3.4.1. Khối lƣợng trấu cấp trong 1 giờ
mtr =
(kg/h)
Trong đó:
mtr: khối lượng trấu cấp trong 1 giờ, m/kg Hvtr: nhiệt trị thấp của trấu, kJ/kg
P: công suất nhiệt đầu ra, kW/h, (P = 15 kW) : hiệu suất của thiết bị khí hóa trấu ( = 0.6 - 0.7)
=>mtr =
= 5.79 (kg/h)
3.4.2. Đƣờng kính của thiết bị phản ứng
D = √ ρ
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 47 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó:
D: đường kính buồng phản ứng, m
mtr: khối lượng trấu cấp trong 1 giờ, m/kg
ρtr: khối lượng riêng của trấu, kg/m3 (ρtr = 100 kg/m3) D = √
= 0.27 (m)
3.4.3. Chiều cao buồng phản ứng
Hpu = ρ
Trong đó:
SGR: tỷ lệ khí hóa, 100 kg/m2h t: thời gian khí hóa, h.
Hpu =
= 1 (m)
Từ chiều cao cố định lò, ta phải dư ra khoảng 50% để cho các thiết bị chứa tro và không gian cho khí hóa.
vậy Hpu = 1.5 (m)
3.4.4. Lƣu lƣợng không khí cần thiết cấp cho quá trình khí hóa
Qkk = ρ
Trong đó:
Qkk: lưu lượng cần thiết để cấp cho quá trình khí hóa
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 48 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Chọn = 0.35 Qkk = = 7.33 (m3/h) = 8.54 (kgkk/h) 3.4.5. Tốc độ không khí Vs = Trong đó: Vs: vận tốc trong buồng phản ứng, m/s D: đường kính buồng phản ứng, m Vs = = 126.66 (m/h) = 3.52 (cm/s) 3.4.6. Trở lực của dòng khí Rf= Tf*Sr Trong đó:
Rf: trở lực của dòng khí trong buồng phản ứng: cm/h2O Tf: chiều dày của lớp nhiên liệu, m
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 49 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Biểu đồ 3.1. Mối quan hệ giữa vận tốc và trở lực dòng khí
Nguồn: Rice Husk Gas Stove Handbook
Từ vận tốc khí là 3.52 cm/s và đồ thị trên ta có áp lực Sr là: 0.7 cmH2O/m nhiên liệu
Chọn Tf = 1=> Rf= 0.7 (cmH2O)
3.4.7. Tính đƣờng ống
3.4.7.1. Tiết diện đường ống
F =
ρ
Trong đó:
F: tiết diện đường ống dẫn khí, m2
tgas: nhiệt độ khí gas thoát ra. ( tgas= 150oC) w: vận tốc khí gas trong ống, m/s, ( w = 4.5 m/s ) ρgas: khối lượng riêng của gas, (ρgas = 1.3 kg/m3)
F =
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 50 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 3.4.7.2. Đường kính ống dẫn gas D = √ = √ = 0.045 (m) 3.5. Các phƣơng trình cân bằng
3.5.1. Phƣơng trình cân bằng vật chất (cân bằng khối lƣợng)
mgas = mkk + mtr - mw Trong đó:
mgas: khối lượng khí sau khi nhiệt phân trong 1 giờ, kg/h mw: khối lượng của chất thải (tro) trong 1 giờ, kg/h Khối lượng chất thải
Trong hệ thống khí hóa thì chất thải chiếm từ 18 - 30% của khối lượng trấu. Ở đây ta chọn chất thải chiếm 23% khối lượng của trấu.
mw = 0.23*mtr
= 0.23*5.79 = 1.33 (kg/h) Khối lượng gas thu được trong 1 giờ
mgas = mtr + mkk - mw
= 5.79 + 8.54 - 1.33 = 13 (kg/h) Như vậy ta có:
mtr (kg/h) mgas (kg/h) mkk (kg/h) mw (kg/h)
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 51 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
3.5.2. Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng
Cân bằng năng lượng trong hệ thống khí hóa được cho bởi công thức sau: Etr+ Ekk = Egas + Ett
Trong đó:
Etr: năng lượng của trấu, kw
Ekk: năng lượng của không khí cấp, kw Egas: năng lượng của gas, kw
Ett: năng lượng tổn thất, kw 3.5.2.1. Năng lượng của trấu
Etr =
Trong đó:
Etr: năng lượng của trấu, kw
mtr: khối lượng trấu cấp trong 1 giờ, kg/h Hvtr: nhiệt trị thấp của trấu, kJ/kg
Etr=
= 23.09 (kW)
3.5.2.2. Năng lượng của không khí cấp
Chọn gốc năng lượng ở nhiệt độ môi trường. Xem năng lượng của không khí cấp bằng không, Ekk = 0.
3.5.2.3. Các tổn thất năng lượng
Tổn thất năng lượng trong khí hóa bao gồm tổn thất chất thải có nhiệt độ cao mang ra ngoài và tổn thất qua kết cấu.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 52 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó:
Ett: năng lượng tổn thất, kw
Ekc: năng lượng tổn thất qua kết cấu, kw
Ect: Năng lượng tổn thất đo chất thải mang ra ngoài, kw Năng lượng tổn thất trong chất thải
Nguồn năng lượng trong chất thải bao gồm: năng lượng do tro có nhiệt độ cao thải ra ngoài và phần năng lượng do sản phẩm cháy chưa hết (chủ yếu là cacbon).
Ect = Etro + Ecc Trong đó:
Ect: năng lượng trong chất thải, kW
Etro: năng lượng trong tro mang ra ngoài, kW
Ecc: năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kW Năng lượng của các chất rắn chưa cháy
Khối lượng chất rắn chưa cháy hết chiếm 20% khối lượng chất thải Ecc =
Trong đó:
Ecc: năng lượng các thành phần rắn chưa cháy lẫn trong tro, kw mw: khối khối lượng của chất thải trong 1 giờ, kg/h
Hvc: nhiệt trị của cacbon (Hvc = 13166.72 kJ/kg) hcc: nhiệt lượng để nâng cacbon lên 120oC, kJ/h
Nhiệt độ của tro trước khi thải ra ngoài có nhiệt độ là 120oC.
Tính tổn thất năng lượng do phải nâng nhiệt độ của thành phần chưa cháy. hcc = Ctb*(T2 - T1)
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 53 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó:
T2: nhiệt độ của cacbon trước khi phải ra ngoài, (T2 = 393ok)
T1: nhiệt độ của cacbon khi mang vào buồng phản ứng, (T1 = 303ok) Ctb: nhiệt dung riêng trung bình
Ctb = 0.728 + 1.256*10-3*t = 0.879 (kJ/kg) hcc = Ctb*(393 - 303) = 79.11 (kJ/kg) Tính lượng năng lượng chất rắn chưa cháy trong tro
Năng lượng tổn thất do thành phần chưa cháy là: Ecc =
=
= 0.979 (kw)
Tổn thất năng lượng do tro mang ra ngoài Etro =
Etro =
= 0.302 (kw)
Tổn thất năng lượng qua kết cấu
Cho phép tổn thất năng lượng qua kết cấu là 5%.
Vậy: Ekc = 0.05*Etr = 0.05*23.09 = 1.15 (kw) Egas = Etr + Ekk - Ett = 20.64 (kw)
Hiệu suất nhiệt là: =
=
= 89.4 (%)
3.5.3. Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị phản ứng
Chọn chiều dày lớp thép trong là 4mm, lớp thép ngoài là 1 mm, vật liệu cách nhiệt là bông gốm.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 54 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
d2 = 0.278 (m) γ2 = 0.195 (w/m)
d3 = 0.278 + x (m) γ3 = 46.5 (w/m)
d4 = 0.280 + x (m)
α1= 70 (w/m2) α2= 15 (w/m2)
Trong đó: d: đường kính thiết bị chính γ: hệ số dẫn nhiệt, w/m α: độ dẫn nhiệt w/m2
Với nhiệt lượng mất mát cho phép là 15%:
Với Qcp = 15*0.15 = 2.25 (kw) Qmm = ( /( α + γ + γ + γ + α ) Chọn x = 0.1 => Qmm = 1.0699 (kW) < Qcp (thỏa mãn) Vậy chiều dày lớp cách nhiệt là 5 cm.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 55 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
3.6. Tính thiết bị phụ 3.6.1. Thùng chứa tro
a. Lượng tro đưa ra
Khối lượng riêng (ρtro) của tro là: 2.2 (g/cm3) = (2200 kg/m3) mtro = 1.33 (kg) b. Thể tích lượng tro V = ρ = = 6.05*10 -4 (m3)
Ta lựa chọn thùng thiết bị chứa tro lớn hơn thể tích tro. Cạnh: a = 50 (cm) = 0.5 (m)
Cạnh: b = 50 (cm) = 0.5 (m) Chiều cao: c = 20 (cm) = 0.2 (m)
Vttro = 0.5*0.5*0.2 = 0.05 (m3) > 0.0007 m3 (thỏa mãn)
Từ chiều cao của thiết bị chứa tro và chiều cao của lượng trấu ta có chiều cao của khoảng không khí hóa là:
Hkh = Htt -(Hpu + Htro) = 1.4 - (1+ 0.2) = 0.2 (m)
3.6.2. Tính trục vít
Q = 60*3.14*(D*d - d2)*S*n*ρx*ψ*C1 d: chiều cao vít tải, d = 0.002
Q: năng suất vận chuyển, kg/h
D: đường kính ngoài của cánh vít, m, d = 0.11 n: số vòng quay trục vít, v/phút, n = 60
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 56 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
ρx: khối lượng riêng xốp vật liệu, kg/m3 , ρx = 100 ψ: hệ số nạp đầy
Đối với vật liệu dạng hạt chọn ψ = 0.3 - 0.45
Đối với vật liệu đã nghiền nhỏ chọn ψ = 0.45 - 0.55 Chọn ψ = 0.45
S: bước vít (m)
Để chuyển hạt rời, thông thường S = (0.8 - 1)D S = 0.099 m
C1: hệ số xét tới dốc của vít tải so với mặt phẳng ngang
Bảng 3.2: Bảng hệ số C1
Độ dốc của vít tải (o) 0 15 20 45 60 75
Hệ số C1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
Nguồn: Cơ sở thiết kế máy, tr. 35
Q = 60*3.14*(0.11*0.002 - 0.0022)*0.099*60*100*0.45*60 = 84.604 kg/h = 1.41kg/p = 0.0235kg/s
Thời gian tải hết lượng trấu cần là: t =
= 4.1 (phút)
3.6.3. Tính hopper
Để cho nguyên liệu tự động đưa vào trục vít tải, ta chọn thiết bị hopper dạng hình chóp cụt.
Ta gọi:
S: diện tích đáy dưới S': diện tích đáy trên
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 57 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
a: cạnh của tứ diện dưới là 0,25 (m) ( dựa vào trục vít) a': cạnh tứ diện trên
Thể tích cần thiết kế là V = 4 kg = 0.04 m3 Với V = h(S+S' + √ ) Ta cho các cạnh bằng nhau nên
V = h(a2+a'2+a*a')
vậy h = = Ta chọn a' lần lượt là: a' (m) 0.5 0.4 0.3 h (m) 0.27 0.37 0.53
Từ trên ta chọn a' = 0.4, h = 0.37 (m) lấy dư ta có h = 0.4 (m)
3.6.4. Lựa chọn môtơ quay trục vít
Dựa vào số vòng quay/ phút của trục vít ta chọn mô tơ điện DC model 6ML57.
Hình 3.2. Mô tơ điện DC model 6ML57
Với RPM: 162 (v/p) Công suất: 0.186 (kW)
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 58 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
3.6.5. Tính quạt thổi không khí
Với thiết bị dạng Updraft, quạt có áp suất cao thường được sử dụng lý tưởng. Với thông số của quạt cấp khí tính toán cho mô hình khí hóa với công suất nhiệt là:
Với lưu lượng là: 8.91 (kgkk/h) Cột áp: 0.7 (cmH2O)
Ta chọn quạt AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
Hình 3.3. AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
3.6.6. Tính thiết bị ngƣng tụ
a. Khối lượng ngưng tụ có trong khí ra.
Ta có khối lượng ngưng tụ từ 5 - 20% trong khối lượng khí ra. Chọn là 20% mtar = 20%tar*mgas = 2.6 (kg lượng ngưng tụ)
b. Lưu lượng nước làm lạnh.
Bảng 3.3: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ
tnv tnr Cpn tgasv tgasr mgas Cpgas
o
C oC kJ/kg oC oC kg/h kJ/kg
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 59 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ta có: Ggas*Cpgas*(tgasv– tgasr) = Gn*Cpn*(tnr– tnv) Trong đó:
Ggas: lưu lượng của khí ra: 13 kg/h Gn: lưu lương nước làm lạnh, kg/s
Tgasv: Nhiệt độ khí đi vào thiết bị tách hắc ín, oC Tgasr: Nhiệt độ dòng khí đi ra thiết bị tách hắc ín, oC Tnv: Nhiệt độ nước vào làm lạnh, oC
Tnr: Nhiệt độ nước ra thiết bị làm lạnh, oC Cpgas: nhiệt dung riêng của khí
Cpn: nhiệt dung riêng của nước
Gn =
Gn = 13.01 kg/h
Chọn dư 50% ta có lượng nước cần dùng là 19.52 kg/h
c. Chiều dài đường ống
Nhiệt lượng tỏa ra cho nước:
Qn =
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 60 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
=
= 0.6 kW
Nhiệt độ trao đổi trung bình:
∆t =
Với: ∆t1 = tgasv - tnr = 285 oC
∆t2 = tgasr– tnv = 175oC Vậy ∆t = 225.5 Tiết diện trao đổi nhiệt là:
F =
Với K: hằng số trao đổi nhiệt của nước: 340 w/m2 F = 0.0079 (m2)
Chiều dài ống trao đổi nhiệt
F = 2 rL Với r = 0.0135 (m)
L = = 0.093 (m)
d. Kích thước thiết bị ngưng tụ
Để thiết bị ngưng tụ chứa đủ 0.093 m đường ống trao đổi nhiệt ta chọn. Đường kính ngưng tụ.
dc = 20 (cm) = 0.2 (m) Chiều cao của mực nước là:
Ta có thể tích nước cần là 19.52 kg/h V = r2
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 61 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm => hn = = = 0.62 m hn = 62 (cm) Chiều cao của ngưng tụ
hc = 80 (cm) = 0.8 (m)
Hình 3.4: Thiết bị ngưng tụ
3.6.7. Burner
Để sử dụng cho lò khí hóa trấu và phù hợp với năng suất làm việc, thường dùng burner LPG.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 62 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 3.4: Thống số burner
Hình 3.5: Burner LPG Torch
Bảng 3.5: Tóm tắt thông số tính toán
Thiết bị phản ứng Kích thước Đơn vị (m)
Chiều cao 1.5 m Rộng 0.27 m Ống khí Đường kính 0.045 m Thùng chứa tro Cao 0.2 m Rộng 0.5 m Trục vít Đường kính 0.110 m
Áp suất làm việc 5 psi
Khí tiêu thụ 3.25 kg/h
B.T.U/hr 14800
Kcal/hr 37300
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 63 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Chiều dài 1.4 m Đường kính trục vít 0.02 m Bước cánh 0.15 m Chiều ngang máng 0.118/0.114 m Hopper Cao 0.4 m Cạnh dưới 0.25 m Cạnh trên 0.4 m Thiết bị ngƣng tụ Cao 0.8 m Đường kính 0.2 m
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 64 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
Mục đích chung: Tìm ra tác nhân khí hóa và điều kiện khí hóa thích hợp nhất để có hiệu suất cao nhất cho ứng dụng thực tế.
4.1. Khảo sát môi trƣờng Nitơ 4.1.1. Mục đích
Tìm ra nhiệt độ thích hợp nhất trong môi trường N2 khi tại nhiệt độ đó có lượng khí sinh ra nhiều nhất, nhiệt độ khảo sát tại ba điểm là 700, 800 và 900o
C. Lượng khí N2 cho vào mục đích để đẩy các tác nhân trong không khí, tạo môi trường trơ, khi đó việc khảo sát xem như hoàn toàn phản ứng không có tác nhân khí hóa. Như vậy chúng ta sẽ thu được lượng khí, chất rắn, lượng ngưng tụ trong điều kiện không sử dụng tác nhân khí hóa, chúng ta sẽ xem đây là cơ sở để so sánh với kết quả của việc khảo sát sử dụng tác nhân khí hóa.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 65 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khảo sát thực tế
I. Thiết bị chứa trấu II. Thiết bị gia nhiệt III. Thiết bị ngưng tụ IV. Bình nước chứa sản phẩm ngưng tụ 1. Van điều chỉnh
4.1.2. Các bƣớc tiến hành
- Cho 300 gam vỏ trấu vào thiết bị khí hóa.
- Cân một bình nước khối lượng ban đầu của bình nước là m1(g), mục đích của bình nước là để giữ lại phần ngưng tụ từ khí bay ra trong quá trình khảo sát.
- Bật thiết bị gia nhiệt, cho nhiệt độ tới nhiệt độ khảo sát (700, 800, 900oC) thì cho thiết bị khí hóa vào, ghi thời gian bắt đầu.
- Tiến hành thổi khí N2 vào thiết bị khí hóa sau khi đưa thiết bị khí hóa vào để đẩy không khí trong thiết bị ra để tạo môi trường trơ. Lượng N2 không cần phải đưa vào liên tục trong suốt quá trình khí hóa vì đây là thiết bị khí đi một chiều, môi trường không có tác nhân khí hóa sẽ được giữ trong suốt quá trình.
- Lượng khí sinh ra, ta cho đi qua thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp bằng nước, sau đó sục sâu vào bình nước đã làm lạnh để ngưng tụ lượng nhựa - hắc ín một cách triệt để.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 66 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Tại bình nước sục khí, ta quan sát thấy bọt khí thoát ra, khi nào ta không thấy bọt khí thoát ra từ ống dẫn khí, ta nâng dần ống dẫn khí lên trên để giảm áp suất, giúp bọt khí dễ thoát ra hơn, tới khi đưa ống dẫn khí tới gần mặt thoáng chất lỏng mà vẫn không thấy bọt khí thoát ra, nghĩa là lúc đó hết khí phản ứng, ta kết thúc quá trình.
- Ghi thời gian kết thúc.
- Khi quá trình kết thúc, ta đợi cho lượng ngưng tụ, lượng rắn trong thiết bị nguội hoàn toàn, đem đi cân. Với lượng ngưng tụ trong bình nước, ta đem cân với khối lượng m2(g).
Ta có:
m2 - m1 = mngưng tụ
- Sau khi có khối lượng rắn, ngưng tụ, trấu, ta bắt đầu tính toán. Ta có:
mtrấu = mngưng tụ + mtro + mkhí mkhí = mtrấu - (mngưng tụ + mtro)
4.1.3. Kết quả khảo sát