Đề tài 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 --------------X W-------------- LÊ ANH KIÊN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG Chuyên ngành: Máy và Thiết Bị 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 Thị 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 Bị 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 thị.............................................................................. xii  Danh mục các hình vẽ, đồ thị.............................................................................. xii  MỞ ĐẦU .................................................................................................................1  1. ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................1  2. ĐỐI TƯỢNG 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 bị lò đốt chất thải rắn ................22  2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống.......................................................25  2.1.2 Phương pháp phân tích định 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 bị 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 bị phân tích khí và đọc dữ liệu.............................................34  2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bị 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 định 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 định thành phần nhiệt vật lý (nhiệt trị) .........................................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 dị 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 dị 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 bị 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 HỢP 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 định nhiệt độ cháy trong cột vật liệu.................................118  5.4.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng của vật liệu cháy................125  5.4.2.3 Kiểm định 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 SỬ 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 trị ......................................................................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 định 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 định ....................................................... PL4  P1.2.2 Phân tích thành phần cơ bản............................................................ PL4  P1.2.2.1 Xác định thành phần Cacbon và Hiđrô .................................... PL5  P1.2.2.2 Thành phần ôxy trong mẫu....................................................... PL7  P1.2.3 Phân tích nhiệt trị 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 SỬ 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 định 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 định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=Q=468kg/m2h ................................................................................... PL63  P5.2.1.2 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm, Q=Q=468kg/m2h ................................................................................... PL64  P5.2.1.3 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=Q=468kg/m2h65  P5.2.1.4 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=936kg/m2hPL67  P5.2.1.5 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm, Q=936kg/m2hPL68  P5.2.1.6 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=936kg/m2hPL69  P5.2.1.7 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL70  P5.2.1.8 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL71  P5.2.1.9 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL72  P5.2.2 Độ giảm khối lượng....................................................................... PL74  P5.2.2.1 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=468kg/m2h ...... PL75  P5.2.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=936kg/m2h ........... PL76  P5.2.2.3 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=1404kg/m2h .... PL78  P5.2.3 Thành phần khí.............................................................................. PL79  P5.2.3.1 Kiểm định thành phần khí với Q=Q=468kg/m2h.................... PL81  P5.2.3.2 Kiểm định thành phần khí với Q=936kg/m2h......................... PL84  P5.2.3.3 Kiểm định 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 vị trí, [m] -x- ka hằng số biểu thị sự hấp thu bức xạ, [m-1] Eb hệ số phát xạ vật thể đen Pr chuẩn số Prandtl Re chuẩn số Reynolds, kf,Kg hệ số dẫn nhiệt của pha khí, W/m.độ. ls kích thước đặc trưng của vật liệu, m Sh chuẩn số Sherwood Sc chuẩn số Schmidt r tốc độ tiêu huỷ của vật liệu, kg/s k0 hằng số tốc độ trong phương trình Arrhenius s-1 mair lượng không khí cần thiết cho sự cháy, kg/s α1 hệ số đối lưu nhiệt, W/m2.độ σ hằng số Stefan-Boltzmann, σ = 5,67.10-8, W/m2.độ4 νf độ nhớt động học của chất khí, m2/s ρbulk khối lượng riêng xốp, kg/m3 -xi- D