Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ CẤP ĐẾN NỒNG ĐỘ CO VÀ NOx TRONG KHÍ THẢI LÒ ĐỐT CÔNG NGHIỆP"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO, NOx trong sản phẩm cháy của lò đốt công nghiệp nhưng với mức độ và xu hướng khác nhau. Vì vậy việc phân bố nồng độ không khí trong trường nhiệt độ cháy phù hợp có thể làm giảm đồng thời nồng độ của chúng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ CẤP ĐẾN NỒNG ĐỘ CO VÀ NOx TRONG KHÍ THẢI LÒ ĐỐT CÔNG NGHIỆP"

ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CUNG CẤP KHÔNG KHÍ THỨ CẤP ĐẾN NỒNG ĐỘ CO VÀ NOx TRONG KHÍ THẢI LÒ ĐỐT CÔNG NGHIỆP EFFECT OF SECONDARY AIR SUPPLYING POSITION TO CO AND NOX CONCENTRATIONS IN COMBUSTION PRODUCT OF INDUSTRIAL FURNACE BÙI VĂN GA, Đại học Đà Nẵng LÊ VĂN LỮ, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HỒ SĨ XUÂN DIỆU, Công ty Đăng kiểm Thừa Thiên-Huế TÓM TẮT Nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến nồng độ CO, NOx trong sản phẩm cháy của lò đốt công nghiệp nhưng với mức độ và xu hướng khác nhau. Vì vậy việc phân bố nồng độ không khí trong trường nhiệt độ cháy phù hợp có thể làm giảm đồng thời nồng độ của chúng. Bài báo này tiến hành phân tích khí tại các mặt cắt khác nhau dọc theo trục ngọn lửa và trong ống khói lò đốt để trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp Li và hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 tối ưu nhằm đạt được nồng độ CO và NOx lý tưởng (Li/L=0,4 và 2 > 0,25 khi Ta = 720oC và 1 = 1,0). ABSTRACT Temperature and mixture fraction have essential effects on CO, NOx concentrations in the combustion product of an industrial furnace, but with different intensity and tendency. Thus a reasonable distribution of air concentration in temperature field of combustion can attaint a simultaneous reduction of these two pollutant concentrations. In this paper, gas analysis has been carried out in different cross sections of the flame and in the chimney of the furnace. The results allow us to identify appropriate secondary air supplying position Li and secondary air ratio 2 to attaint optimal CO and NOx concentrations (Li/L=0,4 and 2 > 0,25 when Ta = 720oC and 1 = 1,0). 1. Giới thiệu CO là chất khí không màu, không mùi, được mệnh danh là “kẻ giết người thầm lặng” bởi 100 Hồng cầu bị khống chế (%) Tử vong lẽ nó làm cho nạn nhân tử vong mà không hề hay Hôn mê biết. Khi nồng độ của nó trong không khí đạt 50 600 ppm N ôn mửa, xỉu khoảng 600ppm, trên 70% hồng cầu bị khống 300 ppm chế, nạn nhân thiếu oxy dẫn đến tử vong (hình 1). N hức đầu dữ dội NOx là một họ gồm ba chất NO, NO2 và N2O, Nhức đầu, giảm trí nhớ trong đó NO chi ếm đại bộ phận. NO là chất 100 ppm 10 không đ ộc nhưng nó lại là chất trung gian sinh ra NO2 là chất độc, gây viêm loét đường hô hấp, gây 5 30 ppm tổn thương phổi và gây mưa a-xít. Các giải pháp Không ả nh hưởng kỹ thuật để hạn chế nồng độ NOx trong khí thải 15 ppm có thể tham khảo [1]. Việc xử lý đồng thời CO và NOx trên 10 100 đường thải của thiết bị cháy công nghiệp gặp khó 0,1 1 khăn do một b ên phải oxy hóa (cần có sự hiện Thời gian tiếp xúc (h) diện của o-xy) còn một bên là khử (không có sự Hình 1: Tác hại của CO đối với sức khỏe con hiện diện của o-xy) [2]. Vì vậy giải pháp hữu ích là hạn chế nồng độ của chúng ngay từ nguồn phát người thải. Cơ chế hình thành CO được biểu diễn bởi phản ứng sau :  CO + OH  CO2 + H (1) H + H2O  OH + H 2 (2)  CO + O2  CO2 + O (3) 
Phản ứng (1) là cơ chế chính để biến CO thành CO2. Trong trường hợp hỗn hợp nghèo, sự biến đổi CO thành CO2 cũng diễn ra theo phản ứng (3) nhưng với tốc độ thấp hơn nhi ều so với phản ứng (1). Sự hình thành NOx được biểu diễn bởi cơ chế Zeldovich:  O + N2  NO + N (4)  2 N + O2  NO + O (5)  N + OH  NO + H (6) Trong 3 phản ứng (4), (5) và (6) thì 2 phản ứng đầu đóng vai trò quan trọng. Năng lượng hoạt tính của phản ứng (4) rất lớn vì vậy tốc độ của nó phụ thuộc mạnh và nhiệt độ. Tốc độ phản ứng (5) lớn hơn rất nhiều so với các phản ứng còn lại. Tốc độ các phản ứng trên phụ thuộc vào t ốc độ hình thành chất trung gian N. Trong quá trình cháy, sau giai đ oạn quá độ ban đầu, tốc độ hình thành chất trung gian N được viết như sau: k f ,1[O][ N 2 ] N s  (7) k f , 2 [O 2 ] Biểu thức (7) cho thấy tốc độ hình thành N phụ thuộc vào nồng độ O2 trong hỗn hợp. Từ các nghiên cứu trên đây chúng ta thấy sự phân bố thành phần hỗn hợp và nhi ệt độ cháy trong lò ảnh hưởng lớn đến nồng độ CO và NOx trong sản phẩm cháy [4], [5]. Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NOx trên cơ sở đó xác định vị trí cung cấp không khí thứ cấp tối ưu nhằm làm giảm đồng thời nồng độ của chúng trong khí thải của lò đốt công nghiệp. 2. Bố trí thí nghiệm Thực nghiệm đ ược tiến hành trên mô hình lò đốt công nghiệp có buồng cháy hình trụ tròn với đường kính trong 200mm, chiều dài 820mm. Lò được trang bị mỏ đốt nhiên li ệu dầu nhẹ loại Minor-6 của hãng Ecoflam, biến bụi nhiên liệu bằng phương pháp cơ học với áp suất phun 20 bar qua đầu phun số 0.75 có góc phun 60o. Không khí sơ cấp đ ược cấp từ quạt gió có áp suất 12 mbar (hình 2) [3]. L ượng không khí thứ cấp đ ược cấp qua một ống thép chịu nhiệt 21mm uốn hình khuyên theo sát tường trong của buồng đốt và được nối với đường khí cấp từ quạt gió. Phía trong ống hình khuyên có khoan nhiều lỗ Hình 2: Ảnh chụp lò đốt thí nghiệm 3mm hướng một góc nghiêng 45o so với trục lò. Vòng ống này có thể di chuyển tịnh tiến dọc theo chi ều dài ngọn lửa để Không khí thay đổi vị trí cấp thứ cấp không khí thứ cấp (hình 3). Công suất nhiệt cực Không khí đại của mỏ đốt là T sơ cấp 125.000 kJ/h G F Mô hình thí Dầu nghiệm này cho phép thay đổi các thông số vận hành chính của lò 100 100 100 120 100 như hệ số dư lư ợng không khí (sơ cấp và thứ cấp), nhiệt độ 0 4 8 6 2 10 buồng cháy. Sản Hình 3: Sơ đồ các vị trí cấp không khí thứ cấp và phẩm cháy được thu các vị trí lấy mẫu khí phân tích vào ống khói kim loại
có đường kính 90mm d ài 500mm để đo đạc thành phần khí thải. Thiết bị đo đạc bao gồm: thiết bị đo lưu lượng không khí sơ cấp kiểu màng, thiết bị đo lưu lư ợng dầu kiểu đếm thể tích với độ chính xác 1/100 lít, thiết bị Blow by Meter 442 AVL để đo lưu lượng không khí thứ cấp. Nồng độ NOx và CO được xác định bởi máy phân tích khí AVL Digas 4000. Mẫu sản phẩm cháy cục bộ được lấy tại mỗi mặt cắt ngang ngọn lửa ở ba vị trí : G (tại tâm ngọn lửa), F (cách tâm ngọn lửa 25mm về phía phải), T (cách tâm ngọn lửa 25 mm về phía trái) (hình 3). Mẫu khí thải của lò được lấy từ ống khói. Các số liệu thí nghiệm được ghi nhận theo trình tự qui hoạch trước khi mỏ đốt hoạt động ổn định ở một chế độ đốt cháy đã xác lập. Để có được kết quả của phép đo một cách chính xác và tránh sai số ngẫu nhiên, thí nghiệm ứng với mỗi chế độ đốt được thực hiện 5 lần và số liệu thu nhận là giá tr ị trung bình của các lần đo đó. 3. Kết quả và bình luận Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện lưu lượng nhiên liệu 2,6 lít/h, lưu lượng không khí 26 m3/h. Các thông số vận hành của lò thay đổi gồm hệ số dư lượng không k hí sơ cấp 1, hệ số dư lượng không khí thứ cấp 2 và nhiệt độ buồng cháy Ta. Các kết quả đo đạc nồng độ 16000 160 CO ( ppm) khí NOx và CO trong sản phẩm cháy thoát ra từ buồng đốt của lò NOx (ppm) khi không cung cấp không khí thứ 12.000 120 cấp (2=0) và thay đổi hệ số dư lượng không khí sơ cấp 1 từ 0,5 đến 1,5 được trình bày trên hình 4. 8.000 Thí nghiệm được thực hiện ở các 80 nhiệt độ buồng đốt khác nhau 700, 800 và 900oC. Kết quả này cho o T ( C) NO CO a thấy khi tăng nhiệt độ buồng đốt, x 900 4.000 40 800 nồng độ NOx tăng đối với mọi 700 thành phần hỗn hợp. Tuy nhiên  khi nhiệt độ buồng cháy thấp dưới 0 0 1.000oC thì vai trò ảnh hưởng của hệ số không khí dư đến nồng độ 0,5 0,7 0,85 1,0 1,25 1,5 NOx không đáng kể (nồng độ NOx thay đổi khoảng 20% khi hệ số dư Hình 4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí và lượng không khí sơ cấp thay đổi nhiệt độ đến nồng độ CO, NOx trong khí thải lò h ơi từ 0,5 đến 1,5). Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ảnh hư ởng mạnh đến nồng độ của CO khi hỗn hợp giàu. Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần hỗn hợp đến CO, NOx, chúng tôi thực hiện phân tích khí tại các vị trí cục bộ trong ngọn lửa. Thí nghiệm đư ợc tiến hành với nhiệt độ lò cố định ở 720 oC và lưu lượng dầu diesel 2,6 lít/h. Hệ số dư lượng không khí thay đổi  = 0.75; 1,0 và 1,25. Mẫu khí được lấy tại vị trí có khoảng cách tới miệng mỏ đốt 120mm (mặt cắt 2); 220 mm (mặt cắt 4); 320 mm (mặt cắt 6) và 420 mm (mặt cắt 8). Tại mỗi mặt cắt nồng độ CO, NOx được phân tích tại 3 vị trí G, T và F. Kết quả thí nghiệm về sự thay đổi nồng độ NOx theo chiều dài của ngọn lửa được biểu diễn trên 5a, b. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở cùng nhiệt độ buồng cháy, hệ số không khí dư ảnh hư ởng không đáng kể đến nồng độ NOx trong ngọn lửa. NOx tăng dần theo chiều dài ngọn lửa, chứng tỏ phản ứng ôxy hóa N2 diễn ra mạnh mẽ trong vùng nhiệt độ cao. Phía cuối ngọn lửa, trong điều kiện thí nghiệm này là kho ảng cách tới gốc ngọn lửa khoảng 400mm, nồng độ NOx hầu như không thay đổi trên cùng mặt cắt ngang, điều đó chứng tỏ sự hòa trộn rối của luồng khí chuyển động có tác dụng làm đồng đều thành phần NOx trong sản phẩm cháy.
NOx (ppm) NOx (ppm) 120 120 T F T 100 100 80 80 G F 60 60 G 40 40 20 20 0 0 420 320 220 120 420 320 220 120 Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) a)  = 0.75 b)  = 1,25 Hình 5: Bieán thieân noàng ñoä NOx theo chieàu daøi ngoïn löûa Kết quả đo nồng độ CO theo chiều dài ngọn lửa tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa, khi thay đổi hệ số dư lượng không khí cho trên 6. Kết quả trên cho thấy nồng độ CO rất cao (6.000ppm) trong phần đầu của ngọn lửa và giá trị này giảm rất nhanh về phía đuôi ngọn lửa. Các kết quả nhận được trên đây cho thấy nhiệt độ và thành phần hỗn hợp là hai yếu tố chính ảnh hư ởng đến nồng độ CO và NOx. CO (ppm) Biến thiên nồng độ của hai chất ô nhiễm này cùng chiều về phía hỗn hợp nghèo nhưng 8.000 ngược chiều về phía hỗn hợp giàu. Làm nghèo hỗn hợp sẽ dẫn đến làm giảm nồng độ CO tại bất kỳ vị trí nào của ngọn lửa. Tuy nhiên làm 6.000 nghèo hỗn hợp tại những vị trí nhiệt độ cao sẽ  = 0,75 làm gia tăng nồng độ NOx. Vì vậy để làm giảm 4.000 nồng độ đồng thời của hai chất này, chúng ta có thể cung cấp không khí thứ cấp vào một vị trí phù hợp trong ngọn lửa. 2.000  = 1,25 Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của vị trí cung cấp không khí thứ cấp đến nồng độ CO và NOx trong khí thải của 0 lò đốt để tìm vị trí cấp khí tối ưu. Vòng cấp khí 420 320 220 120 thứ cấp được đặt tại các mặt cắt số 2, 6, 8 và 10 Khoảng cách tới gốc ngọn lửa (mm) ứng với các khoảng cách tương ứ ng Li tới gốc Hình 6: Biến thiên nồng độ CO theo ngọn lửa lần lượt là 120, 320, 420 và 520mm. Hệ số dư lượng không khí sơ cấp o1 = 1,0, chiều dài ngọn lửa nhiệt độ lò được giữ cố định ở 720 C và lưu lượng dầu diesel 2,6 lít/h. Biến thiên nồng độ CO, NOx trong khí thải theo vị trí cung cấp không khí thứ cấp ứng với các giá trị 2 khác nhau được trình bày trên hình 7. Từ kết quả thí nghiệm, cho ta rút ra một số nhận xét sau: - Khi 2 vượt quá 0,25, vị trí cấp k hông khí thứ cấp ảnh hưởng rất nhẹ đến nồng độ NOx. Nồng độ NOx g iảm khoảng 10% khi không khí thức cấp được cấp sau khu vực cháy chính của ngọn lửa. Khi hệ số không khí thứ cấp nhỏ hơn giá trị này, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại cách miệng vòi đốt 420mm. Khi cung cấp lượng khí dư lớn, nhiệt độ cháy giảm làm tốc độ phản ứng (4) giảm, dẫn đến giảm nồng độ NOx. Khi cung cấp lượng không khí vừa phải, nhiệt độ cháy không giảm nhiều, tốc độ phản ứng (5) tăng làm tăng NOx. Mức độ gia tăng nồng độ NOx kho ảng 10% khi 2 = 0,2 và đạt 20% khi 2 = 0,1.
- Hệ số 2 và vị trí cung cấp không khí thứ cấp ảnh hưởng rất lớn 1,6 đến nồng độ CO. Kết quả thí nghiệm 160 cho thấy khi không khí thứ cấp được NOx (ppm) cấp vào khu vực đang cháy, nồng độ CO(%) CO trong khí thải giảm đi rõ rệt. 1,2 120 Trong trường hợp thí nghiệm này, 2=0,1 nếu cấp không khí thứ cấp tại mặt cắt số 2, nồng độ CO trong khí thải giảm đến mức lý t ưởng. Nếu cấp 2=0,2 80 0,8 không khí thứ cấp trước hay sau vị trí này, nồng độ CO trong khí thải 2=0,25 2=0,1 đều tăng. Điều này có thể giải thích ở k hu vực nhiệt độ cao, sự gia tăng 0,4 40 nồng độ O2 sẽ làm tăng tốc độ các 2=0,2 phản ứng (1) và (3) theo chiều thuận dẫn đến sự oxy hóa CO thành CO2 2=0,25 trong khí thải. 0 120 220 320 420 520 Kết quả này cho thấy để làm x(mm) giảm đồng thời nồng độ CO và NOx chúng ta có thể cung cấp không khí Hình 7: Biến thiên nồng độ CO, NOx trong khí thứ cấp ở vị trí cách miệng vòi đốt thải theo vị trí cung cấp không khí thứ cấp một khoảng Li sao cho Li/L= 0,4. Nếu nhiệt độ lò cho phép, chúng ta có thể chọn 2 > 0,25. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra những kết luận sau đây: 1. Ở chế độ nhiệt độ lò thấp, thành phần hỗn hợp ít gây ảnh hưởng đến nồng độ NOx nhưng ảnh hưởng mạnh đến nồng độ CO trong vùng hỗn hợp giàu. 2. Khi tăng hệ số dư lượng không khí thứ cấp nồng độ NOx trong khí thải giảm. Khi 2 >0,25 nồng độ NOx giảm 10% nêu không khí thứ cấp được cấp sau khu vực cháy chính. Khi