Tính toán thiết kế lò đốt rác thùng quay

Tính toán thiết kế lò đốt rác thùng quay (Rotary kiln) đốt rác sinh hoạt thông thường. Công suất 200 tấn/ngày. Giả
sử mỗi ngày đốt 10 giờ => 20 tấn /h
I. 1/ Tính toán sự cháy dầu DO
Theo Tính Toán Kỹ Thuật Nhiệt Lò Công Nghiệp Tập I, thành phần sử dụng của dầu
DO:
C
d
= 86,3% H
d
= 10,5% O
d
= 0,3% N
d
= 0,3%
S
d
= 0,5% W
d
= 1,8% A
d
= 0,3%
Nhiệt trị của dầu được xác định theo công thức
Q
t
d
= 327,81C

+ 1504,1H

– 188,0125O

+92,59 S +49,69O +24,36N (KJ/Kg)

Nhiệt trị của dầu DO:
Q
t
= 327,81 . 86,3 + 1504,1 .10,5 -188,0125 . 0,3+ 92,59 . 0,5 + 49,69 . 0,3 + 24,36 . 0,3
= 44095,1593 (KJ /
Kg)
2/ Hệ số tiêu hao không khí (α)
Hệ số tiêu hao không khí (α) là tỷ số giữa lượng không khí thực tế (L) và lượng
không khí lý thuyết (L
0
) khi đốt cùng một lượng nhiên liệu:
Theo Tính Toán Kỹ Thuật Nhiệt Lò Công Nghiệp Tập I, giá trị (α) khi đốt dầu DO được
cho ở bảng sau
Bảng: Hệ số tiêu hao không khí
Dạng nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt
α
Đốt củi trong buồng đốt cứng.
Đốt than đá, than nâu trong buồng đốt thủ công.
Đốt than đá, than nâu trong buồng đốt cơ khí.
Đốt than bụi.
Đốt dầu DO.
Đốt khí bằng mỏ đốt không có phần hỗn hợp.
Đốt khí bằng mỏ đốt có phần hỗn hợp.
1,25 – 1,35
1,50 – 1,80
1,20 – 1,40
1,20 – 1,30
1,10 – 1,20

1,10 – 1,15
1,05
(Nguồn: Hoàng Kim Cơ. Nguyễn Công Cần. Đỗ Ngân Thanh – Tính Toán Kỹ Thuật Lò
Nhiệt Lò Công Nghiệp .T1)
Chọn
3/ Tính lượng không khí cần thiết để đốt 100 kg dầu DO
Giả thiết: thành phần không khí chỉ có O
2
và N
2
, các thành phần khác không
đáng kể. Khi tính sự cháy của nhiên liệu quy ước:
+ Khối lượng nguyên tử của các khí lấy theo số nguyên gần đúng.
+ Mỗi Kmol phân tử khí bất kỳ đều có thể tích 22,4 m
3
.
+ Không tính sự phân hóa nhiệt của tro.
+ Thể tích của không khí và sản phẩm cháy qui về ĐK chuẩn: 0
o
C, 760 mmHg.
Các phản ứng cháy xảy ra khi đốt dầu DO:
C +
O
2
= CO
2

H + 1/2O
2
= H

2
O

S
+ O
2
= SO
2
N
2
= N
2

H
2
O = H
2
O
Theo thành phần sử dụng và các phản ứng cháy (Tính toán Kỹ Thuật Lò Công Nghiệp
Tập 1), được kết quả 2 bảng sau.
Thành phần nhiên liệu dầu DO theo lượng mol.
Thành phần nhiên liệu
Hàm lượng
(kg/100 kg nhiên liệu)
Phân tử lượng
(g)
Lượng mol
(Kmol)
C 86,3 12 7,192
H 10,5 2 5,25

O 0,3 32 0,00938
N 0,3 28 0,0107
S 0,5 32 0,0156
A 0,3 - -
W 1,8 18 0,1
Tổng 100
:
Lượng không khí cần thiết để đốt 100 kg dầu DO.
Nhiên liệu Không khí
Thành
phần
Hàm
lượng
%
Khối
lượng
(kg)
Phân
tử
lượng
Lượng
mol
(Kmol)
O
2

(Kmol)
N
2
(Kmol)

Tổng
Kmol
n.m
3
C 86,3 86,3 12 7,192 7,192
9,823 .3,762
9,823 + 36,95
46,773.22,4
H 10,5 10,5 2 5,25 2,625
S 0,5 0,5 32 0,0156 0,0156
O 0,3 0,3 32 0,00938 -0,00938
N 0,3 0,3 28 0,0107 -
W 1,8 1,8 18 0,1 -
A 0,3 0,3 - - -
Tổng
100 100 9,823 36,95 46,773 1047,72
Lượng không khí thực tế cần thiết:
Với α = 1 L
0
= 1047,72 (m
3
)
Lượng không khí thực tế xác định theo công thức :
L = α. L
0
= 1,2.1047,72 = 1257,264 (m
3
)
Trong đó α = 1,2 : hệ số tiêu hao không khí.
Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt 100 kg dầu DO.

Thành
phần
Từ không
khí
Sảnphẩm
cháy
Tổng cộng
Kmol n.m
3
%
CO
2
- 7,192 7,192 161,1 12,225
H
2
O
- 5,25 5,25 117,6 8,924
SO
2
- 0,0156 0,0156 0,35 0,026
O
2
11,788 - 1,96 43,904 3,332
N
2
44,34 0,0107 44,36 993,456 75,492
Tổng 12,47 58,83 1316,41 100
Khối lượng riêng của sản phẩm cháy được xác định ở điều kiện chuẩn:
=

=
1,303(Kg /
m

3
)
CO
2,
H
2
O, SO
2
, O
2
, N
2
là số mol các khí trong thành phần của sản phẩm cháy.
II. 1/ Tính toán sự cháy của rác
Nhiệt trị của rác
Bảng thành phần các chất trong rác thải đô thị.
Trung bình lượng: %C = 54,75. %H = 7,0125, %O = 29,3125, %N = 2,125, %S =
0,18125, % tro = 6,61875.
 = 327,81C

+ 1504,1H

– 188,0125O

+92,59 S +49,69O +24,36N
=327,81*54,75+1504,1*7,0125-188,0125*29,3125+92,59*0,18125+46,69*29,3125+24,36*2,125

= 24427,50491 (kJ/kg)
2/ Hệ số tiêu hao không khí.
Chọn hệ số tiêu hao không khí
3/ Lượng không khí cần thiết để đốt 100 kg rác thải.
Giả thiết thành phần không khí chỉ có oxi và nitơ, các thành phần khác không
đáng kể. Khi tính sự cháy của rác quy ước:
+ Khối lượng nguyên tử của các khí lấy theo số nguyên gần đúng.
+ Mỗi Kmol phân tử khí bất kỳ đều có thể tích 22,4 m
3
.
+ Không tính sự phân hóa nhiệt của tro.
+ Thể tích của không khí và sản phẩm cháy qui về điều kiện chuẩn: 0
o
C, 760 mmHg
Nhiên liệu Không khí
Hàm Khối Phân
Lượng
Tổng
Thành
phần
lượng
%
lượng
(kg)
tử
lượng
mol
(Kmol)
O2
(Kmol)

N2
(Kmol) Kmol
n.m
3
C 54,75 54,75 12 4,5625 4,5625
5,4054 .3,762
5,4054 + 20,3351
25,7405.22,4
H 7,0125 7,0125 2 3,5063 1,7532
S 0,1813 0,1813 32 0,0057 0,0057
O 29,3125 29,3125 32 0,9160 -0,916
N 2,125 2,125 28 0,0759 -
W 0,6813 0,6813 18 0,0379 -
A 5,9375 5,9375 - - -
Tổng
100 100 5,4054 20,3351 25,7405 576,5875
Lượng không khí thực tế cần thiết:
Với α = 1 L
0
= 576,5875 (m
3
)
Lượng không khí thực tế xác định theo công thức :
L = α. L
0
= 1,2. 576,5875= 691,905 (m
3
)
Trong đó α = 1,2 : hệ số tiêu hao không khí.
4/ Thành phần và lượng sản phẩm cháy.

Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt 100 kg dầu DO cho ở bảng sau:
Bảng: Thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt 100 kg dầu DO.
Thành
phần
Từ không
khí
Sảnphẩm
cháy
Tổng cộng
Kmol n.m
3
%
CO
2
- 4,5625 4,5625 102,2 13,7398
H
2
O 0,083 3,5063 3,5893 80,4003 10,8091
SO
2
- 0,0057 0,0057 0,1277 0,0172
O
2
6,34 – 5,302 - 1,038 23,2512 3,1259
N
2
23,935 0,0759 24,0109 537,8442 72,3081
Tổng
25,601
12,47 33,2064 743,8234 100

Khối lượng riêng của sản phẩm cháy được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn:
=
= 1,6141 (kg/m
3
)
III. Xác định nhiệt độ thực tế và tính cân bằng nhiệt của lò
Xác định nhiệt độ cháy lý thuyết của dầu DO
Khi không nung trước nhiên liệu và không khí, hệ số tiêu hao không khí α = 1,2;
hàm nhiệt tổng được xác định theo công thức:
T r ong đó: Q
t
d
: nhiệt trị thấp của dầu DO, Q
t
d
= 44095,1593 KJ/KG
V : thể tích sản phẩm cháy khi đốt 1 kg dầu DO, V = 13,1641 nm
3
Theo phụ lục II Tính Toán Kỹ Thuật Nhiệt Lò Công Nghiệp T1 và bảng 4.3 ( thành
phần sản phẩm cháy của dầu DO). Xác định được i
1
, i
2
ứng với giá trị t
1
, t
2
:
Giả thiết nhiệt độ cháy lý thuyết của lò: t
1

= 1800
o
C < t
lt
< t
2
= 1900
o
C
+ Ứng với t
1
= 1800
O
c
.
4360,67 = 0,1374 . 4360,67 =
599,1561

.
3429,9 = 0,1081 . 3429,9 =
370,7722
.

2800,48 = 0,0313 . 2800,48 =
87,65502
.

2646,74 = 0,7231 . 2646,74 =
1913,858

.
4049,9 = 0,000172. 4049,9 =
0,696583
2972,138 kJ/m
3
+ Ứng với t
2
= 1900
o
c
.

4634,76
=
0,12225.4634,76 = 566,6
.

3657,65
=
0,08924.3657,65
=
326,41
.

2971,3
=
0,03332.2971,3
=
99,0037
.

2808,22
=
0,75492.2808,22
=
2119,98
.

4049,9
=
0,00026.4049,9
=
1,053
kJ/m
3
( Không tìm được tài liệu khác, vì nhiệt lí thuyết lớn hơn 1900 )
Xác định nhiệt độ thực tế của lò
Nhiệt độ thực tế của lò được xác định theo công thức:
t
tt
= ç
tt
. t
lt
Trong đó:
ç
tt
: hệ số tổn thất hàm nhiệt của sản phẩm cháy, theo bảng 1 – 9 sách Tính Toán Kỹ Thuật
Nhiệt Lò Công Nghiệp T1, ç
tt

= 0,6 – 0,83; chọn ç
tt
= 0,6.
Nhiệt độ thực tế của lò: t
tt
= 0,6 .1860 = 1116
o
C
IV. Tính cân bằng nhiệt và lượng nhiên liệu tiêu hao
Mục đích tính cân bằng nhiệt:
Đánh giá chất lượng làm việc của thiết bị qua việc xác định các tham số.
Xác định lượng nhiên liệu tiêu hao.
1. Tính cân bằng nhiệt
a) Nhiệt thu
Nhiệt cháy do dầu DO
Q
1
= B
d
× Q
t
d

Trong đó:
B
d
: lượng dầu tiêu hao (kg/s).
Q
t
d

= 44095,1593 (KJ/Kg) = 44095,1593 × 10
3
(J/Kg)
Do đó: Q
1
= 44095,1593 × B
d
(W)
Nhiệt do cháy rác
Q
2
= B
r
× Q
t
r

Trong đó:
B
r
= 20 tấn/h = 5,56 (Kg/s)
Q
t
r
= 24427,5049 (KJ/Kg)
Do đó: Q
2
= 5,56 × 24427,5049 = 135816,9272 (KJ/s) = 1358169272 (W)
b) Nhiệt chi:
Nhiệt lượng để đốt cháy rác:

Theo Hazadous Waste incineration, rác y tế có nhiệt lượng cần để đốt cháy 1 kg
rác y tế: Q
c
r
= 22,44.10
6
J/kg.
Nhiệt lượng cần thiết để đốt rác ở 800
o
C:
Q
3
= B
r
.Q
c
r
= 5,56. 22,44.10
6
= 623383,2 (W)
Nhiệt lượng mất do sản phẩm cháy khi đốt 1 kg dầu DO:
Tại buồng sơ cấp, rác cháy ở 800
o
C:
Q
4
= v.B
d
. C
k

. t
k0
(W)
v = 13,1641 (n.m
3
): lượng sản phẩm cháy khi đốt 1 kg dầu DO.
B
d
: lượng dầu DO tiêu hao (kg/s).
i
k
= C
k
.t
k
: hàm nhiệt trung bình của sản phẩm cháy ở nhiệt độ ra khỏi buồng sơ cấp.
.

1718,95
= 0,1374 .
1718,95
=
599,1561

.
1328,11
= 0,1081 .
1328,11
=
370,7722

.

1162,32
= 0,0313 .
1162,32
=
87,65502
.

1094,65
= 0,7231 .
1094,65
=
1913,858

.
1745,1
= 0,000172.
1745,1
=
0,696583
∑ i = 1194,214(kJ / m
)
Q
4
= 13,1641 .1194,214.10
3
.B
d
= 15720752,52.B

d
(W)
Nhiệt lượng mất do dẫn nhiệt qua nóc, tường, đáy lò, khe hở…
Nhiệt lượng mất phụ thuộc vào thể tích, vật liệu xây lò…Thường chiếm 10% nhiên
liệu tiêu hao lò.
Q
5
= 10%(1358169272 + 44095,1593.10
3
× B
d
)
Gọi P là phần sản phẩm chưa cháy ( P = 0,005 – 0,03), chọn P = 0,03.
Q
6
= P.B
r
. v
r
.12,14.10
3

= 0,03. 5,56.7,4382.12140.10
3
= 15061997,97 (W)
Với: v
r
= 7,4382 (m
3
) : lượng sản phẩm cháy khi đốt 1 kg rác.

Xác định lượng nhiên liệu tiêu hao
Lượng nhiên liệu tiêu hao xác định dựa vào cân bằng nhiệt thu và nhiệt chi:
Q
thu
=Q
chi
.
Q
1
+ Q
2
= Q
3
+ Q
4
+ Q
5
+Q
6
→ 44095,1593.10
3
× B
d
+ 1358169272 = Q3 + 15720752,52.B
d +
10%(1358169272
+ 44095,1593.10
3
× B
d

) +15061997,97
→ B
d
= 0,0064 ( kg/s) = 23 (kg/h)
Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích:
Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích được xác định theo công thức:
T r ong đó: Q
1
: nhiệt lượng thu được do cháy dầu
Q
1
= B
d
. Q
t
d
= 0,0064 . 44095,1593.10
3
= 256309,3 (W)
B
d
= 0,0064 (kg/s): lượng nhiên liệu tiêu hao
Q
t
d
= 44095,1593.10
3
(J/kg): nhiệt trị thấp của dầu.
Q
2

= 1358169272 (J/s): lượng nhiệt sinh ra do cháy rác.
Q
3
= 623383,2 (W): nhiệt chi để cháy rác ở buồng sơ cấp
=
623383,2-
1358169272 / 256309,3
Suất tiêu hao nhiệt :
b =
= = 50757,0179 (kg/s)
Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn
= = 1,7323 ( Kg/s )