CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÒ ĐỐT CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP
V.4. Tính toán các thông số của lò
V.4.1. Cân bằng vật chất
Hình V.1: Sơ đồ cân bằng vật chất của quá trình cháy trong lò đốt Áp dụng định luật cân bằng vật chất ta có :
C H O N S Ẩm Tro
86,4 11,0 0,3 0,2 1,6 0,2 0,3
Lò đốt Chất thải
rắn
Nhiên liệu (dầuDO)
Không khí
Khói lò
Tro xỉ
Tổng khối lượng vật chất nạp vào lò sẽ bằng tổng khối lượng vật chất ra khỏi lò.
Lượng vật chất nạp vào lò gồm: Chất thải rắn công nghiệp, nhiên liệu đốt (dầu FO), không khí.
Lượng vật chất ra khỏi lò gồm: Khói lò ( b i, các khí sinh ra trong quá trình đốt, không khí thừa, ẩm...), tro xỉ.
Lượng vật chất đưa vào lò.
Ký hiệu:
- Lượng vật chất nạp vào lò: Gvào (kg/ h) - Lượng chất thải nạp vào lò: Gct (kg/ h) - Lượng nhiên liệu nạp vào lò: Gd (kg/ h) - Lượng không khí vào lò: Gkk (kg/ h)
Gvào = Gct + Gd + Gkk
a. Lượng chất thải rắn công nghiệp được đưa vào lò.
Lượng chất thải rắn được nhập vào lò đốt trong 1 giờ là : Gct = 400 kg BảngV.3 : Khối lượng đem đốt của các nguyên tố trong 400kg chất thải rắn [10]
Thành phần % khối lượng Khối lượng (kg)
C 29,016 116,064
H 3,45 13,80
O 12,79 51,16
N 0,366 1,464
S 1,064 4,256
Cl 1,284 5,136
Tro 10,03 40,12
Ẩm 42 168
b. Lượng nhiên liệu bổ sung ( FO ) vào lò Gd.
44
Gọi lượng dầu DO được bổ sung trong 1 giờ là x. Vậy Gd = x kg/h BảngV.4 : Khối lượng đêm đốt của các nguyên tố trong x kg dầu FO
Thành phần Lượng chất có trong 1kg dầu Lượng chất có trong x kg dầu
C 0,864 0,864.x
H 0,11 0,11.x
O 0,003 0,003.x
N 0,002 0,002.x
S 0,016 0,016.x
Ẩm 0,002 0,002.x
Tro 0,003 0,003.x
Vậy từ hai bảng số liệu trên ta đưa ra được bảng số liệu khối lượng tổng của mỗi chất tham gia quá trình cháy như sau :
BảngV.5 : Khối lượng mỗi chất tham gia trong quá trình cháy.
Thành phần Khối lượng (kg/ h)
C 116,064+ 0,864.x
H 13,80 + 0,11.x
O 51,16 + 0,003.x
N 1,464 + 0,002.x
S 4,256 + 0,016.x
Cl 5,14
Tro 40,12 + 0,003.x
Ẩm 168 + 0,002.x
c. Lượng không khí cần được nạp vào lò.
Để tính lượng không khí cần để cấp vào lò ta cần tính lượng O2 cần thiết cho quá trình cháy. Các chất tham gia trong quá trình cháy như sau : C, H, S, N, Cl Các phản ứng hóa học xẩy ra trong quá trình cháy như sau :
C + O2 = CO2 (1) C + O2 = CO (2) H2 + ẵ O2 = H2O (3) N2 + O2 = 2NO (4) NO + ẵ O2 = NO2 (5) S + O2 = SO2 (6) Cl2 + H2O = 2HCl + ẵ O2 (7) - Xét phản ứng 1:
Gọi lượng O2 cần để phản ứng hết với Cacbon là G1. Từ đó ta có:
G1=32.(116,064+ 0,864.x)/12 (kg/h) - Xét phản ứng 2 :
Do lò đốt làm việc ở nhiệt độ cao ( 600oC – 1100oC) và thừa O2 nên lượng khí CO sinh ra ở phẩn ứng 2 sẽ phản ứng trực tiếp với oxi trong buồng đốt thứ cấp :
CO + ẵ O2 = CO2
Vì vậy khi nhiệt độ của lò đốt được nâng lên 1100oC, lượng CO sinh ra không đáng kể ,có thể xem như CO đã phản ứng hoàn toàn với O2 tạo thanh CO2.
- Xét phản ứng 3 :
Gọi lượng oxi cần để phản ứng hết Hydro ở phản ứng 3 là G3. G3 = 32.(13,80 + 0,11.x)/4 (kg/h) - Xét phản ứng 4 :
Gọi lượng oxi cần thiết để phản ứng hết Nitơ trong phản ứng 4 là G4. G4 = 16.(1,464 + 0,002.x)/14 (kg/h) - Xét phản ứng 5 :
Hằng số cân bằng của phản ứng (4),( 5) được tính theo công thức:
Bảng V.6 : Hằng số cân bằng đối với sự hình thành NO, NO2
Nhiệt độ K Nhiệt độ oC Kp(4) Kp(5)
300 500 1000
27 227 727
7.10-31 2,7.10-18
7,5.10-9
1,4.106 4,9 0,11
46
1500 2000 2500
1227 1727 2227
1,07.10-5 0,0004 0,0035
0,011 0,0035 0,0018 Khi nhiệt độ lên đến 1100oC thì hằng số KP(4) nằm trong khoảng 7,5.10-9 – 1,07.10-5 nên lượng NO sinh ra là rất nhỏ.
Khi nhiệt độ tăng thì quá trình phân huỷ NO2 thành NO và O2 sẽ tăng lên. Ở nhiệt độ trên 650oC thì hầu như NO2 phân huỷ hết. Vậy nếu ở nhiệt độ cháy của buồng đốt có thể coi lượng NO2 bằng 0.
- Xét phản ứng 6 :
Lượng oxi cần thiết để phản ứng hết lưu huỳnh trong phản ứng 6 là G6. G6= 4,256 + 0,016.x (kg/h)
- Xét phản ứng 7 :
Gọi số mol Cl2 tham gia phản ứng là y, lượng O2 sinh ra là G7. G7 = 16 .5,14y/71 (kg/h)
- Lượng O2 có sẵn trong chất thải và nhiên liệu là :
G8 = 51,16 + 0,003.x (kg/h)
Lượng Oxy lý thuyết cần dùng để đốt cháy hết 400 kg chất thải công nghiệp nguy hại trong 1 giờ được tính bằng tổng lượng Oxy cần cho các phản ứng (1, 3, 4, 5, 6) trừ đi lượng Oxy sinh ra ở phản ứng 7 và lượng Oxy có trong chất thải và dầu FO.
Gọi lượng O2 trên lý thuyết cần cho quá trình đốt là . Ta có : = G1 + G3 + G4 + G6 - G7 - G8
= 374,67 + 3,15.x – 1,16.y (kg/h)
Để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn thì lượng Oxy cung cấp cần dư so với lý thuyết. Hệ số dư Oxy cung cấp để đốt cháy dầu FO nằm trong khoảng 1,10 – 1,50 . Do lượng Oxy cung cấp vào lò có nhiệm vụ duy trì quá trình cháy cho cả dầu và chất thải rắn, chọn hệ số dư Oxy α = 1,5.
Vậy lượng Oxy thực tế ( ) cấp vào lò là:
(kg/h)
Trong không khí, O2 chiếm 21% thể tích, khối lượng riêng của O2 là , khối lượng riêng của không khí là 1,293 (kg/ m3), khối lượng ẩm trong không khí là 0,015 (kg/kgkhông khí khô). [6]
= 0,21.1,4289/1,293 = 0,2321 Gkktt : Lượng không khí khô thực tế cần cấp vào lò.
Vậy lượng không khí cần cung cấp :
Gkktt = 2421 + 20,38.x – 7,50.y Lượng không khí ẩm (Gkk ẩm ) là :
Gkk ẩm = 0,015.Gkktt = 36,32 + 0,31.x - 0,11.y (kg/h) Tổng lượng không khí vào lò
Gkk = Gkk ẩm + Gkktt = 2457,32 + 21,69.x - 7,61.y (kg/h) Vậy tổng lượng vật chất vào lò trong một giờ là:
Gvào = Gct + Gnl + Gkk= 2857,32 + 21,74.x - 7,61.y (kg/h) Lượng vật chất đi ra khỏi lò.
Lượng vật chất ra khỏi lò gồm:
- Tro: gồm 2 phần là xỉ ở đáy lò và bụi cuốn theo khói ra ngoài. Khối lượng tro được ký hiệu là Gtro (kg/h).
- Lượng hơi nước ra theo khói lò, ký hiệu: Ghn (kg/h).
- Lượng khí ra theo khói lò: CO2, SO2, NO, N2, O2 dư, Cl2 dư, HCl. Ký hiệu:
Gkhí (kg/h)
Vậy lượng vật chất đi ra khỏi lò là : Gr = Gtro + Ghn + Gkhí
a. Lượng tro hình thành trong quá trình đốt.
Gtro= 40,12 + 0,003.x (kg/h) b. Lượng hơi nước đi ra khỏi lò.
Ghn = Gct + Gkk ẩm + Gpu3 - Gpu7
Trong đó : Gct : là lượng hơi nước hình thành trong độ ẩm của rác.
Gkk ẩm : là lượng hơi nước hình thành do không khí ẩm được cấp vào lò.
Gpu3: Lượng H2O sinh ra ở phản ứng (3) Gpu7: Lượng H2O mất đi ở phản ứng (7) - Lượng hơi hình thành từ ẩm chất thải :
Gct = 168 + 0,002.x (kg/h) - Lượng hơi hình thành từ ẩm không khí :
Gkk ẩm = 36,47 + 0,31.x - 0,11.y (kg/h) - Lượng hơi nước sinh ra ở phản ứng 3:
Gpu3= 9.(13,80 + 0,11.x) (kg/h) - Lượng hơi nước mất đi ở phản ứng 7 :
48
Gpu7= 18.5,14.y/71 (kg/h) Vậy tổng lượng hơi nước đi ra khỏi lò là :
Ghn = Gct + Gkk ẩm + Gpu3 - Gpu7 = 328,67 + 1,302.x - 1,41.y (kg/h) c.Lượng khí đi ra khỏi lò.
ư ư - Lượng khí CO2 hình thành trong quá trình đốt
= 44.(116,064 + 0,864.x)/12 (kg/h) - Lượng khí SO2 hình thành trong quá trình đốt:
= 2.(4,256 + 0,016.x) (kg/h) - Lượng khí NO sinh ra trong quá trình đốt
= 30.(1,464 + 0,002.x)/14 (kg/h) - Lượng khí HCl sinh ra trong quá trình đốt
= 73.5,14.y/71 = 5,28.y (kg/h) - Lượng Cl2 còn dư :
ư= (1-y).5,14 (kg/h) - Lượng N2 đi ra khỏi lò:
= 1938,54 + 15,65.x – 6,02.y (kg/h) - Lượng O2 dư: ư (kg/h)
Vậy tổng lượng khí sinh ra trong quá trình cháy là : Gkhí = 2568 + 20,42.x - 6,46y (kg/h) Vậy tổng lượng vật chất ra khỏi lò trong một giờ là :