 * 1 0 3 20 0 (7) Trong đĩ:
- V020: khí sinh ra khi đốt 1kg rác thải. - V0: lượng khơng khí cần để đốt 1kg CTNH. - : hệ số thừa khí, = 1.25-1.3. chọn = 1.3 - T: nhiệt độ khí thải
Thay các gía trị vừa tính được ở trên vào cơng thức (7) ta được:
Q1 = 300 1.312 1.3 1 * 6.487 273 800 3 3841.694 / 273 m h
(2). Lưu lượng khí thải sinh ra khi đốt 13,661kg dầu DO ở 8000C Tương tự cách tính ở trên, ta cĩ: - Thể tích N2 cung cấp : * 22.4 14.323*1000* 22.4 3 11458.4 / 11.458 / 28 m V l h m h M - Thể tích O2 cung cấp: * 22.4 0.996*1000* 22.4 3