Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỀU TRƯỜNG VẬN TỐC DÒNG KHÍ TỚI HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN RESEARCH INFLUENCE OF GAZ FLOW VELOCITY FIED EVEN LEVEL TO ELECTROSTATIC PRECIPITATOR EFFICIENCY ThS Triệu Quý Huy1a, PGS.TS Hoàng Văn Gợt2b Trường Đại học Việt Bắc, Bộ GD&ĐT, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương a Lipit2010@gmail.com; bgotnarime@yahoo.com.vn TÓM TẮT Hiện Việt nam có hàng trăm thiết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) có nguồn gốc ngoại nhập sử dụng nhà máy nhiệt điện nhà máy sản xuất xi măng, [1].Việc nghiên cứu giải pháp kỹ thuật để tạo trường vận tốc khí buồng lọc nhằm nâng cao hiệu suất lọc bụi có ý nghĩa khoa học thực tiễn quan trọng Nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để tạo trường vận tốc khí mô hình thiết bị LBTĐ Phương pháp nghiên cứu mở khả ứng dụng công tác vận hành có hiệu suất cao thiết bị LBTĐ nước ta Từ khóa: lọc bụi tĩnh điện, trường vận tốc khí, hiệu suất lọc bụi ABSTRACT Now in Vietnam there are hundreds electrostatic precipitators (ESP) imported origin, using in thermal power plants, sement plants, The study to generate even gaz velocity field to enhance dust filter efficiency of importance science and practical significance The research team proposed experimental methods to find even gaz velocity field in model of the the ESP The research method is possibility application for ESP operation in Vietnam now Keywords: electrostatic precipitator, velocity field, dust filter efficiency ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện Việt nam có hàng trăm thiết bị LBTĐ có nguồn gốc ngoại nhập sử dụng nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất xi măng, Do đặc điểm nhập đồng nên thiết bị bị lệ thuộc vào đối tác nước từ khâu thiết kế, chế tạo khâu kỹ thuật điều chỉnh vận hành Nhiệm vụ đặt cho Viêt Nam phải khai thác lượng lớn thiết bị LBTĐ nêu đạt hiệu suất cao Bài báo đề xuất phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để tạo trường vận tốc khí buồng lọc nhằm nâng cao hiệu suất cho thiết bị LBTĐ, phù hợp với điều kiện Việt Nam NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên lý hoạt động thiết bị lọc bụi điện [2] Lọc bụi tĩnh điện thu bụi nguyên lý ion hoá tách bụi khỏi dòng không khí qua vùng có trường điện lớn Buồng lọc bụi tĩnh điện cấu tạo hình tháp tròn hình hộp chữ nhật, bên có đặt cực dương song song xen kẽ thép gai Hạt bụi với kích thước nhỏ, nhẹ, bay lơ lửng không khí đưa qua buồng lọc có đặt cực cấp điện cao áp chiều cỡ từ vài chục 100kV để tạo thành điện trường có cường độ lớn Hạt bụi qua điện trường mạnh bị ion hoá thành phân tử ion mang điện tích âm, sau chuyển động phía cực dương bám vào Bụi 905 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tách khỏi cực việc rung rũ cực Sơ đồ nguyên lý tích bụi buồng lọc (hình 1), [3] Hình Sơ đồ nguyên lý lọc bụi điện 2.2 Ảnh hưởng vận tốc tới hiệu suất lọc Vận tốc di chuyển phần tử bụi ảnh hưởng đáng kể tới thu bụi cực lắng; vận tốc tăng, động tăng, làm giảm hiệu hút bụi cực thu, vận tốc giảm hiệu thu bụi tăng, hiệu suất tích bụi tăng Mô hình toán học thể công thức (1), [3]: v= qE 3πµ d (1) Liên hệ vận tốc di chuyển bụi (v) hiệu suất lọc bụi, thể công thức (2), [3]: η =e − vA Q (2) Trong đó: v- vận tốc di chuyển bụi, cm/s; μ- độ nhớt khói, g/cm.s; q- điện tích hạt bụi; E- cường độ điện trường, Kv/cm; d- đường kính hạt bụi, cm, Q- lưu lượng dòng khói có bụi, m3/s; A- tổng diện tích bề mặt tích bụi, m2 2.3 Sự phân bố trường vận tốc khí buồng lọc Sự phân bố trường vận tốc dòng khí buồng lắng lọc bụi tĩnh điện thể sơ đồ hình 1, [4] Một đặc tính dòng vận tốc độ đồng có ảnh hưởng mạnh tới hiệu suất thiết bị Do nay, nhà khoa học giới nghiên cứu ảnh hưởng để tìm giải pháp cải thiện hiệu suất lọc bụi Hình Sự phân bố vận tốc dòng khí buồng lắng lọc bụi tĩnh điện a Lọc bụi tĩnh điện nằm ngang; b Loại đứng 906 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.4 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng mức trường vận tốc khí tới hiệu suất lọc thiết bị Một số công thức tính toán [4]: g yh = - Hệ số thải phần tử bụi trung bình g yh : g yh g nx e( − k1ω ) −1 (3) Trong đó: g yh – lượng phần tử bụi cửa g Bx - lượng phần tử bụi cửa vào, k tham số, phụ thuộc vào kết cấu yếu tố khác thiết bị - Hiệu suất lọc η : η= − g yh = − e( − k ω ) Từ tính k : k1 = −1 (4) ( −ωl g ) n −1 (5) yh Áp dụng cho lọc bụi tĩnh điện tính k theo Deich, [4]: k1 = δ ( cE1l∋ ) (5b) Trong đó: C- hệ số đặc trưng tính linh hoạt đặc tính phần tử bụi số cho lọc bụi diện cụ thể, E - điện áp trung bình điện trường, δ э - khoảng cách cực lắng cực phóng Để xác định ảnh hưởng vận tốc dòng khí tới hiệu suất lọc thường lấy k = số Hệ số thải bụi hiệu suất trung bình: - Giá trị trung bình hệ số thải bụi phân bố không vận tốc (ω) qua đơn vị diện tích, [7]: (g ) = yh ω - Hiệu suất: Fk ∫g ω dF (6) yh Fk ηω = − ( g yh ) = 1− ω Fk ( ∫ ωe − k1ωk ω ) −1 dF (7) Fk Khi có phân bố vận tốc ta có: ω = ωk : hệ số thải bụi xác định, [4]: (g ) = e( yh k − k1ωk ) −1 (8) Tính hệ số phân bố không M k, mặt cắt tròn mặt cắt phẳng: - Mặt cắt tròn: = M k 2= ∫ ω ydy ∫ω - Mặt cắt phẳng: = Mk ω dy ∫= (9a) ydy −1 0,5 ∫ ω dy (9b) −1 Hệ số phân bố không M k [4]: ∫ ω dF ∫ ω dF = ω 'k = ∫ ω dF Fk Fk Từ (10) suy ra: M = k ω ,k = ωk ω = k ∫= ω dF M k ωk ωk Fk Fk Fk Fk ω , k Fk Q , = (ωk Fk ) Q 907 (10) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó: ω , k vận tốc trung bình tính tỷ số lượng khí thải bụi Q , tổng lượng khí tiêu thụ Q chảy qua mặt cắt Nhận xét: ảnh hưởng mức không đồng trường vận tốc theo mặt cắt ngang buồng lọc tới hiệu suất thiết bị: Theo [4], ảnh hưởng mức không đồng trường vận tốc lớn, trí M k =1,31 hệ số thu bụi tăng lần 2.5 Cơ chế cân lực cản theo mặt cắt 2.5.1 Bộ phân phối dòng Thông thường giải pháp làm cân lực cản khí vào thiết bị dùng hướng dòng, phương pháp chưa đạt hiệu Hiện có giải pháp hữu hiệu phương pháp cân trở lực theo mặt cắt, sử dụng phân dòng khí dạng lưới chuyên dùng vật liệu chuyên dùng khác Kết điều chỉnh phân dòng (lưới) làm trường vận tốc chảy kênh, điều có tác dụng làm tăng hiệu suất lọc bụi [4] Có ba mức điều chỉnh dòng khí: mức nhỏ, mức lớn mức toàn phần: - Mức nhỏ: chất chế điều chỉnh để dòng khí chủ yếu chảy tịnh tiến dọc kênh dẫn Đặc tính dòng chảy phù hợp với kênh dẫn ống thẳng; - Mức lớn: mức cửa khí vào có góc mở rộng lớn (α = - 90o), trường hợp kênh dẫn ống dài α 90o, đặc điểm dòng khí phần tử bụi chuyển động tịnh tiến phần lớn mặt cắt ngang 2.5.2 Phân loại lực cản dòng khí Lực cản kênh dẫn khí cấu phân phối dòng có ảnh hưởng quan trọng tới mức trường vận tốc khí mặt cắt ngang kênh dẫn Theo [5] lực cản phân dòng chia loại sau: lực cản tới hạn - lực cản cần thiết để dòng chảy khí đạt hoàn toàn mức trường vận tốc; lực cản tiêu thụ lực cản thực tế phát sinh dòng khí chảy qua phân dòng 2.5.3 Phương pháp cân lực cản Theo [5], để tạo mức vận tốc mặt cắt ngang kênh dẫn khí sau lưới phân dòng sử dụng phương pháp cân lực cản sau: - Xác định hệ số cản tới hạn lưới phân phối khí: ξ kr = 2δ p p ξopt ; (trong đó: ω p = ρω p vận tốc trung bình dòng khí, m/s; δp p –mất mát áp lực lưới phân dòng, p a ); - Xác định tỷ số diện tích làm việc F k diện tích cửa vào F o thiết bị: ( hệ số cản lưới phân phối ζ p ; Fk ) Fo - Xác định xác định tỷ số diện tích mặt cắt tương đối F ctp dòng khí phân tán  Fctp   Fctp  mặt lưới diện tích F k :     phân dòng, sau xác định hệ số  Fk   Fo  cản tiêu thụ phân dòng (ζ пotp ); Fk ) sau xác định hệ số cản tối ưu (ζ oпt ) phân dòng, có Fo nghĩa nhờ hệ số để dòng khí chảy đạt phân bố toàn mặt cắt - Xác định tỷ số: ( 908 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.5.4 Cơ chế điều chỉnh dòng chảy khí qua lưới phân phối dòng Xem xét số thí nghiệm mô hình kênh dẫn khí: - Khi có dòng khí chảy kênh dẫn vách giới hạn qua lưới chắn dòng, vận tốc bị chậm lại, dòng chảy mở rộng ra, suất áp lực tĩnh (h.3a) dòng lưới chảy kênh có vách giới hạn với lưới phân dòng vùng sau lưới xuất điều chỉnh có khuynh hướng trường vận tốc (h.3b); - Khi cho dòng khí chảy kênh dẫn hướng tâm lên với trở lực (ζ p ) khác nhau, kết cho mức trường vận tốc khác Khi có hướng dòng mức trường vận tốc cải thiện rõ ràng, thể sơ đồ (h 4đ, hình phía phải); - Khi cho dòng khí chảy kênh dẫn hướng tâm ngược xuống, kênh dẫn lưới chắn có lưới chắn phân dòng, kết cho mức trường vận tốc khác nhau, bổ sung lưới có cánh hướng dòng mức trường vận tốc cải thiện rõ ràng (h.5c); - Phương pháp sử dụng nhiều lưới phân dòng: sử dụng ba lưới phẳng với trở lực nhỏ, đặt nối tiếp: loại (6a) hệ thống lỗ thủng, loại với lỗ dạng ống (hình 6b) có kết mức biểu đồ vận tốc đạt cao; - Phương pháp sử dụng hai lưới phân dòng: hai lưới đặt nối tiếp với khoảng cách (l p ) khác nhau: khoảng cách nhỏ (7a), khoảng cách hợp lý (7b) khoảng cách lớn (7c) Trường hợp khoảng cách hai lưới hợp lý cho mức biểu đồ vận tốc tốt (h.7b) a) b) Hình Sơ đồ dòng khí có lưới chắn: a) ống giới hạn, b) có ống giới hạn a) b), c) d), đ) Hình Sơ đồ dòng khí hướng vào tâm kênh (: a) không lưới, b) có lưới phẳng trở lực ζ p > ζ kp ; c) có lưới trở lực ζ p < ζ kp ; d) có hướng dòng; đ) lưới phẳng trở lực ζ p giá trị lớn 909 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) b) c) Hình Sơ đồ dòng khí cấp vào trung tâm hướng xuống phía dưới: a) không lưới, b) lưới phẳng với trở lực ζ p lớn; c) lưới phẳng với trở lực ζ p lớn có hướng dòng a) b) Hình Sơ đồ dòng chảy với ba lưới: a) ba lưới phẳng; b) ba lưới dạng ống a) b) c) Hình Trường vận tốc sau hai lưới phân dòng với khoảng cách chúng (l p ) thay đổi a) L p nhỏ; b) L p hợp lý, c) L p - lớn Nhận xét: Từ phân tích lý thuyết thực nghiệm nêu ta thấy: - Lưới phân dòng làm thay đổi đặc tính trường vận tốc mặt cắt ngang; - Hiệu suất lọc thiết bị phụ thuộc đáng kể vào mức biểu đồ vận tốc khí mặt cắt ngang kênh dẫn; - Khi thay đổi chủng loại, số lượng, điều chỉnh vị trí tương đối lưới phân dòng làm thay đổi trở lực, dẫn tới điều chỉnh mức vận tốc mặt cắt ngang kênh dẫn khí KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Giải pháp làm tăng hiệu suất thiết bị lọc bụi Từ phân tích cho thấy có nhiều giải pháp làm tăng hiệu suất thiết bị lọc bụi như: - Vận tốc khí tối ưu: Hiệu suất thiết bị lọc bụi phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí, tùy theo cỡ hạt phần tử bụi để lựa chọn vận tốc vận hành Vận tốc lựa chọn theo kinh nghiệm Phương pháp xác phương pháp thực nghiệm; 910 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Góc mở kênh cấp khí: Góc mở cửa vào ảnh hưởng tới đặc tính dòng khí [4], có khả hướng dòng khí vào vùng trung tâm buồng lọc, làm tăng hiệu suất lọc thiết bị [4]; - Điều chỉnh phân dòng: Bộ phân dòng có ảnh hưởng tới trở lực dòng khí làm thay đổi mức biểu đồ vận tốc, làm nâng cao hiệu suất lọc Số lượng vị trí lắp đặt tương quan lưới phân dòng có ảnh hưởng tới trở lực dòng khí liên quan tới mức biểu đồ vận tốc, làm ảnh hưởng tới hiệu suất lọc; - Điều chỉnh hướng dòng khí: Hướng dòng khí bụi vào vùng trung tâm buồng lọc: theo[5] vùng trung tâm buồng lọc có khả thu tới 90% lượng bụi qua buồng lọc Bộ hướng dòng làm tăng lượng dòng khí vào vùng trung tâm buồng lọc, làm tăng đáng kể hiệu suất lọc; - Chủng loại lưới: Chủng loại lưới lưới phẳng, lưới không gian, lưới có hệ lỗ dạng ống, dạng lỗ tròn, dạng lỗ chữ nhật, dạng lớp vật liệu hạt,…tất ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính trường vận tốc hệ cải thiện hiệu suất lọc bụi thiết bị 3.2 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật Các phương pháp nêu tới mục tiêu làm trường vận tốc kênh dẫn khí vào thiết bị lọc bụi Hiện Việt Nam, hàng trăm thiết bị lọc bụi điện nhập ngoại có phân dòng chủ yếu lưới dạng phẳng, hệ lỗ tròn, lỗ dạng ống Do sử dụng kỹ thuật điều chỉnh phân dòng để nâng cao hiệu suất lọc thiết bị vấn đề có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao, có giá trị kinh tế cải thiện môi trường khí thải công nghiệp Giải pháp thực hữu hiệu kết hợp lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Song thực tế thiết bị lọc bụi lớn nên khó làm mô hình thiết bị lọc bụi điện, đáp ứng đồng dạng thiết kế, đáp ứng điều kiện môi trường làm việc tương tự Từ phân tích khoa học thực trạng nêu Việt Nam, nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật: điều chỉnh phân dòng Đây giải pháp có tính khả thi khả thiết kế chế tạo thực thí nghiệm Thí nghiệm thực trước mô hình điều kiện phòng thí nghiệm để xác định mức biểu đồ vận tốc dòng khí sở điều chỉnh phân dòng, sau áp dụng kiểm nghiệm kết thiết bị lọc bụi tĩnh điện công nghiệp 3.3 Khái quát mô tả phương pháp thực nghiệm Mô hình buồng lọc: Thiết bị thí nghiệm mô hình buồng lọc bụi có kết cấu khí đồng dạng với buồng lọc thiết bị lọc bụi tĩnh điện công nghiệp cấu tạo hình học, cấu trúc bên buồng lọc, có phân dòng điều kiện cấu để điều chỉnh, quạt gió, van tiết lưu có hệ thống thiết bị đo lường thông số kỹ thuật liên quan thí nghiệm như: đồng hồ tiết lưu, đồng hồ đo vận tốc áp suất khí,… Điều kiện thí nghiệm: đặt giá trị giới hạn khoảng cách hai lưới phân dòng [ Lmax ; L ], đặt hệ số thoáng lưới [k max ; k ], đặt tỷ lệ L đường kính lưới [L/D lmax ; L/D l ] Cách thực thí nghiệm: Cho biến thiên thông số kỹ thuật theo điều kiện nêu trên, đo mức biến thiên vận tốc theo hướng xác định mức trường vận tốc khí cách đo vận tốc số mặt cắt ngang mô hình định sẵn, xác định hàm lượng bụi sau lọc giải pháp điều chỉnh thông số lưới phân dòng Đánh giá kết quả: Kết thu mức trường vận tốc mặt cắt ngang phương án khác đương nhiên hệ số hiệu suất lọc khác Theo [5] mức biểu đồ vận tốc tốt (sai lệch nhỏ so với mức tối ưu) hệ số hiệu suất lọc K η cao 911 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Từ phân tích cho phép kết luận sau: - Hiệu suất lọc thiết bị lọc bụi điện phụ thuộc vào mức trường vận tốc buồng lọc Đây yếu tố lần đầu đề cập nghiên cứu Việt Nam; - Ảnh hưởng mức trường vận tốc tới hiệu suất lọc thiết bị lọc bụi điện đáng kể Do vậy, cần tìm giải pháp kỹ thuật để điều chỉnh mức biểu đồ vận tốc dòng khí nhằm nâng cao hiệu suất lọc; - Lựa chọn giải pháp kỹ thuật: Chọn giải pháp điều chỉnh phân dòng để cân trở lực, tạo mức cho trường vận tốc dòng khí mặt cắt ngang sau lưới phân dòng kênh dẫn khí; - Đối tượng thí nghiệm: Bộ phân phối dòng khí dạng lưới phẳng với hệ lỗ tròn lắp mô hình buồng lọc bụi điện bụi để thí nghiệm, điều chỉnh số thông số kỹ thuật phân phối dòng khí với mục đích làm biểu đồ vận tốc dòng khí mặt cắt ngang; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: kết hợp nghiên cứu thực nghiệm mô hình buồng lọc nhỏ phòng thí nghiệm để xác định mức biểu đồ vận tốc dòng khí kiểm nghiệm hiệu suất lọc thiết bị lọc bụi điện công nghiệp Đây phương pháp có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao, phù hợp với điều kiện Việt nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viện Nghiên cứu Cơ khí, báo cáo tổng kết đề tài KHCN: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo lọc bụi công suất lớn cho dây chuyền xi măng lò quay, công suất 2500 clanke/ngày” NXB: Viện Nghiên cứu Cơ khí, 2010 [2] GS.TS Trần Ngọc Chấn, Cơ học bụi phương pháp xử lý bụi, tập NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [3] GS.TSKH Nguyễn Sỹ Mão, Môi trường kỹ thuật xử lý chất phát thải, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [4] Идель И.Е Д-р техн Наук проф, Аэрогидро-динамика технологических апаратов, MOCKBA “Maшиностроение”, 1983 [5] Чекалов Л.В Д-р техн Наук,Экотехника: зашита атмосферного воздуха oт выбросов пыли, аэрозолей и тумалов, Ярославль “Русь” 2004 THÔNG TIN LIÊN LẠC TÁC GIẢ ThS Triệu Quý Huy Trường Đại học Việt Bắc, Bộ GD&ĐT, Email: Lipit2010@gmail.com, ĐT: 0986640023 PGS.TS Hoàng Văn Gợt Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương Email: bgotnarime@yahoo.com.vn, ĐT: 0913304147 912