Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN LƯỢNG KHÍ THẢI KHI THIÊU XÁC GIA CẦM DỊCH BỆNH A STUDY OF BUILDING A SOFTWARE TO CALCULATE THE FORMATION OF EMISSION POLLUTANTS IN INCINERATION PROCESS Nguyễn Thanh Hào Đại học Nông Lâm TP.HCM nt.hao@hcmuaf.edu.vn TÓM TẮT Lưu đồ thuật toán phần mềm tính toán lượng khí thải thiêu xác gia cầm xây dựng dựa mô hình toán bao gồm phương trình cân khối lượng cân nhiệt lượng Nghiên cứu cho phép xác định lượng khí thải lượng tiêu hao nhiên liệu tương ứng với trình thiêu xác gia cầm, góp phần hoàn thiện việc tính toán, thiết kế, chế tạo lò thiêu xử lý lượng khí thải sinh trình thiêu xác gia cầm Phần mềm xây dựng dựa Matlab, có giao diện người dùng tương đối trực quan, giúp cho việc trao đổi người dùng phần mềm trở nên dễ dàng thuận lợi việc tính toán Từ khóa: thiêu xác gia cầm, khí thải, buồng đốt, phần mềm tính toán ABSTRACT The flow chart of software to calculate the formation of emission pollutants is based on mathematic model The general equations include mass balance equation and energy balance equation, etc This research permit to determined the amount of emission pollutants and fuel consumption which are useful for calculate, degisn, manufacture incinerator and how to treat the emission pollutants also The software is built base on the Matlab 2010a with a visual software interface that help everyone can be used easy Keywords: incineration, pollutants, combustor, calculate software ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, với phát triển mạnh ngành chăn nuôi bệnh dịch ngày nhiều đặc biệt xuất chủng cúm A H5N1, H1N1, H7N9… gây thiệt hại lớn kinh tế sức khỏe người chăn nuôi gia cầm Xác gia cầm trở thành vấn đề gây ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng dân cư Trong thành phần vật chất gia cầm không mang tính độc hại với môi trường mang mầm bệnh nguy hiểm, bệnh lây lan nhanh lây lan sang người Cho đến nay, chôn lấp phương pháp xử lý phổ biến nhiều nước giới có Việt Nam, ưu điểm việc chôn lấp tốn xử lý nhiều loại chất thải khác so với phương pháp công nghệ khác Tuy nhiên, phương pháp chôn lấp gây tác động ô nhiễm khác ô nhiễm nước, mùi hôi, ruồi nhặng… Hơn nữa, việc chôn lấp lại xử lý triệt để loại mầm bệnh xác gia cầm Ngoài ra, trình đô thị hóa ngày nay, quỹ đất ngày thu hẹp, dẫn đến khó khăn việc lựa chọn vị trí làm bãi chôn lấp Vì vậy, việc áp dụng số phương pháp xử lý khác song song với chôn lấp nhu cầu thiết thực Công nghệ đốt chất thải công nghệ thay ngày trở nên phổ biến toàn giới Có nhiều công trình nghiên cứu công nghệ lò đốt, tính toán trình cháy xử lý khói thải lò đốt chất thải công nghiệp nguy hại công bố nhiều tạp chí chuyên ngành [1, 2, 3] Tuy nhiên, chưa thấy công bố việc ứng dụng lý thuyết để xây dựng 788 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV phần mềm tính toán lượng khí thải hình thành thiêu xác gia cầm bị dịch bệnh phục vụ cho công tác tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đốt, thiết bị xử lý khí thải MÔ HÌNH TOÁN 2.1 Lượng vật chất cấp vào Lượng không khí nạp vào lò xác định dựa vào lượng oxy cần thiết cho trình cháy chất Những chất tham gia vào trình cháy C, H, N, S theo phương trình phản ứng sau: C + O = CO (1) O2 = H2O 2H + (2) N 2(kk) + O ⇔ 2NO N (nl + ct) + NO + (3) O = NO (4) O ⇔ NO 2 (5) S + O = SO (6) Cơ chế hình thành NOx biểu thị phản ứng dây chuyền không phân nhánh theo chế Zendovic Do đó, số cân phản ứng (3) ÷ (5) xác định sau: K P (NO ) = PNO PN × PO2 K P (NO2 ) = (7) PNO (8) PNO × PO2 Theo chế này, NO hình thành điều kiện tồn nguyên tử oxy, tiến hành theo nhóm phản ứng dây chuyền không phân nhánh, ta có: O ⇔ 2O (9) O + N ⇔ NO + N (10) N + O ⇔ NO + O (11) Loại NOx từ hợp chất nitơ nhiên liệu bị nhiệt phân oxy hóa tạo thành gọi NOx nhiên liệu Trong thực tế, hàm lượng nitơ nhiên liệu vượt 0,1% nồng độ NOx tạo thành khói vượt 130ppm Vì vậy, NOx nhiên liệu thành phần phát thải trình đốt nhiên liệu Cơ chế hình thành NOx phức tạp qua nhiều phản ứng, để đơn giản hóa trình tính toán ta giả thuyết lượng nitơ nhiên liệu sau nhiệt phân phản ứng với oxy tạo thành NO Từ hai chế nêu trên, ta kết luận nhiệt độ phản ứng 1500°C lượng NO sinh phản ứng hình thành NOx nhiên liệu, nhiệt độ 1500°C hình thành NOx nhiệt Từ phương trình (1) ÷ (6) ta tính toán lượng oxy cần dùng để phản ứng hết chất: G1 = 32 (mCct + mCnl ) (kg/h) 12 (12) 789 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV G2 = 32 (mH ct + mH nl ) (kg/h) (13) G3 = (mS ct + mS nl ) (kg/h) G4 = (14) 16 (mN ct + mN nl ) (kg/h) 14 (15) G5 = (mOct + mOnl ) (kg/h) (16) Lượng oxy lý thuyết cần cung cấp từ vào để đốt cháy xác gia cầm là: GO2 ,lt = G1 + G2 + G3 + G4 − G5 (kg/h) (17) Để trình cháy xảy hoàn toàn lượng oxy cần cung cấp phải dư so với lý thuyết, ta có: GO2 ,TT = α × GO2 ,lt (kg/h) (18) Chọn ρ kk = 1,29 kg/m3 ρ O2 = 1,4289 kg/m3, ta có: GO2 ,tt Gkk ,tt = 0,21× ρ O2 (19) ρ kk Lượng không khí thực tế cấp vào lò: G kk ,tt = GO2 ,tt 0,21 × ρ O2 / ρ kk (kg/h) (20) G N = Gkk ,tt − GO2 ,tt (kg/h) (21) Lượng ẩm không khí: Gam,kk = d × Gkk ,tt (kg/h) (22) Lượng không khí ẩm thực tế: Gkka,tt = Gkk ,tt − Gam,kk (kg/h) (23) Tổng lượng vật chất vào lò: Gv = Gct + Gkka ,tt + Gnl (kg/h) (24) 2.2 Lượng vật chất khỏi lò Khí khỏi lò bao gồm CO , NO, SO , N , O , nước (kg/h) Dựa vào phương trình phản ứng cháy ta tính toán khối lượng khí khỏi lò sau: GCO2 = 44 (mCnl + mCct ) (kg/h) 12 GSO2 = 2(mS nl + mS ct ) (25) (kg/h) (26) G NO = G NO (4 ) (kg/h) (27) Lượng N lại khí thải: G N ,kt = G N ,kk (kg/h) (28) Lượng oxy dư: GO2 = GO2 ,tt − GO2 ,lt (kg/h) (29) 790 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Lượng nước theo khói lò: Ghoinuoc = Gam,ct − Gam,kk + GH 2O (kg/h) (30) Lượng tro hình thành trình đốt: Gtro = Anl + Act (kg/h) (31) Tổng lượng vật chất khỏi lò: Gra = Gkhi + Ghoinuoc + Gtro (kg/h) (32) 2.3 Nhiệt lượng đưa vào lò Gọi Q vao nhiệt lượng vật chất mang vào lò, công thức tính nhiệt lượng vào là: Qvao = Qctc + Qnlc + Qkk + Qam + Qct + Qnl (kcal/h) (33) Công thức tổng quát để tính nhiệt lượng chất thải mang vào lò [3]: Qct = Gct × Cct × Tct (kcal/h) (34) Nhiệt lượng nhiên liệu mang vào: Qnl = Gnl × C nl × Tnl (kcal/h) (35) Nhiệt lượng không khí nước cấp vào trình cháy là: Qkk + Qam = Gkk × (C kk + d × C hoinuoc ) × Tkk + Gkk × r × d (kcal/h) (36) Qnlc = q nlc × Gnl (37) (kcal/h) q nlc = 339C + 1256 H − 108,8(O − S ) − 25,1(W + H ) (kcal/kg) (38) Trong trình chất thải cháy sinh lượng nhiệt tính công thức: Qctc = qctc × Gct (kcal/h) (39) qctc = 81C + 246 H − 26(O − S ) − 6W (kcal/kg) (40) 2.4 Nhiệt lượng khỏi lò Tổng nhiệt lượng mà vật chất mang khỏi lò đốt là: Qra = Qtro + Qkhoi + Qmocua + Qtuong (kcal/h) (41) Nhiệt lượng mà tro, xỉ mang khỏi lò đốt là: Qtro = Gtro × Ctro × Ttro (kcal/h) (42) Nhiệt lượng khói tính tổng nhiệt lượng thành phần chứa khói lò: Qkhoi = QCO2 + QNO + QN + QSO2 + QO2 + Qhoinuoc (kcal/h) (43) Công thức tổng quát để tính nhiệt lượng khói thải: Qi = Gi × Ci × Ti (kcal/h) (44) Tổn thất nhiệt tường lò tính 5% lượng nhiệt cháy dầu chất thải, tổn thất nhiệt mở cửa lò đốt 10% nhiệt mát qua tường lò [3] ( ) Qtuong = 0,05 × Qctc + Qnlc (kcal/h) (45) Qmocua = 0,1× Qtuong (kcal/h) (46) 791 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN Thành phần cấu tạo phần mềm bao gồm nhiều hàm, chuỗi, công thức, phương trình chương trình hợp thành Để mô hình hóa cho dễ hiểu sau lưu đồ thuật toán (hình 1) giải thuật phần mềm thiêu xác gia cầm Giải thuật bao gồm sáu bước sau: Bước 1: Sau liệu người dùng nhập xử lý xong chương trình “lượng vật chất tham gia phản ứng” tiến hành trình tổng hợp khối lượng nhiên liệu chất thải Hình Lưu đồ thuật toán trình xử lý thông tin, tính toán xuất số liệu Bước 2: Chương trình “tổng khối lượng vật chất vào lò” lấy kết từ “lượng vật chất tham gia phản ứng” liệu nhập vào để tính toán khối lượng vật chất đưa vào lò, sau tính toán xong chương trình lưu vào nhớ chờ xử lý 792 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bước 3: Thông qua kết từ chương trình “tổng khối lượng vật chất vào lò” phần mềm tiếp tục xử lý chương trình “tổng khối lượng vật chất khỏi lò” tính toán lượng vật chất từ lò ra, sau bước xử lý chương trình kết lưu vào nhớ, đợi chương trình khác gọi để thực thi Bước 4: Chương trình “nhiệt lượng vật chất mang vào lò” sử dụng liệu từ chương trình liệu người dùng nhập để tính toán nhiệt lượng vật chất mang vào lò Bước 5: Chương trình “nhiệt lượng vật chất mang khỏi lò” sử dụng liệu từ chương trình liệu người dùng nhập vào để tính toán nhiệt lượng vật chất mang khỏi lò Bước 6: Chương trình “kết tính toán” tổng hợp tất liệu từ chương trình khác giải lượng nhiên liệu tham gia thiêu đốt chất thải khối lượng khí thải thoát khỏi lò thiêu Hình Giao diện khởi động phần mềm Hình Giao diện sau chọn chế độ mở rộng 793 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sau khởi động phần mềm giao diện phần mềm hiển thị hình 3, hình làm việc chứa thông số nhập số liệu xuất giao diện, giúp người dùng dễ theo dõi trình nhập thông số tránh sai sót trình sử dụng KẾT LUẬN Việc tính toán trình đốt xác gia cầm theo hướng thông qua phần mềm đề tài mang tính mới, khoa học, không dừng lại kết cố định tính toán truyền thống, mà việc tính toán trở nên dễ dàng hơn, thuận tiện cho việc tính toán kiểm tra thông số đầu vào đầu trình Nghiên cứu phần trợ giúp quan trọng việc tính toán, thiết kế chế tạo lò thiêu xác gia cầm Nghiên cứu chế tạo lò đốt xác gia cầm mang tính khoa học, tính cộng đồng, đem lại an toàn môi trường, bảo vệ xã hội khỏi hiểm họa từ dịch bệnh cúm A H5N1 Cùng với việc nghiên cứu chế tạo, việc xây dựng phần mềm tính toán cách toàn diện mang lại tiện ích thiết thực, mang lại thuận lợi việc tính toán thiết kế chế tạo lò đốt xác gia cầm Phần mềm viết dựa phần mềm Matlab, giao diện người dùng xây dựng tương đối trực quan, giúp cho việc trao đổi người dùng phần mềm trở nên dễ dàng thuận lợi Phần mềm sử dụng độc lập với phần mềm Matlab 2010a nên không bị phụ thuộc vào phần mềm Matlab TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J L Albright and C W Alliston, Effects of Varying the Environment upon the Performance of Dairy Cattle Journal of Animal Science, (1971) 32:566-577 [2] J Bujak, Experimental study of the energy efficiency of an incinerator for medical waste Science Direc - Applied Energy, 86 (2009) 2386 - 2393 [3] A Vega-Galvez, A Andres, E Gonzalez, Mathematical modelling on the drying process of yellow squat lobster fishery waste for animal feed Animal Feed Science and Technology, 151 (2009) 268-279 [4] Brian R.Hunt, Ronald L., Lipsman, Jonathan M.Rosenberg, A Guide to MATLAB for berginners and experienced users, Cambridge - 2005 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Nguyễn Thanh Hào nt.hao@hcmuaf.edu.vn Tel: 0949 121898 Khoa Cơ khí Công nghệ - Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM 794 ... quốc khí - Lần thứ IV phần mềm tính toán lượng khí thải hình thành thiêu xác gia cầm bị dịch bệnh phục vụ cho công tác tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đốt, thiết bị xử lý khí thải MÔ HÌNH TOÁN... nghiên cứu chế tạo, việc xây dựng phần mềm tính toán cách toàn diện mang lại tiện ích thiết thực, mang lại thuận lợi việc tính toán thiết kế chế tạo lò đốt xác gia cầm Phần mềm viết dựa phần mềm. .. lò thiêu xác gia cầm Nghiên cứu chế tạo lò đốt xác gia cầm mang tính khoa học, tính cộng đồng, đem lại an toàn môi trường, bảo vệ xã hội khỏi hiểm họa từ dịch bệnh cúm A H5N1 Cùng với việc nghiên