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
----------------------------

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


-i-

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.


-ii-

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.

-iii-

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Đại học Quốc Gia
TP. Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu
này.


-iv-

Mục lục
Lời cam đoan ..............................................................................................................i
Lời cảm ơn ...............................................................................................................ii
Mục lục.....................................................................................................................iii
Danh mục các kí hiệu viết tắt .............................................................................ix
Danh mục các bảng...............................................................................................xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thò............................................................................xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thò............................................................................xii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................1
2. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU....................................................................2
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.......................................................................2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................3
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................3
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC .................................................................................4
7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN ..............................................................................6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................7
1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU....................................................................7
1.2 THIẾT BỊ LÒ ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN ...........................12
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG THIẾT
BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI.......................................................................19

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU TRONG
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................................................22
2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÒ
ĐỐT CÓ VỈ LÒ DI CHUYỂN.................................................................22
2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bò lò đốt chất thải rắn 22
2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống...................................................25
2.1.2 Phương pháp phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống......................25


-v-

2.2 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN.25
2.2.1 Phân tích nhiệt vi sai .............................................................................26
2.2.2 Thí nghiệm trên thiết bò lò đốt cột nhồi.......................................28
2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm ...................................................28
2.2.5.2 Buồng đốt .......................................................................................29
2.2.2.3 Thu mẫu nhiệt độ và thành phần khí ......................................30
2.2.2.4 Cấp khí .............................................................................................31
2.2.2.5 Thiết bò phân tích khí và đọc dữ liệu ......................................31
2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bò cột nhồi.32
2.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU..................................................................35
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................37
3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG...............37
3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống..........................................................37
3.1.2 Phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống..............................................38
3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG QUÁT,
THÀNH PHẦN CƠ BẢN, NHIỆT TRỊ ...................................................42
3.2.1 Thành phần hóa học ...........................................................................42
3.2.2 Xác đònh thành phần nhiệt vật lý (nhiệt trò) ...............................43
3.3 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA QÚA

TRÌNH CHÁY VẬT LIỆU RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN
TÍCH NHIỆT VI SAI..........................................................................................45
3.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA VẬT
LIỆU RẮN........................................................................................................50
3.4.1 Quá trình cháy của hỗn hợp khăn giấy và cáctông .................50
3.4.2 Quá trình cháy của hỗn hợp cáctông và gỗ...............................66
3.4.3 Quá trình cháy của hỗn hợp gỗ và rơm ........................................74
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC .....................................80
4.1 TÁC VỤ MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC...........................................80
4.2 XÂY DỰNG MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH CHÁY
VẬT LIỆU RẮN TRONG HỆ DỊ THỂ ĐA PHÂN TÁN ..................81
4.2.1 Mô tả toán học hệ dò thể đa phân tán (lớp bốn)......................82


-vi-

4.2.1.1 Phương trình bảo toàn vật chất ...................................................83
4.2.1.2 Phương trình bảo toàn động lượng ..............................................84
4.2.1.3 Phương trình bảo toàn năng lượng ..............................................85
4.2.1.4 Phương trình bảo toàn cấu tử trong pha khí ...............................87
4.2.2 Mô tả toán học cho hệ dò thể một hạt và hệ đồng thể (lớp
hai và ba)..........................................................................................................88
4.2.3 Mô hình truyền nhiệt bức xạ trong pha rắn.....................................91
4.2.4 Mô hình truyền nhiệt và cấp khối giữa hai pha..............................91
4.2.5 Mô tả toán học thiết bò đốt kiểu cột nhồi..................................92
4.2.6 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................94
4.2.6.1 Đối với pha khí...............................................................................94
4.2.6.2 Đối với pha rắn .............................................................................94
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH
ĐỐT HỖN HP VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU

CỘT NHỒI...........................................................................................................96
5.1 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN .............................................96
5.2 THUẬT TOÁN PHÂN LY GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH................97
5.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN GIẢI GẦN
ĐÚNG HỆ CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CHÁY
VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI ...99
5.3.1 Lưới tổng quát .....................................................................................99
5.3.2 Sai phân các phương trình liên tục ...................................................100
5.3.2.1 Phương trình liên tục trong pha khí...............................................100
5.3.2.2 Phương trình liên tục trong pha rắn.............................................103
5.3.3 Sai phân phương trình năng lượng......................................................103
5.3.3.1 Sai phân phương trình năng lượng trong pha khí ........................103
5.3.3.2 Sai phân hóa phương trình năng lượng trong pha rắn..............108
5.3.4 Sai phân các phương trình bảo toàn động lượng ..........................109
5.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH110
5.4.1 Giới thiệu chương trình tính ................................................................110
5.4.2 Đánh giá sự tương thích của mô hình.............................................114
5.4.2.1 Kiểm đònh nhiệt độ cháy trong cột vật liệu ........................115
5.4.2.2 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng của vật liệu cháy....122


-vii-

5.4.2.3 Kiểm đònh nồng độ khối lượng của CO trong khí cháy ......123
5.5 ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH.129
5.5.1 Tốc độ bắt cháy................................................................................129
5.5.2 Tốc độ cháy .......................................................................................130
5.5.3 Tỉ lệ cấp khí trong giai đoạn bắt cháy...........................................131
5.6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG CỘT NHỒI SỬ
DỤNG CIS .........................................................................................................132

5.6.1 Ảnh hưởng của lượng không khí cung cấp đến tốc độ cháy 132
5.6.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt ......................................................133
5.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt trò .................................................................136
5.6.4 Ảnh hưởng của độ rỗng khối hạt ...............................................137
5.7 KẾT LUẬN..............................................................................................138
KẾT LUẬN........................................................................................................140
1. KẾT LUẬN................................................................................................140
2. TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.....................141
2. 1 Tính khoa học của đề tài ....................................................................141
2.2 Tính thực tiễn của đề tài ....................................................................141
3. NHỮNG CÔNG VIỆC CẦN TIẾP TỤC THỰC HIỆN ..............142
Danh mục công trình.............................................................................................143
Tài liệu tham khảo..............................................................................................145
Phụ lục P1:PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ...............................PL1
P1.1 Phân tích thành phần tổng quát......................................................PL1
P1.1.1 Phân tích khối lượng ẩm ...........................................................PL 1
P1.1.2 Xác đònh khối lượng tro.............................................................PL 2
P1.1.3 Khối lượng các chất hữu cơ bay hơi .......................................PL 3
P1.1.4 Khối lượng cacbon cố đònh........................................................PL 4
P1.2 Phân tích thành phần cơ bản...........................................................PL 4
P1.2.1 Xác đònh thành phần Cacbon và Hiđrô.................................PL 5
P1.2.2 Thành phần ôxy trong mẫu ......................................................PL 7
P1.3 Phân tích nhiệt trò của mẫu ............................................................PL 7
P1.4 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai...................................................PL 9


-viii-

P2. PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN VÀ CÁC THUẬT GIẢIPL 12
P2.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN (FVM)PL 12

P2.1.1 Lưới tổng quát .............................................................................PL 12
P2.1.2 Sai phân hóa ..................................................................................PL 13
P2.1.3 Rời rạc hoá phương trình tích phân ............................................PL 14
P2.2 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP FVMPL 16
P2.2.1 Thuật toán SIMPLE ......................................................................PL 17
P2.2.2 Thuật toán ma trận ba đường chéo TDMA (The tri-diagonal
matrix algorithm)..........................................................................................PL 22
P3. DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM.................................................................PL 25
P3.1 Hỗn hợp giấy, Q=Q=468kg/m2h, m=1kg ........................................PL 25
P3.2 Hỗn hợp giấy, Q=936kg/m2h, m=1kg .............................................PL 36
P3.3 Hỗn hợp giấy, Q=Q=1404kg/m2h, m=1kg ......................................PL 44
P4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH...............................................................................PL 47
P5. KIỂM ĐỊNH THEO TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (2) .......PL 61
P5.1 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (2)............PL 61
P5.1.1 Tiêu chuẩn Khi bình phương (2)..............................................PL 61
P5.1.2 Xác xuất phù hợp ...................................................................PL 61
P5.1.3 Giả thuyết “không”..................................................................PL 62
P5.1.4 Áp dụng kiểm đònh Khi bình phương đánh giá sự tương hợp
giữa hai dãy số liệu thực nghiệm và tính toán ...........................PL 62
P5.2 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH...................................................................PL 63
P5.2.1 Nhiệt độ .........................................................................................PL 63
P5.2.1.1 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm,
Q=Q=468kg/m2h ......................................................................................PL 66
P5.2.1.2 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm,
Q=Q=468kg/m2h ......................................................................................PL 67
P5.2.1.3 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm,
Q=Q=468kg/m2h............................................................................................68
P5.2.1.4 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm,
Q=936kg/m2h PL70
P5.2.1.5 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm,

Q=936kg/m2h ............................................................................................PL71


-ix-

P5.2.1.6 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm,
Q=936kg/m2h ............................................................................................PL72
P5.2.1.7 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm,
Q=Q=1404kg/m2h ....................................................................................PL 73
P5.2.1.8 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm,
Q=Q=1404kg/m2h ....................................................................................PL 74
P5.2.1.9 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm,
Q=Q=1404kg/m2h ....................................................................................PL 75
P5.2.2 Độ giảm khối lượng....................................................................PL 77
P5.2.2.1 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=Q=468kg/m2hPL 78
P5.2.2.2 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=936kg/m2h...PL 79
P5.2.2.3 Kiểm đònh độ suy giảm khối lượng với Q=Q=1404kg/m2hPL 81
P5.2.3 Thành phần khí..............................................................................PL 82
P5.2.3.1 Kiểm đònh thành phần khí với Q=Q=468kg/m2h ..............PL 84
P5.2.3.2 Kiểm đònh thành phần khí với Q=936kg/m2h....................PL 87
P5.2.3.3 Kiểm đònh thành phần khí với Q=Q=1404kg/m2h ............PL 90


-x-

Danh mục các kí hiệu viết tắt
ms

khối lượng rắn,

kg

Cp,s

nhiệt dung riêng của chất rắn,

J/kg.độ

As

bề mặt riêng chất rắn,

m2

Tg

nhiệt đội trong pha liên tục,

es

độ phát xạ của chất rắn

TR

nhiệt độ bức xạ,

I

nhiệt bức xạ riêng

kc

hệ số cấp khối

m/s

psat

áp suất hơi bảo hòa,

Pa

R

hằng số khí lý tưởng,

J.mol.độ

Xi

phần mol của cấu tử i.

p0

áp suất làm việc,

rvol

tốc độ bay hơi,

kg/s

ms

khối lượng chất đốt tại thời gian t,

kg

ms,0

khối lượng ban đầu của chất đốt,

kg

rtar

tốc độ phản ứng của hơi nhựa đường,

kg/s

Te

nhiệt độ trung bình tại thời điểm tính toán,

K

Tf

nhiệt độ của pha khí,

rchar,

tốc độ phản ứng của than,

K
K
W/m2

Pa

K
kg/s

mchar khối lượng than còn lại,

kg

ps,O2 áp suất riêng phần của ôxy trên bề mặt rắn,

Pa

J

thông lượng khuếch tán riêng,

[mol m-2 s-1]

D

hệ số khuếch tán,

[m2 s-1]

x

vò trí,

ka

hằng số biểu thò sự hấp thu bức xạ,

Eb

hệ số phát xạ vật thể đen

Pr

chuẩn số Prandtl

Re

chuẩn số Reynolds,

[m]
[m-1]


-xi-

kf,Kg hệ số dẫn nhiệt của pha khí,

W/m.độ.

ls

kích thước đặc trưng của vật liệu,

m

Sh

chuẩn số Sherwood

Sc

chuẩn số Schmidt

r

tốc độ tiêu huỷ của vật liệu,

kg/s

k0

hằng số tốc độ trong phương trình Arrhenius

s-1

mair

lượng không khí cần thiết cho sự cháy,

kg/s

1

hệ số đối lưu nhiệt,

W/m2.độ



hằng số Stefan-Boltzmann,  = 5,67.10-8,

f

độ nhớt động học của chất khí,

bulk

khối lượng riêng xốp,

W/m2.độ4
m2/s
kg/m3


-xii-

Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Vò trí đo nhiệt độ và khí trong thiết bò .............................................34
Bảng 2.2 Danh sách các đầu dò nồng độ khí sử dụng ...............................35
Bảng 2.3 Nồng độ khí chuẩn ..............................................................................35
Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát .......................................................45
Bảng 3.2 Phân tích cơ bản (căn bản khô) .......................................................46
Bảng 3.3 Nhiệt trò (HHV)......................................................................................46
Bảng 5.1 Kết quả đánh giá sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng ....120
Bảng 5.2 Kết quả đánh giá sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng đối
với đại lượng độ suy giảm khối lượng và nồng độ khối lượng CO trong
khí cháy..................................................................................................................128
Bảng P5.1 Giá trò nhập vào ban đầu cho chương trình CIS ........................PL60
Bảng P5.2 Nhiệt độ cháy trung bình trong cột với Q=Q=468, 936, và
Q=1404kg/m2h ......................................................................................................PL62


-xiii-

Danh mục các hình vẽ, đồ thò
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bò lò đốt vỉ lò di chuyển ................................12
Hình 1.4 Mô hình cháy vật liệu rắn trên ghi lò di chuyển...............................13
Hình 1.5 Sơ đồ vận động theo thời gian của cột nhiên liệu.............................14
Hình 1.6 Thiết bò lò đốt tónh hai cấp .....................................................................15
Hình 1.7 Sơ đồ thay đổi thể tích của vật liệu rắn trong quá trình cháy.........20
Hình 2.1 Lược đồ logic tiếp cận hệ thống thiết bò đốt chất thải rắn...........24
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bò phân tích nhiệt vi sai .........................................26
Hình 2.3 Thiết bò phân tích nhiệt vi sai ...................................................................27
Hình 2.4 Thiết bò đốt kiểu cột nhồi ......................................................................29
Hình 2.5 Cấu tạo thiết bò thí nghiệm ......................................................................30
Hình 2.6 Thiết bò ghi nhận dữ liệu.........................................................................32

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bò đốt kiểu cột nhồi .........................................33
Hình 2.8 Vật liệu đã sử dụng trong thí nghiệm ...................................................36
Hình 3.3 Đường cong TG của khăn giấy................................................................45
Hình 3.4 TG của cáctông .........................................................................................45
Hình 3.5 Đường cong TG của gỗ thông .................................................................45
Hình 3.6 TG của cỏ tranh...........................................................................................45
Hình 3.7 Đường cong TG của rơm.............................................................................45
Hình 3.8 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của khăn giấy .47
Hình 3.9 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của cáctông .....47
Hình 3.10 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của gỗ thông..47
Hình 3.11 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của cỏ tranh ....47
Hình 3.12 Độ chuyển hoá và vi phân của độ chuyển hoá của rơm .............48
Hình 3.13 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với không khí Q=468kg/m2h .....51
Hình 3.14 Độ giảm khối lượng theo thời gian.......................................................52
Hình 3.15 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=1404kg/m2h .......................53
Hình 3.16 Độ giảm khối lượng theo thời gian.......................................................53


-xiv-

Hình 3.17 Giá trò IFS trong các thí nghiệm Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h...54
Hình 3.18 Giá trò BR và SBR trường hợp Q=468; Q=1404 kg/m2h ......................55
Hình 3.19 Khối lượng chất trong từng giai đoạn Q=468 và Q=1404 kg/m2h ......56
Hình 3.20 Khối lượng vật liệu còn lại sau quá trình bắt cháy ........................58
Hình 3.21a Thành phần khí trong thí nghiệm Q=468 kg/m2h..................................59
Hình 3.21b Thành phần khí trong thí nghiệm Q=1404 kg/m2h................................59
Hình 3.22 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian tại các vò trí trong cột nhồi......60
Hình 3.23 Độ giảm khối lượng theo thời gian.......................................................61
Hình 3.24 IFS trong Q=468 kg/m2h...............................................................................61
Hình 3.25 Tốc độ cháy theo thời gian ....................................................................62

Hình 3.26 Nhiệt độ các vò trí trong cột theo thời gian .........................................62
Hình 3.27 Độ giảm khối lượng trong cột theo thời gian......................................63
Hình 3.28 Diễn biến IFS theo thời gian....................................................................63
Hình 3.29 Tốc độ cháy theo thời gian ....................................................................64
Hình 3.30 Khối lượng vật liệu tiêu huỷ hoặc sinh ra .........................................64
Hình 3.31 Khối lượng chất còn lại trên ghi ..........................................................65
Hình 3.32 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=468 kg/m2h...............65
Hình 3.33 Thành phần khí cháy với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h.............66
Hình 3.34 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=468kg/m2h....................................67
Hình 3.35 Diễn biến độ suy giảm khối lượng theo thời gian với Q=468kg/m2h...........67
Hình 3.36 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian với Q=1404kg/m2h..................................68
Hình 3.37 Độ suy giảm khối lượng với Q=1404kg/m2h................................................68
Hình 3.38 Nồng độ khí cháy với Q=468kg/m2h.....................................................69
Hình 3.39 Nồng độ khí cháy với Q=1404kg/m2h...................................................70
Hình 3.40 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian trong trường hợp 1.......................71
Hình 3.41 Diễn biến độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 1....................71
Hình 3.43 Độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 2 .......................................72
Hình 3.44 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 1 ..................................................72
Hình 3.46 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 1 ...............................74


-xv-

Hình 3.47 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 1................................................75
Hình 3.48 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 2 ...............................75
Hình 3.49 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 2................................................75
Hình 3.50 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 3 ...............................76
Hình 3.51 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 3................................................76
Hình 3.52 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 1 ..................................................77
Hình 3.53 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 2 ..................................................77

Hình 3.54 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 3 ..................................................77
Hình 5.1 Lưu đồ của thuật toán phân ly ...............................................................98
Hình 5.2 Lưới giới hạn tính toán.............................................................................99
Hình 5.3 Màn hình giao diện chính của chương trình..............................................110
Hình 5.4a Giao diện nhập vật liệu trong CIS..........................................................111
Hình 5.4b Giao diện tính chất vật liệu ....................................................................111
Hình 5.4c Giao diện điều kiện vận hành...............................................................112
Hình 5.5a Diễn biến nhiệt độ tại các vò trí trong cột.........................................112
Hình 5.5b Khối lượng vật liệu còn lại trên ghi lò .............................................113
Hình 5.5c Thành phần khí cháy ...............................................................................113
Hình 5.5d Tóm tắt các thông số kỹ thuật của quá trình ................................114
Hình 5.6 Diễn biến nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm tại các vò trí ........115
Hình 5.7 Diễn biến độ suy giảm khối lượng mô phỏng và thực nghiệm ....123
Hình 5.8 Diễn biến nồng độ khối lượng CO trong khí cháy ..............................124
Hình 5.9 Tốc độ bắt cháy........................................................................................129
Hình 5.10 Tốc độ cháy của vật liệu trong giai đoạn bắt cháy........................130
Hình 5.11 Tốc độ cháy của toàn bộ quá trình...................................................130
Hình 5.12 Vận tốc bắt cháy ....................................................................................131
Hình 5.13 Tỉ lệ cấp khí tương đương (ER) trong giai đoạn bắt cháy...................131
Hình 5.14 Tốc độ bắt cháy......................................................................................132
Hình 5.15 Tỉ lệ cấp khí tương đương ER ..................................................................133
Hình 5.16 Quan hệ giữa tốc độ cháy và kích thước hạt...................................133


-xvi-

Hình 5.17 Quan hệ ER và kích thước hạt................................................................135
Hình 5.18a,b Quan hệ giữa thành phần khí cháy và kích thước hạt ................135
Hình 5.19 Quan hệ giữa tốc độ cháy và nhiệt trò .............................................136
Hình 5.20 Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương và nhiệt trò.......................................136

Hình 5.21a,b Quan hệ thành phần các chất khí và nhiệt trò .............................137
Hình 5.22 Tương quan tốc độ cháy và độ rỗng của cột ..................................137
Hình 5.23 Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương với độ rỗng.....................................138
Hình 5.23 a,b Quan hệ giữa thành phần khí và độ rỗng ...................................138
Hình P1.1 Cân phân tích mẫu...................................................................................1
Hình P1.2 Thiết bò sấy ...............................................................................................2
Hình P1.3 Thiết bò lò nung xác đònh khối lượng tro............................................3
Hình P1.4 Lò nung ống xác đònh khối lượng các chất hữu cơ bay hơi ...........4
Hình P1.5 Lò đốt cho thí nghiệm phân tích cơ bản ..............................................5
Hình P1.6 Sơ đồ thiết bò xác đònh thành phần C và H ......................................5
Hình P1.7 Bình hấp thu................................................................................................6
Hình P1.8 Thiết bò đo nhiệt trò..................................................................................7
Hình P1.9 Sơ đồ bố trí bom nhiệt .............................................................................8
Hình P1.10 Bom nhiệt..................................................................................................8
Hình P2.1 Thể tích kiểm soát trong không gian 1 chiều.......................................12
Hình P2.2 Thể tích kiểm soát trong không gian 3 chiều.......................................13
Hình P2.4 Thể tích kiểm soát vô hướng được sử dụng trong sai phân các
phương trình liên tục ...................................................................................................20
Hình P2.5 Sơ đồ thuật toán SIMPLE trong dòng không ổn đònh ......................21
Hình P2.6 Sơ đồ tính toán của TDMA trong hai hướng.........................................24
Hình P5.4a Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=468 kg/m2h......63
Hình P5.4b Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là 936 kg/m2h...........64
Hình P5.4c Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=1404 kg/m2h....64
Hình P5.5a Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp Q=468 kg/m2h .............77
Hình P5.5b Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp 936 kg/m2h ..................77


-xvii-

Hình P5.5c Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h ...........77

Hình P5.6a Nồng độ các khí trong trường hợp Q=468 kg/m2h .............................82
Hình P5.6b Nồng độ các chất khí trong 936 kg/m2h ..............................................83
Hình P5.6c Nồng độ khí với không khí sơ cấp Q=1404 kg/m2h ..........................84


-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


-2-

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 án Tiến só “Phân tích hệ thống quá trình đốt chất thải công
nghiệp đặc trưng” được đề xuất thực hiện phối hợp tại 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) 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);
 Quá trình đốt: đốt nhiệt phân chất thải rắn;
 Phương pháp mô hình hóa quá trình đốt nhiệt phân chất thải rắn;
 Chương trình mô phỏng quá trình cháy chất thải rắn.
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;


-3-

 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;
 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình cháy của vật
liệu rắn theo phương pháp phân tích hệ thống;
 Xây dựng chương trình mô phỏng nghiên cứu quá trình đốt vật
liệu rắn theo phương pháp thể tích hữu hạn;
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.
 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.
 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.
 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.
 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.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

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 phân tích hệ thống. Các phương pháp được vận dụng để


-4-

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.
 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.
 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.
 Phương pháp xây dựng và 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.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC
 Đây là nghiên cứu đầu tiên ở trong và ngoài nước cho đến nay đã
vận dụng nhất quán phương pháp Phân tích Hệ thống với tư cách là

một tác vụ chiến lược của phương pháp luận Tiếp cận Hệ thống để
nghiên cứu quá trình đốt vật liệu rắn “chất thải của chất thải” trên
đối tượng thiết bò lò đốt kiểu cột nhồi.
 Mô tả toán học quá trình cháy của vật liệu rắn trong thiết bò đốt
kiểu cột nhồi đã được xây dựng trên cơ sở khai thác biểu đạt toán
học tổng quát của các quá trình đa phân tán là phương trình cân
bằng tính chất tập đoàn hạt.
 Các nghiên cứu thực nghiệm đối với một số chất thải rắn đặc
trưng của quá trình phân loại tái chế rác thải đã đóng góp vào sự
hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình cháy các loại vật liệu đó thông
qua các phương trình động học thu được.


-5-

 Việc xây dựng và xác đònh được các đại lượng hóa-lý đóng vai trò
các thông số kiểm soát quá trình cháy như tốc độ cháy trung bình
(ABR), Tốc độ cháy nghiêm ngặt (SBR), kết hợp với các đại lượng
tốc độ cháy lan (IFS), tốc độ bắt cháy (IR), tốc độ cháy (BR) trở
thành nghiên cứu đầu tiên thể hiện sự hiểu biết tường tận quá
trình cháy trong thiết bò đốt kiểu cột nhồi. Nhờ thế, kết quả nghiên
cứu của luận án đã góp phần nâng cao vò thế nghiên cứu công
nghệ đốt chất thải của Việt Nam lên tầm cấp khu vực và Đông
Nam Á thể hiện qua các công trình đã công bố trong hội nghò RSCE
2006 tại Singapore, Hội nghò lần thứ 21 về Công nghệ Hóa học của
Malaysia năm 2007 và tạp chí công nghệ Hóa học của ASEAN năm
2008 và Hội nghò về Công nghệ Hóa học ASEAN lần 2 năm 2009.
 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.
7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
 Thiết bò đốt kiểu cột nhồi được nghiên cứu trong luận án có thể
được triển khai ứng dụng cho 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. Với việc vận dụng thành công
phương pháp luận Tiếp cận hệ thống thông qua tác vụ phân tích hệ
thống để xây dựng mô tả toán học, phương pháp nghiên cứu này
đã được triển khai ứng dụng xây dựng mô tả toán học trong đề tài
"Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đốt nhiệt phân để xử lý chất


-6-

thải rắn nguy hại tại TP.HCM" và đề tài "Nghiên cứu ứng dụng quá
trình nhiệt phân để xử lý thành phần hữu cơ trơ trong chất thải rắn
sinh hoạt tại TP.HCM theo hướng sản xuất nhiên liệu".
 Đối tượng nghiên cứu trong luận án là các chất thải đã được phân
loại để tái chế và tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu của đề tài đã
góp phần giải quyết sức ép của các bãi chôn lấp rác, đặc biệt
là trong lónh vực kết hợp đốt rác và sản xuất điện năng, phục vụ
nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp.


-7-

CHƯƠNG

1: TỔNG QUAN

1.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Trong vài thập niên gần đây, cùng với việc phát triển kinh tế xã hội,
thải lượng chất thải rắn tăng lên đang trở thành một trong những vấn
đề bức xúc của tất cả các nước trên thế giới. Theo thống kê năm
2003-2004 của Bộ Môi trường, Nông nghiệp và Thực phẩm của Vương
Quốc Anh (DEFRA), tổng khối lượng chất thải rắn hàng năm tại Vương
Quốc Anh khoảng 434 triệu tấn, khối lượng chất thải rắn tại 15 nước
thuộc Cộng đồng Châu Âu khoảng 2 tỉ tấn/năm [1, 2]. Tại Mỹ, tổng
lượng chất thải rắn trên toàn nước Mỹ theo thống kê năm 1996 khoảng
trên 3 tỉ tấn/năm [3]. Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê của Công ty
Môi trường Đô thò TP.HCM, khối lượng rác sinh hoạt chiếm khoảng 6000
tấn/ngày, tương đương 2 triệu tấn rác sinh hoạt/năm.
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]:
6%

1%
Chất thải xây dựng

15%

31%

Chất thải nơng nghiệp
Chất thải khống sản
Chất thải sản xuất

Chất thải sinh hoạt

16%

Chất thải sản xuất năng
lượng

31%

Hình 1.1 Cơ cấu thành phần chất thải rắn