Đề tài Phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn công nghiệp đặc trưng

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA --------------X W-------------- LEÂ ANH KIEÂN PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG QUAÙ TRÌNH ÑOÁT NHIEÄT PHAÂN CHAÁT THAÛI RAÉN COÂNG NGHIEÄP ÑAËC TRÖNG Chuyeân ngaønh: Maùy vaø Thieát Bò Coâng ngheä Thöïc phaåm Maõ ngaønh: 2.01.20 HÖÔÙNG DAÃN: 1. PGS.TSKH. LEÂ XUAÂN HAÛI 2. GS. V.N.SHARIFI LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH – NAÊM 2010 -i- Lôøi cam ñoan Toâi xin cam ñoan nhöõng keát quaû ñöôïc trình baøy trong luaän aùn naøy laø do chính toâi thöïc hieän töø kieán thöùc cuûa chính mình. Toâi khoâng noäp luaän aùn naøy cho baát cöù tröôøng vieän naøo ñeå ñöôïc caáp baèng. -ii- Lôøi caûm ôn Tröôùc heát toâi xin chaân thaønh caûm ôn Thaày höôùng daãn chính laø PGS.TSKH Leâ Xuaân Haûi ñaõ taän tình höôùng daãn, chia seû nhöõng kinh nghieäm quyù baùu treân con ñöôøng nghieân cöùu khoa hoïc. Thaày ñaõ chaân tình ñoäng vieân vaø taïo moïi ñieàu kieän toát nhaát cho toâi ñeå toâi coù theå hoaøn thaønh luaän aùn naøy. Loøng bieát ôn chaân thaønh cuûa toâi cuõng xin ñöôïc göûi ñeán GS.Vida Sharifi vaø GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng dẫn, đặc biệt cuøng vôùi GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow ñaõ hoã trôï phaàn kinh phí cuõng nhö khoâng ngöøng khuyeán khích toâi trong thôøi gian hoïc taäp taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield. Lôøi caûm ôn saâu saéc nhaát ñöôïc hình thaønh töø nhöõng ngoân töø vaø ngöõ vaên thoâng thöôøng nhöng xuaát phaùt töø taát caû traùi tim vaø lyù trí cuûa toâi coù leõ cuõng khoâng theå noùi leân ñöôïc ñaày ñuû nhöõng gì maø ngöôøi vôï yeâu quyù TS. Leâ Thò Kim Phuïng ñaõ daønh troïn veïn cho toâi, ñaõ cuøng vôùi con gaùi Leâ Phuïng Anh Taâm trôû thaønh nguoàn ñoäng vieân to lôùn, giuùp toâi coù ñuû tinh thaàn, söùc löïc ñeå vöôït qua taát caû nhöõng khoù khaên trong suoát thôøi gian laøm luaän aùn. Xin caûm ôn nhöõng ngöôøi thaân, gia ñình vaø baïn beø ñoàng nghieäp ôû Vieän Kyõ Thuaät Nhieät Ñôùi vaø Baûo veä Moâi Tröôøng, ñaëc bieät laø TS. Nguyeãn Quoác Bình, ñaõ chia seû kinh nghieäm nghieân cöùu vôùi toâi, thöôøng xuyeân ñoäng vieân, taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi nhaát ñeå toâi chuyeân taâm vieát neân coâng trình nghieân cöùu naøy. Xin chaân thaønh caûm ôn caùc Thaày, coâ trong khoa Coâng ngheä Hoaù hoïc, trong boä moân Maùy Thieát Bò ñaõ uûng hoä toâi, taïo ñieàu kieän toát nhaát cuõng nhö ñaõ ñoùng goùp nhöõng yù kieán quùy giaù cho toâi, giuùp toâi hoaøn thaønh ñöôïc coâng vieäc cuûa mình. Cuoái cuøng, toâi xin caûm ôn Boä Giaùo duïc vaø Ñaøo taïo, Tröôøng Ñaïi hoïc Quoác Gia TP. Hoà Chí Minh ñaõ taøi trôï cho toâi thöïc hieän coâng trình nghieân cöùu naøy. -iii- Muïc luïc Lôøi cam ñoan............................................................................................................i  Lôøi caûm ôn.............................................................................................................. ii  Muïc luïc.................................................................................................................. iii  Danh muïc caùc kí hieäu vieát taét ................................................................................ix  Danh muïc caùc baûng ...............................................................................................xi  Danh muïc caùc hình veõ, ñoà thò.............................................................................. xii  Danh muïc caùc hình veõ, ñoà thò.............................................................................. xii  MỞ ĐẦU .................................................................................................................1  1. ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................1  2. ÑOÁI TÖÔÏNG NGHIEÂN CÖÙU..........................................................................2  3. MUÏC TIEÂU NGHIEÂN CÖÙU ............................................................................2  4. NOÄI DUNG NGHIEÂN CÖÙU ............................................................................3  5. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU ....................................................................3  6. YÙ NGHÓA KHOA HOÏC ...................................................................................4  7. YÙ NGHÓA THÖÏC TIEÃN...................................................................................6  CHƯƠNG 1: TOÅNG QUAN...................................................................................7  1.1 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU ...........................................................................7  1.2 THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN.............................................12  1.3 TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU QUAÙ TRÌNH CHAÙY TRONG THIEÁT BÒ ÑOÁT KIEÅU COÄT NHOÀI.....................................................................................19  CHƯƠNG 2: PHÖÔNG PHAÙP, THIEÁT BÒ VAØ VAÄT LIEÄU TRONG NGHIEÂN CÖÙU THÖÏC NGHIEÄM..........................................................................................22  2.1 PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU HEÄ THOÁNG THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN ...............................................................................................22  -iv- 2.1.1 Phương phaùp tieáp caän heä thoáng thieát bò loø ñoát chaát thaûi raén ................22  2.1.2 Phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng.......................................................25  2.1.2 Phöông phaùp phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng .............................25  2.2 THIEÁT BÒ NGHIEÂN CÖÙU VAØ PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC HIEÄN..................25  2.2.1 Phaân tích nhieät vi sai.............................................................................26  2.2.2 Thí nghieäm treân thieát bò loø ñoát coät nhoài ...............................................30  2.2.2.1 Thieát laäp heä thoáng thí nghieäm .......................................................30  2.2.5.2 Buoàng ñoát.......................................................................................32  2.2.2.3 Thu maãu nhieät ñoä vaø thaønh phaàn khí.............................................33  2.2.2.4 Caáp khí...........................................................................................34  2.2.2.5 Thieát bò phaân tích khí vaø ñoïc döõ lieäu.............................................34  2.2.2.6 Phöông thöùc tieán haønh thöïc nghieäm treân thieát bò coät nhoài ............35  2.3 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU .........................................................................38  CHÖÔNG 3: KEÁT QUAÛ VAØ THAÛO LUAÄN .........................................................40  3.1 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG ...............................40  3.1.1 Keát quaû phaân hoaïch heä thoáng...............................................................40  3.1.2 Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng ...................................................41  3.2 KEÁT QUAÛ XAÙC ÑÒNH THAØNH PHAÀN TOÅNG QUAÙT, THAØNH PHAÀN CÔ BAÛN, NHIEÄT TRÒ .......................................................................................45  3.2.1 Thaønh phaàn hoùa hoïc .............................................................................45  3.2.2 Xaùc ñònh thaønh phaàn nhieät vaät lyù (nhieät trò) .........................................46  3.3 NGHIEÂN CÖÙU CAÙC THOÂNG SOÁ ÑOÄNG HOÏC CUÛA QUÙA TRÌNH CHAÙY VAÄT LIEÄU RAÉN BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH NHIEÄT VI SAI........48  3.4 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU QUAÙ TRÌNH CHAÙY CUÛA VAÄT LIEÄU RAÉN..53  3.4.1 Quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp khaên giaáy vaø cactoâng ..............................53  3.4.2 Quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp cactoâng vaø goã ..........................................69  3.4.3 Quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp goã vaø rôm ................................................77  CHƯƠNG 4: XAÂY DÖÏNG MOÂ TAÛ TOAÙN HOÏC ................................................83  -v- 4.1 TAÙC VUÏ MOÂ HÌNH HOÙA TOAÙN HOÏC .....................................................83  4.2 XAÂY DÖÏNG MOÂ TAÛ TOAÙN HOÏC CHO QUAÙ TRÌNH CHAÙY VẬT LIEÄU RAÉN TRONG HEÄ DÒ THEÅ ÑA PHAÂN TAÙN.....................................................84  4.2.1 Moâ taû toaùn hoïc heä dò theå ña phaân taùn (lôùp boán)...................................85  4.2.1.1 Phöông trình baûo toaøn vaät chaát ......................................................86  4.2.1.2 Phöông trình baûo toaøn ñoäng löôïng.................................................87  4.2.1.3 Phöông trình baûo toaøn naêng löôïng .................................................88  4.2.1.4 Phöông trình baûo toaøn caáu töû trong pha khí ...................................90  4.2.2 Moâ taû toaùn hoïc cho heä dò theå moät haït vaø heä ñoàng theå (lôùp hai vaø ba).91  4.2.3 Moâ hình truyeàn nhieät böùc xaï trong pha raén..........................................94  4.2.4 Moâ hình truyeàn nhieät vaø truyeàn khoái giữa hai pha...............................94  4.2.5 Moâ taû toaùn hoïc thieát bò ñoát kieåu coät nhoài .............................................95  4.2.6 Ñieàu kieän ban ñaàu vaø ñieàu kieän bieân ...................................................97  4.2.6.1 Ñoái vôùi pha khí ..............................................................................97  4.2.6.2 Ñoái vôùi pha raén ..............................................................................97  CHƯƠNG 5: XAÂY DÖÏNG CHÖÔNG TRÌNH MOÂ PHOÛNG QUAÙ TRÌNH ÑOÁT HOÃN HÔÏP VAÄT LIEÄU RAÉN TRONG THIEÁT BÒ ÑOÁT KIEÅU COÄT NHOÀI .........99  5.1 PHÖÔNG PHAÙP THEÅ TÍCH HÖÕU HAÏN....................................................99  5.2 THUAÄT TOAÙN PHAÂN LY GIAÛI HEÄ PHÖÔNG TRÌNH .........................100  5.3 AÙP DUÏNG PHÖÔNG PHAÙP THEÅ TÍCH HÖÕU HAÏN GIAÛI GAÀN ÑUÙNG HEÄ CAÙC PHÖÔNG TRÌNH MOÂ TAÛ QUAÙ TRÌNH CHAÙY VAÄT LIEÄU RAÉN TRONG THIEÁT BÒ ÑOÁT KIEÅU COÄT NHOÀI...................................................102  5.3.1 Löôùi toång quaùt.....................................................................................102  5.3.2 Sai phaân caùc phöông trình lieân tuïc .....................................................103  5.3.2.1 Phöông trình lieân tuïc trong pha khí..............................................103  5.3.2.2 Phöông trình lieân tuïc trong pha raén .............................................106  5.3.3 Sai phaân phöông trình naêng löôïng ......................................................106  5.3.3.1 Sai phaân phöông trình naêng löôïng trong pha khí .........................106  5.3.3.2 Sai phaân hoùa phöông trình naêng löôïng trong pha raén..................111  -vi- 5.3.4 Sai phaân caùc phöông trình baûo toaøn ñoäng löôïng ................................112  5.4 XAÂY DÖÏNG CHÖÔNG TRÌNH TÍNH VAØ ÑAÙNH GIAÙ MOÂ HÌNH........113  5.4.1 Giôùi thieäu chöông trình tính................................................................113  5.4.2 Ñaùnh giaù söï töông thích cuûa moâ hình .................................................117  5.4.2.1 Kieåm ñònh nhieät ñoä chaùy trong coät vaät lieäu.................................118  5.4.2.2 Kieåm ñònh ñoä suy giaûm khoái löôïng cuûa vaät lieäu chaùy................125  5.4.2.3 Kieåm ñònh noàng ñoä khoái löôïng cuûa CO trong khí chaùy ...............126  5.5 ÑAÙNH GIAÙ CAÙC THOÂNG SOÁ KIEÅM SOAÙT QUAÙ TRÌNH.....................132  5.5.1 Toác ñoä baét chaùy ..................................................................................132  5.5.2 Toác ñoä chaùy ........................................................................................133  5.5.3 Tæ leä caáp khí trong giai ñoaïn baét chaùy ................................................134  5.6 MOÂ PHOÛNG QUAÙ TRÌNH CHAÙY TRONG COÄT NHOÀI SÖÛ DUÏNG CIS135  5.6.1 AÛnh höôûng cuûa löôïng khoâng khí cung caáp ñeán toác ñoä chaùy...............135  5.6.2 AÛnh höôûng cuûa kích thöôùc haït ............................................................136  5.6.3 AÛnh höôûng cuûa nhieät trò ......................................................................139  5.6.4 AÛnh höôûng cuûa ñoä roãng khoái haït ........................................................140  5.7 KEÁT LUAÄN ...............................................................................................141  KEÁT LUAÄN .........................................................................................................143  1. KEÁT LUAÄN .................................................................................................143  2. TÍNH KHOA HOÏC VAØ THÖÏC TIEÃN CUÛA ÑEÀ TAØI ..................................144  2. 1 Tính khoa hoïc cuûa ñeà taøi ......................................................................144  2.2 Tính thöïc tieãn cuûa ñeà taøi........................................................................144  3. NHÖÕNG COÂNG VIEÄC CAÀN TIEÁP TUÏC THÖÏC HIEÄN ..............................145  Danh muïc coâng trình ...........................................................................................146  Taøi lieäu tham khaûo ..............................................................................................148  Phuï luïc P1:PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ............................... PL1  P1.2.1 Phaân tích thaønh phaàn toång quaùt ....................................................... PL1  -vii- P1.2.1.1 Phaân tích khoái löôïng aåm........................................................... PL1  P1.2.1.2 Xaùc ñònh khoái löôïng tro ............................................................ PL2  P1.2.1.3 Khoái löôïng caùc chaát höõu cô bay hôi ......................................... PL3  P1.2.1.4 Khoái löôïng cacbon coá ñònh ....................................................... PL4  P1.2.2 Phaân tích thaønh phaàn cô baûn............................................................ PL4  P1.2.2.1 Xaùc ñònh thaønh phaàn Cacbon vaø Hiñroâ .................................... PL5  P1.2.2.2 Thaønh phaàn oâxy trong maãu....................................................... PL7  P1.2.3 Phaân tích nhieät trò cuûa maãu.............................................................. PL7  P2. PHÖÔNG PHAÙP THEÅ TÍCH HÖÕU HAÏN VAØ CAÙC THUAÄT GIAÛI ............. PL9  P2.1 GIÔÙI THIEÄU PHÖÔNG PHAÙP THEÅ TÍCH HÖÕU HAÏN (FVM) ............ PL9  P2.1.1 Löôùi toång quaùt ................................................................................. PL9  P2.1.2 Sai phaân hoùa .................................................................................. PL10  P2.1.3 Rôøi raïc hoaù phöông trình tích phaân ............................................... PL11  P2.2 CAÙC THUAÄT TOAÙN SÖÛ DUÏNG TRONG PHÖÔNG PHAÙP FVM..... PL13  P2.2.1 Thuaät toaùn SIMPLE....................................................................... PL14  P2.2.2 Thuaät toaùn ma traän ba ñöôøng cheùo TDMA (The tri-diagonal matrix algorithm) ................................................................................................. PL19  P3. DÖÕ LIEÄU THÖÏC NGHIEÄM ....................................................................... PL22  P3.1 Hoãn hôïp giaáy, Q=Q=468kg/m2h, m=1kg.......................................... PL22  P3.2 Hoãn hôïp giaáy, Q=936kg/m2h, m=1kg............................................... PL33  P3.3 Hoãn hôïp giaáy, Q=Q=1404kg/m2h, m=1kg........................................ PL41  P4. CHÖÔNG TRÌNH TÍNH............................................................................ PL44  P5. KIEÅM ÑÒNH THEO TIEÂU CHUAÅN KHI BÌNH PHÖÔNG (χ2)................ PL58  P5.1 GIÔÙI THIEÄU TIEÂU CHUAÅN KHI BÌNH PHÖÔNG (χ2)..................... PL58  P5.1.1 Tieâu chuaån Khi bình phöông (χ2) .............................................. PL58  P5.1.2 Xaùc xuaát phuø hôïp....................................................................... PL58  P5.1.3 Giaû thuyeát “khoâng” ................................................................... PL59  P5.1.4 AÙp duïng kieåm ñònh Khi bình phöông ñaùnh giaù söï töông hôïp giöõa hai daõy soá lieäu thöïc nghieäm vaø tính toaùn ............................................. PL59  -viii- P5.2 ÑAÙNH GIAÙ MOÂ HÌNH ........................................................................ PL60  P5.2.1 Nhieät ñoä ......................................................................................... PL60  P5.2.1.1 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 56cm, Q=Q=468kg/m2h ................................................................................... PL63  P5.2.1.2 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 32cm, Q=Q=468kg/m2h ................................................................................... PL64  P5.2.1.3 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 8cm, Q=Q=468kg/m2h65  P5.2.1.4 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 56cm, Q=936kg/m2hPL67  P5.2.1.5 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 32cm, Q=936kg/m2hPL68  P5.2.1.6 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 8cm, Q=936kg/m2hPL69  P5.2.1.7 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 56cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL70  P5.2.1.8 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 32cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL71  P5.2.1.9 Kieåm ñònh theo thoâng soá nhieät ñoä taïi vò trí 8cm, Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................. PL72  P5.2.2 Ñoä giaûm khoái löôïng....................................................................... PL74  P5.2.2.1 Kieåm ñònh ñoä suy giaûm khoái löôïng vôùi Q=Q=468kg/m2h ...... PL75  P5.2.2.2 Kieåm ñònh ñoä suy giaûm khoái löôïng vôùi Q=936kg/m2h ........... PL76  P5.2.2.3 Kieåm ñònh ñoä suy giaûm khoái löôïng vôùi Q=Q=1404kg/m2h .... PL78  P5.2.3 Thaønh phaàn khí.............................................................................. PL79  P5.2.3.1 Kieåm ñònh thaønh phaàn khí vôùi Q=Q=468kg/m2h.................... PL81  P5.2.3.2 Kieåm ñònh thaønh phaàn khí vôùi Q=936kg/m2h......................... PL84  P5.2.3.3 Kieåm ñònh thaønh phaàn khí vôùi Q=Q=1404kg/m2h.................. PL87  -ix- Danh muïc caùc kí hieäu vieát taét ms khoái löôïng raén, kg Cp,s nhieät dung rieâng cuûa chaát raén, J/kg.ñoä As beà maët rieâng chaát raén, m2 Tg nhieät ñoäi trong pha lieân tuïc, K es ñoä phaùt xaï cuûa chaát raén TR nhieät ñoä böùc xaï, K I nhieät böùc xaï rieâng W/m2 kc heä soá caáp khoái m/s psat aùp suaát hôi baûo hoøa, Pa R haèng soá khí lyù töôûng, J.mol.ñoä Xi phaàn mol cuûa caáu töû i. p0 aùp suaát laøm vieäc, Pa rvol toác ñoä bay hôi, kg/s ms khoái löôïng chaát ñoát taïi thôøi gian t, kg ms,0 khoái löôïng ban ñaàu cuûa chaát ñoát, kg rtar toác ñoä phaûn öùng cuûa hôi nhöïa ñöôøng, kg/s Te nhieät ñoä trung bình taïi thôøi ñieåm tính toaùn, K Tf nhieät ñoä cuûa pha khí, K rchar, toác ñoä phaûn öùng cuûa than, kg/s mchar khoái löôïng than coøn laïi, kg ps,O2 aùp suaát rieâng phaàn cuûa oâxy treân beà maët raén, Pa J thoâng löôïng khueách taùn rieâng, [mol m-2 s-1] D heä soá khueách taùn, [m2 s-1] x vò trí, [m] -x- ka haèng soá bieåu thò söï haáp thu böùc xaï, [m-1] Eb heä soá phaùt xaï vaät theå ñen Pr chuaån soá Prandtl Re chuaån soá Reynolds, kf,Kg heä soá daãn nhieät cuûa pha khí, W/m.ñoä. ls kích thöôùc ñaëc tröng cuûa vaät lieäu, m Sh chuaån soá Sherwood Sc chuaån soá Schmidt r toác ñoä tieâu huyû cuûa vaät lieäu, kg/s k0 haèng soá toác ñoä trong phöông trình Arrhenius s-1 mair löôïng khoâng khí caàn thieát cho söï chaùy, kg/s α1 heä soá ñoái löu nhieät, W/m2.ñoä σ haèng soá Stefan-Boltzmann, σ = 5,67.10-8, W/m2.ñoä4 νf ñoä nhôùt ñoäng hoïc cuûa chaát khí, m2/s ρbulk khoái löôïng rieâng xoáp, kg/m3 -xi- Danh muïc caùc baûng Baûng 2.1 Vò trí ño nhieät ñoä vaø khí trong thieát bò ...................................................34  Baûng 2.2 Danh saùch caùc ñaàu doø noàng ñoä khí söû duïng ..........................................35  Baûng 2.3 Noàng ñoä khí chuaån.................................................................................35  Baûng 3.1 Phaân tích thaønh phaàn toång quaùt .............................................................45  Baûng 3.2 Phaân tích cô baûn (caên baûn khoâ) .............................................................46  Baûng 3.3 Nhieät trò (HHV)......................................................................................46  Baûng 5.1 Keát quaû ñaùnh giaù sai soá giöõa thöïc nghieäm vaø moâ phoûng ....................120  Baûng 5.2 Keát quaû ñaùnh giaù sai soá giöõa thöïc nghieäm vaø moâ phoûng ñoái vôùi ñaïi löôïng ñoä suy giaûm khoái löôïng vaø noàng ñoä khoái löôïng CO trong khí chaùy .........128  Baûng P5.1 Giaù trò nhaäp vaøo ban ñaàu cho chöông trình CIS.............................. PL60  Baûng P5.2 Nhieät ñoä chaùy trung bình trong coät vôùi Q=Q=468, 936, vaø Q=1404kg/m2h.................................................................................................. PL62  -xii- Danh muïc caùc hình veõ, ñoà thò Hình 1.3 Sô ñoà heä thoáng thieát bò loø ñoát væ loø di chuyeån ............................................12  Hình 1.4 Moâ hình chaùy vaät lieäu raén treân ghi loø di chuyeån........................................13  Hình 1.5 Sô ñoà vaän ñoäng theo thôøi gian cuûa coät nhieân lieäu ......................................14  Hình 1.6 Thieát bò loø ñoát tónh hai caáp .........................................................................15  Hình 1.7 Sô ñoà thay ñoåi theå tích cuûa vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy ....................20  Hình 2.1 Löôïc ñoà logic tieáp caän heä thoáng thieát bò ñoát chaát thaûi raén .........................24  Hình 2.4 Sô ñoà caáu taïo thieát bò phaân tích nhieät vi sai ...............................................26  Hình 2.5 Thieát bò phaân tích nhieät vi sai .....................................................................27  Hình 2.6 Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ...........................................................................32  Hình 2.7 Caáu taïo thieát bò thí nghieäm.........................................................................33  Hình 2.8 Thieát bò ghi nhaän döõ lieäu ............................................................................35  Hình 2.9 Sô ñoà heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ...................................................36  Hình 2.10 Vaät lieäu ñaõ söû duïng trong thí nghieäm.......................................................39  Hình 3.1 Ñöôøng cong TG cuûa khaên giaáy...................................................................48  Hình 3.2 TG cuûa cactoâng...........................................................................................48  Hình 3.3 Ñöôøng cong TG cuûa goã thoâng.....................................................................48  Hình 3.4 TG cuûa coû tranh ..........................................................................................48  Hình 3.5 Ñöôøng cong TG cuûa rôm.............................................................................48  Hình 3.6 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa khaên giaáy ..................50  Hình 3.7 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa cactoâng ......................50  Hình 3.8 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa goã thoâng ....................50  Hình 3.9 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa coû tranh .....................50  Hình 3.10 Ñoä chuyeån hoaù vaø vi phaân cuûa ñoä chuyeån hoaù cuûa rôm ..........................51  Hình 3.11 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian vôùi khoâng khí Q=468kg/m2h .............54  -xiii- Hình 3.12 Ñoä giaûm khoái löôïng theo thôøi gian...........................................................55  Hình 3.13 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian vôùi Q=1404kg/m2h .............................56  Hình 3.14 Ñoä giaûm khoái löôïng theo thôøi gian...........................................................56  Hình 3.15 Giaù trò IFS trong caùc thí nghieäm Q=468 kg/m2h vaø Q=1404 kg/m2h........57  Hình 3.16 Giaù trò BR vaø SBR tröôøng hôïp Q=468; Q=1404 kg/m2h...........................58  Hình 3.17 Khoái löôïng chaát trong töøng giai ñoaïn Q=468 vaø Q=1404 kg/m2h............59  Hình 3.18 Khoái löôïng vaät lieäu coøn laïi sau quaù trình baét chaùy ..................................61  Hình 3.19a Thaønh phaàn khí trong thí nghieäm Q=468 kg/m2h ...................................62  Hình 3.19b Thaønh phaàn khí trong thí nghieäm Q=1404 kg/m2h .................................62  Hình 3.20 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian taïi caùc vò trí trong coät nhoài .................63  Hình 3.21 Ñoä giaûm khoái löôïng theo thôøi gian...........................................................64  Hình 3.22 IFS trong Q=468 kg/m2h ...........................................................................64  Hình 3.23 Toác ñoä chaùy theo thôøi gian .......................................................................65  Hình 3.24 Nhieät ñoä caùc vò trí trong coät theo thôøi gian...............................................65  Hình 3.25 Ñoä giaûm khoái löôïng trong coät theo thôøi gian............................................66  Hình3.26 Dieãn bieán IFS theo thôøi gian .....................................................................66  Hình 3.27 Toác ñoä chaùy theo thôøi gian .......................................................................67  Hình 3.28 Khoái löôïng vaät lieäu tieâu huyû hoaëc sinh ra ................................................67  Hình 3.29 Khoái löôïng vaät chaát coøn laïi treân ghi.........................................................68  Hình 3.30 Thaønh phaàn khí chaùy vôùi khoâng khí sô caáp Q=468 kg/m2h......................68  Hình 3.31 Thaønh phaàn khí chaùy vôùi khoâng khí sô caáp Q=1404 kg/m2h....................69  Hình 3.32 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=468kg/m2h ..................................70  Hình 3.33 Diễn biến độ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/m2h ..........70  Hình 3.34 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=1404kg/m2h ................................71  Hình 3.35 Độ suy giảm khối lượng với Q=1404kg/m2h..............................................71  Hình 3.36 Noàng ñoä khí chaùy vôùi Q=468kg/m2h ........................................................72  -xiv- Hình 3.37 Noàng ñoä khí chaùy vôùi Q=1404kg/m2h ......................................................73  Hình 3.38 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian trong tröôøng hôïp 1 ..............................74  Hình 3.39 Dieãn bieán ñoä suy giaûm khoái löôïng trong tröôøng hôïp 1.............................74  Hình 3.41 Ñoä suy giaûm khoái löôïng trong tröôøng hôïp 2.............................................75  Hình 3.42 Noàng ñoä khí chaùy trong tröôøng hôïp 1.......................................................75  Hình 3.44 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian, tröôøng hôïp 1 ......................................77  Hình 3.45 Ñoä suy giaûm khoái löôïng, tröôøng hôïp 1 .....................................................78  Hình 3.46 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian, tröôøng hôïp 2 ......................................78  Hình 3.47 Ñoä suy giaûm khoái löôïng, tröôøng hôïp 2 .....................................................78  Hình 3.48 Dieãn bieán nhieät ñoä theo thôøi gian, tröôøng hôïp 3 ......................................79  Hình 3.49 Ñoä suy giaûm khoái löôïng, tröôøng hôïp 3 .....................................................79  Hình 3.50 Noàng ñoä khí chaùy trong tröôøng hôïp 1.......................................................80  Hình 3.51 Noàng ñoä khí chaùy trong tröôøng hôïp 2.......................................................80  Hình 3.52 Noàng ñoä khí chaùy trong tröôøng hôïp 3.......................................................80  Hình 5.1 Löu ñoà cuûa thuaät toaùn phaân ly ....................................................................101  Hình 5.2 Löôùi giôùi haïn tính toaùn ...............................................................................102  Hình 5.3 Maøn hình giao dieän chính cuûa chöông trình ...............................................113  Hình 5.4a Giao dieän nhaäp vaät lieäu trong CIS............................................................114  Hình 5.4b Giao dieän tính chaát vaät lieäu ......................................................................114  Hình 5.4c Giao dieän ñieàu kieän vaän haønh ..................................................................115  Hình 5.5a Dieãn bieán nhieät ñoä taïi caùc vò trí trong coät.................................................115  Hình 5.5b Khoái löôïng vaät lieäu coøn laïi treân ghi loø .....................................................116  Hình 5.5c Thaønh phaàn khí chaùy ................................................................................116  Hình 5.5d Toùm taét caùc thoâng soá kyõ thuaät cuûa quaù trình ............................................117  Hình 5.6 Dieãn bieán nhieät ñoä moâ phoûng vaø thöïc nghieäm taïi caùc vò trí ......................118  Hình 5.7 Dieãn bieán ñoä suy giaûm khoái löôïng moâ phoûng vaø thöïc nghieäm ..................126  -xv- Hình 5.8 Dieãn bieán noàng ñoä khoái löôïng CO trong khí chaùy .....................................127  Hình 5.9 Toác ñoä baét chaùy ..........................................................................................132  Hình 5.10 Toác ñoä chaùy cuûa vaät lieäu ..........................................................................133  Hình 5.11 Toác ñoä chaùy cuûa toaøn boä quaù trình ...........................................................133  Hình 5.12 Vaän toác baét chaùy.......................................................................................134  Hình 5.13 Tæ leä caáp khí töông ñöông (ER) trong giai ñoaïn baét chaùy ........................134  Hình 5.14 Toác ñoä baét chaùy ........................................................................................135  Hình 5.15 Tæ leä caáp khí töông ñöông ER ...................................................................136  Hình 5.16 Quan heä giöõa toác ñoä chaùy vaø kích thöôùc haït ............................................136  Hình 5.17 Quan heä ER vaø kích thöôùc haït ..................................................................138  Hình 5.18a,b Quan heä giöõa thaønh phaàn khí chaùy vaø kích thöôùc haït .........................138  Hình 5.19 Quan heä giöõa toác ñoä chaùy vaø nhieät trò ......................................................139  Hình 5.20 Quan heä giöõa tæ leä töông ñöông vaø nhieät trò..............................................139  Hình 5.21a,b Quan heä thaønh phaàn caùc chaát khí vaø nhieät trò......................................140  Hình 5.22 Töông quan toác ñoä chaùy vaø ñoä roãng cuûa coät ............................................140  Hình 5.23 Quan heä giöõa tæ leä töông ñöông vôùi ñoä roãng.............................................141  Hình 5.23 a,b Quan heä giöõa thaønh phaàn khí vaø ñoä roãng ...........................................141  Hình 3.2.1 Caân phaân tích maãu...................................................................................PL1  Hình 3.2.2 Thieát bò saáy ..............................................................................................PL2  Hình 3.2.3 Thieát bò loø nung xaùc ñònh khoái löôïng tro .................................................PL3  Hình 3.2.4 Loø nung oáng xaùc ñònh khoái löôïng caùc chaát höõu cô bay hôi .....................PL4  Hình 3.2.5 Loø ñoát cho thí nghieäm phaân tích cô baûn ..................................................PL5  Hình 3.2.6 Sô ñoà thieát bò xaùc ñònh thaønh phaàn C vaø H..............................................PL5  Hình 3.2.7 Bình haáp thu.............................................................................................PL6  Hình 3.2.8 Thieát bò ño nhieät trò ..................................................................................PL7  Hình 3.2.9 Sô ñoà boá trí bom nhieät .............................................................................PL8  -xvi- Hình 3.2.10 Bom nhieät ..............................................................................................PL8  Hình P1.1 Theå tích kieåm soaùt trong khoâng gian 1 chieàu...........................................PL9  Hình P1.2 Theå tích kieåm soaùt trong khoâng gian 3 chieàu...........................................PL10  Hình P1.4 Theå tích kieåm soaùt voâ höôùng ñöôïc söû duïng trong sai phaân caùc phöông trình lieân tuïc ..............................................................................................................PL17  Hình P1.5 Sô ñoà thuaät toaùn SIMPLE trong doøng khoâng oån ñònh ..............................PL18  Hình P1.6 Sô ñoà tính toaùn cuûa TDMA trong hai höôùng ............................................PL21  Hình P4.4a Nhieät ñoä trong tröôøng hôïp khoâng khí sô caáp laø Q=468 kg/m2h..............PL60  Hình P4.4b Nhieät ñoä trong tröôøng hôïp khoâng khí sô caáp laø 936 kg/m2h...................PL61  Hình P4.4c Nhieät ñoä trong tröôøng hôïp khoâng khí sô caáp laø Q=1404 kg/m2h............PL61  Hình P4.5a Ñoä giaûm khoái löôïng vôùi khoâng khí sô caáp Q=468 kg/m2h .....................PL74  Hình P4.5b Ñoä giaûm khoái löôïng vôùi khoâng khí sô caáp 936 kg/m2h ..........................PL74  Hình P4.5c Ñoä giaûm khoái löôïng vôùi khoâng khí sô caáp Q=1404 kg/m2h ...................PL74  Hình P4.6a Noàng ñoä caùc khí trong tröôøng hôïp Q=468 kg/m2h..................................PL79  Hình P4.6b Noàng ñoä caùc chaát khí trong 936 kg/m2h .................................................PL80  Hình P4.6c Noàng ñoä khí vôùi khoâng khí sô caáp Q=1404 kg/m2h................................PL81  -1- MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tieát kieäm söû duïng nhieân lieäu hoaù thaïch, giaûm thieåu löôïng raùc thaûi, taùi cheá, taùi söû duïng vaø taùi sinh naêng löôïng töø raùc thaûi hieän nay ñang laø vaán ñeà ñöôïc quan taâm ôû möùc toaøn caàu hoaù. Trong ñoù, taùi cheá chaát thaûi ñang daàn trôû thaønh moät ngaønh coâng nghieäp thöïc söï taïi caùc nöôùc coâng nghieäp phaùt trieån nhö Anh, Phaùp, Ñöùc, Myõ, Nga, Trung Quoác, Nhaät,… Ngaønh coâng nghieäp ñaëc bieät naøy taùi cheá chaát thaûi goùp phaàn cung caáp caùc loaïi nguyeân lieäu nhö nylon, nhöïa, giaáy, goã, kim loaïi, thuûy tinh,… vôùi chi phí thaáp hôn nhieàu so vôùi chi phí saûn xuaát caùc loaïi nguyeân lieäu ban ñaàu. Phaàn nguyeân lieäu baån coøn laïi coù nguoàn goác höõu cô sau khi ñöôïc phaân loaïi, moät laàn nöõa ñöôïc xem laø chaát thaûi cuûa ngaønh coâng nghieäp phaân loaïi taùi cheá, vaø thöôøng ñöôïc tieáp tuïc xöû lyù baèng caùc phöông phaùp ñoát khaùc nhau nhaèm taïo ñieàu kieän giaûm aùp löïc quyõ ñaát cuûa caùc baõi choân laáp. Vaán ñeà ñoát “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” keát hôïp phaùt ñieän hieän nay cuõng ñang ñöôïc ñaàu tö nghieân cöùu ôû raát nhieàu caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån neâu treân. Moät trong nhöõng loaïi thieát bò söû duïng phoå bieán laø loø ñoát coù væ loø di chuyeån (travelling bed). Thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån ñöôïc söû duïng phoå bieán ñeå ñoát sinh khoái (biomass), chaát thaûi sinh hoaït taïi nhieàu nôi treân theá giôùi. Nhieàu coâng trình nghieân cöùu cuûa caùc tröôøng Ñaïi hoïc, caùc Vieän nghieân cöùu, caùc nhaø maùy coâng nghieäp ñoái vôùi loaïi thieát bò naøy ñaõ ñöôïc thöïc hieän vaø thu ñöôïc nhöõng keát quaû quan troïng, ñoùng goùp vaøo söï hieåu bieát veà quaù trình chaùy, veà phöông thöùc naâng cao hieäu quaû chaùy,… trong quaù trình xöû lyù raùc thaûi baèng phöông phaùp ñoát. Tuy nhieân, cho ñeán nay vaãn chöa coù moät nghieân cöùu naøo thöïc hieän tieáp caän quaù trình ñoát raùc thaûi -2- trong thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån moät caùch thöïc söï chuaån möïc vôùi nguyeân taéc thieát bò loø ñoát raùc thaûi ñöôïc xeùt nhö laø moät heä thoáng phöùc taïp. Treân cô sôû nhaän thöùc saâu saéc veà yù nghóa vaø giaù trò cuûa vieäc ñoát chaát thaûi raén trong thieát bò ñoát coù væ loø di chuyeån, ñeà taøi luaän vaên Tieán só “Phaân tích heä thoáng quaù trình ñoát chaát thaûi coâng nghieäp ñaëc tröng” ñöôïc ñeà xuaát thöïc hieän phoái hôïp taïi tröôøng Ñaïi hoïc Quoác gia TP.HCM vaø Ñaïi hoïc Sheffield, UK. Trong ñoù, ñoái töôïng nghieän cöùu ñöôïc xem xeùt nhö moät heä thoáng phöùc taïp vaø caùc taùc vuï nghieân cöùu ñöôïc xaùc laäp vaø trieån khai theo tinh thaàn cuûa phöông phaùp luaän Tieáp caän Heä thoáng. 2. ÑOÁI TÖÔÏNG NGHIEÂN CÖÙU Nhö ñaõ ñeà caäp ôû treân, ñoái töôïng nghieân cöùu trong ñeà taøi naøy bao goàm: ¾ Vaät lieäu nghieân cöùu: chaát thaûi raén höõu cô ñaõ phaân loaïi cho muïc ñích taùi cheá, taùi söû duïng (chaát thaûi cuûa chaát thaûi) vaø sinh khoái thöïc vaät (chaát thaûi cuûa ngaønh saûn xuaát noâng nghieäp); ¾ Thieát bò: loø ñoát kieåu coät nhoài (laø moät moâ hình vaät theå thu nhoû cuûa thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån); ¾ Quaù trình ñoát: ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén; ¾ Phöông phaùp moâ hình hoùa quaù trình ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén; ¾ Chöông trình moâ phoûng quaù trình chaùy chaát thaûi raén. 3. MUÏC TIEÂU NGHIEÂN CÖÙU Muïc tieâu ñaët ra trong Luaän aùn naøy laø: ¾ Nghieân cöùu tính chaát cuûa quaù trình chaùy cuûa hoãn hôïp vaät lieäu raén trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài; -3- ¾ Xaùc ñònh phöông trình ñoäng hoïc quaù trình chaùy cuûa töøng loaïi vaät lieäu laø chaát thaûi sau khi phaân loaïi taùi cheá, taùi söû duïng vaø sinh khoái noâng nghieäp; ¾ Xaây döïng heä phöông trình vi phaân moâ taû quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu raén theo phöông phaùp phaân tích heä thoáng; ¾ Xaây döïng chöông trình moâ phoûng nghieân cöùu quaù trình ñoát vaät lieäu raén theo phöông phaùp theå tích höõu haïn; 4. NOÄI DUNG NGHIEÂN CÖÙU Caùc noäi dung nghieân cöùu chủ yếu trong luaän aùn naøy gồm: ¾ Toång quan caùc nghieân cöùu veà quaù trình ñoát chaát thaûi raén treân theá giôùi vaø trong nöôùc theo quan ñieåm của phöông phaùp luaän tieáp caän heä thoáng. ¾ Nghieân cöùu caùc aûnh höôûng chuû yeáu cuûa caùc yeáu toá vaät lyù ñeán quaù trình chaùy trong heä goàm: aûnh höôûng cuûa löu löôïng khoâng khí sô caáp, aûnh höôûng cuûa ñoä roãng cuûa heä. ¾ Vaän duïng phöông phaùp phaân tích heä thoáng nghieân cöùu xaây döïng moâ taû toaùn hoïc cho ñoái töôïng loø ñoát coù væ loø di chuyeån. ¾ Xöû lyù döõ lieäu nghieân cöùu thöïc nghieäm nhaèm xaùc ñònh caùc ñaëc tính caáu truùc, caáu taïo vaät chaát cuûa vaät lieäu; nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu treân thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa moâ hình. ¾ Xaây döïng moät chöông trình CIS döïa vaøo phöông phaùp theå tích höõu haïn ñeå moâ phoûng, kieåm chöùng moâ hình toaùn hoïc xaây döïng ñöôïc. 5. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU Luaän aùn naøy ñöôïc thöïc hieän treân cô sôû cuûa phöông phaùp luaän tieáp caän heä thoáng vaø ñöôïc trieån khai theo moät löôïc ñoà logic töông öùng vôùi taùc vuï chuû ñaïo laø phaân -4- tích heä thoáng. Caùc phöông phaùp ñöôïc vaän duïng ñeå tieán haønh phaân tích heä thoáng quaù trình ñoát nhieät phaân chaát thaûi raén bao goàm: ¾ Phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng: ñöôïc söû duïng ñeå nhaän daïng nhöõng vaán ñeà cuï theå caàn nghieân cöùu treân nhöõng quy moâ, phaïm vi thuoäc caùc phaân heä. ¾ Phöông phaùp tích hôïp heä thoáng: ñöôïc söû duïng ñeå toång hôïp caùc keát quaû nghieân cöùu treân caùc phaân heä, taïo ra keát quaû cho caùc heä coù quy moâ lôùn hôn. ¾ Phöông phaùp nghieân cöùu treân moâ hình vaät theå: töø keát quaû phaân hoaïch heä thoáng xaùc ñònh ñöôïc caùc moâ hình vaät theå (caùc thieát bò thöïc nghieäm) vaø tieán haønh nghieân cöùu treân caùc moâ hình vaät theå ñeå nhaän daïng quaù trình ñoát nhieät phaân caùc loaïi vaät lieäu ñaõ ñöôïc choïn laøm ñaïi dieän cho caùc chaát thaûi raén. Phöông phaùp nghieân cöùu treân moâ hình vaät theå bao haøm caû quaù trình thoáng keâ xöû lyù caùc döõ lieäu thöïc nghieäm. ¾ Phöông phaùp xaây döïng vaø nghieân cöùu treân moâ hình toaùn hoïc: ñöôïc söû duïng vôùi muïc ñích hoã trôï cho caùc nghieân cöùu thöïc nghieäm treân moâ hình vaät theå, nhaèm taïo ra nhöõng bieåu ñaït coù tính khaùi quaùt hôn vaø sau ñoù coù theå tieán haønh moâ phoûng quaù trình ñoát nhieät phaân treân cô sôû caùc moâ taû toaùn hoïc thu ñöôïc. 6. YÙ NGHÓA KHOA HOÏC • Ñaây laø nghieân cöùu ñaàu tieân ôû trong vaø ngoaøi nöôùc cho ñeán nay ñaõ vaän duïng nhaát quaùn phöông phaùp Phaân tích Heä thoáng vôùi tö caùch laø moät taùc vuï chieán löôïc cuûa phöông phaùp luaän Tieáp caän Heä thoáng ñeå nghieân cöùu quaù trình ñoát -5- vaät lieäu raén “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” treân ñoái töôïng thieát bò loø ñoát kieåu coät nhoài. • Moâ taû toaùn hoïc quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu raén trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñaõ ñöôïc xaây döïng treân cô sôû khai thaùc bieåu ñaït toaùn hoïc toång quaùt cuûa caùc quaù trình ña phaân taùn laø phöông trình caân baèng tính chaát taäp ñoaøn haït. • Caùc nghieân cöùu thöïc nghieäm ñoái vôùi moät soá chaát thaûi raén ñaëc tröng cuûa quaù trình phaân loaïi taùi cheá raùc thaûi ñaõ ñoùng goùp vaøo söï hieåu bieát ñaày ñuû hôn veà quaù trình chaùy caùc loaïi vaät lieäu ñoù thoâng qua caùc phöông trình ñoäng hoïc thu ñöôïc. • Vieäc xaây döïng vaø xaùc ñònh ñöôïc caùc ñaïi löôïng hoùa-lyù ñoùng vai troø caùc thoâng soá kieåm soaùt quaù trình chaùy nhö toác ñoä chaùy trung bình (ABR), Toác ñoä chaùy nghieâm ngaët (SBR), keát hôïp vôùi caùc ñaïi löôïng toác ñoä chaùy lan (IFS), toác ñoä baét chaùy (IR), toác ñoä chaùy (BR) trôû thaønh nghieân cöùu ñaàu tieân theå hieän söï hieåu bieát töôøng taän quaù trình chaùy trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài. Nhôø theá, keát quaû nghieân cöùu cuûa luaän aùn ñaõ goùp phaàn naâng cao vò theá nghieân cöùu coâng ngheä ñoát chaát thaûi cuûa Vieät Nam leân taàm caáp khu vöïc vaø Ñoâng Nam AÙ theå hieän qua caùc coâng trình ñaõ coâng boá trong hoäi nghò RSCE 2006 taïi Singapore, Hoäi nghò laàn thöù 21 veà Coâng ngheä Hoùa hoïc cuûa Malaysia naêm 2007 vaø taïp chí coâng ngheä Hoùa hoïc cuûa ASEAN naêm 2008 vaø Hoäi nghò veà Coâng ngheä Hoùa hoïc ASEAN laàn 2 naêm 2009. • Ñoái töôïng vaät lieäu nghieân cöùu laø hoãn hôïp giaáy vaø hoãn hôïp sinh khoái ñöôïc söû duïng trong nghieân cöùu naøy ñaõ ñoùng goùp vaøo caùc nghieân cöùu chung cuûa nhoùm nghieân cöùu cuûa tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield (Vöông Quoác Anh) veà söï hieåu bieát quaù trình chaùy cuûa loaïi vaät lieäu “chaát thaûi cuûa chaát thaûi”. Ñaây cuõng ñöôïc xem laø caùc nghieân cöùu môû ñöôøng cho vieäc nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa caùc loaïi chaát thaûi raén töông töï ôû Vieät Nam. -6- 7. YÙ NGHÓA THÖÏC TIEÃN • Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñöôïc nghieân cöùu trong luaän aùn coù theå ñöôïc trieån khai öùng duïng cho thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån vaø thieát bò loø ñoát tónh hai caáp. Ñaây laø hai loaïi loø ñoát chaát thaûi phoå bieán treân theá giôùi vaø ôû Vieät Nam. Vôùi vieäc vaän duïng thaønh coâng phöông phaùp luaän Tieáp caän heä thoáng thoâng qua taùc vuï phaân tích heä thoáng ñeå xaây döïng moâ taû toaùn hoïc, phöông phaùp nghieân cöùu naøy ñaõ ñöôïc trieån khai öùng duïng xaây döïng moâ taû toaùn hoïc trong ñeà taøi "Nghieân cöùu öùng duïng coâng ngheä ñoát nhieät phaân ñeå xöû lyù chaát thaûi raén nguy haïi taïi TP.HCM" vaø ñeà taøi "Nghieân cöùu öùng duïng quaù trình nhieät phaân ñeå xöû lyù thaønh phaàn höõu cô trô trong chaát thaûi raén sinh hoaït taïi TP.HCM theo höôùng saûn xuaát nhieân lieäu". • Ñoái töôïng nghieân cöùu trong luaän aùn laø caùc chaát thaûi ñaõ ñöôïc phaân loaïi ñeå taùi cheá vaø taùi söû duïng. Keát quaû nghieân cöùu cuûa ñeà taøi ñaõ goùp phaàn giaûi quyeát söùc eùp cuûa caùc baõi choân laáp raùc, ñaëc bieät laø trong lónh vöïc keát hôïp ñoát raùc vaø saûn xuaát ñieän naêng, phuïc vuï nhu caàu sinh hoaït vaø saûn xuaát coâng nghieäp. -7- CHƯƠNG 1: TOÅNG QUAN 1.1 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU Trong vaøi thaäp nieân gaàn ñaây, cuøng vôùi vieäc phaùt trieån kinh teá xaõ hoäi, thaûi löôïng chaát thaûi raén taêng leân ñang trôû thaønh moät trong nhöõng vaán ñeà böùc xuùc cuûa taát caû caùc nöôùc treân theá giôùi. Theo thoáng keâ naêm 2003-2004 cuûa Boä Moâi tröôøng, Noâng nghieäp vaø Thöïc phaåm cuûa Vöông Quoác Anh (DEFRA), toång khoái lượng chaát thaûi raén haøng naêm taïi Vöông Quoác Anh khoaûng 434 trieäu taán, khoái löôïng chaát thaûi raén taïi 15 nöôùc thuoäc Coäng ñoàng Chaâu AÂu khoaûng 2 tæ taán/naêm [1, 2]. Taïi Myõ, toång löôïng chaát thaûi raén treân toaøn nöôùc Myõ theo thoáng keâ naêm 1996 khoaûng treân 3 tæ taán/naêm [3]. Taïi Vieät Nam, theo soá lieäu thoáng keâ cuûa Coâng ty Moâi tröôøng Ñoâ thò TP.HCM, khoái löôïng raùc sinh hoaït chieám khoaûng 6000 taán/ngaøy, töông ñöông 2 trieäu taán raùc sinh hoaït/naêm. Cô caáu loaïi chaát thaûi raén trong hoaït ñoäng cuûa neàn kinh teá cuûa caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån khaù ñoàng nhaát, coù thaønh phaàn nhö trong hình 1.1 sau [1, 2]: 31% 31% 16% 15% 6% 1% Chất thải xây dựng Chất thải nông nghiệp Chất thải khoáng sản Chất thải sản xuất Chất thải sinh hoạt Chất thải sản xuất năng lượng Hình 1.1 Cô caáu thaønh phaàn chaát thaûi raén -8- Hình 1.1 cho thaáy löôïng chaát thaûi noâng nghieäp chieám tæ leä raát lôùn, chaát thaûi raén sinh hoaït chieám 6% toång löôïng chaát thaûi haøng naêm cuûa caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån. Trong khi ñoù, thöïc teá taïi Vieät Nam tæ leä chaát thaûi sinh hoaït khaù lôùn do chuùng bao goàm caû chaát thaûi töø caùc quaù trình khaùc. Theo keát quaû thoáng keâ cuûa DEFRA (Vöông Quoác Anh) , Eurostat (Coäng ñoàng chaâu AÂu), EPA (Myõ), taøi lieäu thoáng keâ cuûa Ngaân haøng Theá giôùi (1999) ñoái vôùi caùc quoác gia Ñoâng AÙ, thaønh phaàn chaát thaûi sinh hoaït nhìn chung bao goàm: giaáy hoãn hôïp, chaát thaûi thöïc phaåm, vaûi sôïi, cao su nhöïa, kim loaïi, thuûy tinh, goã, raùc vöôøn (chæ coù thaønh phaàn naøy ñoái vôùi caùc nöôùc coâng nghieäp chaâu AÂu, Myõ), caùc chaát coù nguoàn goác höõu cô, vaø moät vaøi loaïi chaát thaûi raén khaùc. Tæ leä thaønh phaàn caùc loaïi vaät lieäu raén trong chaát thaûi sinh hoaït ñöôïc trình baøy trong baûng 1.1 sau: Baûng 1.1 Tæ leä caùc thaønh phaàn trong raùc thaûi sinh hoaït TT Thaønh phaàn Anh Chaâu AÂu Myõ Caùc quoác gia Ñoâng AÙ (World Bank, 1999) (DEFRA, 2004) (Eurostat , 2004) ( EPA, 2003) Thu nhaäp cao Thu nhaäp trung bình Thu nhaäp thaáp 1. Giaáy vaø cactoâng 33 20 35,2 36 15 5 2. Thöïc phaåm thaûi 11 37 11,7 - - - 3. Vaûi, sôïi 5 21 7,4 - - - 4. Nhöïa 13 10 11,3 9 11 4 5. Kim loaïi 4 5 8 8 3 1 -9- TT Thaønh phaàn Anh Chaâu AÂu Myõ Caùc quoác gia Ñoâng AÙ (World Bank, 1999) 6. Thuûy tinh 4 7 5,3 7 2 2 7. Goã - - 5,8 - - - 8. Raùc vöôøn 21 - 12,1 - - - 9. Caùc chaát thaûi höõu cô - - - 28 58 41 10. Caùc chaát thaûi khaùc 9 - 3,4 12 11 47 Baûng 1.1 cho thaáy ôû caùc nöôùc coâng nghieäp phaùt trieån, thaønh phaàn giaáy vaø cactoâng chieám tæ leä lôùn trong raùc thaûi sinh hoaït, keá ñeán laø vaûi sôïi vaø nhöïa. Caùc thaønh phaàn naøy cuøng vôùi kim loaïi, thuûy tinh seõ ñöôïc phaân loaïi, löïa choïn cho muïc ñích taùi cheá, taùi söû duïng. Ngaøy nay, ngaønh coâng nghieäp phaân loaïi, taùi cheá vaø taùi söû duïng chaát thaûi tröôùc khi tieâu huûy ñaõ trôû neân phoå bieán khoâng chæ ôû caùc quoác gia coâng nghieäp phaùt trieån maø coøn ñang ñöôïc trieån khai ngaøy caøng nhieàu ôû caùc nöôùc ñang phaùt trieån, trong ñoù coù Vieät Nam. Phaàn vaät lieäu sau xöû lyù, tieâu huûy ñöôïc xem laø moät loaïi chaát thaûi raén cuûa ngaønh coâng nghieäp taùi cheá chaát thaûi. Nguyeân lieäu ñaàu vaøo laø chaát thaûi raén cuûa caùc ngaønh saûn xuaát coâng nghieäp vaø sinh hoaït ñoâ thò. Phaàn chaát thaûi raén coøn laïi sau khi phaân taùch ñöôïc xem laø chaát thaûi cuûa chaát thaûi, do ñoù nhaát thieát phaûi coù bieän phaùp xöû lyù thích hôïp baèng phöông phaùp choân laáp hoaëc thieâu ñoát keát hôïp phaùt ñieän. Sô ñoà quy trình toång theå xöû lyù chaát thaûi raén ñöôïc theå hieän trong hình 1.2 sau: -10- Hình 1.2 Sô ñoà toùm taét quy trình xöû lyù chaát thaûi raén Vieäc ñoát “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” ñöôïc thöïc hieän chuû yeáu trong ngaønh coâng nghieäp xöû lyù chaát thaûi raén. Cho ñeán nay, vieäc nghieân cöùu baûn chaát quaù trình ñoát hoãn hôïp caùc vaät lieäu naøy haàu nhö chöa ñöôïc thöïc hieän taïi caùc Vieän nghieân cöùu hoaëc tröôøng Ñaïi hoïc tieân tieán treân theá giôùi. Beân caïnh ñoù, caùc nghieân cöùu quaù trình ñoát chaát thaûi noâng nghieäp, ñieån hình laø sinh khoái (biomass) noâng nghieäp nhö rôm, voû traáu, goã, coû caùc loaïi, ñöôïc thöïc hieän ôû raát nhieàu nôi treân theá giôùi. Caùc nghieân cöùu naøy nhaèm muïc ñích taïo nghieân cöùu cô baûn, nghieân cöùu öùng duïng taïo ra caùc saûn phaåm khí hoaù, taän duïng nhieät Chaát thaûi Phaân loaïi taïi nguoàn Chaát thaûi nguy haïi Chaát thaûi khoâng nguy haïi Loø ñoát Phaân loaïi, thu gom Taùi söû duïngThu hoài Taùi cheá UÛ Compost Naêng löôïng Tieâu huûy Saûn phaåm Chaát thaûi cuûa chaát thaûi Choân laáp CH4 Xöû lyù nöôùc thaûi Tro Khí chaùy Xöû lyù khí Buøn thaûi Chaát thaûi loûng K hí n oùn g M oät so á lo aïi c ha át t ha ûi tö ø h oä gi a ñì nh Ph öô ng p ha ùp Sa ûn ph aåm , p hö ôn g tie än -11- cho phaùt ñieän. Coù theå chæ ra moät soá nghieân cöùu ñieån hình nhö: Henrich vaø coäng söï, Bassilakis vaø coäng söï nghieân cöùu ñoäng hoïc quaù trình chaùy vaø khí hoùa cuûa than ñaõ nhieät phaân töø chaát thaûi vaø sinh khoái [4, 5]. Di Blasi nghieân cöùu veà ñoäng hoïc cuûa quaù trình khí hoùa trong thieát bò daïng ngöôïc chieàu [6]; Ñoái vôùi thieát bò ñoát kieåu coät nhoài, moät vaøi taùc giaû ñaõ thöïc hieän nghieân cöùu caùc quaù trình cô baûn nhö Fjellerup vaø coäng söï nghieân cöùu söï truyeàn nhieät cuûa than rôm [7], R. G nghieân cöùu söï truyeàn nhieät trong quaù trình bắt chaùy cuûa chaát thaûi vaø sinh khoái [8], Ryu vaø coäng söï nghieân cöùu söï aûnh höôûng cuûa tæ leä caáp khí vaø kích thöôùc haït ñeán quaù trình chaùy [9], Horttanainnen vaø coäng söï nghieân cöùu veà giôùi haïn baét chaùy vôùi khoâng khí cung caáp cuûa caùc loaïi goã khaùc nhau [10]. Moät vaøi taùc giaû khaùc ñaõ thöïc hieän nghieân cöùu söï aûnh höôûng cuûa hoãn hôïp vaät lieäu ñeán hieäu quaû chaùy nhö Grammelis vaø coäng söï thöïc hieän nghieân cöùu treân sinh khoái vaø than [11, 12]. Caùc nghieân cöùu moâ phoûng quaù trình chaùy trong thieát bò ñoát coät nhoài cuõng ñöôïc nhieàu taùc giaû thöïc hieän nhö Bryden vaø coäng söï moâ phoûng quaù trình chaùy ôû giöõa thieát bò [13], Yang vaø coäng söï thöïc hieän nghieân cöùu moâ phoûng quaù trình chaùy döôùi söï aûnh höôûng cuûa tính chaát vaät lieäu, kích thöôùc haït, aûnh höôûng cuûa söï giaûi phoùng caùc chaát trong quaù trình chaùy cuûa goã thoâng, aûnh höôûng cuûa khoâng khí cung caáp vaø ñoä aåm ñeán söï chaùy cuûa sinh khoái [14-19], trong khi ñoù, Zhou vaø coäng söï cuõng thöïc hieän nghieân cöùu moâ phoûng söï chaùy cuûa rôm trong thieát bò coät nhoài [20]. Van der Lans vaø coäng söï moâ phoûng söï chaùy cuûa rôm trong loø ñoát coù væ loø bình thöôøng [21]. Ngoaøi ra, moät soá taùc giaû ñaõ nghieân cöùu söï thay ñoåi cuûa KCl ñoái vôùi söï nhieät phaân rôm öôùt cuûa Jensen vaø coäng söï vaø tæ leä CO/CO2 trong quaù trình oâxy hoùa than cuûa sinh khoái [22, 23]. -12- 1.2 THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN Trong coâng nghieäp ñoát xöû lyù chaát thaûi, thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån ñöôïc söû duïng raát nhieàu do nhöõng tính naêng öu vieät nhö: coâng suaát xöû lyù lôùn, hieäu suaát ñoát chaát thaûi lôùn, chaát thaûi ñöôïc naïp vaøo lieân tuïc vaø tro cuõng ñöôïc laáy ra lieân tuïc. Ngoaøi ra coøn coù theå toái öu quaù trình caáp khí ñeå ñaït hieäu suaát xöû lyù cao nhaát, hieäu suaát nhieät sinh ra lôùn nhaát. Do coâng suaát cuûa loø lôùn neân löôïng khí chaùy sinh ra cuõng raát lôùn, coù theå söû duïng caáp cho loø hôi phuïc vuï cho vieäc phaùt ñieän [15, 16, 18, 19]. Heä thoáng thieát bò ñoát coù væ loø di chuyeån tuaàn hoaøn ñöôïc moâ taû nhö trong hình 1.3: Hình 1.3 Sô ñoà heä thoáng thieát bò loø ñoát væ loø di chuyeån Chaát thaûi ñöôïc caáp lieân tuïc töø treân pheãu xuoáng ghi loø. Ghi loø di chuyeån tuaàn hoaøn töø traùi sang phaûi vôùi goùc nghieâng i = 10o-15o. Tro ñöôïc thaùo ra lieân tuïc ôû ñoaïn cuoái ghi loø. Khoâng khí cung caáp cho quaù trình chaùy töø döôùi ghi loø ñöôïc goïi laø khoâng khí sô caáp. Khí chaùy sô caáp di chuyeån leân khu vöïc beân treân vaø ñöôïc cung caáp tieáp oâxy, goïi laø khoâng khí thöù caáp, ñeå phaûn öùng chaùy trong pha khí tieáp -13- tuïc dieãn ra. Taïi khu vöïc naøy, caùc thaønh phaàn chaùy ñöôïc trong pha khí seõ tieáp tuïc chaùy toaû naêng löôïng vaø ñöôïc thu nhieät ñeå cung caáp cho loø hôi, phuïc vuï cho vieäc taùi sinh naêng löôïng. Phaàn khí chaùy sau khi taän duïng nhieät seõ ñöôïc xöû lyù tröôùc khi thaûi ra ngoaøi moâi tröôøng. Hình 1.4 Moâ hình chaùy vaät lieäu raén treân ghi loø di chuyeån Trong quaù trình vaän haønh cuûa loø ñoát, vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo loø thoâng qua pheãu naïp lieäu. Vaät lieäu raén seõ naèm treân caùc thanh ghi loø vaø di chuyeån cuøng vôùi ghi loø. Caùc thanh ghi loø ñöôïc goái noái tieáp leân nhau vaø moãi thanh ñeàu coù loã thoâng khí töø beân döôùi. Heä thoáng caùc thanh ghi loø coù chöùc naêng töông töï nhö baêng taûi vaän chuyeån vaät lieäu raén töø ñaàu ñeán cuoái loø. Khi thanh ghi loø di chuyeån ñeán cuoái loø, thanh ghi loø seõ töï quay ñoåi höôùng vaø seõ ñoå tro treân beà maët vaøo pheãu thu tro. Thanh ghi loø tieáp tuïc di chuyeån ngöôïc trôû laïi ñaàu loø naïp lieäu vaø ñoåi höôùng moät laàn nöõa tröôùc khi nhaän nhieân lieäu môùi ñoå vaøo. Heä thoáng thanh ghi loø ñöôïc caáu taïo theo caùc gôø goái leân nhau vôùi muïc ñích khoâng ñeå xaûy ra hieän töôïng khoái vaät lieäu raén tröôït theo quaùn tính veà cuoái loø khi ghi loø di chuyeån. Ñieàu naøy coù nghóa laø khoái vaät lieäu raén ñöùng yeân treân ghi loø trong suoát quaù trình di chuyeån cuûa ghi töø ñaàu loø ñeán cuoái loø. -14- Taïi ñaàu vaøo cuûa ghi loø, vaät lieäu raén thu nhieät vaø baét ñaàu caùc quaù trình bay hôi aåm. Trong quaù trình di chuyeån cuøng vôùi ghi loø veà phía pheãu thu hoài tro, vaät lieäu raén tieáp tuïc dieãn ra caùc quaù trình giaûi phoùng caùc chaát, quaù trình chaùy cuûa cacbon sau khi giaûi phoùng caùc chaát trong caáu truùc cuûa vaät lieäu raén. Vaät lieäu raén ñi ñeán cuoái ghi loø coøn laïi chuû yeáu chæ laø tro xæ. Trong quaù trình chaùy vaø di chuyeån cuûa væ loø, khoâng khí sô caáp cung caáp töø döôùi ghi loø vöøa ñuû ñeå khoâng laøm xaùo troän lôùp vaät lieäu raén beân treân. Böùc xaï nhieät theo phöông ngang nhoû so vôùi böùc xaï nhieät theo phöông thaúng ñöùng, do vaäy coù theå xem nhö khoâng coù söï truyeàn nhieät böùc xaï theo phöông ngang giöõa caùc khoái vaät lieäu treân hai thanh ghi lieân tieáp. Xem xeùt moät phaân ñoaïn vaät lieäu raén naèm treân moät thanh ghi loø. Trong quaù trình di chuyeån cuûa ghi loø, coät nhieân lieäu bieán ñoåi tính chaát theo thôøi gian ñöôïc moâ taû trong hình 1.5 nhö sau: Hình 1.5 Sô ñoà vaän ñoäng theo thôøi gian cuûa coät nhieân lieäu Khoâng khí thöù caáp Khoâng khí sô caáp Vaät lieäu raén Khoâng khí thöù caáp Khoâng khí sô caáp Vaät lieäu raén Khoâng khí thöù caáp Khoâng khí sô caáp Vaät lieäu raén Tro, cacbon caên baûn Tro Tro, cacbon caên baûn t = 0 t = ti t = tn Thôøi gian -15- Buoàng ñoát sô caáp Buoàng ñoát thöù caáp Vò trí caáp khoâng khí sô caáp OÁng thaûi khí chaùy OÁng noái Vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo naèm treân ghi loø, sau ñoù nhieân lieäu baét chaùy baét ñaàu töø ñænh cuûa coät vaät lieäu. Khoâng khí sô caáp cung caáp töø beân döôùi vaøo coät ñeå duy trì söï chaùy. Lôùp vaät lieäu beân treân baét chaùy seõ truyeàn nhieät chuû yeáu baèng böùc xaï nhieät xuoáng lôùp vaät lieäu beân döôùi. Lôùp vaät lieäu beân döôùi taêng nhieät ñoä, giaûi phoùng hôi aåm vaø nhieät phaân giaûi phoùng caùc chaát höõu cô. Caùc chaát höõu cô ñöôïc giaûi phoùng seõ baét chaùy vaø tieáp tuïc cung caáp naêng löôïng baèng truyeàn nhieät böùc xaï xuoáng lôùp vaät lieäu thaáp hôn. Nhö vaäy, quaù trình cöù tieáp tuïc cho ñeán khi lôùp vaät lieäu ôû ñaùy coät baét chaùy. Toác ñoä giaûi phoùng caùc chaát höõu cô vaø toác ñoä baét chaùy cuûa caùc chaát khí ñöôïc giaûi phoùng cuûa caùc loaïi vaät lieäu khaùc nhau ñöôïc nghieân cöùu ôû nhieàu nôi treân theá giôùi. Pedersen ñaõ thöïc hieän caùc nghieân cöùu treân vaät lieäu biomass [23], trong khi ñoù, caùc nghieân cöùu cuûa Desroches-Ducarne vaø nhöõng ngöôøi khaùc ñaõ tieán haønh treân vaät lieäu laø raùc thaûi sinh hoaït ñoâ thò [24]. Trong quaù trình baét chaùy cuûa toaøn boä lôùp vaät lieäu, lôùp vaät lieäu beân treân trôû thaønh cacbon vaø tieáp tuïc baét chaùy. Toác ñoä baét chaùy cuûa than tuyø thuoäc vaøo noàng ñoä oâxy coù maët xung quanh phaàn töû than [11, 23, 25-27]. Ñoái vôùi caùc loaïi loø ñoát coâng suaát nhoû, thieát bò loø ñoát thoâng thöôøng laø loaïi loø ñoát tónh hai caáp. Loaïi loø ñoát chaát thaûi naøy raát phoå bieán ôû Vieät Nam, coù daïng nhö hình 1.6. Hình 1.6 Thieát bò loø ñoát tónh hai caáp -16- Vôùi loaïi loø ñoát nhieät phaân tónh hai caáp, vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo moät laàn taïi buoàng ñoát sô caáp, lôùp vaät lieäu raén ñöôïc ñoát moài vaø khoâng khí sô caáp ñöôïc cung caáp töø ñaùy cuûa væ loø. Trong quaù trình chaùy, lôùp vaät lieäu raén ñöùng yeân treân ghi loø. Vôùi heä thoáng thieát bò naøy, tieán haønh phaân hoaïch heä thoáng goàm vaät lieäu raén vaø væ loø, khoâng gian caáp khí sô caáp döôùi væ loø vaø khoâng gian beân treân lôùp vaät lieäu raén seõ thu ñöôïc moät ñoái töôïng töông ñöông vôùi moâ hình coät nhoài. Caùc nghieân cöùu veà quaù trình chaùy treân loø ñoát tónh hai caáp ñöôïc thöïc hieän bôûi nhieàu cô quan nghieân cöùu trong nöôùc, ñaëc bieät taäp trung ôû Thaønh phoá Haø Noäi vaø Thaønh phoá Hoà Chí Minh. Taïi Thaønh phoá Hoà Chí Minh, nhoùm taùc giaû ôû Vieän Kyõ thuaät Nhieät ñôùi vaø Baûo veä Moâi tröôøng (KTNÑ&BVMT) ñaõ phoái hôïp vôùi nhoùm chuyeân gia thuoäc Sôû Khoa hoïc Coâng ngheä vaø Moâi tröôøng, Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP. Hoà Chí Minh tieán haønh thöïc hieän ñeà taøi "Ñieàu tra khaûo saùt caùc loø ñoát chaát thaûi y teá khu vöïc phía Nam" vaøo naêm 2001. Keát quaû ñeà taøi ñaõ chæ ra caùc öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa caùc loø ñoát chaát thaûi y teá hieän höõu, ñeà xuaát ñöôïc quy trình vaän haønh hôïp lyù, tieát kieäm naêng löôïng vaø giaûm thieåu toái ña chaát oâ nhieãm trong khí chaùy [28]. Cuõng trong naêm 2002, nhoùm taùc giaû ôû Vieän KTNÑ&BVMT cuøng vôùi caùc chuyeân gia thuoäc tröôøng Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM döôùi söï toå chöùc cuûa Sôû Khoa hoïc Coâng ngheä vaø Moâi tröôøng cuõng ñaõ tieán haønh trieån khai ñeà taøi nghieân cöùu “Xaây döïng loø ñoát chaát thaûi coâng nghieäp, coâng suaát 4taán/ngaøy taïi TP.HCM”. Saûn phaåm cuûa ñeà taøi laø taïo ra ñöôïc moät khuoân maãu baûn veõ thieát keá töông ñoái hôïp lyù cho loø ñoát chaát thaûi coâng nghieäp, ñoàng thôøi cuõng taïo ra ñöôïc moät moâ hình loø ñoát chaát thaûi raén ôû TP.HCM. Naêm 2003, nhoùm taùc giaû ôû Vieän KTNÑ&BVMT goàm Nguyeãn Quoác Bình, Leâ Anh Kieân, Traàn Hoaù ñaõ tieán haønh nghieân cöùu thaønh coâng ñeà taøi “Nghieân cöùu coâng ngheä nhieät phaân ñeå xöû lyù chaát thaûi nguy haïi taïi TP.HCM”. Keát quaû ñeà taøi -17- ñaõ ñeà xuaát ñöôïc coâng ngheä nhieät phaân khaù hôïp lyù ñeå thu hoài löôïng khí lôùn nhaát, söû duïng cho muïc ñích taùi sinh naêng löôïng. Naêm 2004, nhoùm taùc giaû ôû Vieän KTNÑ&BVMT ñaõ thöïc hieän thaønh coâng ñeà taøi “ÖÙng duïng coâng ngheä nhieät phaân ñeå xöû lyù chaát höõu cô khoù phaân huyû trong raùc sinh hoaït ñeå thu hoài vaät lieäu”. Ñeà taøi ñaõ ñaït ñöôïc keát quaû söû duïng tro laøm phuï gia cho beâ toâng, öùng duïng laøm vaät lieäu loùt ñöôøng noâng thoân. Khí chaùy sinh ra ñöôïc thu hoài naêng löôïng ñeå saáy raùc ñaàu vaøo, tieát kieäm naêng löôïng ñoát, taêng coâng suaát xöû lyù cuûa loø ñoát. Ngoaøi ra, töø caùc keát quaû cuûa caùc ñeà taøi nghieân cöùu treân, Leâ Anh Kieân vaø nhöõng ngöôøi khaùc ñaõ söû duïng phaàn meàm Matlab ñeå xaây döïng moät chöông trình tính toaùn, moâ phoûng quaù trình ñoát, nhieät phaân trong loø ñoát tónh hai caáp vaø ñaõ coâng boá coâng trình nghieân cöùu treân caùc taïp chí trong nöôùc [29-32]. Taïi thaønh phoá Haø Noäi, caùc Trung Taâm nghieân cöùu, caùc Vieän nghieân cöùu vaø caùc tröôøng Ñaïi hoïc cuõng ñaõ tieán haønh caùc nghieân cöùu coâng ngheä, cheá taïo thieát bò loø ñoát phuïc vuï coâng taùc nghieân cöùu khoa hoïc vaø öùng duïng xöû lyù chaát thaûi raén cuûa thaønh phoá Haø Noäi. Tuy nhieân, keát quaû ñieàu tra naêm 2007 cho thaáy, moãi naêm trung bình Haø Noäi "saûn sinh" ra khoaûng 30.000 taán chaát thaûi coâng nghieäp nguy haïi, trong khi ñoù hieän nay chæ coù duy nhaát moät loø ñoát raùc coâng nghieäp coâng suaát nhoû (4,8 - 5 taán/ngaøy) taïi Khu lieân hôïp xöû lyù chaát thaûi raén Nam Sôn (Soùc Sôn). Ñaây laø cô sôû xöû lyù chaát thaûi coâng nghieäp ñoäc haïi baèng phöông phaùp ñoát duy nhaát taïi mieàn Baéc Vieät Nam. Theá neân, ngoaøi vieäc phaûi xöû lyù raùc thaûi nguy haïi cuûa caû Haø Noäi (nhaát laø raùc toàn ñoïng taïi caùc xaõ Voõng La, Ñaïi Maïch, Kim Chung, Haûi Boái, xung quanh khu coâng nghieäp Thaêng Long huyeän Ñoâng Anh), loø ñoát naøy coøn phaûi xöû lyù cho caû khu kinh teá troïng ñieåm phía Baéc. Vaø dó nhieân, vôùi coâng suaát haïn cheá, thieát bò thieáu ñoàng boä - loø ñoát naøy haøng ngaøy xöû lyù löôïng raùc thaûi thaáp hôn nhieàu so vôùi nhu caàu. -18- Ñeå coù theå xöû lyù toaøn boä khoái löôïng chaát thaûi nguy haïi caàn ñoát theo qui ñònh cho Thuû ñoâ Haø Noäi vaø toaøn boä khu kinh teá troïng ñieåm phía Baéc, caûi thieän moâi tröôøng, baûo veä söùc khoûe coäng ñoàng daân cö, trong thôøi gian vöøa qua, Haø Noäi ñaõ ñeà xuaát vôùi Boä KH&ÑT ñaêng kyù Döï aùn xaây döïng loø ñoát chaát thaûi coâng nghieäp taïi Nam Sôn coâng suaát 50 taán/ngaøy ñeâm söû duïng voán ODA cuûa Chính phuû Haøn Quoác. Döï kieán ñeán naêm 2010, Haø Noäi seõ hoaøn thaønh loø ñoát thuøng quay keøm thieát bò xöû lyù khí thaûi ñoàng boä. Neáu hoaøn thaønh, ñaây seõ laø loø ñoát thuøng quay xöû lyù chaát thaûi coâng nghieäp thöù hai taïi Vieät Nam sau loø ñoát cuûa Coâng ty Soâng Xanh (tænh Baø Ròa Vuõng Taøu) do VITTEP cheá taïo naêm 2007. Ngoaøi ra, moät soá ñôn vò nhö Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc – Trung taâm Khoa hoïc Töï nhieân vaø Coâng ngheä Quoác gia, Coâng ty Thaùi Sôn – Boä Quoác Phoøng, Vieän Coâng ngheä Moâi tröôøng – Ñaïi hoïc Baùch khoa Haø Noäi, Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM cuõng ñaõ tieán haønh thieát keá, cheá taïo loø ñoát chaát thaûi raén coâng nghieäp, chaát thaûi y teá theo ñôn ñaët haøng thöông maïi cuûa caùc ñôn vò saûn xuaát. Nhöõng nghieân cöùu naøy ñaõ ñoùng goùp vaøo vieäc xöû lyù chaát thaûi coâng nghieäp ñaëc tröng cho töøng ngaønh saûn xuaát, dòch vuï. Beân caïnh ñoù, coâng trình nghieân cöùu veà quaù trình ñoát, nhieät phaân chaát thaûi trong loø ñoát tónh hai caáp ñaùng keå nhaát laø coâng trình luaän aùn Tieán só “Nghieân cöùu coâng ngheä thích hôïp xöû lyù raùc töø quaù trình suùc röûa taøu daàu ôû Vieät Nam” cuûa Nguyeãn Quoác Bình vaøo naêm 2002. Trong luaän aùn naøy, vaán ñeà nghieân cöùu öùng duïng coâng ngheä ñoát, nhieät phaân ñeå xöû lyù raùc daàu khí ñöôïc khai thaùc raát toát. Taùc giaû ñaõ taäp trung vaøo vieäc nghieân cöùu thöïc thöïc nghieäm ñeå töø ñoù ruùt ra caùc quy luaät cuûa quaù trình. Moâ taû toaùn hoïc ñöôïc thöïc hieän treân lôùp ñoái töôïng thöù naêm, töùc laø toaøn boä heä dò theå khí raén. -19- 1.3 TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU QUAÙ TRÌNH CHAÙY TRONG THIEÁT BÒ ÑOÁT KIEÅU COÄT NHOÀI Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài laø moät moâ hình vaät theå thu ñöôïc töø quaù trình phaân hoaïch thieát bò loø ñoát coù væ loø di chuyeån vaø loø ñoát tónh hai caáp. Quaù trình chaùy trong thieát bò daïng coät nhoài ñöôïc nhieàu nôi thöïc hieän nghieân cöùu trong thôøi gian qua. Ñaùng keå laø nhoùm nghieân cöùu taïi Haøn Quoác, giaùo sö Shin vaø coäng söï, cuûa Vieän KIST ñaõ thöïc hieän nghieân cöùu moâ hình hoùa vaø moâ phoûng quaù trình chaùy cuûa goã thoâng trong thieát bò ñoát coù ghi loø di chuyeån. Trong nghieân cöùu naøy, caùc taùc giaû ñaõ phaân hoaïch thieát bò ñoát coù ghi di chuyeån thaønh töøng coät nhoài, xaây döïng moâ taû toaùn hoïc cho töøng coät nhoài trong heä thoáng. Moâ taû toaùn hoïc ñöôïc xaây döïng cho moät ñôn vò theå tích kieåm soaùt trong moät coät nhoài nhö sau [33, 34]: Nhieät thu ñöôïc trong pha raén trong moät ñôn vò theå tích kieåm soaùt bằng nhieät sinh ra do phaûn öùng hoùa hoïc cộng với nhieät maát maùt do bay hôi aåm, nhieät trao ñoåi vôùi theå tích kieåm soaùt beân treân vaø beân döôùi vaø nhieät trao ñoåi vôùi pha khí. න ܥ݌ܾܯܾ݀ܶ ܾܶሺ݆ ,ݐ1൅∆ݐሻ 0 െ න ܥ݌ܾܯܾ݀ܶ ܾܶሺ݆ ,ݐ1ሻ 0 ൌ ൌ න ሾ ሶ݄ܳܿܽݎ ሺ݆, ݐሻ ൅ ሶܳ݁ݒܽ݌ ሺ݆, ݐሻ ݐ1൅∆ݐ ݐ1 ൅ ሶܳܿ݋݊ݒ ሺ݆, ݐሻ ൅ ሶܳ ܿ݋݊݀ ሺ݆, ݐሻ   ൅  ሶܳ ݎܽ݀ ሺ݆, ݐሻ െ ሶܳܿ݋݊ ሺ݆ ൅ 1, ݐሻ െ ሶܳݎܽ݀ ሺ݆ ൅ 1, ݐሻሿ݀ݐ (1.1) Töông töï, caân baèng nhieät trong pha khí ñöôïc vieát nhö sau: Năng lượng thu ñược của pha khí trong một ñôn vị thể tích kiểm soaùt bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hoaù học cộng với nhiệt trao ñổi với pha rắn. න ቆන ܥ݌݃ܯ݃݀ܶሶ ܶ݃ ሺ݆൅1,ݐሻ 0 െ න ܥ݌݃ܯ݃݀ܶሶ ܶ݃ ሺ݆ ,ݐሻ 0 ቇ ݀ݐ ݐ1൅∆ݐ ݐ1 ൌ ൌ න ቀെ ሶܳܿ݋݊ݒ ሺ݆, ݐሻ ൅ ሶܳݒ݋݈ ሺ݆, ݐሻ ൅ ሶܳܥܱሺ݆, ݐሻቁ ݀ܶ ݐ1൅∆ݐ ݐ1 (1.2) + -20- Khoái löôïng vaät lieäu raén goàm khoái löôïng aåm, khoái löôïng chaát bay hôi, khoái löôïng than vaø khoái löôïng tro: Mb=Mmoist+Mvol+Mchar+Mash Taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield, nhoùm nghieân cöùu cuûa giaùo sö Swithenbank vaø giaùo sö Sharifi ñaõ tieán haønh nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa chaát thaûi raén trong thieát bò loø ñoát coù ghi di chuyeån. Nhoùm nghieân cöùu cuõng thöïc hieän vieäc phaân hoaïch thieát bò loø ñoát coù ghi loø di chuyeån thaønh nhieàu thieát bò coät nhoài, tieán haønh thöïc nghieäm, xaây döïng moâ taû toaùn hoïc vaø moâ phoûng quaù trình chaùy treân thieát bò coät nhoài naøy [9, 15, 17, 35]. Nhöõng nghieân cöùu ở đây khi thöïc hieän xaây döïng moâ taû toaùn hoïc ñaõ xem heä goàm toaøn boä pha raén coù caùc loã xoáp beân trong. Quaù trình chaùy cuûa vaät lieäu raén ñöôïc khaûo saùt trong vuøng theå tích naøy döïa treân söï thay ñoåi theå tích cuûa vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy. Saáy Nhie ät phaân Khí h oùa Chaát thaûi (B): A Åm Chaát bay hôi Cacbo n, tro Chaát thaûi khoâ (C): Chaát bay hôi Cacbon, tro Chaát thaûi sau nhieät phaân (D): Cacbon, tro Chaát thaûi sau nhieät phaân vaø khí thaûi (A ): Tro VB VC VD VA Hình 1.7 Sô ñoà thay ñoåi theå tích cuûa vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy Caùc phöông trình baûo toaøn trong pha lieân tuïc vaø pha phaân taùn ñöôïc vieát ôû daïng toång quaùt nhö sau: φρφρφ Svdivt =+∂ ∂ )()( (1.3) φ laø maät ñoä vaät chaát öùng vôùi 1 kg vaät lieäu: khoái löôïng, naêng löôïng, thaønh phaàn caáu töû, ñoäng löôïng ρ laø khoái löôïng rieâng trong pha khí hoaëc pha raén, kg/m3 v laø vaän toác beà maët trong pha khí hoaëc vaän toác chuyeån ñoäng cuûa pha raén, m/s -21- Sφ laø nguoàn sinh hoaëc tieâu huûy trong pha khí hoaëc pha raén. Ngoaøi ra, caùc nghieân cöùu khaùc taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield vaø nhöõng nôi khaùc cuõng ñaõ thöïc hieän treân moâ hình thieát bò ñoát kieåu coät nhoài vôùi caùc loaïi vaät lieäu raén khaùc nhau nhö goã, giaáy caùc loaïi, coû möïc, rôm,… nhaèm tìm ra caùc yù nghóa öùng duïng thöïc tieãn nhö aûnh höôûng cuûa kích thöôùc vaät lieäu raén ban ñaàu, aûnh höôûng cuûa löôïng khoâng khí sô caáp, aûnh höôûng cuûa khoâng khí thöù caáp ñeán toác ñoä chaùy, noàng ñoä cöïc ñaïi caùc khí chaùy sinh ra [7, 9, 15-21, 36-41]. Caùc nghieân cöùu treân ñaõ ñoùng goùp raát nhieàu vaøo söï hieåu bieát veà quaù trình chaùy cuûa caùc loaïi vaät lieäu trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài. Tuy nhieân, cho ñeán nay vaãn chöa coù moät coâng trình naøo thöïc hieän nghieân cöùu quaù trình ñoát hoãn hôïp vaät lieäu “chaát thaûi cuûa chaát thaûi” trong thieát bò ñoát kieåu coät nhoài theo con ñöôøng Tieáp caän heä thoáng vôùi taùc vuï Phaân tích heä thoáng. Baèng con ñöôøng Phaân tích heä thoáng naøy, caùc hieän töôïng co ruùt cuûa vaät lieäu do söï giaûi phoùng vaät chaát trong quaù trình chaùy, hieän töôïng quaù trình chaùy dieãn ra khoâng ñeàu laøm cho tình traïng maát caân baèng ñoäng löôïng cuûa khoái vaät lieäu xaûy ra, daãn ñeán hieän töôïng suïp cuûa khoái vaät lieäu raén trong quaù trình chaùy do aûnh höôûng cuûa ñoä roãng cuûa khoái haït cuøng vôùi söï di chuyeån ngaãu nhieân cuûa pha khí töø beân döôùi seõ ñöôïc laøm saùng toû thoâng qua vieäc phaân hoaïch heä thoáng, phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng, vieäc boá trí thieát bò quan traéc caùc thoâng soá kieåm soaùt quaù trình ôû nhöõng chöông tieáp theo. -22- CHƯƠNG 2: PHÖÔNG PHAÙP, THIEÁT BÒ VAØ VAÄT LIEÄU TRONG NGHIEÂN CÖÙU THÖÏC NGHIEÄM 2.1 PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU HEÄ THOÁNG THIEÁT BÒ LOØ ÑOÁT COÙ VÆ LOØ DI CHUYEÅN 2.1.1 Phương phaùp tieáp caän heä thoáng thieát bò loø ñoát chaát thaûi raén Tieáp caän heä thoáng [42] ñöôïc ñaëc tröng bôûi söï trieån khai quaù trình nghieân cöùu hoaëc thao taùc treân caùc ñoái töôïng theo moät löôïc ñoà logic lieân keát chaët cheõ caùc khoái coâng vieäc : a) phaùt hieän caùc vaán ñeà caàn giaûi quyeát ; b) xaùc ñònh caùc muïc tieâu caàn ñaït ñöôïc ; c) nhaän daïng caùc raøo caûn ; d) xaùc ñònh caùc taùc vuï tieáp caän heä thoáng caàn thöïc hieän ; e) thöïc hieän caùc taùc vuï ñaõ ñöôïc xaùc ñònh ; g) thaåm ñònh keát quaû thöïc hieän ; h) hieäu chænh noäi dung caùc khoái coâng vieäc neáu keát quaû thöïc hieän khoâng ñaït yeâu caàu. Vôùi löôïc ñoà logic naøy keát luaän cuoái cuøng luoân mang tính khaùch quan: hoaëc khaúng ñònh tieáp caän heä thoáng ñaõ thaønh coâng cho pheùp giaûi quyeát hieäu quaû caùc vaán ñeà ñaõ ñaët ra, hoaëc khaúng ñònh vaán ñeà ñaët ra ñaõ khoâng giaûi quyeát ñöôïc vaø ñoøi hoûi phaûi coù söï nhìn nhaän laïi moät caùch saâu saéc hôn, chuaån xaùc hôn. Trong caùc khoái coâng vieäc d), e) coù ba nhoùm taùc vuï mang tính chieán löôïc bao goàm: phaân tích heä thoáng, toång hôïp heä thoáng vaø ñieàu khieån heä thoáng. Caùc taùc vuï naøy luoân luoân gaén keát vôùi caùc phöông tieän bieåu ñaït heä thoáng nhö caùc moâ hình -23- ngöõ vaên, moâ hình ñoà hoïa, moâ hình vaät theå, moâ hình toaùn, moâ hình soá hoùa vaø cuõng khoâng taùch khoûi muïc tieâu thöôøng tröïc cuûa tieáp caän heä thoáng: toái öu hoùa. Phaàn nghieân cöùu quaù trình ñoát nhieät phaân raùc thaûi raén ñöôïc trình baøy döôùi ñaây laø keát quaû thöïc hieän moät soá noäi dung cô baûn cuûa taùc vuï phaân tích heä thoáng aùp duïng cho thieát bò ñoát kieåu coät nhoài bao goàm caùc noäi dung: • Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng • Xaây döïng moâ hình vaät theå vaø nghieân cöùu treân moâ hình vaät theå • Xaây döïng moâ hình toaùn hoïc vaø nghieân cöùu treân moâ hình toaùn hoïc. -24- Hình 2.1 Löôïc ñoà logic tieáp caän heä thoáng thieát bò ñoát chaát thaûi raén ÑOÁI TÖÔÏNG COÂNG NGHEÄ Phaùt hieän vaán ñeà Ñaët vaán ñeà Xaùc ñònh caùc muïc tieâu phaûi ñaït ñöôïc Nhaän daïng caùc raøo caûn Xaùc ñònh caùc taùc vuï tieáp caän heä thoáng (vaø caùc ñieàu kieän ñeå thöïc hieän) Thöïc hieän caùc taùc vuï ñeå giaûi quyeát caùc vaán ñeà ñaõ ñaët ra Thaåm ñònh keát quaû thöïc hieän Thaåm ñònh möùc ñoä hoaøn thaønh khaâu thöïc hieän Xaùc nhaän keát quaû vaø döï kieán phaùt trieån Keát luaän Hieäu chænh caùc taùc vuï Thaåm ñònh khaâu ñaët vaán ñeà Thaåm ñònh khaâu xaùc ñònh muïc tieâu Thaåm ñònh khaâu xaùc ñònh raøo caûn Thaåm ñònh khaâu xaùc ñònh taùc vuï Thaåm ñònh khaâu thöïc hieän Ñaït yeâu caàu Ñaït yeâu caàu Khoâng ñaït yeâu caàu Hieäu chænh caùc raøo caûn Hieäu chænh caùc muïc tieâu Hieäu chænh hoaëc ñaët laïi vaán ñeà K ho âng ñ aït y eâu c aàu Ñuùng Sai Ñuùng Sai Ñuùng Sai Ñuùng Sai Sai Ñ uùn g Hieäu chænh quaù trình thöïc hieän -25- 2.1.2 Phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng Phaân hoaïch heä thoáng laø phöông phaùp phaân chia heä thoáng thaønh caùc heä thoáng con ñôn giaûn hôn, thuaän lôïi hôn, deã daøng hôn cho vieäc xaùc ñònh baûn chaát caáu truùc, caùc töông taùc vaø quy luaät vaän ñoäng trong töøng phaàn ñaõ ñöôïc phaân hoaïch. Heä quaû cuûa vieäc phaân hoaïch heä thoáng seõ thu ñöôïc caùc heä thoáng con (caáp phaân heä) ñeå khai thaùc söû duïng cho heä thoáng meï (caáp nguyeân heä) theo nguyeân taéc tích hôïp caùc heä thoáng con thaønh heä thoáng ñang nghieân cöùu. 2.1.2 Phöông phaùp phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng Phöông phaùp phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng laø vaän duïng caùc kieán thöùc vaät lyù, hoùa hoïc, coâng ngheä … (tieáp caän coâng ngheä) cuøng vôùi caùc daïng bieåu ñaït sô caáp cuûa ngoân ngöõ ñoàâ hoïa hoaëc ngoân ngöõ toaùn hoïc ñöôïc söû duïng ñeå xaây döïng neân moâ hình ngöõ vaên hoaëc moâ hình ñoà hoïa cho pheùp ñònh danh caùc phaàn töû, caùc quan heä, dieãn taû caáu truùc cuûa ñoái töôïng ñang ñöôïc moâ hình hoùa. 2.2 THIEÁT BÒ NGHIEÂN CÖÙU VAØ PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC HIEÄN Toaøn boä caùc thí nghieäm vaø thieát bò phaân tích söû duïng trong luaän aùn naøy ñöôïc thöïc hieän taïi Khoa Coâng ngheä Hoùa Hoïc, tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield, Vöông Quoác Anh. Quy trình thí nghieäm phaân tích thaønh phaàn cô baûn, thaønh phaàn toång quaùt, nhieät trò ñöôïc thöïc hieän theo quy trình cuûa Soå tay thí nghieäm CPE 01, Khoa Coâng ngheä Hoaù hoïc, tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield, UK. Caùc thieát bò vaø phöông phaùp tieán haønh phaân tích thaønh phaàn, tính chaát vaät lieäu, ñöôïc trình baøy chi tieát trong Phuï luïc 1: -26- 2.2.1 Phaân tích nhieät vi sai Thí nghieäm phaân tích nhieät vi sai (TGA) ñöôïc thöïc hieän taïi Trung taâm Polyme, Khoa Hoaù hoïc, tröôøng Ñaïi hoïc Sheffield, UK. Maãu khoaûng 15mg ñöôïc laøm khoâ vaø ñöôïc eùp thaønh vieân tröôùc khi cho vaøo buoàng ñoát. Taïi ñaây, maãu ñöôïc ñoát trong moâi tröôøng khoâng khí vôùi toác ñoä taêng nhieät ñoä laø 10oC/phuùt. Ñoä giaûm khoái löôïng cuûa vaät lieäu ñöôïc ghi nhaän trong suoát thôøi gian ñoát maãu. Thieát bò nghieân cöùu ñoä suy giaûm khoái löôïng vaät lieäu theo söï gia taêng nhieät ñoä trong quaù trình nhieät phaân ñöôïc thöïc hieän trong thieát bò NETZSCH TG 209. Sô ñoà caáu taïo thieát bò goàm caùc boä phaän chính nhö sau: Hình 2.2 Sô ñoà caáu taïo thieát bò phaân tích nhieät vi sai Thieát bò goàm moät loø nung ñöôïc cheá taïo baèng söù kyõ thuaät, coù khaû naêng chòu nhieät ñoä raát cao vaø beàn hoùa hoïc. Loø nung ñöôïc gia nhieät baèng soùng hoàng ngoaïi coù khaû naêng taïo ra nhieät löôïng cao vaø oån ñònh trong suoát quaù trình tieán haønh thí nghieäm. -27- Beân trong loø nung ñöôïc ñaët moät caëp nhieät ñieän ñeå ghi nhaän giaù trò nhieät ñoä laøm vieäc cuûa thieát bò. Beân ngoaøi loø nung cuõng coù moät caëp nhieät ñieän tham chieáu. Tuøy theo muïc ñích vaø tính chaát laøm vieäc cuûa töøng loø maø caáu taïo cuûa caëp nhieät ñieän ñaët beân trong loø nung cuõng seõ khaùc nhau. Thoâng thöôøng, caëp nhieät ñieän ñöôïc söû duïng laø loaïi K, vaät lieäu hôïp kim ñöôïc söû duïng ñeå cheá taïo caëp nhieät ñieän laø loaïi Ni-Cr/Ni-Al. Beân trong loø nung laø boä phaän ñöïng cheùn söù kyõ thuaät chöùa maãu thí nghieäm, taát caû ñöôïc ñaët treân moät thanh hôïp kim chòu ñöôïc nhieät ñoä cao. Thanh hôïp kim naøy ñöôïc ñaët thaúng ñöùng theo truïc cuûa loø nung vaø ñöôïc tieáp xuùc vôùi boä phaän cuûa caân vi löôïng ñaët beân trong cuûa hoäp chöùa ôû ñaùy cuûa thieát bò. Khoâng khí hoaëc khí trô phuïc vuï cho thí nghieäm seõ ñöôïc cung caáp vaøo loø nung töø ñaùy loø. Khí chaùy, khí nhieät phaân ñöôïc thoaùt ra theo oáng daãn khí ñaët ôû beân treân cuûa loø nung. Hình 2.3 Thieát bò phaân tích nhieät vi sai Taát caû caùc boä phaän truyeàn thoâng tin cuûa thieát bò phaân tích nhieät vi sai ñöôïc keát noái vôùi maùy tính vaø ñöôïc ghi nhaän baèng moät chöông trình chuyeån ñoåi töø tín hieäu analog sang tín hieäu soá cuûa maùy tính. Phöông phaùp tieán haønh thí nghieäm phaân tích nhieät vi sai ñöôïc thöïc hieän theo caùc böôùc sau: -28- Böôùc 1: Kieåm tra heä thoáng Böôùc chuaån bò thí nghieäm goàm nhöõng noäi dung sau: • Kieåm tra toaøn boä thieát bò, ñaûm baûo thieát bò nguyeân veïn • Kieåm tra coâng taéc ñieän cuûa thieát bò, ñaûm baûo raèng coâng taéc ñang trong tình traïng ngaét • Kieåm tra cheùn ñöïng maãu trong thieát bò, ñaûm baûo raèng cheùn ñöïng maãu saïch vaø khoâng coù tro trong cheùn • Kieåm tra bình chöùa khí trô (neáu thí nghieäm trong moâi tröôøng khí trô) hoaëc bình oâxy (neáu thí nghieäm thöïc hieän trong moâi tröôøng oâxy – phaûn öùng oâxy hoùa), ñaûm baûo raèng aùp löïc bình vaãn trong ñieàu kieän cho pheùp hoaït ñoäng • Kieåm tra ñöôøng oáng nöôùc giaûi nhieät, ñaûm baûo coù nöôùc trong suoát quaù trình thöïc hieän thí nghieäm • Kieåm tra bôm caáp khí baûo veä, ñaûm baûo bôm hoaït ñoäng toát • Kieåm tra thieát bò caân vi löôïng maãu (ngoaøi thieát bò phaân tích nhieät vi sai), ñaûm baûo caân ñaët ôû vò trí caân baèng • Kieåm tra thieát bò eùp maãu, ñaûm baûo piston eùp thuûy löïc hoaït ñoäng toát • Kieåm tra tính ñaày ñuû cuûa caùc thieát bò hoã trôï khaùc: keïp, gaêng tay chòu nhieät, aùo thí nghieäm, maùy tính,… Böôùc 2: Chuaån bò thí nghieäm Sau khi ñaõ kieåm tra toaøn boä heä thoáng, tieán haønh chuaån bò thí nghieäm theo caùc thao taùc sau: -29- • Söû duïng keïp ñeå gaép maãu, gaép moät löôïng maãu khoâng quaù 20mg vaøo ñóa caân • Gaép maãu vaøo thieát bò eùp thuûy löïc ñeå eùp maãu thaønh vieân • Maãu sau khi ñöôïc eùp vieân ñöôïc gaép vaøo cheùp söù cuûa thieát bò phaân tích nhieät vi sai. • Ñoùng naép loø nung, caøi khoùa an toaøn naép loø • Khôûi ñoäng maùy tính, khôûi ñoäng chöông trình ñoïc döõ lieäu data acquisition • Môû van nöôùc giaûi nhieät • Khôûi ñoäng bôm khí baûo veä • Môû van khí neùn caáp vaøo loø nung (khí trô hoaëc oâxy) • Baät coâng taéc thieát bò • Caøi ñaët cheá ñoä phaân tích nhieät • Baät nuùt START ñeå baét ñaàu tieán haønh thí nghieäm Böôùc 3: Ghi nhaän döõ lieäu Sau khi ñaõ môû coâng taéc START ñeå tieán haønh thí nghieäm, maùy tính keát noái seõ töï ñoäng ghi nhaän döõ lieäu vaø töï ñoäng sao löu döõ lieäu moãi 5 phuùt. Sau khi quaù trình thöïc hieän heát cheá ñoä caøi ñaët, chöông trình ghi nhaän döõ lieäu seõ töï ñoäng thoâng baùo tình traïng keát thuùc thí nghieäm treân maøn hình maùy tính vaø maøm hình thieát bò phaân tích nhieät. Böôùc 4: Hoaøn taát thí nghieäm -30- Sau khi thí nghieäm ñaõ hoaøn taát, tieán haønh caùc thuû tuïc keát thuùc thí nghieäm nhö sau: • Baám nuùt STOP ñeå döøng cheá ñoä phaân tích nhieät • Ñaûm baûo raèng van caáp khí trô hoaëc oâxy vaãn tieáp tuïc môû cho ñeán khi nhieät ñoä trong loø nung giaûm xuoáng döôùi 300oC • Ñaûm baûo raèng van caáp nöôùc giaûi nhieät vaãn môû cho ñeán khi nhieät ñoä loø nung giaûm xuoáng döôùi 300oC • Ñaûm baûo raèng bôm caáp khí baûo veä heä thoáng vaãn hoaït ñoäng cho ñeán khi nhieät ñoä loø nung giaûm xuoáng döôùi 300oC • Sau khi nhieät ñoä treân maøn hình thieát bò phaân tích nhieät vi sai hieån thò giaù trò nhoû hôn 300oC, taét coâng taéc ñieän vaøo thieát bò phaân tích nhieät vi sai • Ñoùng taát caû caùc van, hôm caáp khí baûo veä • Môû van xaû töï do ôû naép loø nung • Sau 3 giôø, tieán haønh thaùo tro, veä sinh thieát bò, veä sinh khu vöïc vaø hoaøn taát quaù trình thí nghieäm sau khi ñaõ ñieàn vaøo phieáu hoaøn taát söû duïng thieát bò phaân tích trong ngaøy. 2.2.2 Thí nghieäm treân thieát bò loø ñoát coät nhoài 2.2.2.1 Thieát laäp heä thoáng thí nghieäm Heä thoáng thieát bò hoaït ñoäng ôû ñieàu kieän aùp suaát khí quyeån. Thieát bò coù theå chia laøm hai nhoùm chính: -31- • Cuïm caùc thieát bò thöïc hieän quaù trình cô hoïc: ñoù laø caùc thieát bò cung caáp oâxy sô caáp vaø oâxy thöù caáp. Khoâng khí sô caáp ñöôïc cung caáp töø ñaùy cuûa thieát bò coät nhoài. Khoâng khí thöù caáp ñöôïc cung caáp vaøo beân trong thieát bò taïi vò trí h=0,75cm keå töø ñaùy cuûa thieát bò. Khoâng khí cung caáp ñöôïc kieåm soaùt bôûi löu löôïng keá rotameter. • Cuïm caùc thieát bò truyeàn daãn thoâng tin: ñoù laø caùc thieát bò truyeàn daãn thoâng tin veà khoái löôïng vaät lieäu raén coøn laïi, nhieät ñoä cuûa caùc vò trí doïc theo coät nhieân lieäu trong thieát bò, noàng ñoä caùc chaát khí. Moâ hình thieát bò ñöôïc treo treân heä thoáng caân ñieän ñeå ghi nhaän caùc giaù trò khoái löôïng thay ñoåi. Caùc ñaàu doø nhieät ñoä ñöôïc boá trí doïc theo chieàu cao cuûa thieát bò, moãi ñaàu doø caùch nhau 8cm keå töø ñaùy ñeán ñaàu doø thöù 8. ñaàu doø nhieät ñoä thöù 8, 9 caùch nhau 340cm, daàu doø thöù 9, 10 caùch nhau 10cm. OÁng huùt khí ñöôïc ñaët caùch ñaùy 40cm hoaëc 56cm. -32- Hình 2.4 Thieát bò ñoát kieåu coät nhoài 2.2.5.2 Buoàng ñoát Buoàng phaûn öùng laø moät oáng hình truï ñöôïc laép coá ñònh vaø treo vaøo caân. Chieàu cao toång coäng cuûa buoàng ñoát laø 1,5m vôùi ñöôøng kính trong laø 200mm. OÁng beân trong ñöôïc laøm baèng vaät lieäu caùch nhieät coù beà daøy 10cm. vaät lieäu caùch nhieät ñöôïc duøng coù theå chòu ñöïng ñöôïc nhieät ñoä 1300oC. lôùp voû beân ngoaøi laøm baèng theùp khoâng ræ coù beà daøy 30mm. Khoâng khí sô caáp ñi vaøo buoàng ñoát töø ñaùy thoâng qua ghi loø coù khoan khoaûng 700 loã. Thieát bò ñaùnh löûa ñöôïc ñaët nghieâng 45o taïi vò trí 75cm keå töø ghi loø. -33- Hình 2.5 Caáu taïo thieát bò thí nghieäm 2.2.2.3 Thu maãu nhieät ñoä vaø thaønh phaàn khí Nhieät ñoä beân trong thieát bò ñöôïc quan traéc baèng caùc caëp nhieät ñieän Ni/Cr loaïi K. Thaønh phaàn khí chaùy ñöôïc ño bôûi thieát bò phaân tích khí nguoàn tröïc tieáp. Khoâng khí sô caáp Ghi loø: D3mm, Cao 8mm, daøy10mm Khí ra T/C 1 Khôûi ñoäng Khoâng khí thöù caáp T/C 11 (y=1400mm) T/C 10 (y=1000mm) Cöûa (y=1200mm) voøi 1” Cöûa (y=800mm) voøi 1” T/C 3 (y=160mm) T/C 5 (y=320mm) T/C 7 (y=480mm) T/C 2 (y=80mm) T/C 4 (y=240mm) T/C 6 (y=400mm) T/C 8 (y=560mm) T/C9 (y=900mm) Ñaùy ~20mm -34- Baûng 2.1 Vò trí ño nhieät ñoä vaø khí trong thieát bò TT Chieàu cao keå töø ghi loø (mm) Nhieäm vuï T/C1 0 Ño nhieät ñoä T/C2 80 Ño nhieät ñoä T/C3 160 Ño nhieät ñoä T/C4 240 Ño nhieät ñoä T/C5 320 Ño nhieät ñoä T/C6 400 Ño nhieät ñoä hoaëc ño khí T/C7 480 Ño nhieät ñoä T/C8 560 Ño nhieät ñoä hoaëc ño khí T/C9 900 Ño nhieät ñoä T/C10 1000 Ño nhieät ñoä 2.2.2.4 Caáp khí Khoâng khí sô caáp ñöôïc cung caáp vaøo töø ñaùy cuûa thieát bò. Löu löôïng khoâng khí söû duïng ñöôïc kieåm soaùt bôûi löu löôïng keá Rotameters Series 2000 saûn xuaát bôûi KDG MOBREY Ltd. Trong nghieân cöùu naøy, caùc thí nghieäm khoâng söû duïng khoâng khí thöù caáp. 2.2.2.5 Thieát bò phaân tích khí vaø ñoïc döõ lieäu Thieát bò phaân tích khí ñöôïc söû duïng ñeå ño noàng ñoä phaàn traêm oâxy, CO, vaø CO2 trong khí chaùy. -35- Baûng 2.2 Danh saùch caùc ñaàu doø noàng ñoä khí söû duïng Phaân tích Haõng saûn xuaát Loaïi thieát bò O2/CO2 Analytical Development Co. Ltd WA 476-002-18275 CO Analytical Development Co. Ltd RF 2G 18274 Tröôùc khi söû duïng, caùc ñaàu doø phaân tích khí caàn phaûi ñöôïc chuaån hoaù baèng caùc khí chuaån. Baûng 2.3 Noàng ñoä khí chuaån Phaân tích Noàng ñoä khí CO2 15,86% CO 20,10% Hình 2.6 Thieát bò ghi nhaän döõ lieäu Khí chaùy tröôùc khi ñi vaøo thieát bò phaân tích seõ ñöôïc laøm nguoäi ñeå ngöng tuï caùc hôïp chaát khí hôi nhöïa ñöôøng, sau ñoù ñi vaøo thieát bò haáp thu hôi aåm, haáp thu SOx, NOx ñeå traùnh gaây haïi cho thieát bò phaân tích. 2.2.2.6 Phöông thöùc tieán haønh thöïc nghieäm treân thieát bò coät nhoài Thieát bò söû duïng chính trong thí nghieäm naøy laø loaïi thieát bò ñoát coät nhoài. Moâ hình thieát bò ñoát kieåu coät nhoài coù daïng toång quaùt nhö sau: -36- Khoâng khí sô caáp Khoâng khí thöù caáp Beùc ñoát moài ban ñaàu Heä thoáng caân Thieát bò ño noàng ñoä khí Maùy tính ghi nhaän döõ lieäu Hình 2.7 Sô ñoà heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài Vaät lieäu raén ñöôïc naïp vaøo coät töø cöûa naïp lieäu ôû ñænh cuûa thieát bò sao cho chieàu cao coät nhieân lieäu khoâng quaù moät nöûa chieàu cao cuûa thieát bò. Sau khi naïp lieäu, caáp khoâng khí sô caáp vaøo coät töø beân döôùi thieát bò vôùi löu löôïng khoâng ñoåi vaø tieán haønh ñoát moài lôùp vaät lieäu raén töø beân treân. Tuøy thuoäc ñieàu kieän vaø muïc ñích thí nghieäm, khoâng khí thöù caáp coù theå ñöôïc cung caáp vaøo thieát bò vôùi nhöõng giaù trò xaùc ñònh. Khí chaùy di chuyeån leân treân ñænh thieát bò coät nhoài vaø thoaùt ra ngoaøi qua oáng thoaùt khí. Trong khi quaù trình chaùy xaûy ra, giaù trò nhieät ñoä trong coät nhieân lieäu ñöôïc ghi nhaän bôûi caùc ñaàu doø caëp nhieät ñieän caém doïc theo chieàu cao thieát bò vaø truyeàn daãn thoâng tin veà maùy tính. Khí chaùy ñöôïc trích ra taïi vò trí xaùc ñònh trong thieát bò sao cho phuø hôïp vôùi muïc ñích thí nghieäm seõ ñöôïc ngöng tuï hôi aåm, taùch caùc khí coù theå gaây nguy haïi cho caûm bieán noàng ñoä khí, vaø ñi vaøo thieát bò ño noàng ñoä caùc khí nhö CO, CO2, O2, CH4. Giaù trò noàng ñoä caùc khí ñöôïc bieán ñoåi vaø truyeàn daãn veà maùy tính. Ngoaøi ra, trong khi quaù trình chaùy xaûy ra, khoái löôïng vaät lieäu cuõng giaûm theo thôøi gian vaø ñöôïc ghi nhaän bôûi heä thoáng caân töï ñoäng vaø cuõng ñöôïc truyeàn daãn thoâng tin veà maùy tính. Maùy tính coù nhieäm vuï nhaän caùc thoâng tin -37- truyeàn daãn veà theo quy luaät töông töï, maõ hoaù vaø bieán ñoåi caùc tín hieäu naøy thaønh caùc giaù trò soá vaø bieåu ñaït treân moâ hình ñoà hoaï thoâng qua moät phaàn meàm chuyeân duïng. Nhö vaäy, moät caùch roõ raøng coù theá thaáy ñöôïc raèng trong quaù trình thí nghieäm, caùc nhoùm chaát tham gia vaøo caùc quaù trình bieán ñoåi hoaù hoïc hoaù lyù goàm coù oâxy cuûa khoâng khí cung caáp, hôi aåm, caùc chaát höõu cô chaùy ñöôïc vaø cacbon coá ñònhcuûa vaät lieäu raén. Caùc nhoùm thieát bò tham gia vaøo quaù trình bieán ñoåi hoaù hoïc, hoaù lyù goàm thieát bò cung caáp khoâng khí vaø thieát bò coät nhoài. Caùc caëp nhieät ñieän, heä thoáng caân, thieát bò ño noàng ñoä caùc khí chaùy thaønh phaàn ñöôïc xem laø nhoùm thieát bò truyeàn daãn thoâng tin. Phöông phaùp tieán haønh thí nghieäm treân thieát bò ñoát coät nhoài nhö sau: ¾ Chuaån bò maãu: Caùc loaïi maãu thí nghieäm ñöôïc caét nhoû theo hình daïng vaø kích thöôùc ñaõ ñònh tröôùc. Ñoái vôùi giaáy hoãn hôïp, cactoâng vaø khaên giaáy ñöôïc caét thaønh mieáng moûng, maãu goã thoâng ñöôïc caét thaønh khoái, maãu coû tranh, rôm ñöôïc caét thaønh ñoaïn khoaûng 10cm. ¾ Khôûi ñoäng thieát bò ño khí trong ít nhaát 30 phuùt. Hieäu chuaån thieát bò ño khí. ¾ Caân khoái löôïng maãu töø 0,5kg ñeán 1,0kg theo töøng muïc ñích thí nghieäm. ¾ Chænh caân cuûa heä thoáng thieát bò coät nhoài. ¾ Naïp maãu vaøo thieát bò ñoát coät nhoài töø treân ñænh thieát bò. Trong quaù trình naïp vaät lieäu ñoát, ñaàm neùn vaät lieäu trong coät ñeå ñaït chieàu cao xaùc ñònh tröôùc. ¾ Kieåm tra vaø keát noái caùc thieát bò ño nhieät ñoä, noàng ñoä khí chaùy, khoái löôïng vaät lieäu trong coät nhoài vaøo maùy tính ghi nhaän döõ lieäu. ¾ Môû löu löôïng keá khí cung caáp khoâng khí sô caáp vaøo thieát bò ñeán moät giaù trò xaùc ñònh tröôùc. ¾ Ñoát moài lôùp vaät lieäu beân treân trong khoaûng 20-30 giaây. ¾ Baét ñaàu ghi nhaän döõ lieäu thí nghieäm. -38- ¾ Khi ñoä suy giaûm khoái löôïng khoâng ñoåi trong khoaûng 3 phuùt, noàng ñoä oâxy ño ñöôïc ñaït 20%, quaù trình chaùy keát thuùc. ¾ Ñoùng van caáp khoâng khí, taét caùc thieát bò ño ñaïc, löu döõ lieäu. ¾ Ñeå thieát bò nguoäi trong voøng 8 giôø. Laáy tro vaø löu tröõ tro. 2.3 VAÄT LIEÄU NGHIEÂN CÖÙU Xuaát phaùt töø nhu caàu xöû lyù chaát thaûi baèng phöông phaùp ñoát, caùc chaát thaûi cuûa ngaønh coâng nghieäp phaân loaïi chaát thaûi phuïc vuï muïc ñích taùi söû duïng vaø taùi cheá vaät lieäu ñöôïc söû duïng laøm nguyeân lieäu trong nghieân cöùu naøy. Theâm vaøo ñoù, xu höôùng ñoát caùc chaát thaûi noâng nghieäp phuïc vuï phaùt ñieän ñang laø höôùng nghieân cöùu öu tieân cuûa nhieàu quoác gia tieân tieán treân theá giôùi cuõng ñöôïc thöû nghieäm trong luaän vaên naøy. Theâm vaøo ñoù, caùc loaïi vaät lieäu keå treân ñeàu thoaû maõn moät yeâu caàu quan troïng trong luaän aùn naøy laø nghieân cöùu quaù trình chaùy cuûa moät heä dò theå ña phaân taùn. Do ñoù, vaät lieäu raén thích hôïp ñöôïc choïn ñaïi dieän cho ngaønh coâng nghieäp phaân loaïi taùi cheá chaát thaûi laø giaáy hoãn hôïp; vaät lieäu ñaïi dieän cho chaát thaûi noâng nghieäp laø goã vuïn, rôm, vaø coû tranh. Vaät lieäu söû duïng laø hoãn hôïp cuûa khaên giaáy vaø cactoâng ñöôïc caét thaønh mieáng nhoû coù kích thöôùc 3x3x0,05cm vôùi khaên giaáy, 3x3x0,2cm vôùi cactoâng. Vôùi kích thöôùc naøy, vaät lieäu coù theå xem laø raït raén coù ñöôøng kính töông ñöông 0,26mm cho khaên giaáy vaø 1,5mm cho cactoâng. Vaät lieäu rôm vaø coû tranh ñöôïc caét thaønh nhöõng ñoaïn ngaén khoaûng 10cm. ñoái vôùi vaät lieäu laø goã thoâng, tieán haønh caét ñònh hình vaät lieäu thaønh hình khoái laäp phöông coù kích thöôùc 1cm3. Taát caû caùc loaïi vaät lieäu naøy khi nhaäp lieäu vaøo thieát bò coät nhoài ñöôïc ñoå moät caùch töï nhieân vaøo thieát bò töø treân xuoáng. -39- Ñeå ñaït ñöôïc ñoä aåm nhö raùc thaûi thaät, nöôùc coù theå ñöôïc theâm vaøo baèng caùch caân khoái löôïng maãu, phun nöôùc leân beà maët, ñeå töï do trong 24h vaø caân laïi. Tính toaùn khoái löôïng nöôùc coù trong maãu seõ suy ra ñöôïc ñoä aåm cuûa maãu tröôùc khi ñoát. ∑−= ii0water_adding mXXmm (2.1) Vôùi, X laø ñoä aåm caàn % m0 khoái löôïng vaät lieäu caàn trong thí nghieäm, kg Xi, mi ñoä aåm ban ñaàu vaø khoái löôïng ban ñaàu cuûa vaät lieäu tröôùc khi phun nöôùc vaøo. Hình 2.8 trình baøy caùc loaïi vaät lieäu ñöôïc söû duïng trong thí nghieäm Hình 2.8 Vaät lieäu ñaõ söû duïng trong thí nghieäm Cactoâng Khaên giaáy Goã thoâng Coû tranh Rôm -40- CHÖÔNG 3: KEÁT QUAÛ VAØ THAÛO LUAÄN 3.1 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG 3.1.1 Keát quaû phaân hoaïch heä thoáng AÙp duïng phöông phaùp phaân hoaïch heä thoáng trong phaïm vi nghieân cöùu cuûa luaän aùn naøy, khu vöïc buoàng ñoát sô caáp cuûa ñoái töôïng thieát bò væ loø di chuyeån (S5) khi ñöôïc tieán haønh phaân hoaïch theo khoâng gian thaønh nhöõng coät thaúng ñöùng goàm phaàn ñaùy væ loø coù loã cho pheùp khoâng khí sô caáp ñi vaøo khoái vaät lieäu raén töø beân döôùi, khoái vaät lieäu raén naèm treân ghi loø (S5b) vaø khoaûng khoâng gian beân treân khoái vaät lieäu raén (S5a). Xeùt heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài chaát thaûi raén (S5b). Phaân hoaïch theo khoâng gian thieát bò seõ thu ñöôïc hai vuøng cô baûn laø vuøng sô caáp (coøn goïi laø buoàng sô caáp) vaø vuøng thöù caáp (buoàng thöù caáp). Tieán haønh phaân hoaïch vuøng sô caáp theo khoâng gian thaønh nhöõng vuøng nhoû hôn goïi laø theå tích höõu haïn (control volume hoaëc finite volume) trong ñoù coù chöùa caû pha lieân tuïc vaø pha phaân taùn. Phaàn khoâng gian naøy laø moät heä thoáng môùi ñöôïc goïi laø quaàn theå caùc haït ña phaân taùn trong moâi tröôøng lieân tuïc (S4). Tieáp tuïc phaân hoaïch quaàn theå caùc haït ña phaân taùn thaønh caùc phaàn nhoû hôn. Choïn moät phaàn nhoû môùi taïo thaønh chæ goàm moät haït raén duy nhaát vaø phaàn khoâng gian bao quanh haït raén vaø naèm trong phaàn theå tích höõu haïn. Ñeán ñaây ta ñöôïc heä dò theå moät haït (S3). Tieáp tuïc phaân hoaïch heä dò theå moät haït naøy, xeùt heä chæ goàm hoaøn toaøn pha raén hoaëc hoaøn toaøn pha khí, ta thu ñöôïc heä thoáng môùi naøy laø heä ñoàng theå vi moâ (S2). Caùc heä ñoàng theå vi moâ naøy laø caùc chaát hoãn hôïp chöùa caùc -41- ñôn chaát vaø hôïp chaát ôû caáp ñoä phaân töû. Tieáp tuïc phaân hoaïch heä ñoàng theå vi moâ naøy ta seõ thu ñöôïc moät taäp hôïp goàm caùc phaân töû (S1). Caáu truùc phaân taàng cuûa heä thoáng ñoát/nhieät phaân vaät lieäu raén nhö sau: Hình 3.1Caáu truùc phaân taàng heä hoùa lyù 3.1.2 Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng Vieäc thöïc hieän phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng thieát bò ñoát kieåu coät nhoài ñöôïc thöïc hieän ôû lôùp thöù ba cuûa caáu truùc heä thoáng (heä dò theå moät haït vaät lieäu raén thöù i naøo ñoù ñöôïc kyù hieäu laø S3,i) pha lieân tuïc S3,is bao quanh moät phaàn töû raùc thaûi raén (trong tröôøng hôïp naøy ñöôïc coi laø moät haït vaät lieäu raén hay moät haït vaät lieäu raén - pha phaân taùn S3,is). Nhieät löôïng Q töø quaù trình chaùy cuûa lôùp vaät lieäu beân treân truyeàn vaän tôùi caùc pha S3,ig, S3,is laøm cho noäi naêng Ug, Us cuûa pha khí S3,ig vaø haït vaät lieäu raén S3,is taêng leân. Löôïng nhieät Q truyeàn vaän vaøo heä S3,i phuï thuoäc Vuøng sô caáp (vaät lieäu raén) Vuøng thöù caáp Heä dò theå ña phaân taùn Heä dò theå moät haït Heä ñoàng theå vi moâ Heä caùc phaân töû S5a S5b S4 S3 S2 S1 -42- vaøo cöôøng ñoä naêng löôïng phaùt xaï Is cuûa lôùp vaät lieäu chaùy beân treân, khaû naêng haáp thuï böùc xaï es cuûa vaät chaát trong pha lieân tuïc vaø pha phaân taùn. Trong quaù trình taêng noäi naêng cuûa heä, caùc phaân töû nöôùc thuoäc caáu truùc cuûa S3,is baét ñaàu di chuyeån töø beân trong ra beân ngoaøi beà maët, khueách taùn qua lôùp phim khí ôû beà maët phaân chia pha vaø ñi vaøo pha lieân tuïc S3,ig vôùi ñoäng löïc khueách taùn hôi aåm laø ñoä cheânh leäch aùp suaát hôi baõo hoaø treân beà maët ΔPH2O. Toác ñoä khueách taùn coøn phuï thuoäc vaøo caáu truùc vaät lieäu, kích thöôùc hình hoïc cuõng nhö dieän tích beà maët cuûa pha phaân taùn. Caùc phaàn töû khí trong pha lieân tuïc di chuyeån ra khoûi heä S3,i ñang xeùt vaø ñi vaøo caùc heä S3,i+1 lieàn keà. Theo nghieân cöùu cuûa Ryu vaø coäng söï (2001), thôøi gian saáy vaät lieäu thöôøng keát thuùc trong khoaûng 2 phuùt [34]. Ñoàng thôøi vôùi quaù trình thoaùt hôi aåm töï do vaø hôi aåm lieân keát ra khoûi beà maët haït vaät lieäu raén, caùc nguyeân töû C, H, O,... taïi caùc nuùt maïng tinh theå trong caáu taïo cuûa vaät lieäu seõ trôû neân linh ñoäng hôn, laøm cho caùc lieân keát giöõa cacbon vaø cacbon, cacbon vaø hydro, cacbon vaø oâxy hoaëc caùc goác töï do khaùc neáu coù trôû neân yeáu ñi. Khi haït chaát thaûi raén nhaän moät naêng löôïng ñuû lôùn, caùc lieân keát trong phaàn töû haït raén seõ bò ñöùt gaõy, daãn ñeán keát quaû seõ taïo thaønh caùc chaát höõu cô, maø chuû yeáu laø caùc hydrocacbon vaø aldehyt. Löôïng vaø thaønh phaàn chaát höõu cô ñöôïc taïo thaønh tuyø thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn caáu taïo beân trong cuûa haït vaät lieäu raén trong heä S3,i. Caùc chaát höõu cô ñöôïc taïo thaønh seõ thoaùt ra khoûi haït vaät lieäu raén, ñi vaøo trong pha khí. Nghieân cöùu cuûa Goh vaø coäng söï, (1998) ñaõ chæ ra caùc chaát höõu cô bay hôi ñöôïc giaûi phoùng ôû nhieät ñoä khoaûng 260oC [35] hoaëc theo nghieân cöùu cuûa Ryu vaø coäng söï, (2001) laø 300°C [34]. Khi caùc lieân keát ban ñaàu cuûa vaät lieäu bò ñöùt gaõy, kích thöôùc haït vaät lieäu raén S3,is seõ giaûm daàn ñoàng thôøi caùc lieân keát môùi cuõng ñöôïc taïo thaønh, taïo ra saûn phaåm môùi ôû theå raén laø bitum vaø than. Toác ñoä taïo thaønh than vaø bitum cuõng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø thaønh phaàn caáu taïo cuûa vaät lieäu raén. -43- Luùc naøy, oâxy töï do töø trong pha khí bao quanh beân ngoaøi haït raén khueách taùn ñeán beà maët cuûa haït vaät lieäu raén, seõ tieáp xuùc vôùi caùc nguyeân töû cacbon cuûa phaàn töû than, bitum vaø taïo ra phaûn öùng chaùy (phaûn öùng oâxy hoaù khöû), sinh ra naêng löôïng. Toác ñoä chaùy cuûa than ñöôïc kieåm soaùt bôûi söï khueách taùn cuûa lôùp phim khí hoãn hôïp vaø toác ñoä phaûn öùng [35]. Töông öùng vôùi caùc quaù trình xaûy ra trong pha raén, pha khí bao quanh moät haït vaät lieäu raén cuõng xaûy ra caùc quaù trình töông öùng. Khi haït vaät lieäu raén giaûi phoùng hôi aåm, phaàn töû hôi nöôùc khueách taùn töø trong haït vaät lieäu ra beân ngoaøi pha khí bao quanh laøm cho maät ñoä cuûa phaàn töû hôi nöôùc taêng leân taïi moät thôøi ñieåm töùc thôøi. Phaàn töû hôi aåm ngay laäp töùc bò loâi cuoán bôûi pha khí ñi töø döôùi leân laøm giaûm maät ñoä hôi aåm trong vuøng theå tích höõu haïn bao quanh haït raén. Khi caùc chaát höõu cô trong pha raén ñöôïc taïo thaønh vaø khueách taùn ra khoûi lôùp beà maët cuûa haït vaät lieäu raén, caùc phaàn töû chaát höõu cô seõ tieáp xuùc vôùi oâxy vaø baét chaùy, sinh naêng löôïng. Saûn phaåm chaùy vaø caùc chaát höõu cô bay hôi chöa chaùy, oâxy vaø caùc phaàn töû khí khaùc seõ chuyeån ñoäng sang nhöõng theå tích höõu haïn khaùc ôû beân caïnh vaø beân treân. Naêng löôïng sinh ra töø caùc phaûn öùng chaùy seõ trao ñoåi nhieät tröïc tieáp vôùi pha khí vaø truyeàn nhieät ngöôïc ñeán pha raén baèng böùc xaï. -44- Hình 3.2 Phaân tích ñònh tính caáu truùc heä thoáng Lôùp thöù tö trong caáu truùc phaân taàng quan taâm ñeán phaàn theå tích höõu haïn cuûa pha lieân tuïc chöùa moät quaàn theå caùc haït ña phaân taùn (heä S4,i). Moâ taû quan troïng nhaát ñoái vôùi heä ña phaân taùn ôû lôùp boán seõ laø phöông trình caân baèng tính chaát taäp ñoaøn haït (thöôøng ñöôïc goïi taét laø phöông trình caân baèng haït) phaûn aûnh söï bieán ñoåi haøm maät ñoä phaân boá haït trong quaù trình chaùy. Nhö vaäy söï phaân tích ñònh tính quaù trình ñoát nhieät phaân trong coät nhoài ôû caùc phaân hoaïch öùng vôùi caùc heä S4,i vaø S3,i ñaõ ñònh danh caùc ñaïi löôïng, caùc quan heä Giaûm kích thöôùc cuûa haït vaät lieäu raén Quaù trình chaùy cuûa caùc chaát höõu cô trong pha khí Quaù trình giaûi phoùng aåm, nhieät phaân, khí hoaù than cuûa pha raén Nhieät sinh ra töø caùc phaûn öùng chaùy trong pha khí vaø söï chaùy cuûa than Khoái löôïng vaät chaát trong pha raén chuyeån sang pha khí do khueách taùn Gradient hoùa theá Gradient nhieät ñoä Gradient vaän toác Gradient NL beà maët Phaân boá haït theo kích thöôùc LÔÙP 4 -45- giöõa caùc ñaïi löôïng caàn phaûi truy xuaát ñeå kieán taïo neân moâ taû toaùn hoïc cuûa ñoái töôïng ñang xeùt. 3.2 KEÁT QUAÛ XAÙC ÑÒNH THAØNH PHAÀN TOÅNG QUAÙT, THAØNH PHAÀN CÔ BAÛN, NHIEÄT TRÒ 3.2.1 Thaønh phaàn hoùa hoïc Thaønh phaàn toång quaùt cuûa caùc loaïi vaät lieäu nghieân cöùu ñöôïc trình baøy trong baûng 3.1 sau: Baûng 3.1 Phaân tích thaønh phaàn toång quaùt Thoâng soá Khaên giaáy Cactoâng Goã thoâng Rôm Coû tranh %M 5,48 3,63 5,5 7,26 7,91 %VM 82,44 79,17 81,2 80,12 82,21 %FC 8,51 10,73 12,1 6,84 5,55 %Ash 3,57 6,47 1,2 5,78 4,33 Ñoä aåm (%M) cuûa cactoânglaø thaáp nhaát, keá ñeán laø khaên giaáy vaø goã thoâng. Ñoä aåm cuûa rôm vaø coû tranh laø cao nhaát. T