Bộ Công thơng
Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp
Viện Công nghệ
Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN
M số: 243.07.RD/HĐ-KHCN
Tên đề tài:
nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống sấy tầng
sôi công nghiệp phục vụ sấy quặng, khoáng sản Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng
Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài: KS. Phạm văn lành
Hà Nội, 3 2008
Cơ quan chủ trì
Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài
KS. Phạm văn lành
Những ngời tham gia đề tài:
1. Phạm Văn Lành. Viện Công Nghệ
2. Nguyễn Văn Chơng Viện Công Nghệ
3. Hoàng Vĩnh Giang Viện Công Nghệ
4. Nguyễn Văn Việt Viện Công Nghệ
5. Nguyễn Xuân Thắng Viện Công Nghệ
Cơ quan phối hợp:
1. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
2. Tổng Công ty Khoáng sản & Thơng mại Hà Tĩnh
MỤC LỤC
Trang
3.2.5. Bảng cân bằng khối lượng 18
3.2.6. Tính khối lượng riêng của sản phẩm cháy 20
3.2.7. Tính nhiệt độ cháy của nhiên liệu 20
3.2.8. Các kết quả tính toán 22
Phần IV. Cơ sở lý thuyết của lò sấy tầng sôi
23
4.1. Nguyên lý hình thành tầng sôi và đặc điểm lưu động của các hạt rắn
khi hình thành tầng sôi
23
4.1.1. Nguyên lý hình thành tầng sôi 23
4.1.2. T
ốc độ tới hạn, tốc độ bay bụi, tốc độ làm việc 28
4.1.3. Độ nhớt của lớp liệu trong tầng sôi 29
4.1.4. Thời gian lưu liệu sấy trong tầng sôi 29
4.2. Động học quá trình sấy 30
4.2.1. Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy 30
4.3. Cấu tạo của thiết bị sấy tầng sôi 32
Phần V. Tính toán nhiệt cho lò sấy tầng sôi
34
5.1. Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói 34
5.2. Tính toán các thông số đặc trưng của khói 35
5.3. Tính toán các thông số đặc trưng của tác nhân sấy 38
5.4. Tính toán quá trình sấy lý thuyết 42
5.5. Tính và chọn cấu trúc của lò sấy tầng sôi 44
5.6. Tính sơ bộ các thông số động học của lò sấy tầng sôi 49
5.7. Tính toán các tổn thất nhiệt của lò sấy tầng sôi 51
5.8. Tính toán quá trình sấy thực tế 53
5.9. Tính lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy thực t
ế 54
5.10. Kiểm tra lại số sôi ứng với lưu lượng TNS thực tế 55
Đối tượng của quá trình sấy là các vật ẩm là những vật th
ể có chứa một lượng
chất lỏng nhất định. Chất lỏng chứa trong vật ẩm thường là nước. Một số ít vật ẩm
chứa chất lỏng khác là dung môi hữu cơ.
Qua định nghĩa trên ta thấy quá trình sấy yêu cầu các tác động cơ bản đến vật ẩm
là:
- Cấp nhiệt cho vật ẩm làm cho ẩm trong vật hóa hơi.
- Lấy hơi ẩm ra khỏ
i vật và thải vào môi trường.
Ở đây quá trình hóa hơi của ẩm lỏng trong vật là bay hơi nên có thể xẩy ra ở bất
kỳ nhiệt độ nào.
1.1.2. phân biệt quá trình sấy với một số quá trình làm khô khác.
Có một số quá trình có thể làm giảm ẩm trong vật thể nhưng không phải là quá
trình sấy, đó là:
- Vắt ly tâm là quá trình làm giảm ẩm của vật liệu bằng phương pháp cơ học.
Phương pháp này chỉ có th
ể làm cho ẩm tự do thoát ra khỏi vật.
- Cô đặc là phương pháp giảm ẩm của vật thể (dung dịch) bằng cách đun sôi.
Người ta có thể dùng phương pháp sấy phun để sấy dung dịch đường thành bột
đường…Trong sấy phun người ta phun dung dịch thành hạt vô cùng nhỏ. Các hạt nhỏ
tiếp xúc với không khí nóng và ẩm bay hơi vào không khí. Chất rắn trong dung dịch
còn lại là thu được dưới dạng bột.
2
1.1.3. Các phương pháp sấy.
Như đã trình bày ở trên, để sấy khô một vật ẩm cần hai tác động cơ bản: một là
gia nhiệt cho vật làm cho ẩm trong vật hóa hơi (cụ thể là bay hơi ở bất kỳ nhiệt độ
nào), hai là làm cho ẩm thoát ra khỏi vật và thải vào môi trường.
4. Phương pháp sấy dùng điện trường cao tần
2. Phân loại theo chế độ th
ải ẩm
1. Phương pháp sấy dưới áp suất khí quyển
2. Phương pháp sấy chân không
3. Phân loại phương pháp sấy theo cách xử lý không khí
Khi dùng không khí làm môi chất sấy cần xử lý không khí trước khi đưa vào
buồng sấy. Có hai hướng xử lý không khí và gia nhiệt và khử ẩm (hoặc tăng ẩm) có
3
nghĩa là xử lý nhiệt ẩm. Căn cứ vào cách xử lý không khí ta có các phương pháp sấy
sau:
1. Phương pháp sấy dùng nhiệt
2. Phương pháp sấy dùng xử lý ẩm (hút ẩm)
3. Phương pháp kết hợp gia nhiệt và hút ẩm
1.1.4. Các loại thiết bị sấy
1. Thiết bị sấy đối lưu
Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy đối lưu. Đây là phương pháp sấy thông
dụng nh
ất. Thiết bị sấy đối lưu bao gồm: thiết bị sấy buồng, thiết bị sấy hầm, thiết bị
sấy khí động, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy
phun…
2. Thiết bị sấy bức xạ
Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy bức xạ. Thiết bị sấy này dùng thích hợ
p
với một số loại sản phẩm.
3. Thiết bị sấy tiếp xúc
Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy tiếp xúc, gồm 2 kiểu:
- Thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng kiểu tang quay hay lò quay
- Thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng
Các thiết bị dùng để sấy thông dụng như:
1. Thiết bị sấy tầng sôi.
2. Thiết bị sấy phun
3. Thiết bị sấy thùng quay
4. Thiết bị sấy kiểu ống khí động dùng để sấy cát công nghiệ
p
5. Thiết bị sấy thăng hoa.
6. Lò sấy điện
Dưới đây giới thiệu một số thiết bị sấy thông thường được sử dụng ở nước ngoài:
4. gầu tải; 5. thùng sấy; 6. xyclon;
7, 10. ống khói; 8. động cơ điện; 9. băng tải; 84. Thiết bị sấy kiểu ống khí động để sấy cát công nghệ
1. ống sấy khí động; 7. buồng đốt
2. xyclon đơn; 8. quạt gió thổi vật liệu;
3. xyclon kép; 9. động cơ điện;
4. ống hồi sản phẩm sấy; 10. quạt gió hút khí thải;
5. phễu chứa vật liệu sấy; 11. phễu chứa sản phẩm sấy;
6. máy cấp vật liệu sấy; 12. băng tải vận chuyển vật liệu. 10
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG NƯỚC
Thiết bị sấy được sử dụng hầu hết ở tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống thiết
bị sấy là khâu quan trọng trong dây truyền công nghệ sản xuất sản phẩm.
Ở nước ta công nghệ sấy được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: chế
biến lâm sản, nông sản, lượng thực thực phẩm, thủy sản, công nghiệp khai thác mỏ,
ch
ế biến khoáng sản,…các thiết bị dùng để sấy tại các đơn vị thường nhập khẩu đồng
bộ hoặc chế tạo theo yêu cầu cụ thể cho từng loại sản phẩm.
Trong lĩnh vực chế biến khoáng sản quặng ti tan zircon cỡ hạt 50µm-3mm ở
Tổng Công ty khoáng sản và Thương mại Hà Tĩnh đã dùng hệ thống sấy lò quay do
Viện Luyện kim màu thiết kế chế
tạo, lắp đặt.
Ưu điểm của hệ thống sấy lò quay là: đã thực hiện được công nghệ sấy quay
titan, zircol đạt yêu cầu kỹ thuật trong quá trình chế biến khoáng sản,
Tuy nhiên nhược điểm của nó là:
- Nhiên liệu dùng để sấy là than đá nên thực hiện quá trình sấy gây ô nhiễm môi
trường do nhiệt thải và khí thải của than đá như H
2
S, SO
2
, CO, CO
2
,…năng suất trong
quá trình sấy thấp, muốn tăng sản lượng sấy thì cần phải đầu tư nhiều hệ thống sấy,
kinh phí đầu tư lớn và hiệu quả kinh tế không cao, mức độ gây ô nhiễm môi trường
tạo ra thiết bị sấy tầng sôi, công suất khác nhau như 7tấn, 10tấn đến 12tấn/giờ thay thế
hàng nhập khẩu.
Trên cơ sở đã có mẫu lò sấy tầng sôi 10tấn/giờ nhập khẩu từ AUTRALIA, việc
chế tạo được thiết bị trong nước, đạt yêu cầu kỹ thuật thay thế nhập khẩu vớ
i giá thành
thấp hơn giá nhập khẩu dự kiến bằng 50-60%.
Làm được như vậy sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao, chủ động được trong việc sử
dụng, vận hành thiết bị không phụ thuộc vào điều kiện nước ngoài..
Với quan điểm trên Viện Công nghệ đã triển khai đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế
tạo hệ thống sấy tầng sôi công nghiệ
p phục vụ sấy quặng khoáng sản và việc thực hiện
đề tài này không dừng lại ở việc nghiên cứu mà đã tạo ra được hợp đồng kinh tế cung
cấp thiết bị sấy tầng sôi công suất 10tấn/giờ lắp đặt tại Tổng Công ty Khoáng sản và
Thương mại Hà Tĩnh. Hiện tại thiết bị đang được sử dụng ổn định phục vụ sản xu
ất
cho công nghệ sấy quặng khoáng sản.
H
2n – 6
Thành phần nguyên tố của dầu mỏ được trình bày ở bảng 2.1
Bảng 2.1: Thành phần nguyên tố của dầu mỏ
Nguyên tố C H S O
2
và N
2
Thành phần [%]
84 ÷ 85 12 ÷ 14 0,03 ÷ 4,3 0,5 ÷ 1,7
Hàm lượng tro trong dầu mỏ rất thấp và không đáng kể (0,1% ÷ 0,3%). Hàm lượng tro
thấp vì các chất khoáng không hoà tan trong dầu mỏ.
Khối lượng riêng của dầu mỏ dao động trong khoảng rộng: từ 0,75kg/l đến 1kg/l.
Nhiệt trị của dầu mỏ dao động từ 41000 kJ/kg đến 44000 kJ/kg. Khối lượng của dầu
mỏ càng nhỏ thì dầu mỏ đó có nhiệt trị càng lớn.
2.1.2. Các công nghệ tinh luyện dầu mỏ
Trong công nghiệp, dầu thô không được sử dụng làm nhiên liệu vì hai lý do sau :
* Nhiệt độ bắt lửa của dầu thô thấp.
* Nếu đốt dầu thô sẽ không kinh tế vì khi tinh luyện dầu thô, người ta sẽ thu
được những sản phẩm có giá trị quí hơn dầu thô.
Các phương pháp tinh luyện dầu mỏ:
a. Chưng cất phân đoạn trực tiếp:
Chưng cất phân đoạn trực tiếp để làm thoát ra từ dầ
u thô các hợp chất. Các hợp chất
này không thay đổi cấu trúc và tính chất so với khi còn ở trong dầu thô.
b. Cracking dầu mỏ:
Ta nung nóng dầu mỏ tới khoảng 450
0
C ÷ 650
Dầu thô
Thiết bị chưng cất phân đaọn
kiểu chùm ống; P = 1 bar
Xăng Ligroin Dầu hỏa Diezel
Mazut
(Phần còn lại)
Chưng cất phân đoạn
trực tiếp với P
CK
( P< P
0
)
Dầu
bôi
trơn
Mỡ
bôi
trơn
Nhựa
đường
14
Nhóm dầu hỏa
200 ÷ 320 0,80 ÷ 0,83
Dầu diezel (Dầu DO)
230 ÷ 360 0,84 ÷ 0,88
* Thực hiện quá trình hydro hoá để thay đổi cấu trúc của dầu madút.
Theo công nghệ này thì gần như là toàn bộ khối lượng của dầu madút được
chuyển hoá thành các sản phẩm nhẹ.
4
)
2
) v.v. Chất còn lại, sau khi chưng cất nhựa hắc ín là nhựa dầu mỏ (nhựa đường
dạng cứng).
2.1.3. Các sản phẩm từ tinh luyện dầu mỏ
2.1.3.1. Xăng (benzin)
Xăng là sản phẩm quý nhất khi tinh luyện dầu mỏ. Xăng là nhóm hydrocacbon có
nhiệt độ sôi thấp nhất, nhiệt độ sôi của xăng máy bay nằm trong khoảng 40
0
C - 150
0
C,
nhiệt độ sôi của xăng ôtô, môtô nằm trong khoảng 50
0
C - 200
0
C (áp suất 1 bar).
Khối lượng riêng của xăng dao động từ 0,71 đến 0,76 [kg/dm
3
].
2.1.3.2. Ligroin và dầu hỏa
Ligroin và dầu hoả, được sử dụng làm nhiên liệu đốt cho các loại máy kéo. Nhiệt trị
của ligroin và dầu hoả thấp hơn nhiệt trị của dầu mỏ. Nhiệt trị của dầu hoả khoảng
43000 kJ/kg.
2.2. Mazut và các đặc tính của mazut
Mazut là tên gọi chung cho chất còn lại sau khi chưng cất phân đoạn trực tiếp hoặc
cracking dầu mỏ. Mazut được sử dụng làm nhiên liệu đốt.
2.2.1. Thành phần của mazut.
Thành phần nguyên tố chủ yếu của mazut là cacbon và hydro. Cacbon và hydro trong
nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông cứng.
2.2.2. Độ nhớt của mazut.
Độ nhớt hay còn gọi là ma sát trong. Độ nhớt là đặc tính của chất lỏng có tính đối lập
với tính linh động, có nghĩa là đặc tính cản lại sự
chuyển động của các phần tử chất
lỏng khi có lực tác động.
Thiết bị để đo độ nhớt được gọi là nhớt kế hoặc là máy đo độ nhớt. Độ nhớt của dầu
mazut lớn hơn nhiều lần độ nhớt của nước.
Độ nhớt đo bằng độ
0
BY của mazut là tỷ số thời gian chảy của 200 cm
3
mazut ở nhiệt
độ đo và của 200 cm
3
nước ở nhiệt độ 20
0
C. Giá trị của tỷ số này khi nhiệt độ của
mazut bằng 50
0
C được dùng làm nhãn hiệu (mác) cho mazut. Ví dụ mazut có mác là
M100, ta hiểu là tỷ số chảy của 200cm
3
dầu mazut ở 50
0
C và của 200 cm
3
nước ở 20
0
C
Nhiệt độ bắt lửa là nhiệt độ, mà ở nhiệt độ này hơi của mazut hoà trộn với
không khí có thể bắt lửa và cháy ở gần ngọn lửa khác.
Nhiệt độ bắt lửa của mazut vào khoảng 185 - 243 [
0
C].
Nhiệt độ bắt lửa càng cao thì khả năng nung nóng mazut càng an toàn.
Nhiệt độ bắt lửa thấp hơn nhiệt độ bốc cháy. Nhiệt độ bốc cháy là nhiệt độ mà ở
đó, chất lỏng tự bốc cháy.
2.2.4. Nhịêt độ đông cứng của mazut .
Nhịêt độ đông cứng của mazut là một thông số rất quan trọng để đánh giá chất lượng
của dầu mazut. Nhiệt
độ đông cứng của mazut là nhiệt độ mà ở đó mazut mất đi tính
linh động và trở sang trạng thái rắn. Nhiệt độ đông cứng của mazut càng cao thì càng
khó khăn trong việc vận chuyển và bảo quản mazut. Về mùa đông trời lạnh, mazut trở
lên đông cứng ngay trong thùng chứa và trong đường ống dẫn. Để khắc phục điều này,
mazut có độ nhớt cao thường được nung nóng tới nhiệt độ 90
0
C - 120
0
C. Mazut mác
M10 có nhiệt độ đông cứng khoảng 5
0
C, mazut mác M80 có nhiệt độ đông cứng bằng
25
0
C. Những mazut có mác càng lớn thì nhiệt độ đông cứng của chúng càng cao (25 -
34
0
C) và không có lợi khi sử dụng.
O
d
N
d
S
d
A
d
W
d
Thành phần khối lợng [%]
86,5 10,5 0,2 0,4 0,3 0,3 1,8
3. Nhiệt độ nung trớc nhiên liệu:
Dầu DO không cần nung nóng, vậy t
FO
= 27 [
O
C]
4. Nhiệt độ nung trớc không khí:
Không khí không nung trớc nên nhiệt độ: t
KK
= 27 [
0
C]
5. Loại lò:
Lò sấy tầng sôi để sấy cát khoáng sỏi có cỡ hạt 50 àm ữ 3 mm
3.2. Tính toán sự cháy của nhiện liệu
3.2.1. Chuyển đổi thành phần nhiên liệu
Thành phần nhiên liệu đã đợc biểu thị ở thành phần dùng, nên không cần chuyển đổi
chọn hệ số tiêu hao không khí lớn, vì sau quá trình cháy vẫn phải pha loãng bằng
không khí lấy từ quạt gió. Ta chọn hệ số tiêu hao không khí bằng 1, 25 [3].
3.2.4. Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu
Tính toán sự cháy của nhiên liệu đợc thực hiện theo phơng pháp lập bảng. Trong
bảng này, ta tính cho 100 kg dầu DO. Toàn bộ kết qủa tính toán đợc trình bày trong
bảng 3.2. Khi tính toán ta dựa vào sự cân bằng của các phản ứng sau :
1 C + 1 O
2
= 1 CO
2
1 H
2
+ 1/2 O
2
= 1 H
2
O
1 S + 1 O
2
= 1 SO
2
Q
t
= 40104,2 [kJ/kg]
18
3.2.5. Bảng cân bằng khối lợng
Từ những kết qủa đã tính toán trong bảng 3.2 ta lập bảng cân bằng khối lợng.
SPC
1786,216
Không khí
N
2
46,25.28 1295,00 A
d
0,300
A = 1788,28 [kg] B = 1786,516 [kg]
Đánh giá sai số:
% =
A
BA
. 100% =
28,1788
516,178628,1788
.100% = 0,0986 [%]
Nhận xét: Với sai số % = 0,0986 [%] chứng tỏ các số liệu tính toán trong bảng 3.2
đạt độ chính xác tin cậy
19
B¶ng 3.2: B¶ng tÝnh to¸n sù ch¸y cña dÇu DO
TÝnh cho 100 kg dÇu DO
[kmol
]
N
2
[kmol
]
[kmol] [m
3
tc
]
[kmol
]
[kmol
]
[kmol
]
[kmol
]
[kmol
]
[kmol
]
7,208 + 5,260 + 0,009 + 37,014
49,491. 22,4 = 1108,59
n = 1 100 100 9,836 37,00 46,84 1049,22 7,208 5,260 0,009 - 37,014 49,49
1
1108,59
n
=1,25
12,29 46,25 58,54 1311,29 7,208 5,260 0,009 2,454 46,26 61,19
1
1370,67
Thµnh phÇn [%]
21% 79%
100% 11,78 8,609 0,001 4,01 75,60 100% 20
3.2.6. Tính khối lợng riêng của sản phẩm cháy:
0
[kg/
3
tc
m
]
0
=
304,1
70,13.100
216,1786
1
ttt
ii
ii
t
lt
+
=
[
0
C] [1]
Trong đó:
t
lt
: Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu. [
0
C]
i
1
, i
2
: Entanpy của sản phẩm cháy tơng ứng với nhiệt độ t
1
, t
2
. [kJ/
3
DO
: Nhiệt độ của dầu DO; t
DO
= 27 [
0
C]
i
kk
: Entanpy của không khí ở nhiệt độ t
kk
với t
kk
= 27 [
0
C] có i
kk
= 34,83 [kJ/
3
tc
m
] ( Bảng 15 [3] )
V
n
= 13,70 [
3
tc
m
/kg] ; L
n
< i
2
Chọn: t
1
= 1800 [
0
C] ; t
2
= 1900 [
0
C]
Để tính nhiệt hàm của sản phẩm cháy ứng với t
1
= 1800 [
0
C] và t
2
= 1900 [
0
C] ta phải
tính nhiệt hàm của các khí thành phần ứng với hai nhiệt độ này. Theo bảng 16 [1] ta có
nhiệt hàm của các khí thành phần ứng với t
1
và t
2
là:
Copyright: Tài liệu đại học ©