Tổn thất năng lượng trong khí hóa bao gồm tổn thất chất thải có nhiệt độ cao mang ra ngoài và tổn thất qua kết cấu.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 52 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó:
Ett: năng lượng tổn thất, kw
Ekc: năng lượng tổn thất qua kết cấu, kw
Ect: Năng lượng tổn thất đo chất thải mang ra ngoài, kw Năng lượng tổn thất trong chất thải
Nguồn năng lượng trong chất thải bao gồm: năng lượng do tro có nhiệt độ cao thải ra ngoài và phần năng lượng do sản phẩm cháy chưa hết (chủ yếu là cacbon).
Ect = Etro + Ecc Trong đó:
Ect: năng lượng trong chất thải, kW
Etro: năng lượng trong tro mang ra ngoài, kW
Ecc: năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kW Năng lượng của các chất rắn chưa cháy
Khối lượng chất rắn chưa cháy hết chiếm 20% khối lượng chất thải Ecc =
Trong đó:
Ecc: năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kw mw: khối khối lượng của chất thải trong 1 giờ, kg/h
Hvc: nhiệt trị của cacbon (Hvc = 13166.72 kJ/kg) hcc: nhiệt lượng để nâng cacbon lên 120oC, kJ/h
Nhiệt độ của tro trước khi thải ra ngoài có nhiệt độ là 120oC.
Tính tổn thất năng lượng do phải nâng nhiệt độ của thành phần chưa cháy. hcc = Ctb*(T2 - T1)
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 53 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó:
T2: nhiệt độ của cacbon trước khi phải ra ngoài, (T2 = 393ok)
T1: nhiệt độ của cacbon khi mang vào buồng phản ứng, (T1 = 303ok) Ctb: nhiệt dung riêng trung bình
Ctb = 0.728 + 1.256*10-3*t = 0.879 (kJ/kg) hcc = Ctb*(393 - 303) = 79.11 (kJ/kg) Tính lượng năng lượng chất rắn chưa cháy trong tro
Năng lượng tổn thất do thành phần chưa cháy là: Ecc =
=
= 0.979 (kw)
Tổn thất năng lượng do tro mang ra ngoài Etro =
Etro =
= 0.302 (kw)
Tổn thất năng lượng qua kết cấu
Cho phép tổn thất năng lượng qua kết cấu là 5%.
Vậy: Ekc = 0.05*Etr = 0.05*23.09 = 1.15 (kw) Egas = Etr + Ekk - Ett = 20.64 (kw)
Hiệu suất nhiệt là: =
=
= 89.4 (%)
3.5.3. Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị phản ứng
Chọn chiều dày lớp thép trong là 4mm, lớp thép ngoài là 1 mm, vật liệu cách nhiệt là bông gốm.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 54 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
d2 = 0.278 (m) γ2 = 0.195 (w/m)
d3 = 0.278 + x (m) γ3 = 46.5 (w/m)
d4 = 0.280 + x (m)
α1= 70 (w/m2) α2= 15 (w/m2)
Trong đó: d: đường kính thiết bị chính γ: hệ số dẫn nhiệt, w/m α: độ dẫn nhiệt w/m2
Với nhiệt lượng mất mát cho phép là 15%:
Với Qcp = 15*0.15 = 2.25 (kw) Qmm = ( /( α + γ + γ + γ + α ) Chọn x = 0.1 => Qmm = 1.0699 (kW) < Qcp (thỏa mãn) Vậy chiều dày lớp cách nhiệt là 5 cm.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 55 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
3.6. Tính thiết bị phụ 3.6.1. Thùng chứa tro
a. Lượng tro đưa ra
Khối lượng riêng (ρtro) của tro là: 2.2 (g/cm3) = (2200 kg/m3) mtro = 1.33 (kg) b. Thể tích lượng tro V = ρ = = 6.05*10 -4 (m3)
Ta lựa chọn thùng thiết bị chứa tro lớn hơn thể tích tro. Cạnh: a = 50 (cm) = 0.5 (m)
Cạnh: b = 50 (cm) = 0.5 (m) Chiều cao: c = 20 (cm) = 0.2 (m)
Vttro = 0.5*0.5*0.2 = 0.05 (m3) > 0.0007 m3 (thỏa mãn)
Từ chiều cao của thiết bị chứa tro và chiều cao của lượng trấu ta có chiều cao của khoảng không khí hóa là:
Hkh = Htt -(Hpu + Htro) = 1.4 - (1+ 0.2) = 0.2 (m)
3.6.2. Tính trục vít
Q = 60*3.14*(D*d - d2)*S*n*ρx*ψ*C1 d: chiều cao vít tải, d = 0.002
Q: năng suất vận chuyển, kg/h
D: đường kính ngoài của cánh vít, m, d = 0.11 n: số vòng quay trục vít, v/phút, n = 60
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 56 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
ρx: khối lượng riêng xốp vật liệu, kg/m3 , ρx = 100 ψ: hệ số nạp đầy
Đối với vật liệu dạng hạt chọn ψ = 0.3 - 0.45
Đối với vật liệu đã nghiền nhỏ chọn ψ = 0.45 - 0.55 Chọn ψ = 0.45
S: bước vít (m)
Để chuyển hạt rời, thông thường S = (0.8 - 1)D S = 0.099 m
C1: hệ số xét tới dốc của vít tải so với mặt phẳng ngang
Bảng 3.2: Bảng hệ số C1
Độ dốc của vít tải (o) 0 15 20 45 60 75
Hệ số C1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
Nguồn: Cơ sở thiết kế máy, tr. 35
Q = 60*3.14*(0.11*0.002 - 0.0022)*0.099*60*100*0.45*60 = 84.604 kg/h = 1.41kg/p = 0.0235kg/s
Thời gian tải hết lượng trấu cần là: t =
= 4.1 (phút)
3.6.3. Tính hopper
Để cho nguyên liệu tự động đưa vào trục vít tải, ta chọn thiết bị hopper dạng hình chóp cụt.
Ta gọi:
S: diện tích đáy dưới S': diện tích đáy trên
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 57 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
a: cạnh của tứ diện dưới là 0,25 (m) ( dựa vào trục vít) a': cạnh tứ diện trên
Thể tích cần thiết kế là V = 4 kg = 0.04 m3 Với V = h(S+S' + √ ) Ta cho các cạnh bằng nhau nên
V = h(a2+a'2+a*a')
vậy h = = Ta chọn a' lần lượt là: a' (m) 0.5 0.4 0.3 h (m) 0.27 0.37 0.53
Từ trên ta chọn a' = 0.4, h = 0.37 (m) lấy dư ta có h = 0.4 (m)
3.6.4. Lựa chọn môtơ quay trục vít
Dựa vào số vòng quay/ phút của trục vít ta chọn mô tơ điện DC model 6ML57.
Hình 3.2. Mô tơ điện DC model 6ML57
Với RPM: 162 (v/p) Công suất: 0.186 (kW)
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 58 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
3.6.5. Tính quạt thổi không khí
Với thiết bị dạng Updraft, quạt có áp suất cao thường được sử dụng lý tưởng. Với thông số của quạt cấp khí tính toán cho mô hình khí hóa với công suất nhiệt là:
Với lưu lượng là: 8.91 (kgkk/h) Cột áp: 0.7 (cmH2O)
Ta chọn quạt AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
Hình 3.3. AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
3.6.6. Tính thiết bị ngƣng tụ
a. Khối lượng ngưng tụ có trong khí ra.
Ta có khối lượng ngưng tụ từ 5 - 20% trong khối lượng khí ra. Chọn là 20% mtar = 20%tar*mgas = 2.6 (kg lượng ngưng tụ)
b. Lưu lượng nước làm lạnh.
Bảng 3.3: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ
tnv tnr Cpn tgasv tgasr mgas Cpgas
o
C oC kJ/kg oC oC kg/h kJ/kg
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 59 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ta có: Ggas*Cpgas*(tgasv– tgasr) = Gn*Cpn*(tnr– tnv) Trong đó:
Ggas: lưu lượng của khí ra: 13 kg/h Gn: lưu lương nước làm lạnh, kg/s
Tgasv: Nhiệt độ khí đi vào thiết bị tách hắc ín, oC Tgasr: Nhiệt độ dòng khí đi ra thiết bị tách hắc ín, oC Tnv: Nhiệt độ nước vào làm lạnh, oC
Tnr: Nhiệt độ nước ra thiết bị làm lạnh, oC Cpgas: nhiệt dung riêng của khí
Cpn: nhiệt dung riêng của nước
Gn =
Gn = 13.01 kg/h
Chọn dư 50% ta có lượng nước cần dùng là 19.52 kg/h
c. Chiều dài đường ống
Nhiệt lượng tỏa ra cho nước:
Qn =
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 60 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
=
= 0.6 kW
Nhiệt độ trao đổi trung bình:
∆t =
Với: ∆t1 = tgasv - tnr = 285 oC
∆t2 = tgasr– tnv = 175oC Vậy ∆t = 225.5 Tiết diện trao đổi nhiệt là:
F =
Với K: hằng số trao đổi nhiệt của nước: 340 w/m2 F = 0.0079 (m2)
Chiều dài ống trao đổi nhiệt
F = 2 rL Với r = 0.0135 (m)
L = = 0.093 (m)
d. Kích thước thiết bị ngưng tụ
Để thiết bị ngưng tụ chứa đủ 0.093 m đường ống trao đổi nhiệt ta chọn. Đường kính ngưng tụ.
dc = 20 (cm) = 0.2 (m) Chiều cao của mực nước là:
Ta có thể tích nước cần là 19.52 kg/h V = r2
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 61 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm => hn = = = 0.62 m hn = 62 (cm) Chiều cao của ngưng tụ
hc = 80 (cm) = 0.8 (m)
Hình 3.4: Thiết bị ngưng tụ
3.6.7. Burner
Để sử dụng cho lò khí hóa trấu và phù hợp với năng suất làm việc, thường dùng burner LPG.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 62 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 3.4: Thống số burner
Hình 3.5: Burner LPG Torch
Bảng 3.5: Tóm tắt thông số tính toán
Thiết bị phản ứng Kích thước Đơn vị (m)
Chiều cao 1.5 m Rộng 0.27 m Ống khí Đường kính 0.045 m Thùng chứa tro Cao 0.2 m Rộng 0.5 m Trục vít Đường kính 0.110 m
Áp suất làm việc 5 psi
Khí tiêu thụ 3.25 kg/h
B.T.U/hr 14800
Kcal/hr 37300
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 63 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Chiều dài 1.4 m Đường kính trục vít 0.02 m Bước cánh 0.15 m Chiều ngang máng 0.118/0.114 m Hopper Cao 0.4 m Cạnh dưới 0.25 m Cạnh trên 0.4 m Thiết bị ngƣng tụ Cao 0.8 m Đường kính 0.2 m
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 64 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
Mục đích chung: Tìm ra tác nhân khí hóa và điều kiện khí hóa thích hợp nhất để có hiệu suất cao nhất cho ứng dụng thực tế.
4.1. Khảo sát môi trƣờng Nitơ 4.1.1. Mục đích
Tìm ra nhiệt độ thích hợp nhất trong môi trường N2 khi tại nhiệt độ đó có lượng khí sinh ra nhiều nhất, nhiệt độ khảo sát tại ba điểm là 700, 800 và 900o
C. Lượng khí N2 cho vào mục đích để đẩy các tác nhân trong không khí, tạo môi trường trơ, khi đó việc khảo sát xem như hoàn toàn phản ứng không có tác nhân khí hóa. Như vậy chúng ta sẽ thu được lượng khí, chất rắn, lượng ngưng tụ trong điều kiện không sử dụng tác nhân khí hóa, chúng ta sẽ xem đây là cơ sở để so sánh với kết quả của việc khảo sát sử dụng tác nhân khí hóa.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 65 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khảo sát thực tế
I. Thiết bị chứa trấu II. Thiết bị gia nhiệt III. Thiết bị ngưng tụ IV. Bình nước chứa sản phẩm ngưng tụ 1. Van điều chỉnh
4.1.2. Các bƣớc tiến hành
- Cho 300 gam vỏ trấu vào thiết bị khí hóa.
- Cân một bình nước khối lượng ban đầu của bình nước là m1(g), mục đích của bình nước là để giữ lại phần ngưng tụ từ khí bay ra trong quá trình khảo sát.
- Bật thiết bị gia nhiệt, cho nhiệt độ tới nhiệt độ khảo sát (700, 800, 900oC) thì cho thiết bị khí hóa vào, ghi thời gian bắt đầu.
- Tiến hành thổi khí N2 vào thiết bị khí hóa sau khi đưa thiết bị khí hóa vào để đẩy không khí trong thiết bị ra để tạo môi trường trơ. Lượng N2 không cần phải đưa vào liên tục trong suốt quá trình khí hóa vì đây là thiết bị khí đi một chiều, môi trường không có tác nhân khí hóa sẽ được giữ trong suốt quá trình.
- Lượng khí sinh ra, ta cho đi qua thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp bằng nước, sau đó sục sâu vào bình nước đã làm lạnh để ngưng tụ lượng nhựa - hắc ín một cách triệt để.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 66 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Tại bình nước sục khí, ta quan sát thấy bọt khí thoát ra, khi nào ta không thấy bọt khí thoát ra từ ống dẫn khí, ta nâng dần ống dẫn khí lên trên để giảm áp suất, giúp bọt khí dễ thoát ra hơn, tới khi đưa ống dẫn khí tới gần mặt thoáng chất lỏng mà vẫn không thấy bọt khí thoát ra, nghĩa là lúc đó hết khí phản ứng, ta kết thúc quá trình.
- Ghi thời gian kết thúc.
- Khi quá trình kết thúc, ta đợi cho lượng ngưng tụ, lượng rắn trong thiết bị nguội hoàn toàn, đem đi cân. Với lượng ngưng tụ trong bình nước, ta đem cân với khối lượng m2(g).
Ta có:
m2 - m1 = mngưng tụ
- Sau khi có khối lượng rắn, ngưng tụ, trấu, ta bắt đầu tính toán. Ta có:
mtrấu = mngưng tụ + mtro + mkhí mkhí = mtrấu - (mngưng tụ + mtro)
4.1.3. Kết quả khảo sát
a. Thời gian
Thời gian khảo sát từ lúc bắt đầu cho thiết bị khí hóa vào thiết bị gia nhiệt tới khi hết khí, kết thúc quá trình là 30 phút, đây là thời gian khảo sát với nhiệt độ 700oC. Như vậy, theo quá trình khảo sát, để có thể so sánh các thông số với nhau thì cả 3 điểm nhiệt độ, ta đều lấy thời gian khảo sát là 30 phút.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 67 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tại to = 700oC
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 700oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
1 300 93 100 107
2 300 91 98 111
3 300 90 98 112
Trung bình 300 91.33 98.67 110
Tại to = 800oC
Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 800oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 69 96 135
2 300 66 97 137
3 300 68 96 136
Trung bình 300 67.67 96.33 136
Tại to = 900oC
Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 900oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 48 95 157
2 300 52 93 155
3 300 50 93 157
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 68 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 4.4: Tổng kết kết quả quá trình khảo sát tác nhân N2
Nhiệt độ, oC mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
700 91.33 98.67 110
800 67 96.33 136
900 50 93.67 156.33
Đồ thị 4.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng ngưng tụ, rắn còn lại, khí c. Nhận xét:
Dựa vào đồ thị trên ta thấy khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm dần, lượng khí tăng dần và lượng rắn giảm không đáng kể. Trong đó lượng ngưng tụ giảm 40 gam, giảm khoảng 45% (91,33 xuống 50g), lượng rắn khoảng 5 gam, lượng khí tăng 46.33 gam, tăng khoảng 42% (từ 110 lên 156.33g), ta thấy lượng ngưng tụ giảm gần bằng với lượng tăng lên của khí sinh ra.
Lượng rắn tuy có giảm nhưng không nhiều và vẫn còn giữ ở mức cao, gần 30% so với lượng trấu.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 700 800 900 Khối lư ợng, g ngưng tụ rắn khí Nhiệt độ oC
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 69 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Qua đồ thị ta cũng thấy rằng nhiệt độ 900oC là nhiệt độ phù hợp nhất để tiến hành quá trình khí hóa.
d. Giải thích
Khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm đều, lượng khí tăng đều và lượng rắn giảm không đáng kể có thể giải thích như sau: Trong quá trình khí hóa, các thành phần hydrocacbon mạch dài có trong trấu như các xenlulozơ, Hemi – Xenlulozơ, Lignin... đầu tiên đi qua miền nhiệt độ từ thấp dưới 700oC, lúc đó xảy ra quá trình nhiệt phân đầu tiên. Ở nhiệt độ thấp những mạch dài sẽ bị cắt mạch ở giữa sinh ra những mạch ngắn hơn nhưng vẫn có phân tử lượng cao, sản phẩm chứa nhiều sản phẩm lỏng. Khoảng từ 470oC đến 540o
C những mạch dài sẽ cắt ở đầu mạch và cuối mạch để tạo thành những mạch ngắn hơn như CH4, C2H5. CO2, CO cũng sẽ sinh ra từ lúc này. Khi nhiệt độ đạt khoảng 700oC, ngoài các thành phần khí trên còn có xuất hiện thêm H2.
CnH2n+2 CmH2m + CqH2q+2 CnH2n+2 CqH2q+2 + H2
Các mạch ngắn hình thành cần một nhiệt lượng lớn hơn để cắt mạch, chính vì thế nếu ta duy trì tại khoảng nhiệt độ nhiệt phân từ 500oC đến 700oC sẽ không làm tăng hiệu suất sản phẩm khí, lượng nhiên liệu chưa chuyển hóa còn rất lớn. Muốn tăng lượng khí chuyển hóa, ta phải tăng nhiệt độ để việc cắt mạch ưu tiên vào ví trí