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
--------------XW--------------

LÊ ANH KIÊN

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUÁ TRÌNH
ĐỐT NHIỆT PHÂN CHẤT THẢI RẮN
CÔNG NGHIỆP ĐẶC TRƯNG
Chuyên ngành: Máy và Thiết Bị 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 Thị 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 Bị 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, Đại học Quốc Gia TP. Hồ
Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này.


-iii-

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 thị.............................................................................. xii 
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.............................................................................. 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 


-iv-

2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống thiết bị lò đốt chất thải rắn ................22 
2.1.2 Phương pháp phân hoạch hệ thống.......................................................25 

2.1.2 Phương pháp phân tích định tính cấu trúc hệ thống .............................25 
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 bị 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 bị phân tích khí và đọc dữ liệu .............................................31 
2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bị 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 định 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 định thành phần nhiệt vật lý (nhiệt trị) .........................................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 


-v-

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 dị thể đa phân tán (lớp bốn)...................................82 
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 dị 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 bị 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 

-vi-

5.3.4 Sai phân các phương trình bảo toàn động lượng ................................109 
5.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ........110 
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 định nhiệt độ cháy trong cột vật liệu .................................115 
5.4.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng của vật liệu cháy ................122 
5.4.2.3 Kiểm định 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 CIS132 
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 trị ......................................................................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 

-vii-

P1.1.1 Phân tích khối lượng ẩm ............................................................. PL 1 
P1.1.2 Xác định 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 định ......................................................... PL 4 
P1.2 Phân tích thành phần cơ bản.............................................................. PL 4 
P1.2.1 Xác định thành phần Cacbon và Hiđrô ...................................... PL 5 
P1.2.2 Thành phần ôxy trong mẫu......................................................... PL 7 
P1.3 Phân tích nhiệt trị của mẫu ................................................................ PL 7 
P1.4 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai.................................................... PL 9 
P2. PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN VÀ CÁC THUẬT GIẢI .......... PL 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 FVM.... PL 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 (χ2)............... PL 61 
P5.1 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN KHI BÌNH PHƯƠNG (χ2).................... PL 61 
P5.1.1 Tiêu chuẩn Khi bình phương (χ2) ............................................. PL 61 

P5.1.2 Xác xuất phù hợp...................................................................... PL 61 
P5.1.3 Giả thuyết “không” .................................................................. PL 62 


-viii-

P5.1.4 Áp dụng kiểm định 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 định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm,
Q=Q=468kg/m2h .................................................................................. PL 66 
P5.2.1.2 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm,
Q=Q=468kg/m2h .................................................................................. PL 67 
P5.2.1.3 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=Q=468kg/m2h68 
P5.2.1.4 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm, Q=936kg/m2h
PL70 
P5.2.1.5 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm, Q=936kg/m2hPL71 
P5.2.1.6 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm, Q=936kg/m2hPL72 
P5.2.1.7 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 56cm,
Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................ PL 73 
P5.2.1.8 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 32cm,
Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................ PL 74 
P5.2.1.9 Kiểm định theo thông số nhiệt độ tại vị trí 8cm,
Q=Q=1404kg/m2h ................................................................................ PL 75 
P5.2.2 Độ giảm khối lượng...................................................................... PL 77 
P5.2.2.1 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=468kg/m2h ..... PL 78 
P5.2.2.2 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=936kg/m2h .......... PL 79 
P5.2.2.3 Kiểm định độ suy giảm khối lượng với Q=Q=1404kg/m2h ... PL 81 
P5.2.3 Thành phần khí............................................................................. PL 82 

P5.2.3.1 Kiểm định thành phần khí với Q=Q=468kg/m2h................... PL 84 
P5.2.3.2 Kiểm định thành phần khí với Q=936kg/m2h........................ PL 87 
P5.2.3.3 Kiểm định thành phần khí với Q=Q=1404kg/m2h................. PL 90 


-ix-

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,

K

es

độ phát xạ của chất rắn

TR

nhiệt độ bức xạ,

K

I

nhiệt bức xạ riêng

W/m2

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,

Pa

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,

K

rchar,

tốc độ phản ứng của than,

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

vị trí,

[m]


-x-

ka

hằng số biểu thị sự hấp thu bức xạ,

Eb

hệ số phát xạ vật thể đen

Pr

chuẩn số Prandtl

Re

chuẩn số Reynolds,

[m-1]

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

α1

hệ số đối lưu nhiệt,

W/m2.độ

σ

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

W/m2.độ4

νf

độ nhớt động học của chất khí,

m2/s

ρbulk

khối lượng riêng xốp,

kg/m3


-xi-

Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Vị trí đo nhiệt độ và khí trong thiết bị ...................................................31 
Bảng 2.2 Danh sách các đầu dò nồng độ khí sử dụng ..........................................32 
Bảng 2.3 Nồng độ khí chuẩn .................................................................................32 
Bảng 3.1 Phân tích thành phần tổng quát .............................................................42 
Bảng 3.2 Phân tích cơ bản (căn bản khô) .............................................................43 
Bảng 3.3 Nhiệt trị (HHV)......................................................................................43 
Bảng 5.1 Kết quả đánh giá sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng ....................117 
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 .........125 
Bảng P5.1 Giá trị nhập vào ban đầu cho chương trình CIS.............................. PL63 
Bảng P5.2 Nhiệt độ cháy trung bình trong cột với Q=Q=468, 936, và

Q=1404kg/m2h.................................................................................................. PL65 


-xii-

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị 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 bị 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 bị đốt chất thải rắn .........................24 
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị phân tích nhiệt vi sai ...............................................26 
Hình 2.3 Thiết bị phân tích nhiệt vi sai .....................................................................27 
Hình 2.4 Thiết bị đốt kiểu cột nhồi ...........................................................................29 
Hình 2.5 Cấu tạo thiết bị thí nghiệm .........................................................................30 
Hình 2.6 Thiết bị ghi nhận dữ liệu ............................................................................32 
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống thiết bị 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 

-xiii-

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 
Hình 3.17 Giá trị IFS trong các thí nghiệm Q=468 kg/m2h và Q=1404 kg/m2h........54 
Hình 3.18 Giá trị 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 vị 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 vị 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 

-xiv-

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 
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 vị 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 vị trí ......................115 
Hình 5.7 Diễn biến độ suy giảm khối lượng mô phỏng và thực nghiệm ..................123 

-xv-

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 
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 trị ......................................................136 
Hình 5.20 Quan hệ giữa tỉ lệ tương đương và nhiệt trị..............................................136 
Hình 5.21a,b Quan hệ thành phần các chất khí và nhiệt trị......................................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 bị sấy ...............................................................................................2 
Hình P1.3 Thiết bị lò nung xác định khối lượng tro ..................................................3 
Hình P1.4 Lò nung ống xác định 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 bị xác định thành phần C và H ..............................................5 
Hình P1.7 Bình hấp thu .............................................................................................6 
Hình P1.8 Thiết bị đo nhiệt trị...................................................................................7 
Hình P1.9 Sơ đồ bố trí bom nhiệt ..............................................................................8 

-xvi-

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 định ..............................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 
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 bị sử
dụng phổ biến là lò đốt có vỉ lò di chuyển (travelling bed).
Thiết bị 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 bị 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


-2-

trong thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển một cách thực sự chuẩn mực với nguyên
tắc thiết bị 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 trị của việc đốt chất thải rắn trong thiết bị
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:
¾ 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);
¾ Thiết bị: lò đốt kiểu cột nhồi (là một mô hình vật thể thu nhỏ của thiết bị
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.
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu đặt ra trong Luận án này là:
¾ Nghiên cứu tính chất của quá trình cháy của hỗn hợp vật liệu rắn trong
thiết bị đốt kiểu cột nhồi;


-3-

¾ Xác định 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;
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Các nội dung nghiên cứu chủ yếu trong luận án này gồm:
¾ 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 định các đặc tính cấu
trúc, cấu tạo vật chất của vật liệu; nghiên cứu quá trình cháy của vật liệu
trên thiết bị đốt kiểu cột nhồi để xác định các thông số của mô hình.
¾ 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


-4-

tích 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:
¾ 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 định được các mô hình vật thể (các thiết bị 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 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


-5-

vật liệu rắn “chất thải của chất thải” trên đối tượng thiết bị lò đốt kiểu cột
nhồi.
• Mô tả toán học quá trình cháy của vật liệu rắn trong thiết bị 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.
• Việc xây dựng và xác định 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 bị đốt kiểu cột nhồi. Nhờ thế,
kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần nâng cao vị 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 nghị RSCE 2006 tại
Singapore, Hội nghị 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 nghị 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.


-6-

7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
• Thiết bị đốt kiểu cột nhồi được nghiên cứu trong luận án có thể được triển
khai ứng dụng cho thiết bị lò đốt có vỉ lò di chuyển và thiết bị 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 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 thị 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


-8-

Hình 1.1 cho thấy lượng chất thải nông nghiệp chiếm tỉ lệ rất lớn, chất thải rắn
sinh hoạt chiếm 6% tổng lượng chất thải hàng năm của các quốc gia công nghiệp
phát triển. Trong khi đó, thực tế tại Việt Nam tỉ lệ chất thải sinh hoạt khá lớn do
chúng bao gồm cả chất thải từ các quá trình khác.
Theo kết quả thống kê của DEFRA (Vương Quốc Anh) , Eurostat (Cộng đồng
châu Âu), EPA (Mỹ), tài liệu thống kê của Ngân hàng Thế giới (1999) đối với
các quốc gia Đông Á, thành phần chất thải sinh hoạt nhìn chung bao gồm: giấy
hỗn hợp, chất thải thực phẩm, vải sợi, cao su nhựa, kim loại, thủy tinh, gỗ, rác
vườn (chỉ có thành phần này đối với các nước công nghiệp châu Âu, Mỹ), các
chất có nguồn gốc hữu cơ, và một vài loại chất thải rắn khác. Tỉ lệ thành phần
các loại vật liệu rắn trong chất thải sinh hoạt được trình bày trong bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1 Tỉ lệ các thành phần trong rác thải sinh hoạt
TT

Thành phần

Anh

Châu

Mỹ

Âu
(DEFRA, (Eurostat
2004)

, 2004)

Các quốc gia Đông Á
(World Bank, 1999)

( EPA,

Thu

Thu

Thu

2003)

nhập

nhập

nhập

cao

trung

thấp

bình
1.

Giấy và cáctông

33

20

35,2

36

15

5

2.

Thực phẩm thải

11

37

11,7

-

-

-

3.

Vải, sợi

5

21

7,4

-

-

-

4.

Nhựa

13

10

11,3

9

11

4

5.

Kim loại

4

5

8

8

3

1