PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------XW--------------



LÊ ANH KIÊN

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH
ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN
CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG

Chuyên ngành: Máy và Thiết bò Công nghệ Thực phẩm
Mã ngành: 2.01.20

HƯỚNG DẪN: 1. PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI
2. GS. V.N.SHARIFI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT



THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010


1

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện từ kiến thức của chính
mình. Tôi không nộp luận án này cho bất cứ trường viện nào để được cấp bằng.
Lời cảm ơn

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn chính là PGS.TSKH Lê Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, chia
sẻ những kinh nghiệm quý báu trên con đường nghiên cứu khoa học. Thầy đã chân tình động viên và tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án này.
Lòng biết ơn chân thành của tôi cũng xin được gửi đến GS.Vida Sharifi và GS Jim Swithenbank đã tận tình hướng
dẫn, đặc biệt cùng với GS.Agba Salman, GS.Michael Hounslow đã hỗ trợ phần kinh phí cũng như không ngừng
khuyến khích tôi trong thời gian học tập tại trường Đại học Sheffield.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất được hình thành từ những ngôn từ và ngữ văn thông thường nhưng xuất phát từ tất cả trái
tim và lý trí của tôi có lẽ cũng không thể nói lên được đầy đủ những gì mà người vợ yêu quý TS. Lê Thò Kim Phụng
đã dành trọn vẹn cho tôi, đã cùng với con gái Lê Phụng Anh Tâm trở thành nguồn động viên to lớn, giúp tôi có đủ
tinh thần, sức lực để vượt qua tất cả những khó khăn trong suốt thời gian làm luận án.
Xin cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè đồng nghiệp ở Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới và Bảo vệ Môi Trường,
đặc biệt là TS. Nguyễn Quốc Bình, đã chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu với tôi, thường xuyên động viên, tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất để tôi chuyên tâm viết nên công trình nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô trong khoa Công nghệ Hoá học, trong bộ môn Máy Thiết Bò đã ủng hộ tôi, tạo
điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng góp những ý kiến qúy giá cho tôi, giúp tôi hoàn thành được công việc của mình.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi
thực hiện công trình nghiên cứu này.

1

MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tiết kiệm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm thiểu lượng rác thải, tái chế, tái sử dụng và tái sinh năng
lượng từ rác thải hiện nay đang là vấn đề được quan tâm ở mức toàn cầu hoá.
Trong đó, tái chế chất thải
đang dần trở thành một ngành công nghiệp thực sự tại các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp,

Đức, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật,… Ngành công nghiệp đặc biệt này tái chế chất thải góp phần cung cấp
các loại nguyên liệu như nylon, nhựa, giấy, gỗ, kim loại, thủy tinh,… với chi phí thấp hơn nhiều so với chi
phí sản xuất các loại nguyên liệu ban đầu.
Phần nguyên liệu bẩn còn lại có nguồn gốc hữu cơ sau khi được phân loại, một lần nữa được xem là chất
thải của ngành công nghiệp phân loại tái chế, và thường được tiếp tục xử lý bằng các phương pháp đốt
khác nhau nhằm tạo điều kiện giảm áp lực quỹ đất của các bãi chôn lấp. Vấn đề đốt “chất thải của chất
thải” kết hợp phát điện hiện nay cũng đang được đầu tư nghiên cứu ở rất nhiều các quốc gia công nghiệp
phát triển nêu trên. Một trong những loại thiết bò sử dụng phổ biến là lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling
bed).
Thiết bò lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng phổ biến để đốt sinh khối (biomass), chất thải sinh hoạt
tại nhiều nơi trên thế giới. Nhiều công trình nghiên cứu của các trường Đại học, các Viện nghiên cứu,
các nhà máy công nghiệp đối với loại thiết bò này đã được thực hiện và thu được những kết quả quan
trọng, đóng góp vào sự hiểu biết về quá trình cháy, về phương thức nâng cao hiệu quả cháy,… trong quá
trình xử lý rác thải bằng phương pháp đốt. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào thực
hiện tiếp cận quá trình đốt rác thải trong thiết bò lò đốt có vỉ lò di chuyển một cách thực sự chuẩn mực
với nguyên tắc thiết bò lò đốt rác thải được xét như là một hệ thống phức tạp. Trên cơ sở nhận thức sâu
sắc về ý nghóa và giá trò của việc đốt chất thải rắn trong thiết bò đốt có vỉ lò di chuyển, đề tài luận văn
Tiến só
“Phân tích hệ thống quá trình đốt chất thải công nghiệp đặc trưng” được đề xuất thực hiện phối
hợp tại trường Đại học Quốc gia TP.HCM và Đại học Sheffield, UK.
Trong đó, đối tượng nghiện cứu
được xem xét như một hệ thống phức tạp và các tác vụ nghiên cứu được xác lập và triển khai theo tinh
thần của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống.
2. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Như đã đề cập ở trên, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm:
Vật liệu nghiên cứu: chất thải rắn hữu cơ đã phân loại cho mục đích tái chế, tái sử dụng (chất
thải của chất thải)
¾
và sinh khối thực vật (chất thải của ngành sản xuất nông nghiệp);
Thiết bò: lò đốt kiểu cột nhồi (là một mô hình vật thể thu nhỏ của thiết bò lò đốt có vỉ lò di

chuyển
¾
);
Quá trình đốt: đốt nhiệt phân chất thải rắn;
¾
Phương pháp mô hình hóa quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn;
¾
Chương trình mô phỏng quá trình cháy chất thải rắn. ¾
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là:
Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong thiết bò đốt kiểu cột
nhồi;
¾
Xác đònh phương trình động học quá trình cháy của từng loại vật liệu là chất thải sau khi phân
loại tái chế, tái sử dụng và sinh khối nông nghiệp;
¾
Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình cháy của vật liệu rắn theo phương pháp phân
tích hệ thống;
¾
Xây dựng chương trình mô phỏng nghiên cứu quá trình đốt vật liệu rắn theo phương pháp thể
tích hữu hạn;
¾
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Các nội dung nghiên cứu chủ yếu trong luận án này gồm:
Tổng quan các nghiên cứu về quá trình đốt chất thải rắn trên thế giới và trong nước theo quan
điểm của phương pháp luận tiếp cận hệ thống.
¾
Nghiên cứu các ảnh hưởng chủ yếu của các yếu tố vật lý đến quá trình cháy trong hệ gồm: ảnh
hưởng của lưu lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của độ rỗng của hệ.
¾

Vận dụng phương pháp phân tích hệ thống nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng lò
đốt có vỉ lò di chuyển.
¾
Xử lý dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác đònh các đặc tính cấu trúc, cấu tạo vật chất của
vật liệu; nghiên cứu quá trình cháy của vật liệu trên thiết bò đốt kiểu cột nhồi để xác đònh các
thông số của mô hình.
¾

2

Xây dựng một chương trình CIS dựa vào phương pháp thể tích hữu hạn để mô phỏng, kiểm
chứng mô hình toán học xây dựng được.
¾
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
5.
Luận án này được thực hiện trên cơ sở của phương pháp luận tiếp cận hệ thống và được triển khai theo
một lược đồ logic tương ứng với tác vụ chủ đạo là tiếp cận hệ thống. Các phương pháp được vận dụng để
tiến hành phân tích hệ thống quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn bao gồm:
Phương pháp phân hoạch hệ thống: được sử dụng để nhận dạng những vấn đề cụ thể cần nghiên
cứu trên những quy mô, phạm vi thuộc các phân hệ.
¾
Phương pháp tích hợp hệ thống: được sử dụng để tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên các phân
hệ, tạo ra kết quả cho các hệ có quy mô lớn hơn.
¾
Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể: từ kết quả phân hoạch hệ thống xác đònh được
các mô hình vật thể (các thiết bò thực nghiệm) và tiến hành nghiên cứu trên các mô hình vật thể
để nhận dạng quá trình đốt nhiệt phân các loại vật liệu đã được chọn làm đại diện cho các chất
thải rắn. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật thể bao hàm cả quá trình thống kê xử lý các
dữ liệu thực nghiệm.
¾

Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán học: được sử dụng với mục đích hỗ trợ cho các
nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật thể, nhằm tạo ra những biểu đạt có tính khái quát hơn
và sau đó có thể tiến hành mô phỏng quá trình đốt nhiệt phân trên cơ sở các mô tả toán học thu
được.
¾
Ý NGHĨA KHOA HỌC
6.
• Luận án là công trình nghiên cứu
đầu tiên ở trong và ngoài nước thực hiện vận dụng phương pháp
luận Tiếp cận Hệ thống với tác vụ chủ đạo là Phân tích hệ thống trên hỗn hợp nhiên liệu rắn (hệ dò
thể đa phân tán) trong
thiết bò lò đốt kiểu cột nhồi;
Đối tượng vật liệu nghiên cứu là hỗn hợp giấy và hỗn hợp sinh khối được sử dụng trong nghiên cứu
này đã đóng góp vào các nghiên cứu chung của nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sheffield
(Vương Quốc Anh) về sự hiểu biết quá trình cháy của loại vật liệu “chất thải của chất thải”. Đây
cũng được xem là các nghiên cứu mở đường cho việc nghiên cứu quá trình cháy của các loại chất
thải rắn tương tự ở Việt Nam.
•

Ý NGHĨA THỰC TIỄN
7.
Thiết bò đốt kiểu cột nhồi được nghiên cứu trong luận án là một mô hình vật thể thu được từ phép
phân hoạch
•
thiết bò lò đốt có vỉ lò di chuyển và thiết bò lò đốt tónh hai cấp. Đây là hai loại lò đốt
chất thải phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của đề tài này
có thể được triển
khai ứng dụng trong các loại lò đốt kể trên với vật liệu đốt là chất thải rắn nói chugn và sinh khối
;
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần vào lời giải của bài toán xử lý chất thải kết hợp tái

sinh năng lượng
•
, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Chất thải
Phân loại tại nguồn
Chất thải nguy hại Chất thải không nguy hại
Lò đốt
Phân loại, thu gom
Tái sử dụng
Thu hồi
Tái chế Ủ Compost Năng lượng
Tiêu hủy
Sản
phẩm
Chất thải của
chất thải
Chôn lấp
CH
4
Xử lý nước thải Tro Khí cháy
Xử lý khí
Bùn thải
Chất thải lỏng
Khí nóng
Một số loại chất thải
từ hộ gia đình
Phương pháp Sản phẩm, phương tiện

Cơ cấu loại chất thải rắn trong hoạt động của
nền kinh tế của các quốc gia công nghiệp
phát triển khá đồng nhất, có thành phần như
trong hình 1.1 sau [1, 2]:
31%
31%
16 %
15 %
6%
1%
Chất thải xây dựng
Chất thải nơng nghiệp
Chất thải khống sản
Chất thải sản xuất
Chất thải sinh hoạt
Chất thải sản xuất năng l ượng

Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn

Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình xử lý chất thải rắn

Việc đốt “chất thải của chất thải” được thực hiện chủ yếu trong ngành công nghiệp xử lý chất thải rắn.
Cho đến nay, việc nghiên cứu bản chất quá trình đốt hỗn hợp các vật liệu này hầu như chưa được thực
hiện tại các Viện nghiên cứu hoặc trường Đại học tiên tiến trên thế giới.
1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN

3

nạp vào nằm trên ghi lò, sau đó nhiên liệu bắt cháy ắt đầu
Tốc độ bắt cháy của than tuỳ thuộc vào nồng độ ôxy có mặt xung quanh phần tử than [7, 9-12].

Trong công nghiệp đốt xử lý chất thải, thiết bò lò đốt có vỉ lò di chuyển được sử dụng rất nhiều do những
tính năng ưu việt như: công suất xử lý lớn, hiệu suất đốt chất thải lớn, chất thải được nạp vào liên tục và
tro cũng được lấy ra liên tục. Ngoài ra còn có thể tối ưu quá trình cấp khí để đạt hiệu suất xử lý cao nhất,
hiệu suất nhiệt sinh ra lớn nhất. Do công suất của lò lớn nên lượng khí cháy sinh ra cũng rất lớn, có thể
sử dụng cấp cho lò hơi phục vụ cho việc phát điện [3-6].
Chất thải được cấp liên tục từ trên phễu xuống ghi lò. Ghi lò di chuyển tuần hoàn từ trái sang phải với
góc nghiêng i = 10
o
-15
o
. Tro được tháo ra liên tục ở đoạn cuối ghi lò. Không khí cung cấp cho quá trình
cháy từ dưới ghi lò được gọi là không khí sơ cấp. Khí cháy sơ cấp di chuyển lên khu vực bên trên và

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bò lò đốt vỉ lò di chuyển Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn trên ghi lò di
chuyển
được cung cấp tiếp ôxy, gọi là không khí thứ cấp, để phản ứng cháy trong pha khí tiếp tục diễn ra. Tại
khu vực này, các thành phần cháy được trong pha khí sẽ tiếp tục cháy toả năng lượng và được thu nhiệt
để cung cấp cho lò hơi, phục vụ cho việc tái sinh năng lượng. Phần khí cháy sau khi tận dụng nhiệt sẽ
được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Trong quá trình vận hành của lò đốt, vật liệu rắn được nạp
vào lò thông qua phễu nạp liệu. Vật liệu rắn sẽ nằm trên các thanh ghi lò và di chuyển cùng với ghi lò.
Các thanh ghi lò được gối nối tiếp lên nhau và mỗi thanh đều có lỗ thông khí từ bên dưới. Hệ thống các
thanh ghi lò có chức năng tương tự như băng tải vận chuyển vật liệu rắn từ đầu đến cuối lò. Khi thanh ghi
lò di chuyển đến cuối lò, thanh ghi lò sẽ tự quay đổi hướng và sẽ đổ tro trên bề mặt vào phễu thu tro.
Thanh ghi lò tiếp tục di chuyển ngược trở lại đầu lò nạp liệu và đổi hướng một lần nữa trước khi nhận
nhiên liệu mới đổ vào. Hệ thống thanh ghi lò được cấu tạo theo các gờ gối lên nhau với mục đích không
để xảy ra hiện tượng khối vật liệu rắn trượt theo quán tính về cuối lò khi ghi lò di chuyển. Điều này có
nghóa là khối vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò trong suốt quá trình di chuyển của ghi từ đầu lò đến cuối
lò.
Tại đầu vào của ghi lò, vật liệu rắn thu nhiệt và bắt đầu các quá trình bay hơi ẩm. Trong quá trình di
chuyển cùng với ghi lò về phía phễu thu hồi tro, vật liệu rắn tiếp tục diễn ra các quá trình giải phóng các

chất, quá trình cháy của cacbon
sau khi giải phóng các chất trong cấu trúc của vật liệu rắn. Vật liệu rắn
đi đến cuối ghi lò còn lại chủ yếu chỉ là tro xỉ.
Trong quá trình cháy và di chuyển của vỉ
lò, không khí sơ cấp cung cấp từ dưới ghi
lò vừa đủ để không làm xáo trộn lớp vật
liệu rắn bên trên. Bức xạ nhiệt theo
phương ngang nhỏ so với bức xạ nhiệt theo
phương thẳng đứng, do vậy có thể xem
như không có sự truyền nhiệt bức xạ theo
phương ngang giữa các khối vật liệu trên
hai thanh ghi liên tiếp.
Xem xét một phân đoạn vật liệu rắn nằm
trên một thanh ghi lò. Vật liệu rắn được
từ đỉnh của cột vật liệu. Không khí sơ cấp
cung cấp từ bên dưới vào cột để duy trì sự cháy. Lớp vật liệu bên trên bắt cháy sẽ truyền nhiệt chủ yếu
bằng bức xạ nhiệt xuống lớp vật liệu bên dưới. Lớp vật liệu bên dưới tăng nhiệt độ, giải phóng hơi ẩm
và nhiệt phân giải phóng các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ được giải phóng sẽ bắt cháy và tiếp tục cung
cấp năng lượng bằng truyền nhiệt bức xạ xuống lớp vật liệu thấp hơn. Như vậy, quá trình cứ tiếp tục cho
đến khi lớp vật liệu ở đáy cột bắt cháy. Tốc độ giải phóng các chất hữu cơ và tốc độ bắt cháy của các
chất khí được giải phóng của các loại vật liệu khác nhau được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới.
Pedersen đã thực hiện các nghiên cứu trên vật liệu biomass [7], trong khi đó, các nghiên cứu của
Desroches-Ducarne và những người khác đã tiến hành trên vật liệu là rác thải sinh hoạt đô thò [8]. Trong
quá trình bắt cháy của toàn bộ lớp vật liệu, lớp vật liệu bên trên trở thành cacbonvà tiếp tục bắt cháy.

Không khí thứ cấp
Không khí sơ cấp
Vật liệu rắn

Không khí thứ cấp

Không khí sơ cấp
Vật liệu rắn
Không khí thứ cấp
Không khí sơ cấp
Vật liệu rắn

Tro, cacboncăn
bản
Tro
Tro, cacboncăn
bản
Thời gian
t = 0 t = t
i
t = t
n
b
Hình 1.5 Sơ đồ vận động theo thời gian của cột nhiên liệu

4

đốt thông thường là loại lò đốt tónh hai cấp.
buồng đốt sơ cấp,
a
thống thiết bò này, tiến hành phân hoạch hệ thống gồm
ước, đặc biệt tập trung ở Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh.
h thiết bò lò đốt có vỉ lò
hiện
ên trên và bên dưới và nhiệt
ủa pha khí trong một đơn vị thể tích kiểm

rao
t
ái lượng than và khối lượng tro:
áy của chất thải rắn trong thiết bò lò
thực
Đại học Sheffield và những nơi khác cũng đã thực hiện trên mô
ất nhiều vào sự hiểu biết về quá trình cháy của các loại vật liệu trong
Loại lò đốt chất thải này rất phổ biến ở Việt
Nam,
có dạng như hình 1.6.
Với loại lò đốt nhiệt phân tónh hai cấp, vật liệu
rắn được nạp vào một lần tại
lớp vật liệu rắn được đốt mồi và không khí sơ
ùy, lớp vật liệu rắn đứng yên trên ghi lò. Với hệ
vật liệu rắn và vỉ lò, không gian cấp khí sơ cấp
dưới vỉ lò và không gian bên trên lớp vật liệu rắn sẽ thu được một đối tượng tương đương với mô hình cột
nhồi.

Buồng đốt thứ cấp
Vò trí cấp không
khí sơ cấp
áy
Ống nối
cấp được cung cấp từ đáy của vỉ lò. Trong quá trình ch
Các nghiên cứu về quá trình cháy trên lò đốt tónh hai cấp được thực hiện bởi nhiều cơ quan nghiên cứu
trong n
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI
Thiết bò đốt kiểu cột nhồi là một mô hình vật thể thu được từ quá trình phân hoạc
di chuyển và lò đốt tónh hai cấp.
Quá trình cháy trong thiết bò dạng cột nhồi được nhiều nơi thực

nghiên cứu trong thời gian qua. Đáng kể là nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc, giáo sư Shin và cộng sự, của
Viện KIST đã thực hiện nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy của gỗ thông trong thiết bò
đốt có ghi lò di chuyển. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phân hoạch thiết bò đốt có ghi di chuyển
thành từng cột nhồi, xây dựng mô tả toán học cho từng cột nhồi trong hệ thống. Mô tả toán học được xây
dựng cho một đơn vò thể tích kiểm soát trong một cột nhồi như sau [13, 14]:
Nhiệt thu được trong pha rắn trong một đơn vò thể tích kiểm soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hóa học
cộng với nhiệt mất mát do bay hơi ẩm, nhiệt trao đổi với thể tích kiểm soát b
trao đổi với pha khí.
Tương tự, cân bằng nhiệt trong pha khí được viết như sau:
Năng lượng thu được c









,1∆

0











,1

0
soát bằng nhiệt sinh ra do phản ứng hoá học cộng với nhiệt t
Hình 1.6 Thiết bò lò đốt tónh hai cấp





,




,

1∆



,




,


 
1
 
 



,





1,





1,


 











1,

0











,

0


1∆
1

đổi với pha rắn.
Khối lượng vật liệu rắn gồm khối lượng ẩm, khối lượng chấ
bay hơi, kho
M
b

=M
moist
+M
vol
+M
char
+M
ash
Tại trường Đại học Sheffield, nhóm nghiên cứu của giáo sư
ành nghiên cứu quá trình ch
Swithenbank và giáo sư Sharifi đã tiến h
đốt có ghi di chuyển. Nhóm nghiên cứu cũng thực hiện việc phân hoạch thiết bò lò đốt có ghi lò di
chuyển thành nhiều thiết bò cột nhồi, tiến hành thực nghiệm, xây dựng mô tả toán học và mô phỏng quá
trình cháy trên thiết bò cột nhồi này [4, 15-17].
Những nghiên cứu ở đây khi

hiện xây dựng mô tả toán học đã
xem hệ gồm toàn bộ pha rắn có
các lỗ xốp bên trong. Quá trình
cháy của vật liệu rắn được khảo
sát trong vùng thể tích này dựa
trên sự thay đổi thể tích của vật
liệu rắn trong quá trình cháy.
Ngoài ra, các nghiên cứu khác tại trường
hình thiết bò đốt kiểu cột nhồi với các loại vật liệu rắn khác nhau như gỗ, giấy các loại, cỏ mực, rơm,…
nhằm tìm ra các ý nghóa ứng dụng thực tiễn như ảnh hưởng của kích thước vật liệu rắn ban đầu, ảnh
hưởng của lượng không khí sơ cấp, ảnh hưởng của không khí thứ cấp đến tốc độ cháy, nồng độ cực đại
các khí cháy sinh ra [3-6, 16-26].
Các nghiên cứu trên đã đóng góp r
thiết bò đốt kiểu cột nhồi. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một công trình nào thực hiện nghiên cứu

quá trình đốt hỗn hợp vật liệu “chất thải của chất thải” trong thiết bò đốt kiểu cột nhồi theo con đường
Tiếp cận hệ thống với tác vụ Phân tích hệ thống. Bằng con đường Phân tích hệ thống này, các hiện tượng
co rút của vật liệu do sự giải phóng vật chất trong quá trình cháy, hiện tượng quá trình cháy diễn ra
không đều làm cho tình trạng mất cân bằng moment của khối vật liệu xảy ra, dẫn đến hiện tượng sụp của
khối vật liệu rắn trong quá trình cháy do ảnh hưởng của độ rỗng của khối hạt cùng với sự di chuyển ngẫu
nhiên của pha khí từ bên dưới sẽ được làm sáng tỏ thông qua việc phân hoạch hệ thống, phân tích đònh
Sấy
Nhiệt phân
Khí hóa
Chất thải (B):
Ẩm
Chất bay hơi
Cacbon, tro
Chất thải khô (C):
Chất bay hơi
Cacbon, tro
Chất thải sau nhiệt phân
(D ):
Cacbon, tro
Chất thải sau nhiệt
phan và khí thải (A):
Tro
V
B

V
C
V
D

V
A







,





,





,



1∆
1

5

tính cấu trúc hệ thống, việc bố trí thiết bò quan trắc các thông số kiểm soát quá trình ở những chương tiếp
theo.

CHƯƠ
Không khí
Không khí
Béc đốt
mồi ban
à
Hệ thống
Thiết bò đo
nồng độ khí
Máy tính ghi
nhận dữ liệu
NG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
2.
háp phân hoạch hệ thống
cấu
ỨU VÀ PHƯƠNG
vi sai
Thiết bò
cư
l
vật liệu
quá
Sơ
hiết bò hoạt động ở điều kiện áp suất khí quyển. Thiết bò có thể
hực hiện quá trình cơ học: đó là các thiết bò cung
• bò truyền dẫn
2.2.2.6 P

Vật liệu rắn được nạp vào cột từ cửa nạp liệu ở đỉnh của thiết bò
thiết bò và truyền dẫn thông tin về máy tính. Khí cháy được trích ra tại
1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN
2.1.1
Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bò lò đốt chất thải rắn
2
.1.2 Phương p

ĐỐI TƯỢNG
CƠNG NGHỆ
2
.1.3 Phương pháp phân tích đònh tính
trúc hệ thống
2
.2 THIẾT BỊ NGHIÊN C
PHÁP THỰC HIỆN
2
.2.1 Phân tích nhiệt
nghiên
ùu độ
suy giảm
khối
ượng
theo sự
gia tăng
nhiệt độ
trong
trình
nhiệt
đồ

cấu tạo thiết bò gồm các bộ phận chính như sau:
2
phân được thực hiện trong thiết bò NETZSCH TG 209.
.2.2 Thí nghiệm trên thiết bò lò đốt cột nhồi
2
.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm
Hệ thống t
chia làm hai nhóm chính:
•
Cụm các thiết bò t
cấp ôxy sơ cấp và ôxy thứ cấp. Không khí sơ cấp được cung cấp từ
đáy của thiết bò cột nhồi. Không khí thứ cấp được cung cấp vào bên
trong thiết bò tại vò trí h=0
,75cm kể từ đáy của thiết bò. Không khí
cung cấp được kiểm soát bởi lưu lượng kế rotameter.
Cụm các thiết bò truyền dẫn thông tin: đó là các thiết
thông tin về khối lượng vật
liệu rắn còn lại, nhiệt độ của các vò trí
dọc theo cột nhiên liệu trong thiết bò, nồng độ các chất khí. Mô
hình thiết bò được treo trên hệ thống cân điện để ghi
nhận các giá trò khối lượng thay đổi. Các đầu dò nhiệt độ
được bố trí dọc theo chiều cao của thiết bò, mỗi đầu dò
cách nhau 8cm kể từ đáy đến đầu dò thứ 8. đầu dò nhiệt
độ thứ 8, 9 cách nhau 340cm, dầu dò thứ 9, 10 cách nhau
10cm. Ống hút khí được đặt cách đáy 40cm hoặc 56cm
hương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bò cột nhồi
Phát hiện v
sao cho chiều cao cột nhiên liệu không quá một nửa chiều cao
của thiết bò. Sau khi nạp liệu, cấp không khí sơ cấp vào cột từ
bên dưới thiết bò với lưu lượng không đổi và tiến hành đốt mồi

lớp vật liệu rắn từ bên trên. Tùy thuộc điều kiện và mục đích thí
c cung cấp vào thiết bò với những giá trò xác đònh. Khí cháy di
chuyển lên trên đỉnh thiết bò cột nhồi và thoát ra ngoài qua ống thoát khí.
nghiệm, không khí thứ cấp có thể đượ
Trong khi quá trình cháy xảy ra, giá trò nhiệt độ trong cột nhiên liệu được ghi nhận bởi các đầu dò cặp
nhiệt điện cắm dọc theo chiều cao
vò trí xác đònh trong thiết bò sao cho phù hợp với mục đích thí nghiệm sẽ được ngưng tụ hơi ẩm, tách các
khí có thể gây nguy hại cho cảm biến nồng độ khí, và đi vào thiết bò đo nồng độ các khí như CO, CO
2
,
ấn đề
Đặt vấn đề
Xác định các mục
tiêu phải đạt được
Nhận dạng
các rào cản
Xác định các tác vụ
tiếp cận hệ thống (và
các điều kiện để thực
hiện)
Thực hiện các tác vụ
để giải quyết các vấn
đề đã đặt ra
Thẩm định kết
quả thực hiện
Thẩm định mức
độ hồn thành
khâu thực hiện
Xác nhận kết quả
và dự kiến phát

triển
Kết luận
Hiệu chỉnh
các tác vụ
Thẩm định
khâu đặt vấn đề
Thẩm định
khâu xác định
mục tiêu
Thẩm định
khâu xác định
rào cản
Thẩm định
khâu xác định
tác vụ
Thẩm định
khâu thực hiện
Đạt u
cầu
Đạt u
cầu
Hiệu chỉnh hoặc
đặt lại vấn đề
Khơng đạt u cầu
Hiệu chỉnh
các mục tiêu
Hiệu chỉnh
các rào cản
Khơng đạt u cầu
Đúng

Sai
Đúng
Sai
Sai
Đúng
Sai
Đúng
Sai
Đúng
Hiệu chỉnh q
trình thực hiện
Hình 2.1 Lược đồ logic tiếp cận h
đốt chất thải rắn
ệ thống thiết bò
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bò phân
tích nhiệt vi sai
Hình 2.4 Thiết bò đốt kiểu cột nhồi
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bò đốt kiểu
cột nhồi

6

ïi vật liệu được sử dụng trong
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
O
2
, CH
4
. Giá trò nồng độ các khí được biến đổi và truyền dẫn về máy tính. Ngoài ra, trong khi quá trình
cháy xảy ra, khối lượng vật liệu cũng giảm theo thời

gian và được ghi nhận bởi hệ thống cân tự động và cũng
được truyền dẫn thông tin về máy tính. Máy tính có
nhiệm vụ nhận các thông tin truyền dẫn về theo quy luật
tương tự, mã hoá và biến đổi các tín hiệu này thành các
giá trò số và biểu đạt trên mô hình đồ hoạ thông qua một
phần mềm chuyên dụng.
2
Các tông
Khăn giấy
Gỗ thông
Cỏ tranh
Rơm
.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Hình 2.8 trình bày các loa
thí nghiệm

3.1 ỐNG
3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống
i nghiên cứu của luận án này, khu vực buồng
lò di chuyển (S
5
) khi được tiến hành phân hoạch theo không gian
phần thể tích
n phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống thiết
ba của cấu
t coi
tán S
s
). Nhiệt lượng Q từ quá trình cháy của
hí ở bề mặt phân chia pha và đi vào pha liên tục

.. tại các nút mạng tinh thể trong cấu tạo của vật liệu sẽ trở nên linh động hơn, làm cho các
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ TH
Áp dụng phương pháp phân hoạch hệ thống trong phạm v
đốt sơ cấp của đối tượng thiết bò vỉ
thành những cột thẳng đứng gồm phần đáy vỉ lò có lỗ cho phép không khí sơ cấp đi vào khối vật liệu rắn
từ bên dưới, khối vật liệu rắn nằm trên ghi lò (S
5b
) và khoảng không gian bên trên khối vật liệu rắn (S
5a
).
Xét hệ thống thiết bò đốt kiểu cột nhồi chất thải rắn (S
5b
). Phân hoạch theo không gian thiết bò sẽ thu
được hai vùng cơ bản là vùng sơ cấp (còn gọi là buồng sơ cấp) và vùng thứ cấp (buồng thứ cấp). Tiến
hành phân hoạch vùng sơ cấp theo không gian thành những vùng nhỏ hơn gọi là thể tích hữu hạn (control
volume hoặc finite volume) trong đó có chứa cả pha liên tục và pha phân tán. Phần không gian này là
một hệ thống mới được gọi là quần thể các hạt đa phân tán trong môi trường liên tục (S
4
).
Tiếp tục phân hoạch quần thể các hạt đa phân tán thành các phần nhỏ hơn. Chọn một phần nhỏ mới tạo
thành chỉ gồm một hạt rắn duy nhất và phần không gian bao quanh hạt rắn và nằm trong
hữu hạn. Đến đây ta được hệ dò thể một hạt (S
3
). Tiếp tục phân hoạch hệ dò thể một hạt này, xét hệ chỉ
gồm hoàn toàn pha rắn hoặc hoàn toàn pha khí, ta thu được hệ thống mới này là hệ đồng thể vi mô (S
2
).
Các hệ đồng thể vi mô này là các chất hỗn hợp chứa các
đơn chất và hợp chất ở cấp độ phân tử. Tiếp tục phân
hoạch hệ đồng thể vi mô này ta sẽ thu được một tập hợp

gồm các phân tử (S
1
).
Cấu trúc phân tầng của hệ thống đốt/nhiệt phân vật liệu
rắn như sau:
Vùng sơ cấp (vật
Vùng thứ cấp
S
5a


3
.1.2 Phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống
Việc thực hiệ
bò đốt kiểu cột nhồi được thực hiện ở lớp thứ
trúc hệ thống (hệ dò thể một hạt vật liệu rắn thứ i nào đó
được ký hiệu là S
3,i
) pha liên tục S
3,i
s
bao quanh một phần
là một hạt vật liệu rắn hay một hạt vật liệu rắn - pha phân
lớp vật liệu bên trên truyền vận tới các pha S
ử rác thải rắn (trong trường hợp này được
3,i 3,i
g
, S
3,i
s

làm
cho nội năng U
g
, U
s
của pha khí S
3,i
g
và hạt vật liệu rắn S
3,i
s
tăng lên. Lượng nhiệt Q truyền vận vào hệ
S
3,i
phụ thuộc vào cường độ năng lượng phát xạ I
s
của lớp vật liệu cháy bên trên, khả năng hấp thụ bức
xạ e
s
của vật chất trong pha liên tục và pha phân tán.
Trong quá trình tăng nội năng của hệ, các phân tử nước thuộc cấu trúc của S
3,i
s
bắt đầu di chuyển từ bên
trong ra bên ngoài bề mặt, khuếch tán qua lớp phim k
S
3,i
g
với động lực khuếch tán hơi ẩm là độ chênh lệch áp suất hơi bão hoà trên bề mặt ΔP
H2O

. Tốc độ
khuếch tán còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, kích thước hình học cũng như diện tích bề mặt của pha
phân tán. Các phần tử khí trong pha liên tục di chuyển ra khỏi hệ S
3,i
đang xét và đi vào các hệ S
3,i+1
liền
kề. Theo nghiên cứu của Ryu và cộng sự (2001), thời gian sấy vật liệu thường kết thúc trong khoảng 2
phút [14].
Đồng thời với quá trình thoát hơi ẩm tự do và hơi ẩm liên kết ra khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn, các nguyên
tử C, H, O,.
liên kết giữa cacbonvà cạc bon, cacbonvà hydro, cacbonvà ôxy hoặc các gốc tự do khác nếu có trở nên
yếu đi. Khi hạt chất thải rắn nhận một năng lượng đủ lớn, các liên kết trong phần tử hạt rắn sẽ bò đứt
gãy, dẫn đến kết quả sẽ tạo thành các chất hữu cơ, mà chủ yếu là các hydrocacbon
và aldehyt. Lượng và
thành phần chất hữu cơ được tạo thành tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu tạo bên trong của hạt
liệu rắn)
Hệ dò thể đa phân tán
Hệ dò thể một hạt
Hệ đồng thể vi mô
Hệ các phân tử
S
5b
S
4


S
3

S
2

S
1

Hình 2.8 Vật liệu đã sử dụng trong thí
n
ghiệm
Hình 3.1Cấu trúc phân tầng hệ hóa lý

7

ä tạo thành
ứng cháy (phản ứng
én giải phóng hơi ẩm, phần tử hơi nước khuếch tán từ trong hạt vật
ha khí và truyền nhiệt ngược đến pha
ûa pha liên tục chứa một quần thể các
NHIỆT TRỊ
Khăn giấy Các tông Gỗ thôn
vật liệu rắn trong hệ S
3,i
. Các chất hữu cơ được tạo thành sẽ thoát ra khỏi hạt vật liệu rắn, đi vào trong
pha khí. Nghiên cứu của Goh và cộng sự, (1998) đã chỉ ra các chất hữu cơ bay hơi được giải phóng ở
nhiệt độ khoảng 260
o
C [15] hoặc theo nghiên cứu của Ryu và cộng sự, (2001) là 300°C [14].
Khi các liên kết ban đầu của vật liệu bò đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắn S
3,i
s

sẽ giảm dần đồng thời
các liên kết mới cũng được tạo thành, tạo ra sản phẩm mới ở thể rắn là bitum và than. Tốc đo
than và bitum cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu tạo của vật liệu rắn.
Lúc này, ôxy tự do từ trong pha khí bao quanh bên ngoài hạt rắn khuếch tán đến bề mặt của hạt vật liệu
rắn, sẽ tiếp xúc với các nguyên tử cacbon
của phần tử than, bitum và tạo ra phản
ôxy hoá khử), sinh ra năng lượng. Tốc độ cháy của than được kiểm soát bởi sự khuếch tán của lớp phim
khí hỗn hợp và tốc độ phản ứng [15].
Tương ứng với các quá trình xảy ra trong pha rắn, pha khí bao quanh một hạt vật liệu rắn cũng xảy ra các
quá trình tương ứng. Khi hạt vật liệu ra
liệu ra bên ngoài pha khí bao quanh làm cho mật độ của phần tử hơi nước tăng lên tại một thời điểm tức
thời. Phần tử hơi ẩm ngay lập tức bò lôi cuốn bởi pha khí đi từ dưới lên làm giảm mật độ hơi ẩm trong
vùng thể tích hữu hạn bao quanh hạt rắn. Khi các chất hữu cơ trong pha rắn được tạo thành và khuếch tán
ra khỏi lớp bề mặt của hạt vật liệu rắn, các phần tử chất hữu cơ sẽ tiếp xúc với ôxy và bắt cháy, sinh
năng lượng. Sản phẩm cháy và các chất hữu cơ bay hơi chưa cháy, ôxy và các phần tử khí khác sẽ
chuyển động sang những thể tích hữu hạn khác ở bên
cạnh và bên trên.
Năng lượng sinh ra từ các phản ứng cháy sẽ trao đổi
nhiệt trực tiếp với p
Quá trình cháy của các
chất hữu cơ trong pha
khí
Quá trình giải phóng
ẩm, nhiệt phân, khí hoá
than của
pha rắn
rắn bằng bức xạ.
Lớp thứ tư trong cấu trúc phân tầng quan tâm đến phần
thể tích hữu hạn cu
hạt đa phân tán (hệ S

4,i
). Mô tả quan trọng nhất đối với
hệ đa phân tán ở lớp bốn sẽ là phương trình cân bằng
tính chất tập đoàn hạt (thường được gọi tắt là phương
trình cân bằng hạt) phản ảnh sự biến đổi hàm mật độ
phân bố hạt trong quá trình cháy.
3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG
QUÁT, THÀNH PHẦN CƠ BẢN,
Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát
Thông số g Rơm Cỏ 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
%A 3,57 6,47
1,2 5,78 4,33
Bả Phân tích cơ bản (c hô)
Thông số Khăn giấy Ca g Go âng Co h
ng 3,2 ăn bản k
ùc tôn ã tho Rơm û tran
C, % 43,0 38,8 49,8 43,6 43,2
H, % 10,0 5,7 8,1 5,5 5,7
O, % 37,3 45,9 38,3 36,8 37,0
Bản Nhiệt trò (HHV)
Thông số Khăn giấy C g
G ng C h
g 3,3
ác tôn

ỗ thô Rơm ỏ tran
HHV, MJ/kg 16,1825 15,9755 18,4437
16,6112 16,1746
M à tổ c biể thơn iên hệ sau:
= b.% s (3.1)
âng, rơm và cỏ
%FC+0,1659*%VM – 0,0178*%Ash
HHV = 0,4576*%FC+0,1749*%VM – 0,1078*%Ash
(3.6)
ối liên hệ giữa nhiệt trị v thành phần ng qt đượ u diễn g qua mối l
HHV a.%FC+ VM – c.%A h
Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở trên, giá trò HHV của khăn giấy, các tông, gỗ tho
tranh theo thành phần tổng quát như sau:
Đối với khăn giấy: HHV = 0,3746*%FC+0,156*%VM – 0,0078*%Ash (3.2)
Đối với các tông: HHV = 0,3037*
(3.3)
Đối với gỗ thơng: HHV = 0,3136*%FC+0,1789*%VM – 0,0278*%Ash
(3.4)
Đối với rơm:

Nhiệt sinh ra từ các phản ứng
cháy trong pha khí và sự
chá
Khối lượng vật chất trong pha
rắn chuyển sang pha khí do
khuếch tán
y của than
Gradient
hóa thế
Gradient

nhiệt độ
Gradient
vận tốc
Gradient
NL bề mặt
Giảm kích thước của hạt
vật liệu rắn
Phân bố hạt
theo kích
thước
LỚP 4
Hình 3.2 Phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống

8

Đối với cỏ tranh: HHV = 0,2536*%FC+0,1871*%VM – 0,1071*%Ash
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.9
0 200 400 600 800
Temperature,
o
C
0.5
0.6
0.7
0.8

1
0.00
0.00
0.00
0.006
0.014
0.016
d
0
2
4
0.008
0.010
0.012
/dt
d
α
/dt
α
Nhiệt độ,
0
C
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.8
0.9
0 200 400 600 800

Temperature,
o
C
0.5
0.6
0.7
1
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0.070
0.080
0.090
0.100
d /dt,
o
C
-1
α
d
α
/dt
0
0.1
0.2
0.3

0 200 400 600 800
Temperature,
o
C
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.09
d
0.4
0.5
0.6
α
0.05
0.06
0.07
0.08
α
/dt
d
α
/dt
α
0.7
0.8 0.1
Nhiệt độ,
0
C

tương đối như sau:

(3.7)
Đánh giá sai số giữa kết quả tính tốn HHV theo cơng thức từ (3.4) đến (3.7) với kết quả

100x
H
TN
TN
=
δ
(3.8)
HV
HV

ối quan hệ giữa các phân tích hiều.


ûa khăn giấy ca
Từ kết quả th các loại vật liệu rắn, có thể rút ra một số kết
 Quá trình bắt cháy của hạt vật liệu diễn ra qua bốn giai đoạn chồng lấn
gi nhiệt phân

Đồ thò đo
hiện



Hình 3.8-3.12 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của khăn giấy, các tông, gỗ thông, cỏ tranh, rơm
Mô hình động học quá trình cháy của hạt vật liệu rắn trong không khí được xác đònh theo phương trình

Arrhenius như sau:
HHHV
tính
−
Kết quả cho thấy, đối với khăn giấy, δ = 1,1%; đối với các tông, δ = 1,9%; đối với gỗ thông, δ = 0,8%;
đối với rơm, δ = 0,5%; và đối với cỏ tranh, δ = 0,9%.
M thành phần tổng quát, phân tích cơ bản đã được nghiên cứu rất n
Năm 1997, Demirbas tính HHV của sinh khối dựa vào phân tích thành phần tổng quát HHV =
0
,196[FC]+13,119 [27]. Năm 2005, Sheng, C. và cộng sự, đã đề nghò công thức tính HHV của sinh khối
,3675+0,3137[C]+0,7009[H]+0,
dựa vào phân tích cơ bản HHV = -1
0318[O] [28]. Parikh, J. và cộng sự,
đã tính HHV từ phân tích thành phần tổng quát của vật liệu rắn HHV = 0
,3536[FC]+0,1559[VM]-
0
,0078[Ash] [29]. Kết quả thu được trong nghiên cứu này so với công thức của Parikh, J. và cộng sự, là
thích hợp nhất.
3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI


80
90
100
6%
54%
80
90
100
8%

80
90
100
8%
3%
67%
80
90
100
3%


Hình 3.3-3.7 Đường cong TG cu ùc tông, gỗ thông, cỏ tranh, rơm
ể hiện trên đồ thò TG của luận như sau:
lên nhau gồm: quá trình
ải phóng ẩm, quá trình thu nhiệt gia tăng nhiệt độ trong toàn hạt vật liệu, quá trình
giải phóng vật chất và quá trình cháy của than cơ bản.

Với tất cả các loại vật liệu nghiên cứu, sự giải phóng ẩm diễn ra trong khoảng từ 3 đến 6 phút.
Kết quả này phù hợp với nhiều nghiên cứu đã công bố đối với các loại vật liệu tương tự [14,
30]. Trong quá trình giải phóng hơi ẩm, hạt vật liệu tiếp tục gia tăng nhiệt độ đến nhiệt độ
nhiệt phân.

Khi hạt vật liệu đạt đến nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ giải phóng vật chất diễn ra rất nhanh trong
khoảng 15 đến 25 phút, sau đó tốc độ giải phóng vật chất giảm dần. Điều này cho phép dự
đoán đã có xảy ra một quá trình ngưng tụ một phần vật chất đã được giải phóng trên bề mặt lớp
vật liệu còn lại, tạo ra lớp vỏ bọc ngăn cản làm cho qúa trình giải phóng vật chất từ pha rắn vào
pha khí diễn ra chậm hơn. Vấn đề này sẽ tiếp tục được nghiên cứu làm rõ trong mô hình lớn
hơn, tức là hệ thống thiết bò đốt kiểu cột nhồi.
Trong khi vật liệu rắn giải phóng vật chất hữu cơ, quá trình cháy của than cũng diễn ra. Do tốc

độ cháy của than diễn ra chậm, đường cong TG biểu diễn sự suy giảm khối lượng cũng diễn ra
theo xu hướng tiệm cận với giá trò độ tro trong vật liệu.
ä chuyển hóa và vi phân độ chuyển hoá theo thời gian của các loại vật liệu nghiên cứu được thể
trong các hình như sau:




n
RTdt
⎦⎣
⎠⎝
E
k
d
)1(exp.
0
α
α
−
⎥
⎤
⎢
⎡
⎟
⎞
⎜
⎛
−=
3.9)

ại như sau:
(
Với, α là độ chuyển hoá của vật liệu rắn ; E là năng lượng hoạt hoá ; k
0
là hằng số tốc độ
n là bậc của phản ứng ; R là hằng số khí ; Logarite hoá hai vế của phương trình (3.9), phương
trình mới được viết l
1E
n
⎞⎛

)(])1.(ln[ln
0
k
d
⎟⎜
−+−=
⎟
⎞
⎜
⎛
α
α
TRdt
⎠⎝⎠⎝
(3.10)
Sắp xếp lại phương trình (3.10), có:

[ ]
RTEnkdtd /)1ln(ln/ln −−+=

αα
(3.11)
0
0
1
0.9
1
0 200 400 600 800 1000
Temperature,
o
C
0.
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
0.120
0.140
d
0.160
0.180

/dt
d
α/
dt
α
Nhiệt độ,
0
C
0
0.01
0.02
0 200 400 600 800
Temperature,
o
C
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
d
0.5

0.6
0.7
0.8
0.9
/dt
α
d
α
/dt
Nhiệt độ,
0
C
0
10
60
70
0 200 400 600 800
Temperature,
o
C
%
20
30
40
50
TG,
Nhiệt độ,
0
C
8%

0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800
Temperature,
o
C
TG, %
Nhiệt độ,
0
C
67%
4%
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800
Temperature,
o
C

TG, %
Nhiệt độ,
0
C
62%
3%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
200 400 600 800 1000
Temperature,
o
C
TG, %
0
10
60
70
0 200 400 600 800 1000
Temperature,
o
C

%
67%
20
30
40
50
TG,
20%
20%
0
Nhiệt độ,
0
C
Nhiệt độ,
0
C

9

Các hệ
hời gian như sau:
 E = 28,80kJ/mol, k = 3607,3 và n = 0,2192 cho khăn giấy;
J/mol, k
0
= 7,37.10
5
và n = 0,14
,9 và n = 0,349;
So ng sự (2002), Cao và cộng sự,
(200 S hợp [31-34].

3.4 RẮN
3.4.1 Qu
ến quá trình khí hóa, ở nhiệt
ạch ngắn hơn.
tùy thuộc vào vật liệu rắn đem đốt. Khối lượng
của vật liệu. Việc bố trí các đầu dò nhiệt độ dọc theo chiều cao cột nhồi sẽ cho phép xác đònh
đ
mà ngọn lư
Với chiều cao cột nhồi là 32cm, các đầu dò nhiệt độ trong cột là từ T1 đ
nhiệt độ là 8cm. Tốc độ bắt cháy của nhi iệu
đến T3, T3 đến T2 và T2 đến T1 là 3,39m/h ,76
t
số k, E, và n trong phương trình (3.11) được xác đònh cho từng loại vật liệu rắn dựa vào đồ thò
của vi phân độ chuyển hoá theo t
0
Đối với cactông, E = 50,86k 34;

19.10
7
và n = 1Đối với gỗ thông, E = 63,19kJ/mol, k = 9, ,

0
377;

Đối với cỏ tranh, E = 28,1kJ/mol, k = 1667
0
2.10
3
và n = 0Đối với rơm, E = 117,45kJ/mol, k = 60, ,341; 
0

sánh các kết quả nghiên cứu của Garcia et al, (1995), Biagini và cộ
4), enneca và cộng sự, (2006), kết quả trong nghiên cứu này là phù
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA VẬT LIỆU
á trình cháy của hỗn hợp khăn giấy và các tông
Quá trình bắt cháy của vật liệu rắn diễn ra theo các giai đoạn chính: bay hơi ẩm, nhiệt phân để giải
phóng các chất hữu cơ ở nhiệt độ khoảng 260
o
C [14].
Quá trình tiếp theo là quá trình cháy của than và tạo thành tro. Liên quan đ
độ cao, các hợp chất hữu cơ mạch lớn bò bẻ gãy thành các m
Khí cháy có thành phần chủ yếu gồm CO, CO
2
, H
2
O, O
2
, bụi tro, C
x
H
y
(chủ yếu là CH
4
). Ngoài ra, thành
phần NO
x
, SO
x
có mặt trong khí cháy với thành phần
,5kg và 1,
mẫu được sử dụng là 0

0kg cho hỗn hợp 70% khối lượng khăn giấy và 30% khối lượng các
tông.
Hỗn hợp giấy được đốt trong điều kiện không khí sơ cấp là Q=468kg/m
2
h, và Q=1404kg/m
2
h. Kích thước
tương đương của khăn giấy và các tông là 0
,26mm và 1,5mm tương ứng, do vậy, hệ được xem là hệ dò
thể đa phân tán. Thí nghiệm này nhằm xác đònh sự ảnh hưởng của không khí sơ cấp, độ rỗng của hệ đến
sự cháy
tốc độ truyền nhiệt trong hệ.
Thí nghiệm thứ nhất được thực hiện với khối lượng vật liệu rắn nhồi vào ban đầu là 0,5kg, chiều cao cột
sau khi nhồi là 32cm tương ứng với khối lượng riêng xốp là 49
,736kg/m
3
. Đường biểu diễn nhiệt độ trong
cột nhiên liệu được trình bày trong Hình 3.1
3 và 3.14, tương ứng với không khí sơ cấp là Q=468kg/m
2
h
và Q=1404kg/m
2
h như sau:
Như đã biết, nhiệt độ bắt cháy
của vật liệu rắn ở khoảng 300
o
C.
Trong thiết bò lò đốt kiểu cột
nhồi, vật liệu rắn bắt đầu cháy ở

500
600
700
800
900
1000
1100
iệt độ,
o
C
T1
T2
T3
T4
T5
0.2
0.3
0.4
ượng trên ghi lò, kg
ỉnh cột và cháy dần về phía đáy
cột. Đònh nghóa tốc độ bắt cháy
của nhiên liệu trong cột nhồi
(IFS) là tỉ số giữa khoảng cách
g đứng. IFS = dz/dt, m/h
(dz) và khoảng thời gian (dt) ûa di chuyển theo phương thẳn
(3.12)
ến T5, khoảng cách mỗi vò trí đo
trong cột tính từ T5 đến T4, T4
m/h. Tốc độ bắt cháy trung bình
rong cả cột nhiên liệu là 3

ên liệu giữa từng đoạn vật l
; 3,84m/h
; 3,11m/h; và 5
,27m/h. Khi ngọn lửa bắt đầu chạm đáy cột (T1), quá trình bắt cháy của nhiên
liệu kết thúc. Trong khi quá trình bắt cháy của nhiên liệu đang xảy ra, quá trình ôxy hoá than cũng xảy
ra trong lớp nhiên liệu ở bên trên. Tổng khối lượng nhiên liệu giảm trong giai đoạn bắt cháy là 0.4kg. Ở
đoạn đầu tiên của cột nhiên liệu (T5-T4), vật liệu rắn bắt cháy trong khoảng 85s, và khối lượng vật chất
được giải phóng là 0.125kg. Trong đoạn kế tiếp, khối lượng vật chất được giải phóng là 0.09kg trong
khoảng 75s. Ở giai đoạn thứ ba, 0.08kg vật liệu rắn được giải phóng trong 70s. Khi ngọn lửa đi từ vò trí
T2 đến đáy cột nhiên liệu, khối lượng vật liệu rắn được giải phóng là 0.06kg trong 50s. Đònh nghóa tốc độ
cháy trong giai đoạn bắt cháy là:
dt
dm
A
1
BR
cross
=
, kg/m
2
h (3.13) Với dm là độ giảm khối lượng trong khoảng
thời gian dt trong giai đoạn bắt cháy.
Khi ngọn lửa di chuyển từ trên xuống dưới, tốc độ cháy ghi nhận
được như sau: BR
1
= 182kg/m
2
h; BR
2
= 137kg/m

2
h; BR
3
= 131kg/m
2
h; và BR
4
= 137kg/m
2
h. Tốc độ cháy
trong giai đoạn đầu cao hơn giai đoạn sau do tổng lượng vật chất được giải phóng nhiều hơn. Trong giai
đoạn sau, hầu hết ẩm đã được giải phóng, khối lượng vật chất được giải phóng ít hơn trong khi tốc độ bắt
cháy cao hơn. Điều này cho phép đặt vấn đề về việc có một
0
100
200
300
400
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Thời gian, s
Nh
0
0.1
0.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Thời gian, s
Khối l
0
100
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Thời gian, s
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Nhiệt độ,
o
C
T1
T2
T3
T4
T5
0
0.1
0.2
0 50 100 150 200 0 450 500 550
Khối lượng trên ghi lò , kg
0.3
0.4
0.5
250 300 350 40
Thời gian, s
0

2
4
6
8
10
T5-T4 T4-T3 T3-T2 T2-T1
468
14 0 4
Hình 3.13 Diễn biến nhiệt độ theo
thời
/m
2
h
Hình 3.14 Độ giảm khối lượng theo
thời gian với không khí Q=468kg g

ian
R
Hình 3.15 Diễn biến nhiệt độ theo thời
gian với không khí Q=1404kg/m
2
h
R
Hình 3.16 Độ giảm khối lượng theo
thời
gian
Hình 3.17 Giá trò IFS trong các thí
n
ghiệm