Khác với lò đốt truyền thống, khoang cacbon hóa ở lò NFI 50 làm việc theo 3 chức năng: chức năng khí hóa, chức năng tạo thành biochar, chức năng đốt khí sinh ra nhƣ buồng đốt thứ cấp (buồng đốt 2). Nhƣ vậy, bài toán sẽ rất phức tạp. Thể tích của khoang cacbon hóa sẽ bằng tổng của thể tích chứa than biochar, thể tích để cháy phần khí hóa và thể tích không gian để cháy khí sinh ra từ khoang cháy. Tuy nhiên, trên thực tế ở khoang cacbon hóa có thể không xảy ra 100% của quá trình cacbon hóa cũng nhƣ không xảy ra 100% quá trình khí hóa. Để đơn giản cách tính ta có thể coi thể tích khoang cacbon hóa bằng thể tích sao cho khí thải sinh ra từ khoang cháy có thể lƣu trong 2s. Nhƣ vậy, thể tích khoang cacbon hóa đƣợc tính theo công thức sau:
3600 . 273 273 . III kt III t T V V
trong đó: Vkt - lƣợng khí thải sinh ra ở khoang cháy, tính ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất 1at, nhiệt độ 0 0 ). Thể tích khí sinh ra Vkt=20,19 m3/h
T - nhiệt độ khí thải ở buồng cacbon hóa, T = 10000C.
tIII- thời gian lƣu của khí thải trong buồng cacbon hóa, s. Lấy t = 2s Thay số vào công thức (3.5) ta đƣợc:
3 0 0052 , 0 2 . 273 1000 . 19 , 20 . 273 . m t T V V k
3.2.5. Tính toán thể tích bếp t (V)
hức năng của bếp đốt nhằm để đốt mồi ban đầu cho quá trình cháy. Khi quá trình cháy đã xảy ra và hoạt động ổn định, thể tích của bếp đốt dành cho việc tích trữ tro, đồng thời cũng làm nóng không khí đƣợc cấp vào lò để duy trì quá trình cháy. Nhƣ vậy, có thể tính toán thể tích bếp đốt nhƣ việc tính toán thể tích để chứa tro nhƣ các lò đốt thông thƣờng. Thể tích chứa tro đƣợc tính cho thời gian lƣu giữ đƣợc 1 ngày sẽ đƣợc tính toán theo công thức sau:
t A t t V B x m V 24. .
Trong đó: mt- khối lƣợng tro xỉ, kg;
xA - độ tro, %. Lấy xA = 15 %.
t - tỷ khối của tro, xỉ ( kg/m3), t = 247,37 kg/m3. B - năng suất xử lý, kg/h, B=2,5 kg/h
Thay số vào công thức (3.6) ta có: VV=0,0362 m3. Hay 36,2 lít
3.2.6. Cấu tạo và quy trình v n hành của lò NFIC50
ũng nhƣ các hệ thống thiêu đốt CTR khác, hệ thống lò NFIC50 cần thiết phải có các phần chính nhƣ sau: cơ cấu cấp nguyên liệu (ở đây là TRNH); các khoang đốt nhƣ buồng sơ cấp và buồng thứ câp, buồng chứa tro của quá trình thiêu đốt và cuối cùng là hạng mục xử lý khí thải sinh ra.
Trong hình vẽ dƣới đây mô tả các hạng mục chính của hệ thống lò NFIC50.
Hình 3.4. Hệ thống lò NFIC50
Chú thích: I – Khoang tiếp nhận chất thải rắn; II – Khoang sấy; III – Khoang cacbon hóa, IV – Khoang cháy; V – Bếp đốt; VI – Tháp hấp thụ; VII – Bể chứa dung dịch hấp thụ; VIII – Ống khói. 1 – Tấm chắn; 2 – Lỗ đo độ ẩm; 3, 5–Thanh ghi 1; 4, 6 – Lỗ đo nhiệt độ; 7 – Vòi phun; 8, 9 – Khay tƣới; 10 – Van xả cặn; 11- Bơm dung dịch hấp thụ; 12 – Quạt hút khí thải; K – đƣờng khí; N – đƣờng nƣớc.
3.2.7. Nguyên lý hoạt ộng củ lò t không nhiên liệu thực nghiệm
ấu tạo của Lò đốt nguy hại dạng cột không dùng nhiên liệu NFI 50 (xem Hình 3.4) bao gồm: lò đốt NFI , tháp hấp thụ và ống khói.
Hệ thống lò đốt cấu tạo bởi các hạng mục nhƣ sau:
Khoang tiếp nhận chất thải rắn (I) ở trên cùng có cấu tạo miệng phễu, đƣợc ngăn cách với khoang còn lại bằng tấm chắn 1 có thể tháo lắp giúp cho
trong khoang này trong quá trình đốt có thể lên tới 70o giúp sấy một phần chất thải rắn trƣớc khi chất thải rắn đƣợc nạp vào khoang sấy (II). Trong quá trình đốt, sau khi nạp rác, tấm chắn phải luôn trong trạng thái đóng để đảm bảo không khí đi vào lò theo hƣớng từ dƣới lên giữ hiệu quả tối đa cho quá trình cháy.
Tiếp đến là khoang sấy với nhiệt độ duy trì từ 80 – 125o . Tại đây có trang bị đƣờng ống dẫn khói đến tháp hấp thụ (VI). Phía dƣới ngăn cách với khoang cacbon hóa (III) bằng thanh ghi 3 có thể tháo lắp, dùng để giữ rác lại trong khoang sấy, đảm bảo rác đƣợc sấy đủ thời gian trƣớc khi đƣợc đƣa xuống khoang cacbon hóa. Phía dƣới ống dẫn khói có lỗ đo độ ẩm 2 để lắp thiết bị kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ tại khoang này.
Khoang cacbon hóa đƣợc đặt dƣới khoang sấy với nhiệt độ vào khoảng từ 300 đến 500o . Sau khi rác đƣợc sấy khô sẽ đƣợc rơi tự do hoặc đƣợc nạp vào khoang cacbon hóa bằng thao tác tháo, lắp thanh ghi 3. Khoang cacbon đƣợc ngăn cách với khoang cháy (IV) bằng thanh ghi 5 có mắt ghi mau hơn thanh ghi 3 nhằm đảm bảo rác đƣợc giữ trong khoang đủ thời gian đảm bảo quá trình cacbon hóa diễn ra hiệu quả. Tại đây cũng có lỗ đo nhiệt độ 4 để lắp nhiệt kế kiểm soát nhiệt độ.
Khoang cháy đƣợc đặt phía trên bếp đốt (V). Quá trình đốt cháy rác chủ yếu sẽ xảy ra tại khoang này với nhiệt độ dao động từ 800-1200o
C. Bên ngoài khoang cháy đƣợc bọc một lớp bông thủy tinh cách nhiệt. Rác sau khi đƣợc cacbon hóa sẽ rơi tự do vào khoang này hoặc đƣợc nạp vào bằng thao tác với thanh ghi 5. Phía dƣới có lắp một lớp ghi mau hơn thanh ghi 5 nhằm giữ rác lại khoang cháy đảm bảo rác đƣợc đốt cháy hiệu quả. Tại đây cũng có lỗ đo nhiệt độ 6 để lắp nhiệt kế kiểm soát nhiệt độ.
Bếp đốt (V) có hình lập phƣơng bên trong đƣợc làm từ gạch chịu lửa Sa mốt , phía ngoài bọc inox. Bếp đốt đƣợc trang bị một cửa thao tác giúp việc tháo tro và đốt mồi trở nên thuận tiện. Tại khoang cacbon hóa, khoang cháy và bếp đốt có van chỉnh gió Q1, Q2 và Q3 để điều chỉnh tốc độ quá trình sấy, cacbon hóa và cháy.
Tháp hấp thụ (VI) có cấu tạo hình trụ, với đƣờng dẫn khí (K) và đƣờng dẫn dung dịch hấp thụ (N). Đầu ống dẫn khí sẽ đƣa khí thải từ cạnh gần đáy tháp đi lên tới đỉnh tháp. Ngƣợc lại, dung dịch hấp thụ sẽ đƣợc bơm lên dàn phun 7 và bơm vào bên trong tháp, bên trong thân tháp có lắp hai khay tƣới 8 và 9 để đảm bảo phân phối nƣớc tiếp xúc tối đa với dòng khí bên trong. ung dịch hấp thụ đƣợc bơm tuần hoàn liên tục vào tháp hấp thụ và chảy ra theo ống thoát ở cạnh gần đáy. Bên dƣới tháp có bố trí van xả cặn 10.
Phần cuối cùng của Hệ thống lò đốt là ống khói (VIII); ống dẫn khí từ tháp hấp thụ sẽ đƣợc nối với quạt hút gió sau đó tới ống khói của hệ thống.
Nguyên lý hoạt động:
Bắt đầu vận hành, tiến hành đốt mồi tại bếp đốt (V), mở van chỉnh gió số 03 và bật quạt hút khí 12. Vào thời điểm này, tiến hành nạp rác vào khoang (I). Khi nhiệt độ đạt đến mức yêu cầu theo từng khoang, tiến hành nạp rác vào khoang sấy (II) rồi lần lƣợt các khoang sau đó khi đã trải qua đủ thời gian cho từng quá trình. Sau khi rác đã cháy, cần liên tục nạp rác và chỉnh van gió tại từng khoang sao cho duy trì nhiệt độ và tùy thuộc vào độ ẩm của rác, lúc đó rác sẽ tự cháy theo nguyên lý “hút thuốc” từ đáy khoang cháy lên trên.
Không khí nóng trong lò đốt từ khoang cháy đi lên phối trộn với không khí tự nhiên sẽ sấy chất thải đến độ ẩm thích hợp nhằm nâng cao hiệu suất đốt và tăng nhiệt độ của chất thải trƣớc khi vào khoang cacbon hóa. Tại khoang cacbon hóa, chất thải bắt đầu quá trình khí hóa và cacbon hóa tạo thành than (charcoal). Quá trình này xảy ra rất nhanh tùy thuộc vào nhiệt độ trong khoang khí hóa (khoảng 10-15 phút). Ở cuối quá trình này bắt đầu quá trình cháy. Ở khoang cháy, tùy theo lƣợng không khí cấp vào có thể điều khiển tốc độ cháy nhanh hay chậm để đảm bảo công suất.
Khí và tro bay sẽ theo đƣờng khí từ khoang cháy qua khoang cacbon hóa tới khoang sấy rồi đi sang tháp hấp thụ (VI). Tại tháp hấp thụ, dung dịch hấp phụ đƣợc bơm dung dịch hấp thụ 11 vào vòi phun 7. Khí thải đƣợc đƣa vào tháp hấp thụ ngƣợc chiều tiếp xúc với dung dịch hấp thụ đƣợc phun đều trong không gian trong tháp hấp thụ. Khí thải sẽ đƣợc quạt hút 12 đƣa tới ống
khói (VIII) còn dung dịch sẽ đƣợc tuần hoàn ra bể chứa dung dịch (VII). Tro bên trong tháp hấp thụ định kỳ sẽ đƣợc tháo bằng van xả cặn 10. Khí thải sau khi đƣợc tách tro, xử lý hấp thụ và giảm nhiệt độ sẽ đƣợc hút sang ống khói và đƣa ra ngoài.
3.3. THỰC HIỆN THỬ NGHIỆM TRÊN LÒ ĐỐT NFIC50
3.3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh h ởng củ ộ ẩm rá ến quá trình cháy rác
Lấy một số mẫu rác thải hỗn hợp, tiến hành phân tích độ ẩm của các mẫu rác thải này để xác định độ ẩm của rác trƣớc khi đƣa vào lò đốt, ta đƣợc kết quả ở bảng 3.8.
Bảng 3.8. Kết quả độ ẩm của mẫu rác thí nghiệm
TT Mẫu Khối lƣợng mẫu trƣớc khi sấy (kg)
Khối lƣợng mẫu sau khi sấy (kg)
Độ ẩm (% ) 1 M1 2,43 2,32 4,5 2 M2 2,1 1,81 13.8 3 M3 2,5 2,24 10.4 4 M4 2,6 2,45 2.8 5 M5 2,23 2,03 8.9 6 M6 2,24 2,01 10.3 7 M7 2,97 2,56 11.7 8 M8 3,3 2,96 10.3 9 M9 2,69 2,6 3.3 10 M10 2,23 2,01 9.9
Thành phần mẫu rác:
+ Nhựa, cao su (chai nhựa, găng tay, ống hút thí nghiệm hóa học ....) + Bông, gạc
+ Ống tiêm + Rác hỗn hợp
Sau khi sấy xong , rác đƣợc cho vào lò đốt để thực hiện quá trình đốt rác, sau đây là thời gian đốt rác.
Bảng 3.9. Thời gian đốt rác của mẫu rác đã đƣợc sấy
TT Mẫu Thời gian bắt
đầu
Thời gian kết thúc Tổng thời gian (phút) 1 M1 9h39 10h32 43 2 M2 10h50 11h22 32 3 M3 14h02 14h44 42 4 M4 15h05 15h53 48 5 M5 9h03 9h40 37 6 M6 9h51 10h26 35 7 M7 10h39 11h29 50 8 M8 14h05 15h03 58 9 M9 15h15 16h07 52 10 M10 9h03 9h36 33
Sau khi đi đốt mẫu rác đã đƣợc sấy, tiếp tục lấy các mẫu rác thí nghiệm nhƣng lần này không sấy trƣớc mà đƣa luôn vào lò đốt thực hiện quá trình đốt
để xem ảnh hƣởng của độ ẩm vào quá trinh đốt cũng nhƣ quá trình sấy và cacbon hóa. Lấy cùng khối lƣợng mẫu trƣớc khi sấy để cùng so sánh .
Bảng 3.10. Thời gian đốt rác của mẫu rác chƣa đƣợc sấy vẫn còn độ ẩm
TT Mẫu Khồi lƣợng (kg) Thời gian bắt đầu Thời gian kết thúc Tổng thời gian (phút) 1 N1 2,43 9h30 10h20 50 2 N2 2,1 10h31 11h14 43 3 N3 2,5 14h02 14h53 51 4 N4 2,6 15h05 16h05 60 5 N5 2,23 9h07 9h53 46 6 N6 2,24 10h02 10h46 44 7 N7 2,97 10h51 11h53 63 8 N8 3,3 14h02 15h11 69 9 N9 2,69 15h20 16h23 63 10 N10 2,23 9h05 9h50 45
Hình 3.5. So sánh thời gian đốt rác của mẫu đã sấy và mẫu chƣa sấy
Nhận xét: Từ hình trên ta có thể thấy mẫu M và mẫu N có sự khác biệt về thời gian đốt khá là nhiều, do mẫu N vẫn còn độ ẩm trong rác nên khi cho vào đốt, lò đốt sau khi đƣợc mồi lửa vùng cháy và vùng sấy bắt đầu sấy rác, làm rác khô sau đó lò mới phản ứng cháy hoàn toàn.
Độ ẩm của rác có ảnh hƣởng rất lớn đến đến quá trình cháy rác. Việc đƣa rác có độ ẩm cao vào lò đốt khiến điều kiện cháy không đƣợc đảm bảo, làm quá trình cháy bị gián đoạn phải mất một khoảng thời gian cacbon hóa và sấy rác.
Khi độ ẩm quá lớn, hiệu quả thiêu đốt của lò sẽ bị ảnh hƣởng, năng suất giảm và lò xuất hiện nhiều khói. Khi độ ẩm của rác tăng, không những nhiệt lƣợng cần thiết để bốc hơi nƣớc trong rác tăng mà nhiệt trị của lò cũng giảm. Nhƣ vậy, hạn chế đƣợc độ ẩm của rác có thể là một biện pháp giảm mức tiêu hao nhiên liệu, cũng nhƣ thời gian thiêu đốt.
3.3.2. Kết quả nghiên cứu nhiệt ộ từng kho ng há trong lò t
Lấy 2kg rác hỗn hợp nhƣ thí nghiệm 3.3.1 đem cho vào lò đốt rác sau đó tiến hành quá trình đốt, trong quá trình đốt xác định nhiệt độ từng vùng, cứ 5 phút đo nhiệt độ 1 lần đến khi hoàn thành xong quá trình đốt rác.
43 32 42 48 37 35 50 58 52 33 50 43 51 60 46 44 63 69 63 45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thời gian (phút) Sấy Không sấy
Bảng 3.11. Bảng nhiệt độ trung bình ở vùng cháy tại các thời điểm khác nhau khi đốt 2kg rác
Thời gian (phút) Nhiệt độ trung bình (o
C) 5 230 10 367 15 1090 20 1246 25 1275 30 1033 35 923 40 714 45 533
Từ bảng 3.11 ta có thể nhận thấy nhiệt độ có sự chênh lệnh rõ rệt từng thời gian khác nhau trong quá trình đốt. Nhiệt độ trung bình khi phản ứng cháy hoàn toàn dao động khoảng từ 850 0
C-12500C. Trong vòng 10 phút đầu nhiệt độ còn thấp là do quá trình bốc hơi ẩm trong rác, thời gian mà lò đốt rác cháy tốt nhất vào khoảng từ 15 phút -35 phút.
Bảng 3.12. Bảng nhiệt độ trung bình ở vùng cacbon hóa tại các thời điểm khác nhau khi đốt 2kg rác
Thời gian (phút) Nhiệt độ trung bình (o
C)
5 55
10 120
15 326
25 535
30 680
35 775
40 440
45 250
Từ bảng 3.12 ta có thể nhận thấy nhiệt độ trong vùng cacbon hóa dao động từ khoảng từ 350ºC - 650 ºC, khi lò đốt cháy gần hết nhiệt độ vùng cacbon hóa có thể lên khoảng 700ºC - 800ºC. Ta cũng có thể thấy nhiệt độ vùng cacbon hóa tăng theo thời gian.
Bảng 3.13. Bảng nhiệt độ trung bình ở vùng sấy tại các thời điểm khác nhau khi đốt 2kg rác
Thời gian (phút) Nhiệt độ trung bình (o
C) 5 38 10 45 15 80 20 133 25 154 30 185 35 195 40 120 45 48
Nhìn vào kết quả nhiệt độ ta có thể thấy nhiệt độ vùng sấy dao dộng trong khoảng từ 800
C-200 0C. Trong quá trình đốt, vùng sấy tận dụng nhiệt trong quá trình đốt để sấy luôn rác trực tiếp trong cột tháp. Với thiết kế của lò đốt NFIC, rác đƣợc sấy luôn trong quá trình đốt sẽ giảm đƣợc đáng kể thời gian thiêu hủy.
Bảng 3.14. Bảng lƣợng nhiệt trung bình ở ống khói tại các thời điểm khác nhau khi đốt 2kg rác
Thời gian (phút) Nhiệt độ trung bình (o
C) 5 33 10 38 15 54 20 63 25 68 30 65 35 63 40 54 45 40
Nhiệt độ tại ống khói trong thời gian đốt dao động trong khoảng từ 450C-700C. Trong quá trình đốt, quạt sẽ hút khí từ cột NFIC qua tháp lắng bụi và tháp hấp thụ ƣớt kiểu xyclon, khí thải mang tính axit sau khi đi qua xyclon sẽ đƣợc trung hòa bằng dung dịch kiềm để giảm thiểu thành phần ô nhiễm đồng thời làm lạnh nhanh khí thải xuống dƣới 200° để tránh tái sinh Dioxin/Furan trƣớc khi lên ống khói đi ra ngoài môi trƣờng. Nhiệt độ ống khói cũng tỉ lệ thuận với nhiệt độ vùng cháy, vùng cacbon hóa và vùng sấy.
Nhận xét: Với cấu trúc và vận hành của lò đốt NFIC đó là nhƣ kiểu hút điếu thuốc lá, rác sẽ đƣợc cháy từ vùng đáy cột tháp và cháy dần về đỉnh cột tháp. Khi ngọn lửa bắt đầu cháy đến đỉnh cột tháp, quá trình cháy lan của rác kết thúc. Có thể thấy rõ nhiệt độ cháy ở vùng cháy tốt nhất vào khoảng
1200° , nếu nhiệt độ vùng cháy quá thấp sẽ ảnh hƣởng đến nhiệt độ vùng cacbon hóa, vùng sấy không đủ lƣợng nhiệt để hóa than sinh học cũng nhƣ