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
nghiệm được lưu lại trong bộ nhớ của
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
bình trên trục ngọn lửa được giới thiệu
trên hình 2. Số liệu đo đạc nồng độ khí
thải được ghi nhận và xuất ra trên máy in
tự động của thiết bị đo khí AVL Digas
4000.
DiGas 4000 AVL Visioscope AVL
Blow by meter
Khoâng khí
Nhieân lieäu
Ñaàu Camera
Moû phun
Buoàng ñoát
OÁng khoùi
Gioù laøm maùt
NOx
CO
Caëp nhieät
Hình 1. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm
2. Điều kiện thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành với lưu
lượng dầu cung cấp 2,6 lít/h (2,522 kg/h).
Ảnh chụp ngọn lửa ghi nhận bằng thiết bị
Visioscope AVL với vị trí đặt đầu camera
cách gốc ngọn lửa là 320 mm. Các vị trí
lấy mẫu và đo nồng độ khí NOx, CO và
độ đậm đặc của hỗn hợp cháy trong
ngọn lửa thể hiện trên hình 3.
Các vị trí đo và lấy mẫu trong
ngọn lửa được xác định theo chiều dài
(vị trí 2, 4, 6, 8) và theo mặt cắt ngang
của ngọn lửa phun với ký hiệu G là giữa
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.
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:
100 120
200
600
8 6 4 2 0
100
100
25
25
T
F
G
100 120
200
600
8 6 4 2 0
100
100
25
25
T
F
G
Hình 3. Các vị trí lấy mẫu
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
Nhieät ñoä chaùy (K)
0
Khoaûng caùch so vôùi truïc ngoïn löûa (mm)
+25-50 +50
-25
2.320 K
2.550 K
1.996 K
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
Nhieät ñoä chaùy (K)
0
Khoaûng caùch so vôùi truïc ngoïn löûa (mm)
+25-50 +50
-25
2.320 K
2.550 K
1.996 K
Hình 2. Biến thiên nhiệt độ ngọn lửa theo
phương hướng kính
0
20
40
60
80
100
120
120 220 320 420
NOx (ppm)
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
T
F
G
0
20
40
60
80
100
120
120 220 320 420
NOx (ppm)
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
T
F
G
0
20
40
60
80
100
120
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
NOx (ppm)
120 220 320 420
T
F
G
0
20
40
60
80
100
120
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
NOx (ppm)
120 220 320 420
T
F
G
= 1,25
0
20
40
60
80
100
120
NOx (ppm)
120 220 320 420
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
T
F
G
0
20
40
60
80
100
120
NOx (ppm)
120 220 320 420
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
T
F
G
= 1
)3(HNOOHN
)2(ONOON
)1(NNONO
2
2
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:
)5(ONOONO
)4(OHNOHONO
22
22
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
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
1,25 được trình bày trên hình 6. Kết quả này cho thấy ở
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
mạnh ở khu vực nhiệt độ cao nên phần đuôi ngọn lửa
nồng độ CO hạ thấp.
Phản ứng tạo thành và phân giải CO, CO2 được
biểu diễn như sau:
)7(COOCO
)6(HCOOHCO
22
2
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.
Hình 5. Ảnh chụp ngọn lửa và phân bố nhiệt độ cháy
0
8.000
= 1,25
= 0,75
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
CO (ppm)
120 220 320 420
6.000
4.000
2.000
0
8.000
= 1,25
= 0,75
Khoaûng caùch tôùi goác ngoïn löûa (mm)
CO (ppm)
120 220 320 420
6.000
4.000
2.000
Hình 6. Biến thiên nồng độ CO trên
tr
ục ngọn lửa
Các kết quả
trên cho thấy biến
thiên của NOx và
CO theo hướng
ngược nhau. Nhiệt
độ cao làm tăng
tốc độ phản ứng
tạo NOx và phản
ứng oxy hóa CO.
Nồng độ NOx đạt
giá trị cực đại ở
đuôi ngọn lửa còn
nồng độ CO đặt giá trị cực tiểu tại vị trí này.
Biến thiên nồng độ NOx và CO theo
phương hướng kính tại các mặt cắt ngang của
ngọn lửa cách miệng vòi đốt 220mm và
420mm được trình bày trên hình 7. Ta thấy
rằng nồng độ NOx và CO tại trung tâm ngọn
lửa luôn thấp hơn so với nồng độ của chúng ở
ngoài biên ngọn lửa. Điều này có thể giải
thích do quá trình cháy tại tâm ngọn lửa diễn
ra ít mãnh liệt hơn bên rìa ngọn lửa do sự hòa
trộn khuếch tán giữa oxy và nhiên liệu ở tâm
ngọn lửa gặp nhiều bất lợi hơn.
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
CO (ppm)
0
20
40
60
80
120
0
2.000
4.000
6.000
-25 (T)0 (G) +25 (F)
Ñieåm ño (m m)
100 NOx
CO
NOx(ppm) CO (ppm)
0
20
40
60
80
120
0
2.000
4.000
6.000
-25 (T)0 (G) +25 (F)
Ñieåm ño (m m)
100 NOx
CO
NOx(ppm)
x=220mm
0
20
40
60
80
120
0
2.000
4.000
6.000
100
NOx
CO
CO (p pm)
-25 (T)0 (G) +25 (F)
Ñieåm ño (mm)
NOx(ppm)
0
20
40
60
80
120
0
2.000
4.000
6.000
100
NOx
CO
CO (p pm)
-25 (T)0 (G) +25 (F)
Ñieåm ño (mm)
NOx(ppm)
x=420mm
Hình 7. Biến thiên nồng độ NOx, CO theo phương hướng kính
0
40
80
120
NOx(pp m)
160
0
16.000
CO (ppm)
1,7
14.000
8.000
4.000
T
a (oC)
900
800
700
NOxC
O
0,2 1,51,251,00,850,70,5
0
40
80
120
NOx(pp m)
160
0
16.000
CO (ppm)
1,7
14.000
8.000
4.000
T
a (oC)
900
800
700
NOxC
O
0,2 1,51,251,00,850,70,5
Hình 8. Biến thiên nồng độ NOx, CO theo hệ số
không khí dư ở các nhiệt độ buồng đốt khác nhau
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.
[5] Lê Văn Lữ, Nghiên cứu mô hình hóa sự hình thành NOx, CO và biện pháp kỹ thuật
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.