Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ HÌNH THÀNH NOx VÀ CO TRONG BUỒNG ĐỐT CỦA LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP"

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

Thêm vào BST

Báo xấu

119
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dựa trên các kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình lò hơi công nghiệp, bài báo phân tích sự phân bố nồng độ NOx và CO trong buồng cháy. Theo đó, trong điều kiện vận hành bình thường của lò hơi, nồng độ NOx trong khí thải chiếm khoảng 90ppm và chứa chủ yếu là NO còn nồng độ CO chiếm khoảng 500ppm. Sự cung cấp không khí thứ cấp vào lò không làm ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ chung NOx nhưng có thể làm tăng nồng độ NO2. ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ HÌNH THÀNH NOx VÀ CO TRONG BUỒNG ĐỐT CỦA LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP"

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ HÌNH THÀNH NOx VÀ CO TRONG BUỒNG ĐỐT CỦA LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP EXPERIMENTAL STUDY OF NOX AND CO FORMATION IN COMBUSTION CHAMBER OF INDUSTRIAL FURNACE BÙI VĂN GA Đại học Đà Nẵng LÊ VĂN LỮ Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp HCM TÓM TẮT Dựa trên các kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình lò hơi công nghiệp, bài báo phân tích sự phân bố nồng độ NOx và CO trong buồng cháy. Theo đó, trong điều kiện vận hành bình thường của lò hơi, nồng độ NOx trong khí thải chiếm khoảng 90ppm và chứa chủ yếu là NO còn nồng độ CO chiếm khoảng 500ppm. Sự cung cấp không khí thứ cấp vào lò không làm ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ chung NOx nhưng có thể làm tăng nồng độ NO2. ABSTRACT Basing on the results of experimental data measured on the model of industrial furnace, the present paper analyses the distribution of NOx and CO concentrations in combustion chamber. In normal operation conditions of industrial furnace, NOx concentration in exhaust gas can atteint 90ppm, contained essentially NO and CO concentration can atteint 500ppm. The secondary air supplying doesn’t cause a considerable change in NOx concentration but it can cause an increasing of NO2 concentration. 1. Bố trí thí nghiệm Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình lò hơi công nghiệp có buồng đốt hình trụ tròn đường kính trong 200mm, dài 820mm [1]. Lò sử dụng vòi đốt dầu nhẹ Minor-6 của hãng Ecoflam (Italy), biến bụi nhiên liệu bằng phương pháp cơ học với áp suất phun 20 bar qua đầu phun có góc phun 60o. Công suất nhiệt cực đại của lò là 125.000 KJ/h. Không khí được cấp từ quạt gió có áp suất 12 mbar. Thiết bị đo bao gồm: lưu lượng kế kiểu màng để đo lưu lượng không khí; lưu lượng kế kiểu đếm thể tích để đo lưu lượng dầu; thiết bị AVL Digas 4000 để đo thành phần sản phẩm cháy; thiết bị chụp ảnh ngọn lửa Visioscope AVL để xác định nhiệt độ cháy bằng phương pháp hai bước sóng [3]. Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trên hình 1. Các ảnh chụp ngọn lửa trong thí Buoà g ñoá n t nghiệm được lưu lại trong bộ nhớ của OÁg khoù n i Moûphun máy tính, sau đó được xử lý bằng phần mềm đặc biệt để tính toán nhiệt độ cháy. Một kết quả tiêu biểu về nhiệt độ trung Ñ a à Ca me ra u N Ox C a ë nhieä p t bình trên trục ngọn lửa được giới thiệu CO G ioùla ø ma ù m t trên hình 2. Số liệu đo đạc nồng độ khí Blow by me te r thải được ghi nhận và xuất ra trên máy in tự động của thiết bị đo khí AVL Digas DiGa s 4000 AVL V isioscope AVL Khoâ g khí N hie â lieä n n u 4000. Hình 1. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm
2. Điều kiện thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với lưu 600 lượng dầu cung cấp 2,6 lít/h (2,522 kg/h). Ảnh chụp ngọn lửa ghi nhận bằng thiết bị T 25 G 200 Visioscope AVL với vị trí đặt đầu camera 25 F 100 100 100 120 100 Nhieä ñoä t cha ù ( K) y 4 2 0 3.000 8 6 Hình 3. Các vị trí lấy mẫu 2.550 K 2.320 K 2.500 cách gốc ngọn lửa là 320 mm. Các vị trí 1.996 K 2.000 lấy mẫu và đo nồng độ khí NOx, CO và độ đậm đặc của hỗn hợp cháy trong 1.500 ngọn lửa thể hiện trên hình 3. 1.000 1.000 Các vị trí đo và lấy mẫu trong -25 -50 0 + 25 +50 Khoa û g caù h so vôùtruï ngoï löû ( m m ) n c i c na ngọn lửa được xác định theo chiều dài (vị trí 2, 4, 6, 8) và theo mặt cắt ngang Hình 2. Biến thiên nhiệt độ ngọn lửa theo của ngọn lửa phun với ký hiệu G là giữa phương hướng kính trục ngọn lửa; F là điểm bên phải, cách trục 25mm; T là điểm bên trái ngọn lửa, cách trục 25mm. Nhiệt độ buồng đốt thay đổi ở các giá trị Ta = 600; 700; 800 và 900oC. Hệ số không khí dư  = 0,75; 1,0 và 1,25 [5]. 3. Kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm về sự thay đổi nồng độ NOx theo chiều dài của ngọn lửa ở các vị trí G, T, F với hệ số không khí dư 0,75, 1 và 1,25 được trình bày trên hình 4. NOx (p p m ) NOx (p p m) NOx (p p m ) 120 120 120 T T T F 100 100 100 80 80 80 F 60 F G 60 60 G 40 G 40 40 20 20 20 0 420 320 220 120 0 0 420 320 420 220 120 320 Khoa ûg ca ù h tôùgoá ngoï löû (m m ) n c i c na 220 120 Khoaû g caù h tôùgoá ngoï löû (m m ) n c i c na Khoa ûg ca ù h tôùgoá ngoï löû (m m) n c i c na  = 1,25  = 0.75 =1 Hình 4. Biến thiên nồng độ NOx trên trục ngọn lửa Kết quả trên cho thấy nhiệt độ cục bộ của ngọn lửa và hệ số không khí dư ảnh hưởng rõ rệt đến đến nồng độ NOx trong sản phẩm cháy. Ở khu vực trung tâm ngọn lửa, hệ số không khí dư thấp và nhiệt độ cũng thấp (hình 2) nên nồng độ NOx thấp. Phía rìa ngọn lửa, nhiệt độ cao và hệ số không khí dư lớn nên nồng độ NOx cao. Càng tiến dần về phía đuôi ngọn lửa, nồng độ NOx gần như đồng nhất tại các vị trí đo. Cơ chế hình thành NO có thể biểu diễn bởi các phản ứng sau:
 O  N2  NO  N (1)  O 2  NO  O N (2)   OH  NO  H N (3)  Trong các phản ứng trên, phản ứng (3) diễn ra trong vùng hỗn hợp rất giàu còn phản ứng (1) và (2) diễn ra trong vùng hỗn hợp nghèo có thừa oxy. Tốc độ các phản ứng (1) và (2) phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và thấp hơn nhiều so với tốc độ cháy vì vậy đại bộ phận NO hình thành sau khi cháy ở vùng nhiệt độ cao. Điều này giải thích vì sao nồng độ NO đạt cực đại phần đuôi ngọn lửa. Trong họ NOx thì NO là chất không độc hại nhưng nó lại là chất trung gian để sinh ra NO2 là chất độc. Phản ứng hình thành và phân giải NO2 được biểu diễn như sau:  NO  HO 2  NO 2  OH ( 4)  NO 2  O  NO  O 2 (5) Nếu sau khi hình thành theo phản ứng (4) sản phẩm cháy được làm mát ngay thì NO2 tồn tại trong khí thải. Tuy nhiên nếu sau khi hình thành, NO2 đi qua vùng có nhiệt độ cao thì phản ứng phân giải (5) sẽ diễn ra biến chất NO2 thành NO (không độc). Theo kết quả Hình 5. Ảnh chụp ngọn lửa và phân bố nhiệt độ cháy phân tích nhiệt độ cháy (hình 5) [4], phần đuôi ngọn lửa nhiệt độ đạt khoảng 2000K. Với nhiệt độ này tốc độ các phản ứng (1), (2) và (5) còn cao đáng kể vì vậy nồng độ NOx trong sản phẩm cháy đạt khoảng 90ppm và chứa chủ yếu NO. Nếu đưa không khí thứ cấp vào khu vực này, hỗn hợp được làm lạnh đột ngột, nồng độ NOx nói chung không bị ảnh hưởng nhưng nồng độ NO2 trong khí thải sẽ tăng. Biến thiên nồng độ CO theo chiều dài đo trên trục ngọn lửa ứng với các giá trị hệ số không khí dư 0,75 và CO (p pm ) 1,25 được trình bày trên hình 6. Kết quả này cho thấy ở 8.000 phần đầu ngọn lửa, nồng độ CO rất cao do hỗn hợp giàu. CO hình thành trong khu vực này sau đó bị oxy hóa 6.000 mạnh ở khu vực nhiệt độ cao nên phần đuôi ngọn lửa  = 0,75 4.000 nồng độ CO hạ thấp. 2.000 Phản ứng tạo thành và phân giải CO, CO2 được  = 1,25 biểu diễn như sau: 0 420 320 220 120  CO  OH H Khoa ûg caù h tôùgoá ngoï löû (m m) n c i c na  CO 2 ( 6) CO  O 2  CO 2 Hình 6. Biến thiên nồng độ CO trên (7 )  trục ngọn lửa Tốc độ phản ứng (7) rất bé vì vậy có thể xem CO chủ yếu tạo ra bởi phản ứng (6). Do tốc độ hình thành CO lớn hơn rất nhiều so với tốc độ cháy nên có thể xem CO ở trạng thái cân bằng nhiệt động học. Do đó thời gian tồn tại sản phẩm cháy trong điều kiện nhiệt độ cao không ảnh hưởng lớn đến nồng độ CO trong khí thải. Sự tụt giảm nồng độ CO theo chiều dài ngọn lửa một phần là do hỗn hợp nghèo, một phần là do CO hình thành trước đó bị oxy hóa. Nồng độ CO tiến dần tới giá trị khoảng 500ppm trước khi thải ra ống khói ứng với các thành phần hỗn hợp khác nhau.
Các kết quả NOx (p p m ) CO ( p p m ) NOx (p p m ) CO C O (p p m ) trên cho thấy biến 6.000 120 6.000 120 thiên của NOx và 100 100 NOx CO theo hướng 80 NOx 4.000 80 4.000 ngược nhau. Nhiệt 60 60 độ cao làm tăng CO CO 40 2.000 2.000 40 tốc độ phản ứng 20 20 tạo NOx và phản 0 0 0 0 ứng oxy hóa CO. 0 (G ) +25 (F) -25 (T) 0 (G) +25 (F) -25 (T) Ñieå ño ( m m ) m Ñieå ño (m m ) m Nồng độ NOx đạt x=420mm x=220mm giá trị cực đại ở Hình 7. Biến thiên nồng độ NOx, CO theo phương hướng kính đuôi ngọn lửa còn nồng độ CO đặt giá trị cực tiểu tại vị trí này. NOx (p p m ) CO (p p m ) Biến thiên nồng độ NOx và CO theo 160 16.000 phương hướng kính tại các mặt cắt ngang của ngọn lửa cách miệng vòi đốt 220mm và 120 14.000 420mm được trình bày trên hình 7. Ta thấy rằng nồng độ NOx và CO tại trung tâm ngọn 80 8.000 lửa luôn thấp hơn so với nồng độ của chúng ở C Ta ( o C) NOx ngoài biên ngọn lửa. Điều này có thể giải 900 O 4.000 40 800 700 thích do quá trình cháy tại tâm ngọn lửa diễn ra ít mãnh liệt hơn bên rìa ngọn lửa do sự hòa 0 0  trộn khuếch tán giữa oxy và nhiên liệu ở tâm 0,2 0,5 0,7 0,85 1,0 1,25 1,5 1,7 ngọn lửa gặp nhiều bất lợi hơn. Hình 8. Biến thiên nồng độ NOx, CO theo hệ số không khí dư ở các nhiệt độ buồng đốt khác nhau Ảnh hưởng tổng hợp của thành phần hỗn hợp và nhiệt độ đến nồng độ NOx và CO được trình bày trên hình 8. Chúng ta thấy thành phần hỗn hợp ảnh hưởng mạnh đồng thời đến nồng độ của hai chất ô nhiễm này trong sản phẩm cháy. Nhiệt độ lò ảnh hưởng đến nồng độ NOx và nồng độ CO ở khu vực hỗn hợp đậm. Ở khu vực hỗn hợp nghèo, tác động của nhiệt độ đến nồng độ CO không đáng kể. 4. Kết luận - Nhiệt độ buồng đốt ảnh hưởng đồng thời đến nồng độ NOx và CO trong khu vực hỗn hợp giàu. Khi độ đậm đặc của hỗn hợp giảm, ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ CO trong sản phẩm cháy không đáng kể. - Hệ số không khí dư ảnh hưởng mạnh đến nồng độ CO. Khi nhiệt độ buồng cháy thấp dưới 1.000oCthì vai trò ảnh hưởng của hệ số không khí dư đến nồng độ NOx không đáng kể. - Nồng độ NOx trong sản phẩm cháy thoát ra khỏi lò hơi công nghiệp khoảng 90ppm và đại bộ phận chứa NO. Nồng độ CO chứa trong khí thải đạt khoảng 500ppm trong điều kiện vận hành bình thường của lò hơi. - Việc cung cấp không khí thức cấp vào lò ở phần đuôi ngọn lửa không ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ NOx nói chung nhưng làm tăng nồng độ NO2. Công trình này được thực hiện nhờ tài trợ của Chương trình Nghiên cứu Cơ bản cấp Nhà Nước
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1 ] Satoshi Okajima, Toshio Watanabe and Le Van Lu, Combustion Characteristics of Premixed Flames on Non-Circular Burner, The 5th European Conference on Industrial Fumaces and Boilers, Porto – Portugal, 2000. [2 ] Bui Van Ga and Le Van Lu, Integral model for soot formation calculation of turbulent diffusion flames in industrial furnaces, The 6th European Conference on Industrial Fumaces and Boilers, Lisbon, Portugal, 2002. [3 ] Bui Van Ga, Phung Xuan Tho, Pham Xuan Mai, Le Van Lu and Nguyen Ngoc Linh, Soot formation analysis in terbulent diffution flame by visioscop, Iternational Automotive congress Conat 2004, Brasov, Romania, 2004. [4 ] Bui Van Ga, Duong Viet Dung, Le Van Lu, Correlation between soot and NOx concentrations in combustion products of industrial furnace, Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc, Hạ Long, Quảng Ninh, 2005. Lê Văn Lữ, Nghiên cứu mô hình hóa sự hình thành NOx, CO và biện pháp kỹ thuật [5 ] làm giảm nồng độ của chúng trong khí thải lò công nghiệp đốt dầu nhiên liệu (FO), Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2006.