2. Phụ phẩm trong nông nghiệp và tình hình sử dụng ở nước ta
5.1. Vận tốc tới hạn của lớp sôi trấu có các hạt trơ
Vận tốc tới hạn ( th) là vận tốc khí làm cho h t bạ ắt đầu chuyển từ trạng
thái tĩnh sang trạng thái động. Thiết bị tầng sôi là thiết bị làm việc với chế độ > th. Có rất nhiều công trình nghiên cứu công bố công thức tính vận
tốc tới hạn thông qua chuẩn số Reynolds [43], [53], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74], [75]; [80] cho công thức đơn giản:
Reth= th.dtd 0,0736Ar0,625.εth(dmax/dtd)0,375 (5-1)
Phạm vi sử dụng công thức (5-1) chỉ trong vùng 20<Reth<1,5.103. Tổng quát hơn người ta có thể dùng công thức Todec [67] để tính vận tốc tới
hạn: Reth= 0,5 3 (1,75. ) 1 150 th th th Ar Ar (5-2) 5.2. V tận ốc cuốn theo
Là vận tốc khí làm cho hạt bị cuốn ra khỏi thiết bị. Ký hiệu vận tốc
cuốn theo là c. Chế độ làm việc với vận tốc >c gọi là chế độ vận tải.
Tác gi [80] cho rả ằng g ới i hạn trên của vận tốc khí đi qua lớp sôi là vận
tốc cuốn vc được xác định theo công thức:
Rec= c.dtd = 0,5 61 , 0 18 Ar Ar (5-3)
Trong [47], [51] đề cập đến ối li m ên quan giữa lượng pha rắn cuốn theo và đường kính, khối luợng riêng của hạt, vận tốc khí. Theo [74], [79] lượng pha rắn cuốn theo dòng khí K (kg/m2.s) được tính theo công thức:
2 2 ) .( . . . c td g d K =2,78.103.Rec0,56 (5-4) +Khi 0,16<Re<100: 2 2 ) .( . . . c td g d K =0.01 Rec1,15 (5-5)
Hệ số trở lực của lớp sôi được tính theo công th :ức
ξ=0,248+24/Rec+0,248(1+194/Rec)0,5 (5-6) Ở đây: Ar = . ) .( . 2 3 r td d g
- chuẩn số Arsimet.
dtd: đường kính tương đương của hạt trong lớp sôi, [m].
ν: độ nhớt động học của pha khí, [m2/s]. g: gia tốc trọng trường, [m/s2].
ρr: khối lượng riêng hạt rắn, [kg/m3].
ρ: khối lượng riêng pha khí, [kg/m3].
th: vận tốc ới hạnt , [m/s].
c: vận tốc ốn theocu , [m/s].
Re th = ( th.dtd)/ν - chuẩn số Reynolds ới hạn. t Re c = ( c.dtd)/ν - chuẩn số Reynolds cuốn theo.
5.3. Các quá trình chuy n nhiể ệt trong lớp sôi trấu có các hạt trơ.
Theo [76], xác định hệ số chuy nhi là vển ệt ấn đề quan trọng và khó khăn.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa các hạt với nhau, với vật thể trong tầng qua
các hình thức: dẫn nhiệt, chuyển nhiệt ức xạ. Trao đổi nhiệt g ữa khí v b i à hạt là đối lưu. Ảnh hưởng nhiều nhất là mật độ hạt trong không gian vận
chuyển. Điều đó liên quan mật thiết với vận tốc khí.
Đây là quá trình chuyển nhiệt đối lưu. Tác gi [40], [77] cho các công thả ức
tính trong các miền khác nhau:
Khi Re/ε>200 hệ số chuyển nhiệt được tính theo công thức:
Nu= .dα td/λ=0,4.(Re/ )ε 0,67.Pr0,33 (5-7)
Khi Re/ε>200 hay Ar>106 hệ số chuyển nhiệt được tính theo công thức :
Nu=0,26.(Ar.Pr)0,33 (5-8)
Khi Re/ε<200 hay Ar<106 hệ số chuyển nhiệt được tính theo công thức :
Nu=0,016(Re/ε)0,33.Pr0,33 (5-9)
Ở đây:
λ ệ số dẫn nhiệt của khí-h , [W/m.oK].
ε độ xốp của tầng sôi. -
Các nghiên cứu cho thấy chiều cao của lớp trao đổi nhiệt rất bé. Nếu đường kính hạt dth<2mm thì chiều cao lớp trao đổi n ệt không quá 20mm, hi khí đi ra khỏi lớp đó có nhiệt độ bằng nhiệt độ hạt.
5.3.2. Chuyển nhiệt giữa dòng hạt trơ và ật thể trong d v òng.
Hệ số chuy nhiển ệt, chuyển khối ừ vật thể nằm trong tầng không t lớn, nhất là trong tầng các hạt nhỏ. Khi tăng tốc độ khí càng cao, chuyển động của ạt c h àng lớn, sự xáo ộn bề mặt c tr àng lớn và hệ số ch ểuy n nhiệt
cũng tăng theo. Tuy nhiên nó chỉ tăng đến giá trị lớn nhất rồi từ từ giảm. Điều đó được giải thích bằng sự tăng độ xốp trung bình trong cả tầng dẫn đến tăng thời gian giữa hai lần va chạm của hạt trong tầng với vật thể trong
tầng. Trong lò phản ứng cần thiết có giá trị trao đổi nhiệt cao, tương ứng
với giá trị chuyển khối cao để duy trì quá trình phản ứng. Hệ số chuy ển
nhiệt còn phụ thuộc vào đường kính hạt trơ, nồng độ hạt trơ.
5.3.3. Đường kính hạt trong lớp và độ xốp của hạt trong lớp
Khi tăng đường kính hạt và độ xốp, hệ số chuy nhiển ệt giảm. Điều đó được lý giải bằng số lần tiếp xúc và số điểm tiếp xúc giảm. Để đánh giá
đại lượng αmax người ta coi chiều dày hiệu ụng của khe khí có thể tích d bằng thể tích của khe giữa bề mặt và mặt cắt qua tâm hạt:
δc=0,5.d. ε
Khi đó hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể v ầng là t à:
αmax= / λ δc=2. / d.λ ε (5-10)
Hay là:
Numax=( αmax .dtd)/λ =2/ε ~4 (5-11) Chuy nhiển ệt giữa các vật thể nhỏ (so với đường kính hạt trong tầng) bị ảnh hưởng bởi độ cong bề mặt của nó. Trở lực nhiệt lúc đó Rt là trở lực
nhiệt của hình cầu c đường kính ngoó ài là dn.
Rt=d(1-d/ dn)/2λ (5-12)
Nếu như xác định từ thể tích bọt khí, th ệ số chuyển nhiệ ớn nhất ì h t l từ vật thể có đường kính bằng đường kính hạt trong tầng tính từ công thức :
Numax=( αmax .dtd)/ =2/[1-(1- )λ ε 0,5] ~10 (5-13) Khi thực hiện công nghệ ở tốc độ >0,5 c sẽ có hiện tượng cuốn
phần lớn hạt ra khỏi thiết bị. Hệ số chuy nhiển ệt lớn nhất nhận được khi
>0,5 c. Khi tăng đường kính hạt và tăng nhiệt độ, tốc độ tối ưu gần với
tốc độ cuốn theo. Ở những tốc độ vượt qua tốc độ tối ưu, các hạt đa phân tán thường đạt được độ đồng nhất trong không gian. Ở tốc độ nhỏ dễ thấy
sự phân tầng các hạt to, nhỏ. Khi nhiệt độ trung bình vượt quá 800oC bắt
đầu có ảnh hưởng của bức xạ. Khi đó hệ số chuyển nhiệt ần phải tính c thêm phần bức xạ:
αbx=7,3.k0.εh .εT.T3.
Trong đó:
k0: hằng số Stefan-Bonzman εh :độ đen của hạt
T: nhiệt độ bề mặt vật thể εT :độ đen của vật thể
Trong tầng các hạt rất nhỏ thì chuẩn số Ar tiến gần tới không
(Ar 0), tốc độ dòng khí xuyên qua lớp hạt rất nhỏ, khi đó chuy nhiển ệt đối lưu nhỏ hơn dẫn nhiệt. Hệ số chuyển nhiệt lớn nhất xác định từ công
th : ức
Numax=10+0,23.(Ar.Pr)0,33 (5-14)
Trong đó:
Pr=(C. . )/ là chuρ λ ẩn số Prandlt c ả khí; u C- nhiệt dung riêng của khí, [J/kg.oK];
Một số thí nghiệm đã chỉ ra rằng hệ số chuy nhiển ệt từ vật thể cố định và vật thể cuốn trôi là như nhau. Khi khối lượng riêng của vật thể bị
cuốn trôi khác nhiều với vật thể trong tầng, công thức trên sẽ kém chính
xác. Nếu nặng hơn nó chìm dưới tầng thì hệ số chuy nhiển ệt sẽ lớn hơn.
Nếu nhẹ hơn, nó nổi lên trên tầng và hệ số chuy nhiển ệt sẽ nhỏ hơn.
5.3.5. Ảnh hưởng của độ xốp tầng sôi đến chế độ trao đổi nhiệt
Độ xốp của tầng sôi thay đổi theo tốc độ khí:
ε ε = th(v/vth)a (5-15)
Ở đây a = 0,07.Ar0,031 (5-16)
Độ xốp của tầng sôi ổn định theo chiều cao. Chỉ ở gần vùng trên mật độ hạt giảm theo hàm mũ và tiến tới không. Tại vùng này hệ số chuyển
nhi giệt ảm rất nhanh, tỷ lệ thuận với nồng độ pha rắn trong khí.
Khi >0,34 c các hạt bé bị cuốn lên phía trên, các hạt nhỏ bị mang ra
khỏi thiết bị. Nếu thu lấy những hạt đó cấp lại phía dưới tầng sẽ được tầng
sôi ổn định. Chế độ đó được gọi là tầng sôi tăng cường vì các quá trình công nghệ xảy ra với cường độ độ lớn.
Như vậy:
Khí hóa trấu là điều cần thiết vì giải quyết đồng thời vấn đề môi trường và kinh tế. Do có các đặc tính riêng: khối lượng riêng th diấp, ện tích
bề mặt riêng lớn, ấu tạo dạng bản mỏng nc ên ít bị phân tán dưới tác động
của dòng khí nên phương pháp khí hóa trấu hiệu quả nhất là sử dụng lò tầng sôi có tuần hoàn các hạt trơ.
Khí hóa trấu trong lò tầng sôi có tuần hoàn các hạt trơ được thực
hiện dưới chế độ tăng cường, các quá trình chuyển khối, chuy nhiển ệt xảy
ra với cường độ lớn.
Công thức tính vận tốc tới hạn th là (5-1) và (5-2). Vận tốc cuốn c được xác định theo công thức (5-3).
Lượng pha rắn cuốn theo K được tính theo công th (5-4) và (5-5). ức
Hệ số trở lực của lớp sôi được tính theo công thức (5-6).
Chuyển nhiệt giữa khí và hạt tính theo công thức (5-7), (5-8) và (5-9). Hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể v ầng tính theo công thức à t (5- 10) và (5-11).
Hệ số chuyển nhiệt lớn nhất từ vật thể có đường kính bằng đường kính
hạt trong tầng tính từ công thức (5-13).
Hệ số chuy nhiển ệt lớn nhất nhận được khi >0,34c.
Hệ số chuy nhiển ệt lớn nhất giữa những vật thể có kích thước nhỏ xác định từ công thức (5-14).
Hệ số chuy nhiển ệt từ vật thể cố định và vật thể cuốn trôi là như nhau.
CHƯƠNG 6. B TRÍ THIỐ ẾT BỊ THỰC NGHIỆM
6.1. Yêu cầu về hệ thống thiết bị thí nghiệm
Để quá trình thực hiện các thí nghiệm khí hoá trấu bằng không khí ẩm được chính xác và để có thể xác định được các thông số công nghệ của
quá trình, hệ thống thí nghiệm phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật chính như sau:
Hệ thống phải đảm bảo khả năng làm việc lâu dài, đủ tin cậy.
Hệ thống phải đảm bảo kín, tránh rò khí sản phẩm phản ứng ra bên ngoài.
Hệ thống phải đảm bảo được khả năng điều khiển ận tốc khí ễ v d dàng.
Hệ thống phải đảm bảo được khả năng điều khiển nhiệt độ phản ứng dễ dàng.
Hệ thống phải đảm bảo tác nhân khí hoá là nước và không khí được
cấp vào lò ổn định và có thể điều chỉnh được theo yêu c ầu.
Xác định được các thông số công nghệ trong quá trình phản ứng
một cách nhanh chóng và thuận lợi nhất.
Hệ thống đơn giản, tin cậy và dễ thao tác vận hành.
Để đảm bảo được các điều kiện trên, đã xây dựng được hệ thống
6.2. Hệ thống thí nghiệm gồm có
1-Quạt đẩy
2 và 4-Van điều chỉnh lưu lượng.
3 và 5-Đồng hồ đo vận tốc pha khí
6-Thiết bị gia nhiệt sơ bộ
7, 14, 16-Nhiệt kế.
8-Máy tiếp liệu ấutr .
9-Ejector
10-Van x hả ạt trơ.
12-C hột ồi lưu ạt trơh .
11- Máy tiếp liệu ạt trơh
13-Xiclon.
15-Buồng đốt khí
17-Hệ thống đường ống.
18-Tháp khí hóa
6.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị thí nghiệm khí hoá trấu
bằng không khí ẩm
Với mục đích xác định đặc trưng chuyển động, lập công thức mô
tả hệ số chuy nhiển ệt, hệ số chuyển khối trong thiết bị và nhiệt trị của
khí thành phẩm, xác định điều kiện để đạt nhiệt trị lớn nhất, phải xây
dựng mô hình thực nghiệm có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp các thông
số về chuyển khối, chuyển nhiệt. Việc đo thành phần khí sản phẩm trong
thiết bị mô hình rất khó khăn, kém chính xác và tốn kém vì trong quá trình phản ứng nhiệt phân, khí hóa có rất nhiều hợp chất khí [9], [41], trong khi mục đích của đề tài nghiên cứu chủ yếu quan tâm đến nhiệt trị
của khí sản phẩm. Việc xác định nhiệt trị của khí sản phẩm thông qua
chênh lệch nhiệt độ của khí thành phẩm và nhiệt độ khói lò khi cháy hoàn toàn khí sản phẩm đó.
Trên hình 6.1 mô tả hệ thống thiết bị thí nghiệm khí hóa trấu ồm g các nguồn cấp sau:
Nhiện liệu rắn được định lượng bằng máy ấp ệ c li u kiểu rung động
(8). Cơ cấu gây rung là cuộn nam châm điện xoay chiều hút lõi sắt làm cho lõi sắt từ chuyển động tịnh tiến qua lại có ần số đổi chiều chuyển động t
b ng tằ ần số của dòng xoay chiều chạy qua cuộn nam châm. Lõi sắt từ được
liên kết với khay rung có phương chuyển động trùng với nhau. Năng ấtsu c máy tiủa ếp liệu được đ ều chỉnh thô ằng độ mở cao, thấp của cửa xả đáy i b bunker cấp liệu v điều chỉnh tinh ằng biên độ dao động của sàng (được à b khống chế bằng điện áp trên cuộn nam châm điện). Như vậy lượng hạt được tải qua máy tiếp liệu được hiển thị bằng ố ạch trên núm điều s v chỉnh
điện áp trên cuộn dây cảm ứng của nam châm điện và số vạch chỉ thị
kho ng cách tả ừ van lá của bun-ke tiếp liệu đến mặt khay rung. Nhiên liệu
rắn được định lượng qua máy tiếp liệu ơi r xuống ống dẫn vào đáy tháp
phản ứng
u ( ) qua ngã ba theo 2 nhánh:
Không khí được q ạt 1 đẩy
1-Nhánh thứ nhất qua van điều chỉnh ưu ượng l l ( ) và thi4 ết bị biểu
th vị ận tốc không khí ( ) qua thi5 ết bị gia nhiệt sơ bộ ( ) (nh6 ằm nâng và duy trì nhiệt độ trong tháp đạt nhiệt độ phản ứng) vào đáy tháp khí hóa.
Nhiệt kế ( ) bi7 ểu ịth nhiệt độ không khí trước khi vào đáy tháp khí
hóa. Tháp khí hóa ( ) là 18 ống thép hình trụ được bảo ôn bên ngoài, đường
kính trong 42mm, dài 4mΦ đặt thẳng đứng. Đáy tháp có bố trí ejector ( ) 9
để trộn, vận chuyển nhiên liệu rắn và hạt trơ lên phía trên. Trong quá trình vận chuyển ảy rax quá trình trao đổi nhiệt từ hạt trơ sang nhiên liệu rắn để đạt nhiệt độ nhiệt phân, khí hóa nhiên liệu rắn và cháy nhiên li khí. ệu Xyclon để thu hồi các hạt chưa cháy hết và hạt trơ cấp trở lại vào đáy tháp
qua c h lột ồi ưu ạt trơ h ( ). C12 ột ồi ưu ạt trơ đóng vai trh l h ò của xiphong ngăn không cho không khí thổi ngược vào đáy xiclon Lưu ượng ạt trơ. l h
đượ điều chỉnh qua c máy tiếp liệu ạt trơh . Khí ra khỏi xiclon được cấp vào buồng đốt, nhiệt độ của khí trước khi vào buồng đốt được biểu thị nhiệt độ
qua nhiệt kế ( ) 14
2-Nhánh thứ hai qua van điều chỉnh ưu ượng l l ( ) và thi2 ết bị biểu thị
là một ống thép có lót lớp cách nhiệt và chịu nhiệt. Nhiệt độ khí sau ồng bu
đốt được hiển thị qua nhiệt kế (16).
6.4. Mô tả hoạt động của hệ thống thí nghiệm
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