4.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ KHÍ HOÁ THAN
4.3.1. Lựa chọn nguyên lý thiết kế lò ựốt tạo khắ gas
Qua việc nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong và ngoài nước cũng như phân tắch các ưu nhược ựiểm của từng loại lò khắ hoá hiện có, ta thấy:
- đối với thiết bị khắ hoá hoạt ựộng theo nguyên lý ngược chiều, tầng sôi, tất cả các khâu nạp liệu, ựốt hoá khắ, tháo liệu tất cả ựều tiến hành tự ựộng nhờ ựó ựạt ựược năng suất cao, nhưng máy cồng kềnh, phức tạp, lò khắ hoá dạng này có giá thành cao, chưa phù hợp với ựiều kiện trang bị của các cơ sở sản xuất, người làm dịch vụ ở nông thôn hiện nay.
- Ưu ựiểm cơ bản của lò ựốt khắ hoá gắn liền với hệ thống ựốt cháy là khả năng của nó ựể tạo ra nhiệt ựộ cao hơn là nhiệt ựộ có thể ựạt ựược với ghi lò truyền thống, sự ựốt cháy, có khả năng xảy ra các vấn ựề về tạo xỉ ở các nhiệt ựộ này, vì vậy tăng hiệu quả chung và công suất của nó.
- Tuỳ theo các ứng dụng khác nhau có nhiều dạng thiết bị khắ hoá ngược chiều khác nhau. Ở ựây ta chọn lò ựốt khắ hoá hoạt ựộng theo nguyên lý làm việc ngược chiều với ựường kắnh ghi không ựổi.
Lò ựốt khắ hoá ngược chiều có thể dùng than củi than bùn hay than ựá làm nhiên liệu và sản xuất gas. Có nhiều cách khác nhau ựể xử lý vấn ựề về muội nhưng các cách này có thể tạo ra các vấn ựề của chắnh nó. Sơ ựồ lò ựốt thể hiên ở hình 4.6
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 70
Hình 4.6. Sơ ựồ nguyên lý lò khắ sinh khối 4.3.2. Quá trình hình thành khắ gas
Trong lò ựốt khắ hoá dạng ngược chiều, minh hoạ trong giản ựồ nêu trên thì nhiên liệu (than ựá) ựược ựưa vào trên ựỉnh, không khắ thường ựược ựưa vào ở vị trắ trung gian và gas ựược lấy ra ở trên.
Có thể nhận ra 4 vùng riêng biệt trong lò ựốt khắ hoá này, mỗi vùng ựược ựặc trưng bởi một bước quan trọng trong quá trình chuyển ựổi nhiên liệu thành gas dễ cháy (hình 4.7).
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 71
Hình 4.7. Sơ ựồ nguyên lý làm việc lò ựốt khắ hóa
Các vùng này ựược kiểm tra dưới ựây và cơ sở thiết kế sẽ ựược ựề cập phần sau.
- Vùng làm khô
Nhiên liệu rắn ựược ựưa vào ở ựỉnh lò ựốt không cần sử dụng thiết bị nạp liệu phức tạp, vì có thể cho phép lượng nhỏ không khắ rò rỉ chỗ này. Việc làm khô gỗ hoặc nhiên liệu sinh khối xảy ra trong vùng chứa.
Hơi nước sẽ ựược chảy xuống dưới và thêm vào hơi nước trong vùng oxy hoá. Một phần hơi nước có thể bị khử thành H:
C + H2O ⇔CO + H2
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 72
- Vùng nhiệt phân
Ở nhiệt ựộ trên 2500C, nhiên liệu sinh khối bắt ựầu nhiệt phân. Chi tiết của phản ứng này không ựược biết chắnh xác nhưng người ta có thể phỏng ựoán là các phân tử lớn ( như xenluloza, hemi-xenluloza, và linhin) phân nhỏ thành các phân tử trung bình và cácbon (than) trong suốt quá trình gia nhiệt của nhiên liệu ựầu vào. Các sản phẩm nhiệt phân chảy xuống dưới vào trong vùng nóng hơn của lò ựốt. Một ắt sẽ bị ựốt cháy trong vùng oxy hoá, phần còn lại sẽ phân nhỏ thành các phân tử nhỏ hơn thậm chắ như H, CH4, CO, C2H6, Etylen,Ầnếu cùng duy trì trong vùng nóng ựủ lâu.
Nếu thời gian lưu trong vùng nóng quá ngắn hoặc nhiệt ựộ quá thấp, sau ựó các phân tử kắch thước trung bình thoát ra, sẽ ngưng tụ như muội dầu, trong các phần nhiệt ựộ thấp của lò ựốt.
- Vùng oxy hoá
Vùng cháy (oxy hoá) ựược hình thành ở vị trắ mà oxy (không khắ) ựược ựưa vào, các phản ứng với oxy toả nhiệt ở mức ựộ cao. Kết quả là làm tăng nhiệt ựộ lên ựến 900-11000C.
- Vùng khử
Các sản phẩm phản ứng của vùng oxy hoá (gas nóng và than) dịch chuyển xuống dưới vào vùng khử.
Trong các vùng này nhiệt của gas và nhiên liệu chuyển ựổi thành năng lượng hoá học của gas sản sinh càng nhiều càng tốt.
Sản phẩm cuối cùng của các phẩn ứng hoá học diễn ra trong vùng khử là gas dễ cháy mà có thể sử dụng làm nhiên liệu trong các thiết bị ựốt và sau khi tách bụi, làm lạnh thắch hợp ựối với các ựộng cơ ựốt trong.
Tro có từ sự khắ hoá sinh khối ựôi khi nên ựược tách khỏi lò ựốt khắ hoá. Thông thường phải có ghi lò di chuyển ựược ở ựáy của thiết bị. Ghi lò này có thể cời tầng tro trong vùng khử, do ựó ngăn ngừa sự tạo khối chắn mà có thể dẫn tới ngẽn dòng gas.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 73
4.3.3. Xác ựịnh các thông số của lò ựốt khắ hoá tạo gas
để xác ựịnh các thông số của lò ựốt khắ gas cần phải xác ựịnh các thành phần hoá học, thành phần gas của nhiên liệu. Thànhphần hoá học, thành phần gas của than ựược ghi ở trong bảng 4.1 và bảng 4.2.
Bảng 4.1. Thành phần hoá học của than
Cỡ hạt mm độ tro % độ ẩm % Chất bốc % Lưu huỳnh % Các bon % Chỉ số nghiền Nhiệt ựộ bắt cháy 15 -30 6,0-8,0 12 6 0,35-0,5 84,0-89 45-65 272 30 -40 6,0-8,0 12 6 0,35-0,5 84-89 45-65 272
Bảng 4.2. Thành phần hoá học của gas than ựá
CO H2 CH4 N2 CO2 7,6 9,3 24,9 16,8 41,4
Theo kết quả tắnh toán ở mục (4.2.1.3b) ta có nhiệt trị thấp của khắ than:
Qt = 10933,6kJ/kg nl - Tắnh lượng gas cần tạo ra:
- Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy là Q = 347688,8 kJ/h Từ ựó ta xác ựịnh ựược lượng khắ gas cần thiết là:
g t Q 347688,8 m 31,8 Q 10933, 6 = = = kg/h
Thể tắch của khắ gas ựược tắnh theo công thức:
g g
m V=
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 74
Trong ựó:
mg- khối lượng khắ gas, kg/h
ρg- khối lượng riêng của khắ gas, ρg = 1,056kg/m3 Từ ựó ta tắnh ựược thể tắch của khắ gas là:
g g m 31,8 V 30,1 1,056 = = = ρ m 3/h
Lượng gas tạo ra khi ựốt cháy 1kg than:
p n g 2 4 1,867(C C ) V CO CO CH − = + +
Trong ựó: Cp là phân tử Cacbon trong than, Cp =84. Cn Ờ số phân tử cacbon mất ựi, Cn =7.
CO2, CO và CH4 là các phần tử trong Gas. Thay các giá trị ta có: g 1,867(84 7) V 1,96 7, 6 41, 4 24, 4 − = = + + m3/kg nl
- Lượng than cần thiết:
Khi ựó ta có lượng than cần thiết trong một giờ là: Mth =
g
V 30,11
15,36kg / h
V = 1,96 ≈ (4.40)
- đường kắnh trong của lò khắ hoá than ựược xác ựịnh theo công thức thực nghiệm:[18] g m D 3,6. q = (4.41) Trong ựó: q- mật ựộ của dòng hoá khắ, q≈130kg m/ 3
Từ ựó ta tắnh ựược ựường kắnh bộ phận tạo khắ gas là:
31,8
D 3,6 0,880 130
= = m
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 75
4.4. TÍNH VÀ CHỌN QUẠT
4.4.1. Năng suất quạt gió
Năng suất của quạt V ựược xác ựịnh trên cơ sở tắnh toán nhiệt cho hệ thống sấy và ựược xác ựịnh bằng lưu lượng thể tắch không khắ khô cần thiết cho quá trình sấy:
L 4650, 4 V 4305,92 1,08 = = = ρ m 3 /h
L- lượng không khắ khô cần thiết cho quá trình sấy, L = 4650,4kg/h ρ- khối lượng riêng của không khắ khô ở ựiều kiện áp suất và nhiệt ựộ sấy, ρ =1,08kg / m3
4.4.2. Áp suất toàn phần của quạt gió
Áp suất toàn phần ∆p của quạt gió là trở lực của hệ thống sấy. Theo
kết cấu, trở lực của hệ thống sấy bao gồm trở lực phắa ựẩy và phắa hút của quạt gió.
- Trở lực phắa ựẩy bao gồm trở lực của khối hạt∆phvà trở lực ựầu quạt ∆pq
Trở lực ựẩy tỷ lệ thuận với ựộ dày lớp hạt, vận tốc của dòng khắ qua khối hạt. Trở lực này ựược tắnh theo công thức thực nghiệm:
h p
∆ = 98,06.A.h.vn
, mmH2O (4.42) v- vận tốc dòng khắ , m/s
A,n- hệ số phụ thuộc tắnh chất của khối vật liệu h- chiều dày lớp vật liệu, m
Giả thiết toàn bộ không khắ nóng ựược phân bố ựều trong toàn diện tắch phắa dưới vỉ sấy F(m2), ta sẽ tắnh ựược vận tốc trung bình v của không khắ ựi qua lớp vật liệu trong buồng sấy là:
V 4305,92
v 717,6m / h 0,199 F 3.2
= = = = m/s
Với vật liệu là ngô hạt thì các hệ số A và n ựược chọn như sau: A = 0,2; n =1,9. Chiều dày lớp vật liệu cực ựại trong buồng sấy là: hv =h = 610mm.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 76
Thay vào công thức trên ta tắnh ựược:
h p
∆ = 9,806.A.h.vn = 9,806. 0,2. 610.0,1991,9 = 55,67mmH2O - Trở lực ở cửa ra quạt gió ựược xác ựịnh theo công thức :
2 q v p 2 ∆ = ρ mmH2O Trong ựó:
ρ- khối lượng riêng của không khắ ở ựiều kiện sấy ứng với nhiệt ựộ 60oC, ρ = 1,08kg/m3
v- vận tốc không khắ ở của ra quạt gió,m /s
Vận tốc không khắ ở của ra quạt gió ựược xác ựịnh theo công thức:
r V v 3600F = Trong ựó:
V- lưu lượng quạt gió, ựược xác ựịnh bằng lượng không khắ khô cần thiết cho quá trình sấy, V= L = 4650,4kJ/h
Fr- diện tắch cửa ra quạt gió, Fr = a2 với a là kắch thước cửa ra quạt gió, Chọn a = 0,4m, ta có Fr = 0,42 = 0,16m2. Từ ựó ta tắnh ựược tốc ựộ không khắ ở của ra quạt gió:
V 4650, 4
v 8,07m / s
3600Fτ 3600.0,16
= = =
Từ ựó ta xác ựịnh ựược trở lực của không khắ ở cửa ra quạt gió:
2 2 q v 1,08.8,07 p 35,16 2 2 ∆ = ρ = = mmH2O
Ta có trở lực phắa ựẩy của quạt gió là:
pd h q
p p p
∆ = ∆ + ∆ = 55,67 + 35,16 = 90,83 mmH2O
- Trở lực hút bao gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ: - Trở lực ma sát ựược xác ựịnh theo công thức:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 77 2 2 ht ms h L v 0,5 14,35 p 0, 022 .1, 08. 2, 44 d 2 0,5 2 ∆ = λ ρ = = mmH2o
Trong ựó: Lht - chiều dài của buồng hòa trộn, Lht = 0,5m; d- ựường kắnh cổ hút dh =0,5m - Trở lực cục bộ: 2 2 pcb i i 1 v 2g = ∆ =∑ξ ρ
Với ξ1 và ξ2 là hệ số trở lực cục bộ ở ựoạn ống thắt từ rộng vào hẹp và từ hẹp sang rộng, ựược tra theo bảng ξ1 =1,1 và ξ2 = 0,25.
Vh- vận tốc dòng khắ trung bình ở ống hút: 2 2 14,35 (0, 25 1,1). 14,16 2. 2.9,81 ∆pcb = ∑ v = + = g ξρ mmH2O Tổng trở lực hút ∆ph = ∆ms +∆pcb =2,44 + 14,16 = 16,6 mmH2O Áp suất toàn phần của quạt:
∆p = ∆pd + ∆ph = 90,83 + 16,6 = 107,43 mmH2O
4.4.3. Công suất cần thiết của quạt gió
Công suất cần thiết của quạt gió ựược xác ựịnh theo công thức: p q V. N k 3600.102. ∆ = η kW (3.43)
Với: V - lưu lượng thể tắch của không khắ khô , V = 4402,7 kg kk/h k- là hệ số dự phòng; k = 1,1 - 1,3; ta chọn k = 1,3.
q
η - hiệu suất quạt; ηq =0,4ọ0,6; ta chọn ηq= 0,4.
Thay các giá trị chọn và tắnh ở trên, ta xác ựịnh ựược công suất cần thiết của quạt là:
4305,92.107, 43
N 1,3 4,09kW
3600.102.0,4
= = (3.44)
Chọn quạt ly tâm, loại cao áp có công suất N = 5,0(kW) số vòng quay 1500 vòng/phút
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
1. đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị sấy ngô hạt sử dụng năng lượng khắ hóa gas từ lò ựốt nhiên liệu than ựá chất lượng thấp. đây là thiết bị có cấu tạo ựơn giản, giá thành hạ, sử dụng nguồn năng lượng sẵn có và rẻ tiền nên có thể triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất ở nước ta hiện nay.
2. đã nghiên cứu thực nghiệm sấy ngô hạt trong phòng thắ nghiệm và xác ựịnh ựược một số thông số công nghệ nhằm ựịnh hướng ban ựầu cho việc thiết kế thiết bị sấy như: nhiệt ựộ tác nhân sấy 60oC, tốc ựộ tác nhân sấy 1,8m/s. Ở chế ựộ sấy này thì ựộ khô không ựều của sản phẩm δ=1,87% và thời gian sấy khoảng 5h. đây là kết quả quan trọng làm cơ sở ựể tắnh toán các thông số cơ bản của quá trình sấy ngô hạt sử dụng năng lượng khắ hoá than nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, giảm thời gian sấy.
3. đã lựa chọn ựược sơ ựồ nguyên lý thiết kế tổng thể hệ thống thiết bị sấy và ựã tắnh toán thiết kế các bộ phận chắnh của thiết bị sấy như: bộ phận sấy, lò khắ hoá than,... Kết quả nghiên cứu trên là cơ sở quan trọng ựể xác ựịnh các thông số về cấu tạo của hệ thống thiết bị và xác lập chế ựộ sấy phù hợp với vật liệu ngô hạt.
KIẾN NGHỊ
1. Tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình ựốt cháy nhiên liệu và khắ gas làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế lò khắ hoá than.
2. Nghiên cứu thực nghiệm ựa yếu tố nhằm xác ựịnh các thông số tối ưu của hệ thống thiết bị sấy làm cơ sở cho việc chế tạo máy phục vụ sản xuất.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
1- Hoàng Văn Chước (1997), Kỹ thuật sấy, NXB Khoa học Kỹ thuật,.
2- Phạm Lê Dần, Nguyễn Công Hân (1999), Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật.
3- Bùi Hải, Dương đức Hồng, Hà Mạnh Thư (2001), Thiết bị trao ựổi nhiệt, NXB khoa học và Kỹ thuật.
4- Nguyễn Văn May (2002), Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ thuật.
5- Trần Như Khuyên và cộng sự (2010), Giáo trình kỹ thuật chế biến nông sản, Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội.
6- Nguyễn Văn Phú (2001), Tắnh toán và thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục
7- Trần Văn Phú (2000), Hệ thống sấy công nghiệp và dân dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật.
8- Phạm Văn Trắ, Dương đức Hồng, Nguyễn Công Cần (1999), Lò công
nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật
9- Nguyễn Tường Tấn, Nguyễn Công Bằng (1982), Thiết bị lò hơi, NXB Công nhân kỹ thuật.
10. Trương Thị Toàn (2009), Sử dụng năng lượng tái tạo, Trường đH Nông Nghiệp Hà Nội.
11- Phạm Xuân Vượng, Trần Như Khuyên (2006), Kỹ thuật sấy nông sản, NXB Nông Nghiệp
TIẾNG ANH
12- C.M.VanỖt Land. Industrial Drying Equipment ( Selection & Application). Akzo chemical B.V. Deventer, Netherlands.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 80
13- Dennis R. Heldman, R. Paul Singh (1980), Food process engineering, An avi Book Published by Vannostrand Reinhold NewYork.
14- P. Fellows (1990), Food Processing Technology Principles & Practice,
Department Catering Management. Oxford Polytechnic. 15- Holmal J (1992), Heat Transfer. Mc Craw-Hill. NewYork.
16- Nevekin L.C.(1985) Drying & Technique in drying. Science and Technologycal Publising.
17- www.gso.gov.vn (tổng cục thống kê) 18-www.tanphatjsc.vn/home.aspx