Đang tải... (xem toàn văn)
Phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn công nghiệp đặc trưng
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------XW-------------- LÊ ANH KIÊN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG Chuyên ngành: Máy và Thiết Bò Công nghệ Thực phẩm Mã ngành: 2.01.20 HƯỚNG DẪN: 1. PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI 2. GS. V.N.SHARIFI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 -i- Lời cam đoan Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện từ kiến thức của chính mình. Tôi không nộp luận án này cho bất cứ trường viện nào để được cấp bằng. -ii- Lời cảm ơn Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn chính là PGS.TSKH Lê Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu trên con đường nghiên cứu khoa học. Thầy đã chân tình động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án này. Lòng biết ơn chân thành của tôi cũng xin được gửi đến GS.Vida Sharifi và GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng dẫn, đặc biệt cùng với GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow đã hỗ trợ phần kinh phí cũng như không ngừng khuyến khích tôi trong thời gian học tập tại trường Đại học Sheffield. Lời cảm ơn sâu sắc nhất được hình thành từ những ngôn từ và ngữ văn thông thường nhưng xuất phát từ tất cả trái tim và lý trí của tôi có lẽ cũng không thể nói lên được đầy đủ những gì mà người vợ yêu quý TS. Lê Thò Kim Phụng đã dành trọn vẹn cho tôi, đã cùng với con gái Lê Phụng Anh Tâm trở thành nguồn động viên to lớn, giúp tôi có đủ tinh thần, sức lực để vượt qua tất cả những khó khăn trong suốt thời gian làm luận án. Xin cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè đồng nghiệp ở Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới và Bảo vệ Môi Trường, đặc biệt là TS. Nguyễn Quốc Bình, đã chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu với tôi, thường xuyên động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi chuyên tâm viết nên công trình nghiên cứu này. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô trong khoa Công nghệ Hoá học, trong bộ môn Máy Thiết Bò đã ủng hộ tôi, tạo điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng góp những ý kiến qúy giá cho tôi, giúp tôi hoàn thành được công việc của mình. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. -iii- Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các kí hiệu viết tắt ix Danh mục các bảng .xi Danh mục các hình vẽ, đồ thò xii Danh mục các hình vẽ, đồ thò xii MỞ ĐẦU .1 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 2. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU 2 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC .4 7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN .6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .7 1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU .7 1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN .12 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI .19 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 22 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN .22 -iv- 2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bò lò đốt chất thải rắn 22 2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống .25 2.1.2 Phương pháp phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống .25 2.2 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 25 2.2.1 Phân tích nhiệt vi sai .26 2.2.2 Thí nghiệm trên thiết bò lò đốt cột nhồi .30 2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm .30 2.2.5.2 Buồng đốt .32 2.2.2.3 Thu mẫu nhiệt độ và thành phần khí .33 2.2.2.4 Cấp khí .34 2.2.2.5 Thiết bò phân tích khí và đọc dữ liệu .34 2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bò cột nhồi 35 2.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU .38 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .40 3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG .40 3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống .40 3.1.2 Phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống .41 3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG QUÁT, THÀNH PHẦN CƠ BẢN, NHIỆT TRỊ .45 3.2.1 Thành phần hóa học .45 3.2.2 Xác đònh thành phần nhiệt vật lý (nhiệt trò) .46 3.3 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA QÚA TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI 48 3.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA VẬT LIỆU RẮN 53 3.4.1 Quá trình cháy của hỗn hợp khăn giấy và cactông 53 3.4.2 Quá trình cháy của hỗn hợp cactông và gỗ 69 3.4.3 Quá trình cháy của hỗn hợp gỗ và rơm 77 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC 83 -v- 4.1 TÁC VỤ MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC .83 4.2 XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG HỆ DỊ THỂ ĐA PHÂN TÁN .84 4.2.1 Mô tả toán học hệ dò thể đa phân tán (lớp bốn) .85 4.2.1.1 Phương trình bảo toàn vật chất 86 4.2.1.2 Phương trình bảo toàn động lượng .87 4.2.1.3 Phương trình bảo toàn năng lượng .88 4.2.1.4 Phương trình bảo toàn cấu tử trong pha khí .90 4.2.2 Mô tả toán học cho hệ dò thể một hạt và hệ đồng thể (lớp hai và ba).91 4.2.3 Mô hình truyền nhiệt bức xạ trong pha rắn 94 4.2.4 Mô hình truyền nhiệt và truyền khối giữa hai pha .94 4.2.5 Mô tả toán học thiết bò đốt kiểu cột nhồi .95 4.2.6 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên .97 4.2.6.1 Đối với pha khí 97 4.2.6.2 Đối với pha rắn 97 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỐT HỖN HP VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI .99 5.1 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN 99 5.2 THUẬT TOÁN PHÂN LY GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH .100 5.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN GIẢI GẦN ĐÚNG HỆ CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI .102 5.3.1 Lưới tổng quát .102 5.3.2 Sai phân các phương trình liên tục .103 5.3.2.1 Phương trình liên tục trong pha khí 103 5.3.2.2 Phương trình liên tục trong pha rắn .106 5.3.3 Sai phân phương trình năng lượng 106 5.3.3.1 Sai phân phương trình năng lượng trong pha khí .106 5.3.3.2 Sai phân hóa phương trình năng lượng trong pha rắn 111 -vi- 5.3.4 Sai phân các phương trình bảo toàn động lượng 112 5.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 113 5.4.1 Giới thiệu chương trình tính 113 5.4.2 Đánh giá sự tương thích của mô hình .117 5.4.2.1 Kiểm đònh nhiệt độ cháy trong cột vật liệu .118 5.4.2.2 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng của vật liệu cháy 125 5.4.2.3 Kiểm đònh nồng độ khối lượng của CO trong khí cháy .126 5.5 ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH .132 5.5.1 Tốc độ bắt cháy 132 5.5.2 Tốc độ cháy 133 5.5.3 Tỉ lệ cấp khí trong giai đoạn bắt cháy 134 5.6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG CỘT NHỒI SƯÛ DỤNG CIS135 5.6.1 Ảnh hưởng của lượng không khí cung cấp đến tốc độ cháy .135 5.6.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt 136 5.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt trò 139 5.6.4 Ảnh hưởng của độ rỗng khối hạt 140 5.7 KẾT LUẬN .141 KẾT LUẬN .143 1. KẾT LUẬN .143 2. TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 144 2. 1 Tính khoa học của đề tài 144 2.2 Tính thực tiễn của đề tài 144 3. NHỮNG CÔNG VIỆC CẦN TIẾP TỤC THỰC HIỆN 145 Danh mục công trình .146 Tài liệu tham khảo 148 Phụ lục P1:PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .PL1 P1.2.1 Phân tích thành phần tổng quát .PL1 -vii- P1.2.1.1 Phân tích khối lượng ẩm .PL1 P1.2.1.2 Xác đònh khối lượng tro PL2 P1.2.1.3 Khối lượng các chất hữu cơ bay hơi .PL3 P1.2.1.4 Khối lượng cacbon cố đònh .PL4 P1.2.2 Phân tích thành phần cơ bản PL4 P1.2.2.1 Xác đònh thành phần Cacbon và Hiđrô PL5 P1.2.2.2 Thành phần ôxy trong mẫu .PL7 P1.2.3 Phân tích nhiệt trò của mẫu PL7 P2. PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN VÀ CÁC THUẬT GIẢI .PL9 P2.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN (FVM) PL9 P2.1.1 Lưới tổng quát .PL9 P2.1.2 Sai phân hóa PL10 P2.1.3 Rời rạc hoá phương trình tích phân .PL11 P2.2 CÁC THUẬT TOÁN SƯÛ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP FVM .PL13 P2.2.1 Thuật toán SIMPLE .PL14 P2.2.2 Thuật toán ma trận ba đường chéo TDMA (The tri-diagonal matrix algorithm) .PL19 P3. DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM .PL22 P3.1 Hỗn hợp giấy, Q=Q=468kg/m2h, m=1kg PL22 P3.2 Hỗn hợp giấy, Q=936kg/m2h, m=1kg .PL33 P3.3 Hỗn hợp giấy, Q=Q=1404kg/m2h, m=1kg PL41 P4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PL44 P5. KIỂM ĐỊNH THEO TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (χ2) PL58 P5.1 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (χ2) .PL58 P5.1.1 Tiêu chuẩn Khi bình phương (χ2) PL58 P5.1.2 Xác xuất phù hợp .PL58 P5.1.3 Giả thuyết “không” .PL59 P5.1.4 Áp dụng kiểm đònh Khi bình phương đánh giá sự tương hợp giữa hai dãy số liệu thực nghiệm và tính toán .PL59 -viii- P5.2 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH PL60 P5.2.1 Nhiệt độ .PL60 P5.2.1.1 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm, Q=Q=468kg/m2h .PL63 P5.2.1.2 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm, Q=Q=468kg/m2h .PL64 P5.2.1.3 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm, Q=Q=468kg/m2h65 P5.2.1.4 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm, Q=936kg/m2hPL67 P5.2.1.5 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm, Q=936kg/m2hPL68 P5.2.1.6 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm, Q=936kg/m2hPL69 P5.2.1.7 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm, Q=Q=1404kg/m2h .PL70 P5.2.1.8 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm, Q=Q=1404kg/m2h .PL71 P5.2.1.9 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm, Q=Q=1404kg/m2h .PL72 P5.2.2 Độ giảm khối lượng .PL74 P5.2.2.1 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=Q=468kg/m2h PL75 P5.2.2.2 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=936kg/m2h .PL76 P5.2.2.3 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=Q=1404kg/m2h PL78 P5.2.3 Thành phần khí PL79 P5.2.3.1 Kiểm đònh thành phần khí với Q=Q=468kg/m2h PL81 P5.2.3.2 Kiểm đònh thành phần khí với Q=936kg/m2h .PL84 P5.2.3.3 Kiểm đònh thành phần khí với Q=Q=1404kg/m2h PL87 -ix- Danh mục các kí hiệu viết tắt ms khối lượng rắn, kg Cp,s nhiệt dung riêng của chất rắn, J/kg.độ As bề mặt riêng chất rắn, m2 Tg nhiệt đội trong pha liên tục, K es độ phát xạ của chất rắn TR nhiệt độ bức xạ, K I nhiệt bức xạ riêng W/m2 kc hệ số cấp khối m/s psat áp suất hơi bảo hòa, Pa R hằng số khí lý tưởng, J.mol.độ Xi phần mol của cấu tử i. p0 áp suất làm việc, Pa rvol tốc độ bay hơi, kg/s ms khối lượng chất đốt tại thời gian t, kg ms,0 khối lượng ban đầu của chất đốt, kg rtar tốc độ phản ứng của hơi nhựa đường, kg/s Te nhiệt độ trung bình tại thời điểm tính toán, K Tf nhiệt độ của pha khí, K rchar, tốc độ phản ứng của than, kg/s mchar khối lượng than còn lại, kg ps,O2 áp suất riêng phần của ôxy trên bề mặt rắn, Pa J thông lượng khuếch tán riêng, [mol m-2 s-1] D hệ số khuếch tán, [m2 s-1] x vò trí, [m] [...]... cứu: chất thải rắn hữu cơ đã phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất thải của chất thải) và sinh khối thực vật (chất thải của ngành sản xuất nông nghiệp) ; Thiết bò: lò đốt kiểu cột nhồi (là một mô hình vật thể thu nhỏ của thiết bò lò đốt có vỉ lò di chuyển); Quá trình đốt: đốt nhiệt phân chất thải rắn; Phương pháp mô hình hóa quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn; Chương trình mô phỏng quá trình. .. trong hình 1.1 sau [1, 2]: 6% 1% Chất thải xây dựng 15% 31% Chất thải nơng nghiệp Chất thải khống sản Chất thải sản xuất Chất thải sinh hoạt 16% Chất thải sản xuất năng lượng 31% Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn -8- Hình 1.1 cho thấy lượng chất thải nông nghiệp chiếm tỉ lệ rất lớn, chất thải rắn sinh hoạt chiếm 6% tổng lượng chất thải hàng năm của các quốc gia công nghiệp phát triển Trong khi đó,... là một loại chất thải rắn của ngành công nghiệp tái chế chất thải Nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn của các ngành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt đô thò Phần chất thải rắn còn lại sau khi phân tách được xem là chất thải của chất thải, do đó nhất thiết phải có biện pháp xử lý thích hợp bằng phương pháp chôn lấp hoặc thiêu đốt kết hợp phát điện Sơ đồ quy trình tổng thể xử lý chất thải rắn được thể... -10- Chất thải Phân loại tại nguồn Phân loại, thu gom Tiêu hủy Tái chế Chôn lấp CH4 Xử lý nước thải Ủ Compost Năng lượng Sản phẩm Lò đốt Bùn thải Tái sử dụng Thu hồi Khí nóng từ hộ gia đình Một số loại chất thải Chất thải không nguy hại Chất thải của chất thải Sản phẩm, phương tiện Phương pháp Chất thải nguy hại Tro Khí cháy Chất thải lỏng Xử lý khí Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình xử lý chất thải rắn. .. thải công nghiệp đặc trưng cho từng ngành sản xuất, dòch vụ Bên cạnh đó, công trình nghiên cứu về quá trình đốt, nhiệt phân chất thải trong lò đốt tónh hai cấp đáng kể nhất là công trình luận án Tiến só “Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý rác từ quá trình súc rửa tàu dầu ở Việt Nam” của Nguyễn Quốc Bình vào năm 2002 Trong luận án này, vấn đề nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt, nhiệt phân để xử lý rác... hành mô phỏng quá trình đốt nhiệt phân trên cơ sở các mô tả toán học thu được 6 Ý NGHĨA KHOA HỌC • Đây là nghiên cứu đầu tiên ở trong và ngoài nước cho đến nay đã vận dụng nhất quán phương pháp Phân tích Hệ thống với tư cách là một tác vụ chiến lược của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống để nghiên cứu quá trình đốt -5- vật liệu rắn chất thải của chất thải trên đối tượng thiết bò lò đốt kiểu cột nhồi... nhồi • Mô tả toán học quá trình cháy của vật liệu rắn trong thiết bò đốt kiểu cột nhồi đã được xây dựng trên cơ sở khai thác biểu đạt toán học tổng quát của các quá trình đa phân tán là phương trình cân bằng tính chất tập đoàn hạt • Các nghiên cứu thực nghiệm đối với một số chất thải rắn đặc trưng của quá trình phân loại tái chế rác thải đã đóng góp vào sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình cháy các loại... thải rắn Việc đốt chất thải của chất thải được thực hiện chủ yếu trong ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn Cho đến nay, việc nghiên cứu bản chất quá trình đốt hỗn hợp các vật liệu này hầu như chưa được thực hiện tại các Viện nghiên cứu hoặc trường Đại học tiên tiến trên thế giới Bên cạnh đó, các nghiên cứu quá trình đốt chất thải nông nghiệp, điển hình là sinh khối (biomass) nông nghiệp như rơm,... cháy chất thải rắn 3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là: Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong thiết bò đốt kiểu cột nhồi; -3- Xác đònh phương trình động học quá trình cháy của từng loại vật liệu là chất thải sau khi phân loại tái chế, tái sử dụng và sinh khối nông nghiệp; Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình cháy của vật liệu rắn theo... chất thải phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam Với việc vận dụng thành công phương pháp luận Tiếp cận hệ thống thông qua tác vụ phân tích hệ thống để xây dựng mô tả toán học, phương pháp nghiên cứu này đã được triển khai ứng dụng xây dựng mô tả toán học trong đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất thải rắn nguy hại tại TP.HCM" và đề tài "Nghiên cứu ứng dụng quá trình nhiệt phân . --------------XW-------------- LÊ ANH KIÊN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG Chuyên ngành: Máy và Thiết Bò Công nghệ Thực phẩm Mã ngành:. nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Phương pháp mô hình hóa quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn; ¾ Chương trình mô phỏng quá trình cháy chất thải rắn. 3. MỤC
