Trong nhiên liệu rắn thường bao gồm các nguyên tố C, H, và O, ngoài ra có thể có N và S. Trong thiết bị khắ hoá gas xuôi chiều ựược nghiên cứu thiết kế, nhiên liệu rắn ựược ựốt cháy một phần. Gas ựược tạo ra, sau ựó ựược biến ựổi bằng cách cho ựi qua tầng nhiên liệu ở nhiệt ựộ cao. Trong quá trình
cháy khắ CO2 có ựược từ C và nước có ựược từ H2 và O2 từ nhiên liệu sẽ ựược
kết hợp với các sản phẩm của quá trình cháy, do ựó làm giảm ựi lượng không khắ cần cho quá trình cháy [8], [10], [16].
Quá trình oxy hoá (hoặc quá trình cháy) ựược mô tả bằng các công thức phản ứng hoá học sau:
C + O2 <=> CO2 Ờ 401,9 kJ/mol (3.2)
H2 + 1/2O2 <=> H2O Ờ 241.1 kJ/mol (3.3)
Các công thức này có nghĩa là khi ựốt cháy 1 nguyên tử gram, tức là
12g C thành CO2, giải phóng ra lượng nhiệt là 401,9 kJ. Khi oxy hoá 1 phân
tử gram tức là 2,016g H thành hơi nước thì ựược lượng nhiệt là 241,1kJ.
Trong tất cả các dạng khắ hóa, CO2 và hơi nước sẽ biến ựổi thành CO,
H và mê tan (CH4 ) càng nhiều càng tốt. đây là thành phần chắnh có thể cháy
ựược của gas sản sinh ra. Dưới ựây là các phản ứng quan trọng xảy ra trong vùng của thiết bị tạo gas giữa các chất ở thể rắn và thể khắ khác nhau. Dấu (-) biểu thị nhiệt trong phản ứng sinh ra, dấu (+) cho biết nhiệt cần cho phản ứng.
Các phản ứng quan trọng xảy ra trong thiết bị tạo gas:
a) C + O2 <=> 2CO + 164,9 kJ/mol
b) C + H2O <=> CO + H2 + 122,6kJ/mol
c) CO + H2 <=> CO + H2O + 42,3kJ/mol (3.4)
d) C + 2H2 <=> CH4 0
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 43
Phương trình a, b là các phản ứng chắnh trong quá trình khô, cho biết quá trình khô cần nhiệt. Do ựó nhiệt ựộ của gas sẽ giảm trong quá trình khô.
Phản ứng c mô tả trạng thái cân bằng gas - nước. Theo lý thuyết, ựối
với mỗi nhiệt ựộ, tỷ lệ giữa sản phẩm của tập hợp CO và hơi nước (H2O) và
sản phẩm của tập hợp CO2 và H2 ựược cố ựịnh bằng hằng số trạng thái cân
bằng nước Ờ gas (Kw). Trong thực tế, thành phần cân bằng của gas chỉ ựạt
ựược trong trường hợp khi ựủ tốc ựộ phản ứng và thời gian phản ứng.
Tốc ựộ phản ứng giảm theo sự giảm nhiệt ựộ. Trong trường hợp cân
bằng nước Ờ gas, tốc ựộ phản ứng trở nên thấp dưới 7000C tới mức là trạng
thái cân bằng ựược coi là Ộựóng băngỢ. Thành phần gas khi ựó duy trì không
ựổi. Các giá trị Kw với các nhiệt ựộ khác nhau ựược tắnh theo công thức:
Kw = 2 2 ( ).( ) ( ).( ) CO H O CO H (3.5) 3.2.2. Thành phần gas
Khái niệm cân bằng nước - gas ựưa ra cơ hội ựể tắnh toán thành phần cấn tạo của gas về mặt lý thuyêt từ thiết bị tạo gas mà ựạt ựược trạng thái cân bằng ở nhiệt ựộ ựã cho.
Xuất phát từ cân bằng khối lượng của 4 nguyên tố ựi vào chắnh (C, H, O và N) và cân bằng năng lượng trên toàn hệ thống và mối quan hệ ựưa ra bởi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cân bằng nước Ờ gas . Theo giả thuyết, lượng CH4 trong gas sinh ra trong mỗi
gram nhiên liệu là không ựổi (ắt hơn hoặc nhiều hơn trường hợp lò ựốt khắ hoá vận hành dưới ựiều kiện bình thường), mối quan hệ có sẵn cho phép tắnh toán thành phần của gas trong phạm vi lớn các thông số ựầu vào (hàm lượng ẩm của nhiên liệu) và các ựăc tắnh kỹ thuật của hệ thống (tổn thất nhiệt trong quá trình ựối lưu bức xạ và dẫn nhiệt trong gas).
3.2.3. Hiệu suất khắ gas
Yếu tố quan trọng ựể ựánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng hệ thống thiết bị khắ hoá là hiệu suất khắ hoá.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 44
Nếu dùng gas ựể ựốt cháy trực tiếp, hiệu suất khắ hoá ựược tắnh như sau:
( ừ ) (+ ừ ừ ∆ ).100 = ừ g g g g p th s s H Q Q C T H M ρ η % (3.6) Trong ựó:
ηth - Hiệu suất khắ hoá về nhiệt, (%).
Ρg - Tỷ trọng của gas; (kg/m3).
Cp - Nhiệt dung riêng của gas; (kJ/kg.oK).
∆T - Chênh lệch nhiệt ựộ giữa nhiệt ựộ giữa gas ở cửa buồng ựốt và
nhiên liệu vào thiết bị khắ hoá; (0K).
Hg - Nhiệt trị của gas; (kJ/m3)
Qg - Lưu lượng của gas; (m3/s).
Hs - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu khắ hoá; (kJ/kg).
Ms- Lượng tiêu thụ nhiên liệu của lò ựốt khắ hoá (kg/kJ).
Tuỳ thuộc vào kết cấu của thiết bị khắ hoá cũng như tuỳ thuộc vào các ựặc tắnh kỹ thuật của nhiên liệu mà hiệu suất khắ hóa gas có thể thay ựổi trong
khoảng từ 65% ựến 85%. Trong các ứng dụng nhiệt, giá trị ηth có thể cao
tới 93%.
3.2.4. Nhiên liệu khắ gas a. Nhiệt trị của nhiên liệu a. Nhiệt trị của nhiên liệu
Việc lựa chọn nhiên liệu khắ hoá ựược dựa trên cơ sở xác ựịnh nhiệt trị của nó. Có 2 khái niệm: nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp:
Nhiệt trị cao của nhiên liệu khi ựạt ựược trong trường hợp ựoạn nhiệt, nghĩa là ựược thực hiện khi ngưng tụ nước sinh ra trong quá trình ựốt cháy. Do việc thu hồi nhiệt của quá trình ngưng tụ trong các lò khắ hoá gas rất khó, ựặc biệt là trong trường hợp ựốt cháy một số phụ phẩm nông nghiệp (như: trấu, lõi ngô. củi khô,....) nên thường không dùng khái niệm nhiệt trị cao. Vì vậy, trong thực tiễn khi ựốt các nhiên liệu trên người ta thường dùng khái niệm nhiệt trị thấp.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 45
b. Hàm lượng ẩm của nhiên liệu
Nhiệt trị của gas sản phẩm của dạng lò ựốt khắ hoá bất kỳ phụ thuộc một phần hàm lượng ẩm của nguyên liệu ựầu vào. Hàm lượng ẩm cao làm giảm hiệu suất nhiệt khi nhiệt ựược dùng ựể bay hơi nước và do ựó năng lượng này không có sẵn trong việc giảm các phản ứng và cho việc biến ựổi nhiệt năng thành năng lượng liên kết hoá học trong gas. Do ựó hàm lượng ẩm cao dẫn ựến nhiệt trị của gas thấp. Khi gas ựược sử dụng cho các mục ựắch ựốt cháy trực tiếp, nhiệt trị thấp có thể chấp nhận ựược và việc sử dụng các nguyên liệu ựầu vào có hàm lượng ẩm (gốc khô) lên tới 40 Ờ 50% là khả thi, ựặc biệt là khi sử dụng lò ựốt khắ hoá dạng xuôi chiều. Do cả nhiệt trị của gas
(ựộng cơ cần gas ắt nhất 4200kJ/m3 ựể duy trì hiệu suất hợp lý) và vấn ựề
muội than, lò ựốt khắ hoá xuôi chiều cần nhiên liệu khô hợp lý (ẩm nhỏ hơn 35% dựa trên gốc khô).
c. Hàm lượng chất dễ bay hơi của nhiên liệu
Lượng dễ bay hơi trong nguyên liệu ựầu vào quyết ựịnh sự cần thiết có cho phép ựo ựặc biệt (hoặc trong thiết kế của lò ựốt khắ hoá hoặc trong cách sắp ựặt bộ truyền ựộng làm sạch gas) ựể tách bỏ muội than khỏi gas sản phẩm trong các ứng dụng cho ựộng cơ.
d. Hàm lượng tro và thành phần hoá học của tro (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tro có thể gây ra nhiều vấn ựề ựặc biệt là trong các lò ựốt khắ hóa dạng xuôi chiều hoặc ngược chiều. Việc tạo xỉ hoặc hình thành xỉ tảng trong lò phản ứng gây ra do việc nóng chảy và kết tụ của tro, trong trường hợp tốt nhất sẽ thêm công nhân vận hành lò ựốt. Nếu không thực hiện các cách xử lý ựặc biệt, xỉ có thể dẫn ựến hình thành quá mức của muội hoặc làm tắc hoàn toàn lò phản ứng. Trường hợp xấu nhất là khả năng tạo kênh không khắ mà có thể gây ra nguy cơ nổ, ựặc biệt là trong các lò ựốt ngược chiều. Sự tạo xỉ xuất hiện hay không xuất hiện là phụ thuộc hàm lượng tro của nhiên liệu, các ựặc tắnh nóng chảy của tro và dạng nhiệt ựộ trong lò ựốt. Nhiệt ựộ cao cục bộ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 46
không có trong lớp nhiên liệu ở vùng oxy hoá, gây ra bởi sự tạo cầu nối trong lớp này, có thể gây ra sự tạo xỉ thậm chắ cả khi dùng các nhiên liệu có nhiệt ựộ nóng chảy của tro cao. Nhìn chung không có hiện tượng tạo xỉ nếu nhiên liệu có hàm lượng tro thấp dưới 5 Ờ 6 %. Với nhiên liệu có hàm lượng tro 12% hoặc cao hơn thì xuất hiện sự tạo xỉ nghiêm trọng. với nhiên liệu có hàm lượng tro giữa 6 và 12, sự tạo xỉ phụ thuộc nhiều vào nhiệt ựộ nống chảy của tro, mà bị ảnh hưởng do sự có mặt của các nguyên tố vết làm tăng sự hình thành các hỗn hợp có ựiểm nóng chảy thấpẦđối với mục ựắch khắ hoá khả năng nóng chảy của tro nhiên liệu nên ựược xác ựịnh trong cả hai môi trường oxy hoá khử. Như hàm lượng tro ựược ựề cập, gỗ tươi và than củi hiếm khắ có vấn ựề, hàm lượng tro thông thường từ 0,75 ựến 2,5%. Tuy nhiên nhiều gỗ vùng nhiệt ựới hàm lượng tro than củi có thể cao hơn nhiều và các loại than củi này không thắch hợp với mục ựắch khắ hoá. Thiết bị khắ hoá xuôi chiều và ngược chiều có khẳ năng hoạt ựộng tốt với các nhiên liệu tạo xỉ nếu ựược thay ựổi về kết cấu (các l ghi lò chuyển ựộng liên tục hoặc quá trình cháy của gas ựược thực hiện ở bên ngoài lò ựốt tạo khắ gas). Các thiết bị khắ hoá dạng khắ
ựi ngang, làm việc ở nhiệt ựộ rất cao khoảng 12000C hoặc cao hơn, cần bộ
phận an toàn ựăc biệt ựối với hàm lượng tro của nhiên liệu.
e. Khả năng phản ứng của nhiên liệu
Khả năng phản ứng là một yếu tố quan trọng quyết ựịnh tốc ựộ khử
CO2 thành CO trong lò ựốt khắ hoá. Khả năng phản ứng ảnh hưởng ựến loại
phản ứng ựến mức nó quyết ựịnh chiều cao cần thiết trong vùng khử. Ngoài ra các ựặc tắnh hoạt ựộng nhất dịnh của hệ thống lò ựốt khắ hoá (khởi ựộng lại sau khi tắt tạm thời) ựều bị ảnh hưởng bởi khả năng phản ứng của sự hoá thành than trong lò ựốt khắ hoá. Khả năng phản ứng trong trường hợp ựầu tiên phụ thuộc vào loại nhiên liệu. Rõ ràng có mối quan hệ giữa khả năng phản ứng và số vị trắ hoạt ựộng trên bề mặt than, các tắnh chất này bị ảnh hưởng bởi các ựặc tắnh hình thái học cũng như thời gian ựịa chất của nhiên liệu. Kắch
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 47
thước hạt và tắnh chất xốp của than sinh ra trong vùng khử ảnh hưởng ựến bề mặt có sẵn cho sự khử do ựó có sẵn cho tốc ựộ của các phản ứng khử. Người ta biết rất rõ khả năng phản ứng của than có thể ựược cải thiện qua hàng loạt các quá trình sử lý hơi hoặc sử lý bằng vôi và cabonat Na.
f. Kắch thước hạt và kắch thước phân bố
Các dạng lò ựốt khắ hoá xuôi chiều và ngược chiều bị hạn chế về khoảng kắch thước của nhiên liệu chấp nhận ựược trong nhiên liệu ựầu vào. Nguyên liệu ựầu vào dạng hạt hoặc bột mịn có thể gây ra các vấn ựề về lưu lượng chảy trong phần chứa của lò ựốt cũng như việc giảm áp không thể chấp nhận ựược trên khắp vùng khử và tỷ lệ bụi trong gas cao. Sự giảm áp xuất lớn sẽ dẫn tới giảm tải trọng gas của thiết bị xuôi chiều ,dẫn tới nhiệt ựộ thấp và sản sinh ra muội. Các kắch thước hạt hoặc mảnh quá lớn làm giảm khả năng phản ứng của nhiên liệu, dẫn ựến nảy sinh vấn ựề chất lượng gas kém và chuyền vấn ựề này tới toàn bộ thiết bị. Phạm vi lớn về kắch thước phân bố của nguyên liệu ựầu vào nhìn chung sẽ làm trầm trọng thêm các vấn ựề ựã nêu. Các kắch thước phần tử quá lớn có thể gây ra các vấn ựề tạo luồng gas, ựặc biệt trong các thiết bị khắ hoá ngược chiều. Kắch thước nhiên liệu chấp nhận ựược của nhiên liệu ựối với các hệ thống lò ựốt với qui mô nhất ựịnh phụ thuộc vào thiết kế của các thiết bị ựơn lẻ.
g. Khối lượng riêng của nhiên liệu
Khối lượng riêng là khối lượng mỗi ựơn vị thể tắch của nhiên liệu ựược bịt ựầu lỏng lẻo.Nhiên liệu có khối lượng riêng cao rất thuận lợi vì chúng tương ứng với giá trị năng lượng ựối với thể tắch cao. Nhiên liệu có khối lượng riêng thấp ựôi khi làm tăng lưu lượng không ựủ dưới trọng lực. Dẫn ựến nhiệt trị của gas thấp và cuối cùng dẫn ựến ựốt cháy than trong vùng khử. Khối lượng riêng không ựủ có thể ựược cải thiện bằng cách ựóng bánh...
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 48
Chương 4
LỰA CHỌN SƠ đỒ NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY
4.1. LỰA CHỌN NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY NGÔ
Trên cơ sở tư liệu tổng quan tình nghiên cứu hệ thống thiết bị sấy, chúng tôi sơ bộ ựề xuất sơ ựồ nguyên lý thiết kế hệ thống thiết bị sấy ngô hạt năng suất 3.0 tấn/mẻ sử dụng năng lượng khắ hóa gas từ lò ựốt nhiên liệu than ựá chất lượng thấp (ký hiệu SNH-3.0). Sơ ựồ nguyên lý cấu tạo hệ thống thiết bị sấy thể hiện trên hình 4.1.
Hình 4.1. Hệ thống thiết bị sấy ngô hạt SNH-3.0.
1. quạt thổi không khắ; 2. bao hơi ; 3 ựồng hồ áp suất; 4.phếu nap liệu ; 5.tay ựòn ; 6 van an toàn ;7.thân trên ;8.ống dẫn khắ gas; 9.van ựiều chỉnh ;10. bộ phận ựốt khắ gas; 11 .cửa ựiều chỉnh không khắ; 12. buồng ựốt ; 13.buồng hòa trộn ; 14.cửa ựiều chỉnh; 15. buồng sấy nhiên liệu.; 16 . lưới sàng ; 17 .quạt hút khắ nóng ; 18 .cửa thăm ; 19 . cửa thoát xỉ ; 20 .thân dưới .
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 49
Cấu tạo máy bao gồm ba bộ phận chắnh: bộ phận sấy, bộ phận ựốt khắ gas và bộ phận tạo khắ gas.
Bộ phận sấy: ựược chế tạo bằng thép tấm, ựược chia thành 2 buồng ựược ngăn cách bởi lưới sàng, phắa trên là buồng chứa vật liệu sấy, phắa dưới là buồng thổi không khắ nóng. Kắch thước phủ bì: chiều rộng 2000mm, chiều dài 3000mm, chiều cao 1000mm.
Bộ tạo khắ gas : Là lò ựốt nhiên liệu ở trạng thái yếm khắ ựể tạo khắ gas .Trong lò ựốt tạo gas nhiên liệu ựược ựốt cháy ở trạng thái yếm khắ, không khắ ựi qua các vùng có nhiệt ựộ khác nhau và trải qua các quá trình nâng nhiệt, phân huỷ và sinh gasẦBộ tạo khắ gas bao gồm: Thiết bị cấp liệu, thân lò, ghi lò, bộ phận gạt xỉ, bộ phận truyền ựộng, bao hơi
Thiết bị cấp than- chụp chuông ựuôi: Công dụng chủ yếu của bộ phận
này là ựưa lượng than cần thiết vào trong lò. Cấu tạo gồm: thân chuông, thanh nối và tay ựòn, khi than ựược ựưa vào phễu cấp liệu thì thân chuông sẽ chuyển ựộng xuống phắa dưới, khi ựó cửa cấp liệu vào lò ựược mở. Khi ựã ựủ lượng than cần thiết thì tay ựòn ựược kéo xuống và chuông ựi lên, cửa cấp liệu ựóng lại và ựược ựịnh vị bằng chốt ựảm bảo cửa luôn ựóng ựể trong quá trình hoạt ựộng khắ không thoát ra ngoài.
Thân lò: Phần trên của thân lò là ựỉnh lò. đỉnh lò làm bằng vật liệu chịu nhiệt ựể cải thiện môi trường làm việc của công nhân. Thân lò gồm: lớp bọc nước có thể làm lạnh vỏ lò và sản sinh hơi bốc ựể dùng cho việc khắ hoá than và nút kắn lỗ thăm lửa. Trên thân lò bố trắ lỗ người, lỗ tay, cửa ra khắ than, cửa dẫn ra của hơi bốc, cửa vào nước, lỗ xả chất thải v. vẦ Thân lò ựược làm từ thép chuyên dụng làm lò hơi.
Ghi lò: Ghi lò cố ựịnh công dụng của ghi lò là nâng ựỡ tầng than và bộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});