Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hiệu quả lọc bụi của xiclon

Thứ Sáu, 01/12/2023, 10:23(GMT +7)

I. Đặt vấn đề

Xiclon là một thiết bị lọc bụi dòng xoáy hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của loại xiclon này là hiệu quả lọc bụi không cao, không đáp ứng được yêu cầu xử lý bụi hiện nay, đặc biệt là đối với loại bụi có kích thước nhỏ. Do đó, nhiều nghiên cứu nước ngoài đã tiến hành cải tiến xiclon để nâng cao hiệu quả lọc bụi của xiclon. Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu cải tiến các dạng xiclon truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả lọc bụi. Do vây, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hiệu quả lọc bụi của Xiclon”, mã số 211/09/VBH được đề xuất và tiến hành nghiên cứu. Nội dung của nghiên cứu này theo hướng tuần hoàn một phần dòng khí bụi tại ống thoát cho nó quay trở lại xiclon để lọc tiếp

II. Đề xuất giải pháp cải tiến nhằm khả năng nâng cao hiệu quả lọc bụi của Xiclon

1. Cơ sở khoa học đề xuất giải pháp cải tiến Xiclon

Vì dòng chảy trong xiclon là dòng không gian (3 chiều) (như hình 1) nên vận tốc của nó tại 1 điểm bất kỳ đều có thể phân tích ra thành 3 thành phần: vận tốc tiếp tuyến – V_t, vận tốc hướng tâm – V_r, và vận tốc hướng trục – V_z.

huytoan_1

Theo hình (a) cho thấy tại cùng một khoảng cách với trục, càng đi xuống phần côn của xiclon thì vận tốc tiếp tuyến V_t của hạt bụi càng tăng.

Cũng theo hình (a), trừ ở phần tâm xiclon vận tốc hướng tâm V_r luôn hướng vào trục quay và chính điều này đã làm cho các hạt bụi nhỏ đi vào ống trụ trong để thoát ra ngoài.

Theo hình (b), tại vùng sát vỏ của xiclon vận tốc hướng trục V_z làm cho dòng khí bụi chuyển động xuống dưới, do đó vận tốc hướng trục có tác dụng vận chuyển bụi xuống thùng chứa. Trong xiclon, lực trọng trường giữ vai trò rất yếu trong việc vận chuyển bụi kích thước nhỏ. Cũng theo hình (b), tại phần lõi của xiclon thì vận tốc hướng trục V_z làm bụi kích thước nhỏ có xu hướng bị đẩy lên trên và đi lên ống thoát ra ngoài.

Tại mặt cắt gần miệng ống thoát của xiclon, ở khoảng cách gần bằng bán kính của ống ra, vận tốc tiếp tuyến và vận tốc hướng trục V_z là lớn nhất so với các vị trí khác trong mặt cắt do đó làm các hạt bụi có xu hướng chuyển động xoáy ốc đi lên và tập trung sát với thành của ống thoát.

Một số nghiên cứu khác sử dụng kỹ thuật mô phỏng động lực học chất lỏng – CFD cũng cho bức tranh tương tự. Nhờ phân bố vận tốc như vậy, bụi có xu hướng tập trung tại vùng biên sát với thành ống thoát; mật độ bụi tăng lên, khả năng dính kết của các hạt bụi thành những hạt bụi lớn cũng tăng lên. Từ đây có thể thấy rằng nếu gom khối không khí ở lớp biên gần thành ống trong và tuần hoàn trở lại thì có thể nâng cao được hiệu quả lọc của xiclon.

Do đó, hướng nghiên cứu của đề tài là khai thác hiệu ứng xoáy của dòng ra Xiclon để lọc bụi bằng cách tuần hoàn lại những hạt bụi đã ra khỏi ống trụ trong để lọc tiếp nhằm tăng hiệu quả lọc bụi của xiclon.

2. Sơ đồ cấu tạo của Xiclon cải tiến

Do mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu khả năng nâng cao hiệu quả lọc bụi của xiclon, vì vậy tiêu chí lựa chọn xiclon nhằm để cải tiến phải là loại xiclon có hiệu quả lọc bụi tương đối cao để đảm bảo được ý nghĩa của việc nâng cao hiệu quả lọc bụi của xiclon.

Theo đề tài “Nghiên cứu một số dạng thiết bị lọc bụi mới, cấu tạo đơn giản, hiệu quả cao và làm việc ổn định, để áp dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ”, mã số 203/01/TLĐ, chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Văn Hải. Trong đề tài này, tác giả đã nghiên cứu khả năng lọc bụi của một số dạng xiclon bằng cách cải tiến một vài cấu tạo của xiclon truyền thống và cho thấy hiệu quả lọc bụi được tăng lên đáng kể. Theo kết quả của nghiên cứu này, loại xiclon 1D3D có hiệu quả lọc bụi khá cao (từ 78% – 87%). Do đó, đề tài nhận thấy đây là loại xiclon phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

Đề tài đã lựa chọn và chế tạo Xiclon côn dạng 1D3D (D = 250mm) có cấu tạo như bảng sau:

huytoan_2

* Cấu tạo bộ tuần hoàn dòng đường ra của Xiclon

huytoan_3_1

* Mô tả cấu tạo bộ tuần hoàn dòng đường ra của xiclon:

Bộ tuần hoàn dòng đường ra của xiclon là một dạng post-xiclon (PoC) có hình dạng “con sên” được đặt ngay phía trên ống ra của xiclon. Kích thước, cấu tạo của PoC như bảng sau:

huytoan_4

* Đường kính ống trong của PoC:

Theo các kết quả nghiên cứu như đã nêu trong phần tổng quan phía trên đã chỉ ra cho thấy dòng khí bụi đi lên ống thoát vẫn còn tồn tại hiệu ứng xoáy và bụi tập trung chủ yếu ở lớp biên thành ống ra của xiclon. Do đó, việc xác định được chiều rộng của khe hở thu bắt bụi là rất quan trọng. Dựa vào các kết quả nghiên cứu như trên nên đề tài đã lựa chọn đánh giá thực nghiệm với đường kính ống PoC là 90mm và 110mm.

* Tác dụng của khoang tuần hoàn dòng khí ra:

Cơ chế vật lý thu bắt bụi trong xiclon có dòng tuần hoàn tương đối giống với trong xiclon thông thường. Với khoang chia dòng tuần hoàn, dòng khí ra từ xiclon được chia đôi. Một phần được tuần hoàn trở lại xiclon, phần còn lại thải ra ngoài. Khí thải ra từ thiết bị đi ra ngoài khí quyển hoặc đi vào một thiết bị lọc bụi khác.

Từ sơ đồ mô hình xiclon cải tiến trên cho thấy, dòng vào khoang tuần hoàn cũng như dòng thoát ra đều có chuyển động quanh trục, câu này rất tối nghĩa, cần diễn đạt lại cho rõ hơn). Ống trong của khoang tuần hoàn D_er có đường kính nhỏ hơn ống thoát ra của xiclon D_r. Sự tác động dòng tuần hoàn theo phương tiếp tuyến từ bộ tuần hoàn dòng có tác dụng làm chuyển động quay của hạt bụi trong bộ tuần hoàn dòng được khuếch đại, do vậy làm tăng nồng độ bụi xâm nhập vào dòng tuần hoàn.

III. Nghiên cứu thực nghiệm

1. Xây dựng giá thí nghiệm

* Mô tả thí nghiệm:

Sơ đồ giá thí nghiệm xiclon có “bộ tuần hoàn dòng đường ra của xiclon”:

huytoan_5

huytoan_6

* Nguyên lý hoạt động: Khí nén từ máy nén khí (1) thổi qua thiết bị phun bụi (2) để cấp bụi vào hệ thống thí nghiệm. Bụi được quạt hút (4) cấp vào hệ thống xiclon có bộ tuần hoàn dòng. Bụi vào thiết bị lọc được xử lý sẽ rơi xuống thùng chứa bụi (7). Dòng khí bụi sau khi được tách bởi xiclon, một phần dòng khí bụi được tách qua bộ tuần hoàn dòng (6) tuần hoàn trở lại xiclon để xử lý tiếp, phần còn lại theo đường ống đưa sang thiết bị lọc bụi túi vải (8) để xử lý triệt để. Lưu lượng dòng khí bụi cấp vào xiclon và tuần hoàn trở lại được điều chỉnh bởi van gió (11). Bộ đo lưu lượng khí (10) dùng để xác định các chế độ thí nghiệm. Các điểm đo (9) dùng để đo tổn thất áp suất của xiclon có bộ tuần hoàn dòng đường ra.

huytoan_7

* Xây dựng bảng tính lưu lượng hệ thống:

Để xác định lưu lượng khí đi trong đường ống, vào xiclon cũng như lưu lượng khí tuần hoàn lại xiclon cho mỗi chế độ thí nghiệm, đề tài đã thiết kế bộ đo lưu lượng dòng khí trong đường ống. Bộ đo lưu lượng là 1 cụm chi tiết cấu tạo theo kiểu diafrac (vách ngăn), 2 bên gắn 2 đầu đo áp suất tĩnh và được nối với thiết bị đo áp suất. Để xây dựng được bảng tính lưu lượng, đo vận tốc gió ở từng chế độ thí nghiệm ứng với 1 giá trị chênh lệch áp suất được hiển thị qua chiều dài cột chất lỏng với độ nghiêng cho trước.

* Đặc tính của loại bụi làm thí nghiệm:

Các thông số đặc tính chính của mẫu bụi tro bay (fly ash) thí nghiệm:

– Trọng lượng riêng: 2200 kg/m³

^–Thành phần phân tán của bụi:

huytoan_8

2. Nghiên cứu thực nghiệm trên Xiclon có “bộ tuần hoàn dòng đường ra của Xiclon”

2.1. Quy hoạch thực nghiệm

1. Dải vận tốc thí nghiệm:

– Tiến hành thí nghiệm với vận tốc vào xiclon là từ 15, 17, 19 m/s. Đây là dải vận tốc làm việc của thiết bị lọc bụi xiclon.

2. Bụi thí nghiệm:

– Đề tài lựa chọn bụi làm thí nghiệm là bụi tro bay.

– Bụi được cân thành các túi 1kg, 0,5kg và được bảo quản nơi khô ráo.

– Để giảm bớt sai số cho kết quả đo đạc (cụ thể là việc cân lượng bụi đầu vào và lượng bụi thu được ở đáy xiclon), nên mỗi chế độ thí nghiệm đề tài tiến hành thí nghiệm với lượng bụi khoảng 0,5kg để cấp vào thiết bị xử lý.

– Điều kiện thí nghiệm: từ thực nghiệm cho thấy, thí nghiệm chỉ tiến hành được trong thời tiết khô ráo độ ẩm dưới 70%. Nếu độ ẩm cao hơn, bụi tro bay bị ẩm và có hiện tượng bị vón cục, kết dính với nhau do đó bụi phun vào xiclon không đều.

3. Quy trình thí nghiệm:

Đề tài tiến hành thực nghiệm theo hai bước:

thanhhuyen_3_1 Bước 1 là đề tài thực nghiệm trên xiclon chưa cải tiến để xác định tốn thất áp suất qua xiclon và xác định hiệu suất lọc bụi ở các dải vận tốc thí nghiệm khác nhau.

thanhhuyen_3_1 Bước 2 là đề tài thực nghiệm trên xiclon có bộ tuần hoàn dòng đường ra của xiclon cũng để xác định tốn thất áp suất qua xiclon cải tiến và xác định hiệu suất lọc bụi ở các dải vận tốc thí nghiệm khác nhau và với các tỷ lệ dòng tuần hoàn khác nhau. (20%, 30%, 50%).

4. Các công thức tính toán sử dụng trong thí nghiệm:

– Tính hiệu quả lọc bụi chung của Xiclon:

huytoan_9

Trong đó: M_vào=Lượng bụi cấp vào Xiclon, kg

M_ra = Lượng bụi thu được ở đáy xiclon, kg

– Tính tỷ lệ tuần hoàn dòng khí:

huytoan_10

Trong đó: Q_TH = Lưu lượng dòng khí tuần hoàn, m³/h

Q_v = Lưu lượng dòng khí vào hệ thống, m³/h

2.2. Kết quả thực nghiệm

2.2.1 Xác định tổn thất áp suất của Xiclon 1D3D và Xiclon 1D3D cải tiến có bộ tuần hoàn dòng đường ra

a. Tổn thất áp suất của Xiclon 1D3D

b. Tổn thất áp suất của Xiclon 1D3D cải tiến với có D_er1 = 90mm và D_er2 = 110mm

Như vậy, trở lực qua xiclon cải tiến có đường kính thoát của bộ tuần hoàn dòng đường ra D_er2=110mm cao hơn của xiclon có D_er1 = 90mm trong cùng vận tốc thí nghiệm. Điều này có thể lý giải là do sự xáo trộn dòng khí ở khe hở đường lên bộ tuần hoàn dòng.

2.2.2. Xác định hiệu quả lọc bụi của Xiclon 1D3D và Xiclon 1D3D cải tiến có bộ tuần hoàn dòng đường ra

a. Hiệu quả xử lý bụi của Xiclon 1D3D chưa cải tiến

b. Hiệu quả xử lý bụi của Xiclon 1D3D và Xiclon 1D3D cải tiến với có D_er1 = 90mm và D_er2 = 110mm

Như vậy, thực nghiệm cho thấy nhìn chung hiệu quả lọc bụi của xiclon có bộ tuần hoàn đường ra D_er=110mm cao hơn hiệu quả lọc bụi xiclon có bộ tuần hoàn đường ra D_er=90mm ở dải vận tốc V_vao=15/ms và V_vao =17m/s. Tuy nhiên, mức độ tăng hiệu quả lọc bụi ở xiclon bộ tuần hoàn D_er=90mm cao hơn hiệu quả lọc bụi ở xiclon bộ tuần hoàn D_er=110mm ở cùng vận tốc và tỷ lệ dòng tuần hoàn. Cụ thể ở vận tốc vào 15m/s, tỷ lệ tuần hoàn 20% với xiclon có D_er=90mm hiệu quả lọc bụi tăng lên 8% so với lúc chưa có dòng tuần hoàn, còn với xiclon có D_er=110mm hiệu quả lọc bụi tăng lên 4% so với lúc chưa có dòng tuần hoàn.

IV. Kết luận và kiến nghị

* Kết luận:

Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hiệu quả lọc bụi của Xiclon” đã đạt được một số mục tiêu đặt ra như sau:

1. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên xiclon, chưa cải tiến và đã cải tiến (xiclon có bộ tuần hoàn dòng đường ra). Kết quả thí nghiệm trên xiclon cải tiến đối với bụi Tro bay cho thấy hoàn toàn có thể nâng cao hiệu quả lọc bụi của xiclon bằng bộ tuần hoàn dòng đường ra. Qua thực nghiệm cho thấy, xiclon cải tiến với ống trong bộ tuần hoàn D_er1=90mm có thể nâng cao hiệu quả lọc bụi so với xiclon 1D3D cao nhất là 12% ở tỷ lệ tuần hoàn dòng ra là 20% ứng với vận tốc dòng vào xiclon là 17m/s. Ngoài ra, thực nghiệm cũng chỉ ra rằng xiclon cải tiến chỉ có khả năng nâng cao hiệu quả lọc bụi ở dải vận tốc vào 15, 17m/s và tỷ lệ dòng tuần hoàn ở mức 20, 30%. Với xiclon cải tiến có D_er2=110mm thì khả năng nâng cao hiệu quả lọc bụi thấp hơn, khoảng từ 4-8%.

2. Dù khả năng lọc bụi của xiclon có bộ tuần hoàn dòng đường ra đã được chứng minh tuy nhiên việc có thêm bộ tuần hoàn dòng lại gây ra tổn thất áp suất qua hệ thống cao hơn từ 38 – 100 mmH₂O. Ở vận tốc vào xiclon là 15m/s thì việc lắp thêm bộ tuần hoàn vào xiclon làm tăng trở lực qua hệ thống tăng lên 38 mmH₂O và ở vận tốc vào là 19 m/s trở lực qua hệ thống tăng lên 100 mmH₂O. Vì vậy, trong thực tế ứng dụng cần phải cân nhắc khi sử dụng loại xiclon cải tiến này.

* Kiến nghị:

Từ kết quả thực nghiệm trên xiclon cải tiến cho thấy, hướng nghiên cứu cải tiến, tận dụng hiệu ứng xoáy ở ống ra của để nâng cao khả năng lọc bụi của xiclon là khả thi. Chính vì vậy, đề tài kiến nghị có thể ứng dụng dạng xiclon cải tiến này để nâng cao hiệu quả xử lý đối với bụi tro bay hoặc một số loại bụi có đặc tính lý – hoá tương tự.

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

1. TRẦN NGỌC CHẤN (2001), Ô nhiễm không khí & xử lý khí thải. Tập 2, cơ học về bụi và phương pháp xử lý bụi, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

2. HOÀNG KIM CƠ (1999), Kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí, Nhà xuất bản giáo dục, Hà nội.

3. Phạm Văn Hải (2007), Nghiên cứu một số dạng thiết bị lọc bụi mới, cấu tạo đơn giản, hiệu quả cao và làm việc ổn định, dễ áp dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, Báo cáo tổng kết đề tài 203/01/TLĐ do Viện nghiên cứu KHKT bảo hộ lao động chủ trì.

Tiếng Anh

1. C. D. Cooper & F.C . Alley (1986), Cyclones, Air Pollution Control.

2. Sepehr Sadighi (2006), Research Article, Improving the Removal Efficiency of Cyclones by Recycle Stream, Cement Research Center, Iran.

3. ZHAO Bing-tao (2006), Research Article Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on Cyclone Efficiency, College of Power Engineering, University of Shanghai Sci. Technol., Shanghai 200093, China.

4. Madhumita B. Ray, Pouwel E. Luning (1997), Research Article, Improving the removal efficiency of industrial-scale cyclones for particles smaller than five micrometre, Department of chemical engineering, university of Groningen.

5. B. ZHAO, Y.SU and J. ZHANG (2006), Research Article, Simulation of gas flow pattern and separation efficiency in cyclone with conventional single and spiral double inlet configuration, Institution of Chemical Engineers.

Trần Huy Toàn và cộng sự

Viện Nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động

(Nguồn tin: Nilp.vn)