2. Phụ phẩm trong nông nghiệp và tình hình sử dụng ở nước ta
6.4. Mô tả hoạt động của hệ thống thínghiệm
Không khí được quạt ( )1 đẩy qua van ( ). L4 ưu lượng khí được điều
chỉnh ằng độ mở của van, giá trị của nó đượb c hiển thị qua đồng hồ vận tốc
khí (5) rồi đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ 6( ) và đẩy vào ejector (9) bố trí dưới đáy tháp khí hóa.
Trấu được trộn nước đạt độ ẩm cần thiết được chứa ở bunker của
máy c liấp ệu rắn ( )8 được định lựơng bằng biên độ dao động của bộ rung động điện từ rơi xuống đáy tháp khí hóa (18). iĐ ều chỉnh lưu lượng trấu
bằng thay đổi điện áp trên cuộn từ thông qua chiết áp. ạt trơ đ được nạp H ã vào ống lường lưu lượng được xả qua van chặn xuống đáy tháp. Lưu lượng
hạt trơ được điều chỉnh bằng điện áp trên bộ rung động máy cấp liệu ạt trơh ( ) và hi11 ển thị qua vạch chia núm chiết áp. Nhờ áp lực của không khí thổi
qua ejector, hạt trơ và trấu cùng được cuốn lên trên đỉnh tháp. Trong quá
trình chuyển động lên trên, hạt trơ và trấu, không khí được trộn vào nhau và thực hiện quá trình chuyển nhiệt ừ ạt trơ t h qua không khí, qua trấu. Trấu
được nung nóng, bốc hơi ẩm thành hơi quá nhiệt và nhiệt phân ra khí
hydro- ; khí tiếp xúc với không khí nhiệt độ cao bốc cháy sinh nhiệt và chuyển nhiệt cho hạt trơ.
Hỗn hợp khí và hạt trơ, sau khi qua tháp khí hóa được dẫn qua
xiclon ( ), 13 ở đây thực hiện quá trình tách khí khỏi chất rắn: ạt trơ được h lắng xuống đáy vào ống ồi lưh u (12) thứ tự nạp trở lại đáy tháp qua máy cấp liệu ạt trơh (11). Phần khí được đưa ra cửa thóat của xic on và được ghi l nhận nhiệt độ bằng nhiệt ế k ( ) r14 ồi vào buồng đốt khí. Tại đây xảy ra quá
trình cháy khí sản phẩm. Lượng không khí để đốt cháy khí sản phẩm được
cấp bằng ạt qu (1), được khống chế ằngb van chặn và hiển thị qua đồng hồ
k ( ). Chênh lế 16 ệch nhiệt độ T(16)-T( ) bi14 ểu thị nhiệt trị của khí sau tháp
phản ứng (khí sản phẩm) qua mối quan hệ:
Q={[T( )-T(16 14)].m1+m2. [T( )-T( )]}C/m 16 7
Q ={[T( )-T( )].m16 14 1+(m-m1). [T( )-T( )]}C/m 16 7 (6-1)
Trong đó :
m1 : lượng không kh đủ đểí khí hóa 1kg trấu= . .2. /4
m2= m- m1: lượng không khí đủ để cháy lượng khí sau khí hóa 1 kg tr ấu.
m: lượng không khí đủ để cháy hết 1kg trấu=4,96kg/kg trấu.
C : nhiệt dung riêng của không khí=1,34kJ/kgoK. : khối lượng riêng không khí=1,23kg/m3
Các số liệu thu được trong quá trình phản ứng sẽ được ghi lại và lập
thành các bảng số liệu để xử lý, tính toán và thiết lập mô hình thống kê, mô hình vật lý của quá trình khí hóa trong lò tầng sôi có tuần hoàn các hạt trơ.
6.5. Tính toán các thông số nguyên liệu và kích thước chi tiết thiết bị
thí nghiệm
Các thông sô kỹ thuật về mô hình:
Đường kính của ejector:
Tham khảo kết cấu của ejector trong [78] chọn là 16
Theo công trình nghiên cứu [1], vận tốc của dòng khí đảm bảo để lôi cuốn
trấu đủ theo điều ện cháy hki oàn toàn là e=3m/s; tính theo [42], [74] chọn
vận tốc không khí tại đầu vào của ejector e=3 4m/s.
Đường kính của thân lò
Chọn đường kính trong thân lò là 42, lọai ống gang đúc có sẵn trên thị trường. Đường kính thân lò lớn hơn đường kính của ejector, tâm lò trùng với tâm ejector như vậy khoảng cách thành lò và vành ngoài của ejector tạo
trơ có ảnh hưởng nhiều đến chế độ làm việc của tháp phản ứng: nếu cửa
nhập liệu cao quá, vật liệu rắn lấp kín miệng ejector; tháp phản ứng khi đó
làm việc theo chế độ tầng sôi vòi rồng [68], [79], [81].
Chiều cao của thân lò
Tác gi [1] cho bi thả ết ời gian cháy của trấu là 0,71s; vận tốc cuốn theo
c=3,2m/s, chọn chiều cao tháp là 4m. Th tích tháp là: ể V= 4 . .d2h= 4 4 . 042 , 0 . 2 =0,0055m3
Đường kính ống dẫn khí trong tòan h ệ
Từ điều kiện vận tốc khí tại ejector có đường kính 16: e=3m/s; vận tốc khí ở đường ống <3m/s, chọn kích thước ống dẫn khí 32.
Đường kính của xiclon :
Lưu lượng khí qua nhánh khí hóa V= e . .d2 /4=3. .0,0162 /4=6.10-4m3/s, tra theo [19] có đường kính xiclon 254mm.
Máy tiếp ệu trấuli : loại rung động điện từ.
Máy tiếp liệu ạt trơh : lo rungại động điện từ.
Quạt:
T [1], [67], [82], [83] có công thừ ức tính ở lực của tháp cháytr :
p= p1+2 p2+ p3=776+2400+201 1777Pa, chọn máy thổi blower có áp
su tất ĩnh 300mmH2O, công su 1/5 kW. ất
Nhiệt kế (7)T : E5AZ Omrol có bộ phận điều khiển tự động đóng mở theo
nhiệt độ đặt trước. Độ chính xác +/-2oC
Nhiệt kế (14), (16)T T : cặp nhiệt điện nối tiếp với điện kế điện từ. Độ chính
xác +/-5oC
Van điều chỉnh lưu lượng: loại van chặn đường kính thông 3’/4.
Đồng hồ đo vận tốc không khí: AA Omrol.
Nguồn năng lượng: điện áp 220V, 1 pha. Công su tấ điện: 1,2 kW .
Nhiệt độ làm vi 400ệc: oC 600 oC.
Kết cấu: điện trở trần quấn trong ống sứ cách đ ện,i chịu nhiệt, được mắc
nối tiếp vào nguồn điện 220V, 1pha qua khởi động từ.
Chế độ làm việc: ận lệnh đóng mở từ nhiệt kế nh có tiếp điểm đóng ngắt tại
nhiệt độ tùy chọn.
Van x hả ạt trơ: Van n ắp
Cột hồi lưu ạt trơh .
CHƯƠNG 7. THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỐNG KÊ MÔ TẢ QUÁ
TRÌNH KHÍ HÓA TRẤU BẰNG LỚP SÔI CÓ CÁC HẠT TRƠ.
7.1. Thiết lập mô tả thống kê:
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong sự tác động qua lại
giữa chúng và tìm phương án phối hợp tối ưu các yếu tố đó phải thiết lập
mô tả thống kê đa biến. Các thông số đưa vào nghiên ứu thực nghiệm đa c biến ảnh hưởng đến nhiệt trị của khí gồm:
1. Tỉ lệ không khí và trấu: quyết định nhiệt trị của khí thành phẩm, nếu lượng
khí nhiều quá sẽ dẫn đến quá trình cháy khí thành phẩm. Tỉ lệ khí và trấu được
quyết định bằng cân bằng nhiệt của phản ứng khí hóa. Phản ứng khí hóa cácbon đã biết, song quá trình khí hóa trấu bao gồm hai giai đọan với quá trình khí hóa phức tạp hơn quá trình khí hóa cacbon nên thực nghiệm với những tỷ lệ khác nhau, thay đổi tỷ lệ khí rắn có thể thực hiện bằng cách thay đổi lượng trấu
hoặc thay đổi lượng khí, vì vậy lượng trấu và lượng khí là hai đại lượng có ảnh hưởng đến nhiệt trị thể hiện qua các phản ứngkhí hóa (1-1), (1-4):
2C + O2 = 2CO C + H2O = CO + H2
và phản ứng cháy (1-2):
C + O2 = CO2
Lưu lượng khí là đại lượng tỷ lệ với vận tốc khí, ảnh hưởng đến
nhiệt trị thông qua tỷ lệ khí trấu, ngòai ra trong lò tầng sôi nó còn ảnh hưởng thông qua độ phân tán của nhiên liệu trong lò, năng ấtsu chuyển
nhi , chuyệt ển khối ủa l c ò. Vì đo vận tốc dễ hơn nên chọn vận tốc là yếu tố tác động thay cho lưu lượng khí.
2. Lượng nước tham gia phản ứng (biểu thị qua độ ẩm của trấu). 3. Hàm lượng các hạt trơ.
Các yếu tố trên có liên quan lẫn nhau và được điều khiển thông qua
Sau khi phân tích lý thuyết, mô hình nghiên cứu thực nghiệm có dạng hộp đen
kk (x1) mtr (x2) % (x3) mc (x4)
Hình 7.1. Mô hình bài toán hộp đen.
Các thông số đầu vào:
1. Vận tốc khí trong buồng khí hóa (m/s)
2. Lưu lượng trấu cấp vào buồng khí hóa (kg/h)
3. Độ ẩm của ấu (%)tr 4. Lưu lượng ạt trơh (kg/h) Các thông số đầu ra
1. Chênh lệch nhiệt độ khí trước buồng cháy và sau buồng cháy.
Lập mô hình thống kê thực nghiệm bậc 1. Xác định miền nghiên c ứu
Phương án thực nghiệm bậc 1 có dạng trực giao. Đây là phương án thực
nghiệm được thiết kế có hai mức đối xứng ở tâm với miền thực nghiệm
giới hạn trong khoảng ữa điểmgi trên (có giá trị mã hóa là +1) và điểm dưới (có giá trị mã hóa là -1).
Miền nghiên cứu của các thông số nghiên cứu đầu vào được lựa chọn
dựa trên k quết ả nghiên cứu lý thuyết về thiết bị khí hóa. Để đảm bảo tính
chất tuyến tính, miền thực nghiệm được lấy bằng từ 30 ÷ 50 % khoảng
cách vùng thực sự ảnh hưởng và đảm bảo các điểm thực nghiệm thực sự là
khác nhau khi đo đạc thông số vào. 1. Vận tốc khí:
Theo [1], vận tốc của dòng khí đảm bảo để lôi cuốn trấu đủ theo điều
kiện cháy hoàn tòan là e=3m/s. Chọn vận tốc không khí tại đầu vào của
HỘP ĐEN
ejector ( 16) e=3 4m/s. Thân lò chọn đường kính trong 42 là lọai ống gang đúc có sẵn trên thị trường. Như vậy vận tốc của dòng khí trong tháp khí hoá là
= e.(16/42)2=0,44 0,6m/s. Chọn =0,6 0,8m/s
Lưu lượng khí qua lò: Vkk= . .2/4=0,6. .0,0422/4=8,3.10-4m3/s
2. Lưu lượng trấu:
là đại lượng ảnh hưởng đến nhiệt trị thông qua tỷ lệ khí trấu.
Thành phần hóa học của trấu theo [21] cho ở bảng 7-1; theo [22], [23] cho ở bảng 7-2.
Lưu lượng trấu được quyết định bởi lưu lượng không khí thổi qua lò theo cân bằng vật chất của quá trình khí hóa:
Giả sử cân bằng nhiệt đủ để tạo khí thì tính lượng khí cần thiết cho khí hóa theo các phản ứng:
2C+O2+3,8N2=2CO+3,8N2+218,72MJ/kmol.
2.12 g cacbon tác dụng hết với 2.16g Oxi kèm theo 3,8.2.14 Nitơ. Trong SO4 có 32g S và 64g Oxi.
Nếu như cho rằng S tồn tại trong vỏ trấu dưới dạng sunphat do rễ cây
hút muối khóang từ đất lên thì phần Oxi trong bảng trên có 0,07.2=0,14% là hợp chất sunphat, số còn lại: 31,72-0,14=31,58 sẽ liên kết với C thành CO.
Theo tỷ lệ: Oxi/C=16/12 ựơng oxi cần cho khí hóa 100kg trấu ll à: (42,12-31,58.12/16).16/12=24,58kg
Theo tỷ lệ: không khí khô/C=(3,8.2.14+2.16)/12 lựơng không khí cần
cho khí hóa 100kg trấu là:
(42,12-31,58.12/16).(3,8.2.14+2.16)/12=212,617 kg. Thể tích không khí khô cần cho khí hóa 100 kg trấu là:
212,617/1,24=171,2m3.
Bảng 7-1 Thành phần hóa học, nhiệt trị của trấu. (Nguồn FAO Thailan)
C % H % N % O % S % Tro % Nhiệt trị MJ/kg Cố định 42,12 5,31 0,49 31,72 0,07 20,29 15,8 20
Bảng 7-2 Thành phần hóa học của trấu. (Nguồn FAO Philipine)
Độ ẩm % Cacbon cố định Tro % Chất bốc % Khối lượng riêng đống [kg/m3] 8,12 11,54 19,2 20,67 16,42 18,34 61,1 64,37 105 107
Tỷ lệ không khí khô/trấu theo yêu cầu của công nghệ khí hóa là: X=171,2/100=1,712m3kkk/kg tr . ấu
Lượng trấu tương ứng với lượng không khí khô nói trên: mtr = Vkk/ X =8,3.10-4/ 1,712= 4,8.10-4 kg/s=1,7kg/h Chọn mtr=2 3kg/h.
Cường độ thể tích của lò buồng [60]: q=350 1400kW/m3. Giá trị trung bình q=880 kW/m3.
Nhiệt trị của trấu: QH=15800kJ/kg.
Kiểm tra thể tích lò cần thiết để đốt hết lượng trấu đã chọn:
Vlo=F.l = mtr.QH/q.
( /4).0,0422.l=4,8.10-4.15800/1400.
l=4,8.10-4.14800.4/( .1400. 0,0422)=3,8m.
Như vậy kích thước lò phù hợp với yêu cầu thí nghiệm.
3. Độ ẩm của trấu:
Ảnh hưởng đến nhiệt trị thể hiện qua phản ứng khí hóa cacbon (1-1): 2C + O2 = 2CO + 218,8 MJ/kmol cacbon
Phản ứng trên sinh nhiệt, để cho khí thành phẩm có nhiệt trị cao, phải sử dụng
nhiệt phản ứng trên cho một phản ứng khí hóa cacbon thu nhiệt (1-4): C + H2O = CO + H2 - 132,57 MJ/kmol cacbon
Ho (1-5): ặc
C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 89,5 MJ/kmol cacbon.
Nếu không kể đến tổn thất nhiệt và nhiệt nung nóng nitơ trong không khí tham gia phản ứng thì nhiệt trị của quá trình khí hóa cacbon đạt cao
nhất khi tỷ lệ giữa phản ứng (5-1) và (5-4) ở giá trị tổng nhiệt phản ứng của
chúng bằng không, tức là có một tỷ lệ nào đó của nước và không khí làm cho nhiệt trị đạt giá trị lớn nhất [64]
H2 +1/2 O2 H2O, H=-241,8 kJ/mol (phản ứng sinh nhiệt). C+1/2 O2 CO , H=-110,5 kJ/mol (phản ứng sinh nhiệt). -H2 -1/2 O2 + C+1/2 O2 - H2O+ CO , H=131,3 kJ/mol. C+ H2O CO+ H 2, H=131,3 kJ/mol. (phản ứng thu nhiệt).
Như vậy khi khi hóa than cần thêm nước vào để được sản phẩm khí có
nhiệt trị cao.
C+1/2 O2 CO -110,5kJ/mol.
C+ H2O CO+ H 2, H=131,3 kJ/mol. Số mol nước cực đại có thể thêm vào: n=110,5/131,3=0,84mol.
Độ ẩm cho phép của than là:
0,84.(2+16)/[12.(1+0,84)+0,84.(2+16)]=18.8%.
Độ ẩm ỉ lệ nước/trấu) x= 0,1 (t 0,3. 4. Lưu lượng ạt trơh :
Là đại lượng ảnh hưởng đến chất lượng khí, nhiệt trị của khí thông qua độ phân tán của nhiên liệu trong lò, năng ấtsu chuyển nhiệt, chuyển khối
pha rắn, nhiệt dung pha rắn trong dòng [2], [84], [59].
Theo [44] khi các hạt trơ đóng vai trò xúc tác, hàm lượng hạt trơ c ảnh ó
hưởng khác nhau đến quá trình cracking hydro-; tỉ số lưu lượng hạt trơ trên
nguyên liệu l ừ 3 đến 12. Khi không đề cập đến vai trà t ò xúc tác, với vai trò
trao đổi nhiệt: theo [1], tỉ lệ ạt trơ ấu=4/1h /tr . Vì vậy chọn mc= 8 16kg/h. Các kích thước của lò như đường kính, chiều cao ảnh hưởng đến quá
trình khí hóa sẽ được nghiên cứu ở mô hình vật lý, phần quy họach thực
nghiệm không đề cập đến vấn đề này.
5. Hàm mục tiêu là chênh lệch nhiệt độ trước và sau khi cháy của khí
thành phẩm.
Giá trị của biến thực và biến mã trong kế họach thực nghiệm được ghi
trong bảng 7-3. Bảng 7-3. Biến thực và biến mã Bi Bi mã No ến thực ến Z1 Z2 Z3 Z4 x0 x1 x2 x3 x4 1 0,6 2 0,1 8 + - - - - 2 0,8 2 0,1 8 + + - - - 3 0,6 3 0,1 8 + - + - - 4 0,8 3 0,1 8 + + + - - 5 0,6 2 0,1 16 + - - - + 6 0,8 2 0,1 16 + + - - + 7 0,6 3 0,1 16 + - + - + 8 0,8 3 0,1 16 + + + - + 9 0,6 2 0,3 8 + - - + - 10 0,8 2 0,3 8 + + - + - 11 0,6 3 0,3 8 + - + + -
Bi Bi mã No ến thực ến Z1 Z2 Z3 Z4 x0 x1 x2 x3 x4 12 0,8 3 0,3 8 + + + + - 13 0,6 2 0,3 16 + - - + + 14 0,8 2 0,3 16 + + - + + 15 0,6 3 0,3 16 + - + + + 16 0,8 3 0,3 16 + + + + +
Miền thí nghiệm cho phương án thực nghiệm trực giao bậc I: Z0 1= (Z0 1max +Z0 1min)/2=(0,6 0,8)/2=0,7m/s; ZΔ 1=(0,8-0,6)/2=0,1m/s. Z02= (Z02max +Z02min)/2=(2+3)/2=2,5kg/h; ZΔ 2=(3-2)/2=0,5 kg/h. Z03= (Z03max +Z03min)/2=(0,1+0,3)/2=0,2; ZΔ 3=(0,3-0,1)/2=0,1. Z0 4= (Z0 4max +Z0 4min)/2=(8+16)/2=12kg/h; ZΔ 4=(16-8)/2=4kg/h. Chuyển sang hệ tọa độ không thứ nguyên theo công thức:
xj=(Zj -Z0j)/ ZΔ j.
Ma trận thí nghiệm theo phương án bậc I có tính trực giao. Theo tài liệu
[6], số thí nghiệm được tính theo công thức:
N = 2k + n0 (7-1)
Trong đó: k – số yếu tố vào; n0 – số thí nghiệm ở tâm để xác định phương sai thuần.
Ở đây, số yếu tố ảnh hưởng k = 4, số thí nghiệm ở tâm n0 = 3 nên s ố
thínghiệm cần phải thực hiện là:
N = 2k + n0 = 24 + 3 = 19 (7-2)
7.2. Tiến hành thực nghiệm khí hoá trấu
7.2.1. Chuẩn bị mẫu
Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm ảnh hưởng đến kết quả thí
nghiệm, vậy phải chọn nguyên liệu có tính chất thông dụng. Nguyên liệu đưa vào thí nghiệm là loại trấu xay ở các nhà máy xay năng suất 2T/h, xay
bằng ối mơn đá, được gia ẩm theo hàm lượng cần thiết.c
Bảng 7-4: Các thông số và đặc trưng cơ bản của trấu nguyên liệu .
Đặc điểm hạt Khồi lượng trấu (g) TỶ LỆ (%)
Bụi, mảnh vỡ 4 0,05 0,34 Mãnh v t 4ỡ ừ đến 2 0,91 6,2 Mảnh vỡ 2 2 13,5 Gẫy đầu 3,64 24,6 N a nguyên ử 3,33 22,5 ¾ h ạt 2,7 18,2 Hạt nguyên 1,52 10,3 Hạt nguyên 0,44 3 Hạt lúa lép 0,07 0,2 Hạt lạ 0,12 0,81 Tổng 14,78 100
Các thông số và đặc trưng chính của trấu nguyên liệu đưa vào khí