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

-i-

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận án này là do chính tôi


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
 

2.2.1 Phân tích nhiệt vi sai.............................................................................26
 
2.2.2 Thí nghiệm trên thiết bò lò đốt cột nhồi ...............................................30
 
2.2.2.1 Thiết lập hệ thống thí nghiệm .......................................................30
 
2.2.5.2 Buồng đốt.......................................................................................32
 
2.2.2.3 Thu mẫu nhiệt độ và thành phần khí.............................................33
 
2.2.2.4 Cấp khí...........................................................................................34
 
2.2.2.5 Thiết bò phân tích khí và đọc dữ liệu.............................................34
 
2.2.2.6 Phương thức tiến hành thực nghiệm trên thiết bò cột nhồi ............35
 
2.3 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU .........................................................................38
 
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................40
 
3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ...............................40
 
3.1.1 Kết quả phân hoạch hệ thống...............................................................40
 
3.1.2 Phân tích đònh tính cấu trúc hệ thống...................................................41
 
3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỔNG QUÁT, THÀNH PHẦN
CƠ BẢN, NHIỆT TRỊ.......................................................................................
45
 

4.2.1.2 Phương trình bảo toàn động lượng.................................................87
 
4.2.1.3 Phương trình bảo toàn năng lượng.................................................88
 
4.2.1.4 Phương trình bảo toàn cấu tử trong pha khí...................................90
 
4.2.2 Mô tả toán học cho hệ dò thể một hạt và hệ đồng thể (lớp hai và ba).91
 
4.2.3 Mô hình truyền nhiệt bức xạ trong pha rắn..........................................94
 
4.2.4 Mô hình truyền nhiệt và truyền khối giữa hai pha...............................94
 
4.2.5 Mô tả toán học thiết bò đốt kiểu cột nhồi.............................................95
 
4.2.6 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên...................................................97
 
4.2.6.1 Đối với pha khí ..............................................................................97
 
4.2.6.2 Đối với pha rắn..............................................................................97
 
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỐT
HỖN HP VẬT LIỆU RẮN TRONG THIẾT BỊ ĐỐT KIỂU CỘT NHỒI .........
99
 
5.1 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN....................................................99
 
5.2 THUẬT TOÁN PHÂN LY GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH.........................100
 
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

 
5.4.2.3 Kiểm đònh nồng độ khối lượng của CO trong khí cháy...............126
 
5.5 ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH.....................132
 
5.5.1 Tốc độ bắt cháy ..................................................................................132
 
5.5.2 Tốc độ cháy ........................................................................................133
 
5.5.3 Tỉ lệ cấp khí trong giai đoạn bắt cháy................................................134
 
5.6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG CỘT NHỒI SỬ DỤNG CIS135
 
5.6.1 Ảnh hưởng của lượng không khí cung cấp đến tốc độ cháy...............135
 
5.6.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt............................................................136
 
5.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt trò......................................................................139
 
5.6.4 Ảnh hưởng của độ rỗng khối hạt........................................................140
 
5.7 KẾT LUẬN ...............................................................................................141
 
KẾT LUẬN .........................................................................................................143
 
1. KẾT LUẬN .................................................................................................143
 
2. TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ..................................144
 
2. 1 Tính khoa học của đề tài ......................................................................144

 
P2. PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN VÀ CÁC THUẬT GIẢI.............PL9
 
P2.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN (FVM) ............PL9
 
P2.1.1 Lưới tổng quát .................................................................................PL9
 
P2.1.2 Sai phân hóa..................................................................................PL10
 
P2.1.3 Rời rạc hoá phương trình tích phân ...............................................PL11
 
P2.2 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP FVM.....PL13
 
P2.2.1 Thuật toán SIMPLE.......................................................................PL14
 
P2.2.2 Thuật toán ma trận ba đường chéo TDMA (The tri-diagonal matrix
algorithm) .................................................................................................PL
19
 
P3. DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM .......................................................................PL22
 
P3.1 Hỗn hợp giấy, Q=Q=468kg/m
2
h, m=1kg..........................................PL22
 
P3.2 Hỗn hợp giấy, Q=936kg/m
2
h, m=1kg...............................................PL33
 
P3.3 Hỗn hợp giấy, Q=Q=1404kg/m

 
P5.2.1.1 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm,
Q=Q=468kg/m
2
h...................................................................................PL63
 
P5.2.1.2 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm,
Q=Q=468kg/m
2
h...................................................................................PL64
 
P5.2.1.3 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm, Q=Q=468kg/m
2
h65
 
P5.2.1.4 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm, Q=936kg/m
2
hPL67
 
P5.2.1.5 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 32cm, Q=936kg/m
2
hPL68
 
P5.2.1.6 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 8cm, Q=936kg/m
2
hPL69
 
P5.2.1.7 Kiểm đònh theo thông số nhiệt độ tại vò trí 56cm,
Q=Q=1404kg/m
2

h....................PL81
 
P5.2.3.2 Kiểm đònh thành phần khí với Q=936kg/m
2
h.........................PL84
 
P5.2.3.3 Kiểm đònh thành phần khí với Q=Q=1404kg/m
2
h..................PL87
 
-ix-

Danh mục các kí hiệu viết tắt
m
s
khối lượng rắn, kg
C
p,s
nhiệt dung riêng của chất rắn, J/kg.độ
A
s
bề mặt riêng chất rắn, m
2

T
g
nhiệt đội trong pha liên tục, K
e
s
độ phát xạ của chất rắn

tar
tốc độ phản ứng của hơi nhựa đường, kg/s
T
e
nhiệt độ trung bình tại thời điểm tính toán, K
T
f
nhiệt độ của pha khí, K
r
char,
tốc độ phản ứng của than, kg/s
m
char
khối lượng than còn lại, kg
p
s
,
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, [m
2
s
-1
]
x vò trí, [m]

α
1
hệ số đối lưu nhiệt, W/m
2
.độ
σ hằng số Stefan-Boltzmann, σ = 5,67.10
-8
, W/m
2
.độ
4

ν
f
độ nhớt động học của chất khí, m
2
/s
ρ
bulk
khối lượng riêng xốp, kg/m
3-xi-

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
 

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 2.4 Sơ đồ cấu tạo thiết bò phân tích nhiệt vi sai ...............................................26
 
Hình 2.5 Thiết bò phân tích nhiệt vi sai.....................................................................27
 
Hình 2.6 Thiết bò đốt kiểu cột nhồi ...........................................................................32
 
Hình 2.7 Cấu tạo thiết bò thí nghiệm.........................................................................33
 
Hình 2.8 Thiết bò ghi nhận dữ liệu ............................................................................35
 
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống thiết bò đốt kiểu cột nhồi...................................................36
 
Hình 2.10 Vật liệu đã sử dụng trong thí nghiệm.......................................................39
 
Hình 3.1 Đường cong TG của khăn giấy...................................................................48
 
Hình 3.2 TG của cactông...........................................................................................48
 
Hình 3.3 Đường cong TG của gỗ thông.....................................................................48
 
Hình 3.4 TG của cỏ tranh ..........................................................................................48
 
Hình 3.5 Đường cong TG của rơm.............................................................................48
 

Hình 3.16 Giá trò BR và SBR trường hợp Q=468; Q=1404 kg/m
2
h...........................58
 
Hình 3.17 Khối lượng chất trong từng giai đoạn Q=468 và Q=1404 kg/m
2
h............59
 
Hình 3.18 Khối lượng vật liệu còn lại sau quá trình bắt cháy ..................................61
 
Hình 3.19a Thành phần khí trong thí nghiệm Q=468 kg/m
2
h ...................................62
 
Hình 3.19b Thành phần khí trong thí nghiệm Q=1404 kg/m
2
h .................................62
 
Hình 3.20 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian tại các vò trí trong cột nhồi .................63
 
Hình 3.21 Độ giảm khối lượng theo thời gian...........................................................64
 
Hình 3.22 IFS trong Q=468 kg/m
2
h...........................................................................64
 
Hình 3.23 Tốc độ cháy theo thời gian.......................................................................65
 
Hình 3.24 Nhiệt độ các vò trí trong cột theo thời gian...............................................65
 

Hình 3.35 Độ suy giảm khối lượng với Q=1404kg/m
2
h..............................................71
 
Hình 3.36 Nồng độ khí cháy với Q=468kg/m
2
h ........................................................72
 
-xiv-

Hình 3.37 Nồng độ khí cháy với Q=1404kg/m
2
h ......................................................73
 
Hình 3.38 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian trong trường hợp 1..............................74
 
Hình 3.39 Diễn biến độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 1.............................74
 
Hình 3.41 Độ suy giảm khối lượng trong trường hợp 2.............................................75
 
Hình 3.42 Nồng độ khí cháy trong trường hợp 1.......................................................75
 
Hình 3.44 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 1 ......................................77
 
Hình 3.45 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 1.....................................................78
 
Hình 3.46 Diễn biến nhiệt độ theo thời gian, trường hợp 2 ......................................78
 
Hình 3.47 Độ suy giảm khối lượng, trường hợp 2.....................................................78
 

Hình 5.6 Diễn biến nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm tại các vò trí ......................118
 
Hình 5.7 Diễn biến độ suy giảm khối lượng mô phỏng và thực nghiệm..................126
 
-xv-

Hình 5.8 Diễn biến nồng độ khối lượng CO trong khí cháy .....................................127
 
Hình 5.9 Tốc độ bắt cháy..........................................................................................132
 
Hình 5.10 Tốc độ cháy của vật liệu ..........................................................................133
 
Hình 5.11 Tốc độ cháy của toàn bộ quá trình...........................................................133
 
Hình 5.12 Vận tốc bắt cháy.......................................................................................134
 
Hình 5.13 Tỉ lệ cấp khí tương đương (ER) trong giai đoạn bắt cháy ........................134
 
Hình 5.14 Tốc độ bắt cháy........................................................................................135
 
Hình 5.15 Tỉ lệ cấp khí tương đương ER...................................................................136
 
Hình 5.16 Quan hệ giữa tốc độ cháy và kích thước hạt ............................................136
 
Hình 5.17 Quan hệ ER và kích thước hạt..................................................................138
 
Hình 5.18a,b Quan hệ giữa thành phần khí cháy và kích thước hạt .........................138
 
Hình 5.19 Quan hệ giữa tốc độ cháy và nhiệt trò......................................................139
 

Hình 3.2.10 Bom nhiệt ..............................................................................................PL8
 
Hình P1.1 Thể tích kiểm soát trong không gian 1 chiều...........................................PL9
 
Hình P1.2 Thể tích kiểm soát trong không gian 3 chiều...........................................PL10
 
Hình P1.4 Thể tích kiểm soát vô hướng được sử dụng trong sai phân các phương
trình liên tục ..............................................................................................................PL
17
 
Hình P1.5 Sơ đồ thuật toán SIMPLE trong dòng không ổn đònh ..............................PL18
 
Hình P1.6 Sơ đồ tính toán của TDMA trong hai hướng ............................................PL21
 
Hình P4.4a Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=468 kg/m
2
h..............PL60
 
Hình P4.4b Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là 936 kg/m
2
h...................PL61
 
Hình P4.4c Nhiệt độ trong trường hợp không khí sơ cấp là Q=1404 kg/m
2
h............PL61
 
Hình P4.5a Độ giảm khối lượng với không khí sơ cấp Q=468 kg/m
2
h .....................PL74
 

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
-2-

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

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 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 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 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

loại chất thải rắn tương tự ở Việt Nam.
-6-

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 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

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
Âu
Mỹ Các quốc gia Đông Á
(World Bank, 1999)
(DEFRA,
2004)
(Eurostat
, 2004)
( EPA,
2003)
Thu
nhập
cao
Thu
nhập
trung
bình
Thu
nhập
thấp
1.