BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNG

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI
TRONG QUÁ TRÌNH THIÊU XÁC GIA CẦM
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204


BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 10.025.204.013
Hướng dẫn khoa học:
TS NGUYỄN THANH HÀO

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Lê Quốc Kháng

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1981

Nơi sinh: Sóc Trăng.

Quê quán: Sóc Trăng

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 448/14 Quốc Lộ 1, Phường 2, TP. Sóc
Trăng, Sóc Trăng.
Điện thoại nhà riêng: 0793.610611
E-mail:[email protected]
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Đại học:



LỜI CẢM TẠ
Trước hết chân thành cảm ơn quý thầy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.
HCM đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt thời gian học vừa qua tại trường. Nhất là
những thầy trong khoa Cơ khí Chế tạo máy đã cung cấp cho tôi những kiến thiết
chuyên môn cần thiết cho tôi hoàn thành luận văn.
Đặc biệt xin cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Hào trường Đại học Công nghiệp
TP.HCM đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian làm luận văn. Thầy đã chuyền
đạt những kiến thức chuyên môn và những tài liệu tham khảo hữu ích cho việc hoàn
thành luận văn của mình.
Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp đã đưa ra những ý kiến đóng góp, ổ
trợ phương tiện cần thiết thực hiện luận văn.
Một lần nữa xin cảm ơn tất cả!
TP.HCM, tháng 10 năm 2012.
Người thực hiện

Nguyễn Lê Quốc Kháng.

Trang iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN.
Luận văn đề cập đến việc xây dựng mô hình tính toán và ứng dụng phần mềm
ANSYS FLUENT trong mô phỏng quá trình xử lý khí thải bên trong tháp hấp thụ.
Phương pháp mô phỏng này dựa trên cơ sở tình toán kết quả xử lý khí thải, Code
Matlab và kết quả mô phỏng trên ANSYS FLUENT. Kết quả tính toán chính là
nồng độ các khí thải SO2, NO2, CO2 trong quá trình thiêu đốt xác gia cầm sinh ra
được xử lý bằng phương pháp hấp thụ với chất hấp thụ được sử dụng là Ca(OH) 2.
Các kết quả tìm được, đem phân tích đối chiếu với kết quả tính toán, Code Matlab

Danh sách các bảng ................................................................................................ xii
Danh sách các hình ................................................................................................ xiv
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. ................................. 1
1.1.1 Nghiên cứu nước ngoài ................................................................................... 1
1.1.1.1 Hệ thống xử lý nhiều tầng ............................................................................ 1
1.1.1.2 Phương pháp loại bỏ SOx và NOx từ hệ thống lò đốt ................................. 2
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................ 4
1.1.2.1 Lò đốt và xử lý khói thải lò đốt chất thải nguy hại ...................................... 4
1.1.2.2 Lò đốt rác y tế .............................................................................................. 6
1.1.3 Các vấn đề khoa học còn tồn tại cần nghiên cứu để giải quyết hiện nay........ 8
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................... 8
1.3 Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ................. 9
1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài ....................................... 9
1.5 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 9
1.6 Kế hoạch thực hiện ........................................................................................... 10
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KHÍ THẢI .............. 11
2.1 Xử lý khí và hơi bằng phương pháp thiêu hủy ................................................ 11
2.1.1 Thiêu hủy bằng nhiệt ..................................................................................... 11

Trang v


2.1.2 Thiêu hủy bằng phương pháp hóa học .......................................................... 11
2.1.3 Thiêu hủy bằng phương pháp đốt ................................................................. 11
2.1.3.1 Đốt không có chất xúc tác .......................................................................... 12
2.1.3.2 Đốt có chất xúc tác ..................................................................................... 12
2.2 Phương pháp ngưng tụ ..................................................................................... 12
2.3 Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ ........................................... 13
2.3.1 Khái quát về hiện tượng hấp phụ .................................................................. 13

3.3.3 Hấp thụ khí CO2 bằng dung dịch kiềm ......................................................... 26
3.3.4 Hấp thụ khí CO2 bằng nước .......................................................................... 26
3.4 Đối với CO ....................................................................................................... 27
Chƣơng 4: TÍNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ 29
4.1 Công suất và thành phần cần thiêu hủy............................................................ 29
4.2 Tính toán lượng vật chất vào lò và ra khỏi lò. ................................................. 29
4.2.1 Cân bằng vật chất. ......................................................................................... 29
4.2.1.1 Lượng vật chất cấp vào lò .......................................................................... 30
4.2.1.1.1 Lượng không khí nạp vào lò ................................................................... 31
4.2.1.1.2 Tổng lượng vật chất vào lò ..................................................................... 34
4.2.1.2 Lượng vật chất ra khỏi lò ........................................................................... 34
4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng .................................................................................... 35
4.2.2.1 Nhiệt lượng đưa vào lò ............................................................................... 36
4.2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng ra khỏi lò ................................................................. 38
4.3 Tính toán thiết kế tháp hấp thụ ........................................................................ 40
4.4 Kết quả code matlab ......................................................................................... 44
Chƣơng 5: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BÊN TRONG THÁP HẤP
THỤ ....................................................................................................................... 45
5.1 Mô hình hóa hệ thống. ..................................................................................... 45
5.2 Mô tả bài toán và điều kiện biên. ..................................................................... 46
5.2.1 Mô tả bài toán................................................................................................ 46
5.2.2 Điều kiện biên ............................................................................................... 47
5.2.2.1 Điều kiện biên vận tốc vào ......................................................................... 47
5.2.2.2 Điều kiện biên áp suất ra ............................................................................ 48
5.3 Sử dung CFD trên ANSYS FLUENT mô phỏng quá trình xử lý bên trong tháp
hấp thụ. ................................................................................................................... 48
5.3.1 Chia lưới tháp hấp thụ ................................................................................... 48
5.3.2 Thiết lập điều kiện mô phỏng ....................................................................... 50
5.3.2.1 Thiết lập điều kiện vận tốc khí thải vào .................................................... 50
5.3.2.2 Thiết lập điều kiện biện vận tốc chất hấp thụ ............................................ 51

5.2.2 Mô hình số (Geometry) ................................................................................. 94
5.2.3 Chia lưới ........................................................................................................ 94
5.2.4 Tiến hành mô phỏng (Setup) ......................................................................... 96
5.2.4.1 Phần cài đặt ................................................................................................ 96
5.2.4.2 Phần Solution ........................................................................................... 102
Trang viii


5.2.4.3 Phần Results ............................................................................................. 104
5.2.4.4 Tháp đường kính 780mm cao 2500mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=1,2m/s .......................................................................................................... 104
5.2.4.5 Tháp đường kính 850mm cao 2800mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=1,0m/s .......................................................................................................... 110
5.2.4.6 Tháp đường kính 950mm cao 3200mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=0,8m/s .......................................................................................................... 115
5.2.4.7 Tháp đường kính 1100mm cao 3700mm vận tốc khí bên trong tháp
vtháp=0,6m/s .......................................................................................................... 120
5.2.5 Kết quả mô phỏng 3 chiều .......................................................................... 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 127

Trang ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3

KÝ HIỆU


GO2lt
GKKTT

O

2

 kk

CÁCH VIẾT ĐẦY ĐỦ
Tiêu chuẩn Việt Nam
Diesel Oil (Dầu diesel)
Quy chuẩn Việt Nam
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất
thải y tế
Nhà xuất bản
Đại học Quốc gia
Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh
Lượng vật chất nạp vào lò
Lượng xác gia cầm tiêu hủy
Lượng dầu DO nạp vào lò
Lượng không khí nạp vào lò
Lượng oxi lý thuyết
Lượng không khí tính toán
Khối lượng riêng của Oxi

17

29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42

Q CCT
Qkhoi
Qtro
Qhoi
QMo
QT
Cd
td
Chn
r
q dc
Gbui
Gtro
Gk
Lk

47
48
49
50
51
52
53
54

dk
vk
h2ln
Gn
dnln
vnln
dvln
dxln
D1ht
H1ht
h1ht
h2ht

55

dddht

56

dxddht


hh,ô
hđ,ô
hf
Pm,h
Pm,d
Pc,h
Pc,d
Pms
Pcb
CMA
KPH
CR
Co
mi
Mi
VR
Vo
x
T
S
P

81

kD

82
83
84
85

Trở kháng cục bộ trên đường ống hút
Trở kháng cục bộ trên đường ống đẩy
Trở lực ma sát trong ống dẫn khói
Trở lực cục bộ trong ống dẫn khói
Calcium Magie Acetate
Không phát hiện
Nồng độ hơi ở đầu ra
Nồng độ hơi ban đầu
Khối lượng của chất i được ngưng tụ
Phân tử lượng của chất
Lưu lượng khí ở đầu ra
Lưu lượng khí ở đầu vào
Nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng
Nhiệt độ làm việc
Diện tích tiếp xúc giữa hai pha
Áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí
Hệ số khuếch tán của chất được hấp thụ trong pha
lỏng
Hằng số
Hằng số khí = 8,31 kJ/kmol.độ
Nhiệt hòa tan của khí
Hằng số cân bằng

Trang xi


PHỤ LỤC:

DANH SÁCH CÁC BẢNG.


Bảng 1: Nhiệt dung riêng và tỷ lệ phần trăm khối lượng thành phần
hỗn hợp khí.............................................................................................................. 58
Bảng 2: Giá trị cơ bản các thông số trong chất lượng môi trường không khí xung
quanh có trong khí thải theo TCVN 5937:2005 ...................................................... 63
Bảng 3: Thông số của qua ̣t hút 1 ............................................................................ 73
Bảng 4: Thông số của qua ̣t hút 2 ............................................................................ 76

Trang xiii


DANH SÁCH CÁC HÌNH.
HÌNH

Trang

Hình 1.1: Hệ thống xử lý khí thải nhiều tầng ........................................................... 1
Hình 1.2: Hệ thống xử lý khí thải Calcium Magnesium Acetate (CMA). ............... 3
Hình 2.1: Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt và đẳng áp .......................................... 15
Hình 4.1: Sơ đồ khối cân bằng vật chất của quá trình cháy xác gia cầm ............... 30
Hình 4.2: Nhập giá trị đầu vào ............................................................................... 45
Hình 4.3: Kết quả Matlab ....................................................................................... 45
Hình 5.1: Các chi tiết chính của tháp hấp thụ ........................................................ 47
Hình 5.2: Mô hình tính toán và điều kiện biên của mô hình ba chiều ................... 48
Hình 5.3: Chia lưới tháp hấp thụ bằng ANSYS ICEM CFD ................................. 50
Hình 5.4: Lưu lượng khí thải tại vị trí ống phun .................................................... 51
Hình 5.5: Lưu lượng khí thải ở độ cao 2m ............................................................. 52
Hình 5.6: Lưu lượng khí thải tại vị trí ống khói ..................................................... 52
Hình 1: Nhập giá trị đầu vào .................................................................................. 92
Hình 2: Kết quả Matlab .......................................................................................... 92



Chương 1: Tổng quan
hấp thụ được tháo ra ngoài, những chất khí còn lại được dẫn qua cyclone phản ứng
với nước thu được acid bên dưới, một số khí thải bốc lên qua buồng chưng cất, các
chất được hấp thụ bằng các phản ứng nhiệt. Khí thải còn lại được đưa đến hệ thống
làm sạch.
Hệ thống lò đốt rác thải dùng dầu cặn và rác thải sinh hoạt làm nhiên liệu là
một qui trình đã được kiểm chứng với chi phí thấp bằng cách sử dụng rác thải như
dạng nhiên liệu dùng để đốt lò không cần hổ trợ. Phương pháp này có thể dùng để
xử lý riêng dầu cặn hoặc có thể sử dụng phối hợp xử lý chất dầu cặn và chất thải
sinh hoạt. Sau khi hấp thụ nhiệt lượng do hơi nước/nhiên liệu tạo ra, hệ thống xử lý
khí thải được sử dụng để loại bỏ bất kỳ chất gây ô nhiễm không khí. Trong các ứng
dụng khác, lên tới 97% lưu huỳnh cho vào. Lò Enders Fluid Bed [2] có thể được
hấp thụ bằng vôi, khi cho thêm vôi trên lò như trong lò cao cho hơi nước than lưu
huỳnh.
Bằng cách sử dụng công nghệ tầng dịch đang sử dụng trên toàn thế giới trong
các nhà máy hóa chất, nhà máy bột giấy và nhà máy xử lý nước thải, chất thải sinh
hoạt để xử lý chất thải lỏng, rắn, hầu hết thu hồi nhiệt hoặc tạo ra điện [2]. Đối với
xử lý chất thải rắn, chất thải sinh hoạt, các chất dễ cháy trong chất thải đều đầu tiên
là tách ra và cắt nhỏ theo yêu cầu rồi cho vào lò. Những chất không thể cháy có thể
tái chế hoặc chôn lấp [2].
Lò đốt đơn giản như là một hệ thống venturi scrubber/hệ thống scrubber thứ
cấp, hoặc một hệ thống phức tạp hơn trong lò có chứa vôi/than hoạt tính, hệ thống
cung cấp vôi và bột than hoạt tính, nhiệt độ khí thải vẫn còn lưu giữ lại trong ống
khói. Trước kia khí thải thường được loại bỏ không lưu giữ lại trong ống khói, đặt
biệt xử lý là HCL, SO2, polychloric acid, polychlorinated dibenzo – P – dioxin, kim
loại nặng và khói bụi.
1.1.1.2 Phƣơng pháp loại bỏ SOx và NOx từ hệ thống lò đốt
Phương pháp này liên quan đến việc hình thành và phản ứng của chất hấp thụ
là canxi magiê acetate (CMA) [20], được dùng để loại bỏ các chất ô nhiễm từ khí


Nguyễn Lê Quốc Kháng

Trang 3


Chương 1: Tổng quan
20. Ngoài ra, khí thải được tiếp xúc với CMA thông qua vòi phun 22 trong máy lọc
hơi 12, tro được thu trong đáy phễu 24 của máy lọc hơi, và các khí thải thoát ra
được lọc trong trở lại đường 26. Tùy thuộc vào nồng độ SO2, phản ứng có thể có
nhiều thuận lợi ở nhiệt độ lạnh hơn ở lối ra của lò hơi.
Cơ chế phản ứng tổng thể là:
CaO( solid )  SO2  12 O2  CaSO4 ( solid )

Khi nhiệt độ được tăng lên, phản ứng nhiệt động lực học không thuận lợi
nhưng sản phẩm được thu hoàn thành với một tốc độ nhanh hơn. Calcium acetate
bay hơi/phản ứng cháy giống như CMA và calcium tự nhiên. Ngoài ra, muối acetate
của cation bất kỳ, ví dụ: Na+, có thể phản ứng như một hàm lượng oxit với các hợp
chất khí của lưu huỳnh có thể được sử dụng trong phương pháp xử lý khói lò.
1.1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc
1.1.2.1 Lò đốt và xử lý khói thải lò đốt chất thải nguy hại
Trong 2 năm 2001 – 2002 Trung tâm Kỹ thuật Môi trường Đô thị và Khu
công nghiệp, Trường Đại Học Xây dựng, được Bộ KHCN & MT, nay là Bộ
KH&CN, giao cho thực hiện đề tài "Nghiên cứu công nghệ lò đốt và xử lý khói
thải lò đốt chất thải công nghiệp nguy hại phù hợp với điều kiện Việt Nam".
Đề tài đã tiến hành điều tra bổ sung đánh giá định lượng chất thải công
nghiệp nguy hại của Hà Nội, nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết kế lò đốt chất
thải rắn công nghiệp nguy hại phù hợp với điều kiện Việt Nam, nghiên cứu thiết kế
và chế tạo thiết bị xử lý khói thải của lò đốt đạt TCVN, chế tạo và lắp đặt lò đốt
chất thải rắn công nghiệp nguy hại thử nghiệm tại khu xử lý chất thải Nam Sơn,