Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị lọc bụi rotoclon

Thứ Sáu, 01/12/2023, 10:22(GMT +7)

Tóm tắt:

Thiết bị lọc bụi rotoclon thí nghiệm được thiết kế, chế tạo có cấu tạo khe gió hình chữ S, chiều rộng khe 70 mm, chiều dài khe 500 mm, lưu lượng 1700 – 2940 m³/h. Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị rotoclon được thực hiện với bụi thạch anh, khối lượng riêng 2650 kg/m³, đường kính d50 = 11,35 micronmet(µm), nồng độ bụi ở đầu vào 1400 mg/m³. Thí nghiệm được thực hiện với các chế độ thí nghiệm như sau: vận tốc qua khe gió bằng 13,5 m/s; 15,6 m/s; 17,6 m/s; 19,7 m/s; 21,8 m/s và 23,3 m/s; tương ứng với lưu lượng bằng 1700 m³/h; 1960 m³/h; 2220 m³/h; 2480 m³/h; 2740 m³/h; 2940 m³/h. Các tác giả đã khảo sát được sự biến thiên của tổn thất áp suất và hiệu suất lọc theo sự biến thiên của vận tốc qua khe gió, xác định được hiệu suất lọc bụi hợp phần của thiết bị . Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy chế độ làm việc hợp lý của thiết bị lọc bụi rotoclon là: v_kh = 19,7 m/s (tương ứng với lưu lượng tính trên 1 mét chiều dài khe là 5000 m³/h.m), η = 99,13% và ∆P = 175 mm H₂O. Hiệu suất lọc bụi hợp phần của thiết bị ở chế độ v_kh = 19,7 m/s như sau:

hinh1_ntl_1

1. Đặt vấn đề

Rotoclon là một dạng thiết bị lọc bụi kiểu va đập quán tính ướt có một số ưu điểm nổi trội như : i) Hiệu suất lọc bụi cao, có khả năng lọc được các hạt bụi từ 2 đến 5 µm ; ii) Không sử dụng vòi phun, bởi vậy không cần phải sử dụng bơm áp suất cao và không sợ bụi làm tắc nghẽn vòi phun trong quá trình vận hành ; iii) Lượng nước sử dụng ít hơn nhiều so với các loại thiết bị lọc bụi ướt khác, chủ yếu là để bù vào lượng nước bay hơi hay mất mát trong quá trình lấy bùn ra, hoặc bù vào lượng nước chảy tràn (trong trường hợp sơ độ kiểm soát mức nước theo nguyên tắc chảy tràn). Nước được tuần hoàn bên trong thiết bị nên Rotoclon còn được gọi là thiết bị lọc bụi ướt tuần hoàn trong [1], [5], [6], [7].

Rotoclon cũng có nhược điểm như các loại thiết bị lọc bụi ướt khác đó là vấn đề nước thải và bùn thải, nhất là trong trường hợp trong khí thải chứa các khí axit.

Hiện nay, ở một số nước, thiết bị lọc bụi rotoclon được sản xuất hàng loạt và bán nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường xử lý bụi công nghiệp của thế giới. Kiểu dáng, cấu tạo và qui mô thiết bị rất đa dạng tuỳ thuộc vào nhà sản xuất [8], [9].

Ở nước ta, thiết bị lọc bụi rotoclon cũng đã được đề cập tới trong một số nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau, thiết bị lọc bụi rotoclon chưa được nghiên cứu một cách bài bản, trọn vẹn, nên việc áp dụng vẫn còn rất hạn chế, dè dặt, đơn lẻ [2], [3].

Vì những lý do trên, nhiệm vụ 213/17/VBH được thực hiện nhằm nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và giải pháp cấu tạo của thiết bị lọc bụi rotoclon làm cơ sở khoa học cho việc triển khai thiết kế, áp dụng thiết bị này vào sản xuất.

Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả muốn đề cập tới nội dung và kết quả nghiên cứu thực nghiệm thiết bị lọc bụi rotoclon mà nhiệm vụ đã thực hiện.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, đã thiết kế, chế tạo mẫu thiết bị lọc bụi rotoclon có cấu tạo khe gió hình chữ S với chiều rộng là 70 mm, chiều dài là 500 mm, lưu lượng là 1700 – 2960 m³/h, để nghiên cứu thực nghiệm.

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm được trình bày trong hình 1.

Hoạt động của hệ thống thí nghiệm:

Không khí chứa bụi được tạo dựng bằng cách cấp bụi theo định lượng vào dòng khí bằng máy cấp bụi (2). Máy cấp bụi (2) có nhiệm vụ cấp đúng lượng bụi cần thiết, còn máy nén khí (1) làm chức năng đẩy bụi vào hệ thống thí nghiệm. Bụi được phân bố đều trong ống nhờ động năng của dòng khí. Để có thể theo dõi và đo đạc lưu lượng của hệ thống, sử dụng bộ đo lưu lượng (6), được thiết kế và chế tạo theo nguyên lý ống Venturi. Lưu lượng của hệ thống được xác định theo độ chênh cột chất lỏng trên vi áp kế của bộ đo lưu lượng. Nhờ van gió (7) và bộ đo lưu lượng (6), có thể xác lập các chế độ lưu lượng thí nghiệm khác nhau.

Bơm nước tự động (11) và điện cực mức nước lắp đặt trong hộp kiểm soát mức nước được sử dụng để duy trì mức nước trong thiết bị không đổi trong quá trình làm việc. Bùn hình thành trong quá trình lọc bụi được thải ra ngoài định kỳ bằng bơm bùn (16).

Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm:

Xác định hiệu suất lọc bụi chung của thiết bị
Xác định hiệu suất lọc bụi hợp phần của thiết bị
Xác định tổn thất áp suất của thiết bị

hinh2_ntl_1

hinh3_ntl

Nội dung nghiên cứu thực nghiệm:

Bụi thí nghiệm là bụi thạch anh, khối lượng riêng là 2650 kg/m³, d50 = 11,35 µm. Phân bố kích thước hạt của bụi được xác định trên máy laze LA-950 của hãng HORIBA như sau:

hinh4_ntl_1

Nồng độ bụi được tạo ra ở đầu vào là 1400 mg/m³.

Nồng độ bụi ở đầu ra được xác định bằng cách lấy mẫu đẳng tốc tại vị trí B1. Sử dụng đầu lấy mẫu Casella (Anh) và bơm của thiết bị lấy mẫu bụi STL Combi dust sampler (Thuỵ Điển). Thời gian lấy mẫu là 15 phút.

Nghiên cứu xác định hiệu suất lọc bụi hợp phần được thực hiện ở chế độ có hiệu suất lọc bụi cao nhất. Để xác định phân bố kích thước hạt của bụi ở đầu ra, bố trí một ống Ø32 tại vị trí B2, nối với máy hút bụi để lấy mẫu bụi. Mẫu bụi được phân tích trên máy laze LA-950 của hãng HORIBA để xác định phân bố kích thước hạt.

Tại các vị trí P1, P2, P3, P4 bối trí sẵn các đầu đo áp suất. Tổn thất áp suất qua thiết bị được xác định thông qua độ chênh áp suất giữa P1 và P2. Tổn thất áp suất qua khe gió được xác định thông qua độ chênh áp suất giữa P3 và P4. Tổn thất áp suất qua bộ tách nước được xác định thông qua độ chênh áp suất giữa P4 và P2.

Xác định hiệu suất lọc của thiết bị:

Hiệu suất lọc của thiết bị được xác định theo công thức:

hinh5_ntl

Trong đó,

η – Hiệu suất lọc bụi chung của thiết bị, %;

C_v – Nồng độ bụi ở đầu vào của thiết bị, mg/m³;

C_r – Nồng độ bụi ở đầu ra của thiết bị, mg/m³.

Xác định hiệu suất lọc bụi hợp phần η_i:

Hiệu suất lọc bụi hợp phần được xác định theo công thức:

hinh6_ntl

Trong đó,

η_i – Hiệu suất lọc bụi hợp phần i, %;

m_v,i – Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian của hợp phần thứ i ở đầu vào của thiết bị, g/h;

m_r,i– Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian của hợp phần thứ i ở đầu ra của thiết bị, g/h;

Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian của hợp phần thứ i ở đầu vào của thiết bị được xác định theo công thức:

hinh7_ntl

Trong đó,

m_v,i – Lượng bụi trên một đơn vị thời gian của hợp phần thứ i ở đầu vào của thiết bị, g/h

m_v – Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian ở đầu vào của thiết bị, g/h;

HP_i – Tỷ lệ % khối lượng của hợp phần bụi thứ i

Lượng bụi trên một đơn vị thời gian ở đầu ra của thiết bị được xác định theo công thức:

hinh8_ntl_1

Trong đó,

m_r – Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian ở đầu ra của thiết bị, g/h;

m_v– Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian ở đầu vào của thiết bị, g/h;

η – Hiệu suất lọc bụi chung của thiết bị, %.

Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian của dải hợp phần thứ i ở đầu ra của thiết bị được xác định theo công thức:

hinh9__ntl

Trong đó,

m_r,i – Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian của dải hợp phần thứ i ở đầu ra của thiết bị, g/h;

m_r – Lượng bụi trên 1 đơn vị thời gian ở đầu ra của thiết bị, g/h;

HP_i – Tỷ lệ khối lượng của dải hợp phần thứ i, %.

3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Hiệu suất lọc bụi chung

Kết quả xác định hiệu suất lọc bụi chung của Rotoclon được tổng hợp trong bảng 1.

Bảng 1. Số liệu hiệu suất lọc bụi chung của thiết bị lọc bụi Rotoclon

Trên cơ sở số liệu ở bảng 1, xây dựng được biểu đồ biến thiên hiệu suất lọc bụi trung bình của thiết bị theo vận tốc, biểu diễn trong hình 2.

hinh11_ntl

Hiệu suất lọc bụi hợp phần

Nghiên cứu xác định hiệu suất lọc bụi hợp phần được thực hiện ở chế độ vận tốc dòng khí qua khe bằng 19,7 m/s, với hiệu suất lọc bụi chung là 99,13%.

Kết quả phân tích hợp phần bụi của mẫu bụi ở đầu vào và đầu ra của thiết bị được biểu diễn trong bảng 2.

Bảng 2 Kết quả phân tích hợp phần bụi của mẫu bụi ở đầu vào và đầu ra

hinh12_ntl

Kết quả xác định hiệu suất lọc bụi hợp phần được tổng hợp trong bảng 3.

hinh13_ntl

Tổn thất áp suất

Kết quả đo đạc tổn thất áp suất của khe gió, bộ tách nước và thiết bị lọc bụi rotoclon được tổng hợp trong bảng 4.

hinh14_ntl

Trên cơ sở kết quả thí nghiệm ở bảng 4, xây dựng biểu đồ biến thiên tổn thất áp suất của khe gió, bộ tách nước và thiết bị lọc bụi rotoclon theo vận tốc gió qua khe, được biểu diễn trong hình 3.

hinh15_ntl

4. Nhận xét

Về hiệu suất lọc bụi:

Tại vận tốc gió qua khe bằng 13,5 m/s, hiệu suất lọc đã là khá tốt. Khi tăng vận tốc gió qua khe, hiệu suất lọc bụi tăng lên. Tuy nhiên, tốc độ tăng hiệu suất lọc có xu hướng giảm dần. Đặc biệt, khi chuyển từ vận tốc bằng 21,8 m/s sang 23,3 m/s thì hiệu suất giảm đi một chút. Điều này cũng xảy ra trong nghiên cứu của tác giả Trung Quốc [6], tuy nhiên ở vận tốc cao hơn (khi chuyển từ vận tốc 27,8 m/s sang 31,7 m/s).

Hiệu suất lọc bụi dao động từ 98,25 đến 99,25% là tương đương so với các thiết bị lọc bụi cùng nguyên lý được công bố trên thế giới. Hiệu suất lọc bụi trung bình cao nhất đạt 99,13% ở vận tốc gió qua khe bằng 19,7 m/s.

Hiệu suất lọc bụi hợp phần thấp nhất là 93,83% đối với dải kích thước hạt bụi <1 µm. Đối với dải kích thước hạt từ 1 – 5 µm, hiệu suất lọc đạt 97,81%. Còn đối với các hạt bụi có kích thước > 20 µm, hiệu suất lọc đạt 100%.

Về tổn thất áp suất:

Ở chế độ v_kh = 13,5 m/s, dòng chảy trong thiết bị chưa ổn định, biểu hiện ở chỗ các chỉ số áp suất dao động trong khoảng tương đối rộng. Bắt đầu từ vận tốc v_kh= 15,6 m/s trở đi, dòng chảy trong thiết bị là ổn định.

Khi tăng vận tốc gió qua khe, tổn thất áp suất của thiết bị tăng lên. Giá trị của tổn thất áp suất thấp nhất là 139 mm H₂O ở vận tốc gió qua khe bằng 13,5 m/s và cao nhất là 240 mm H₂O ở vận tốc gió qua khe bằng 23,3 m/s. So với nghiên cứu [6] của nước ngoài thì tổn thất áp suất xác định được trong nghiên cứu này là cao hơn.

Tốc độ tăng của tổn thất áp suất tăng dần theo chiều tăng của vận tốc gió. Từ giá trị vận tốc lớn hơn 19,7 m/s thì tốc độ tăng của tổn thất áp suất tăng mạnh, tương ứng với 11,62 % và 17,5%.

Chế độ làm việc hợp lý

So sánh tốc độ tăng của tổn thất áp suất và tốc độ tăng của hiệu suất lọc theo vận tốc gió qua khe được biểu diễn trong bảng 5.

Bảng 5 So sánh tốc độ tăng của tổn thất áp suất và hiệu suất lọc theo vận tốc gió qua khe

Nhìn chung, cả tổn thất áp suất và hiệu suất lọc đều tăng theo vận tốc lọc. Tuy nhiên, tốc độ tăng của hiệu suất lọc bụi có xu hướng giảm dần. Tốc độ tăng của hiệu suất lọc giảm rõ rệt bắt đầu từ điểm ứng với vận tốc v_kh=19,7 m/s. Thậm chí, khi tăng vận tốc từ 21,8 m/s lên 23,3 m/s thì hiệu suất lọc lại giảm đi một chút, tốc độ tăng hiệu suất lọc mang dấu âm.

Tổn thất áp suất của thiết bị có xu hướng tăng liên tục khi tăng vận tốc gió qua khe. Tốc độ tăng của tổn thất áp suất tăng mạnh khi vận tốc lớn hơn 19,7m/s.

Như vậy, có thể thấy rõ rằng, bắt đầu từ điểm vận tốc v_kh=19,7 thì tốc độ tăng của tổn thất áp suất tăng mạnh, trong khi đó, tốc độ tăng của hiệu suất lọc lại giảm đi, thậm chí hiệu suất còn giảm (ở vận tốc 23,3 m/s so với ở vân tốc 21,8 m/s) . Vận tốc gió qua khe v_kh=19,7 m/s là vận tốc làm việc hợp lý của thiết bị.

Với vận tốc gió qua khe bằng 19,7 m/s thì lưu lượng của thiết bị lọc bụi rotoclon tính trên 1 mét chiều dài khe là 5.000 m³/h.m.

5. Kết luận:

Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị lọc bụi rotoclon lưu lượng 1700 – 2960 m³/h được thực hiện với bụi thạch anh, khối lượng riêng 2650 kg/m³, d50 = 11,35 mm, nồng độ bụi ở đầu vào là 1400 mg/m³. Kết quả nghiên cứu cho phép kết luận như sau:

– Chế độ làm việc được cho là hợp lý của thiết bị: v_kh = 19,7 m/s (tương ứng với lưu lượng tính trên 1 mét chiều dài khe là 5000 m³/h.m), η = 99,13% và ∆P = 175 mm H₂O;

– Hiệu suất lọc bụi hợp phần của thiết bị:

hinh17_ntl

Tài liệu tham khảo

Trần Ngọc Chấn (2001), Ô nhiễm không khí và 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.
Thái Quang Hoè và cộng sự (1985), Nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp kỹ thuật phòng chống bệnh bụi phổi silicosis cho công nhân làm việc trong các phân xưởng đúc của nhà máy cơ khí Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài 5801.02.02 thuộc Chương trình cấp Nhà nước 5801, Hà Nội.
Nguyễn Thắng Lợi và cộng sự (1990), Nghiên cứu ứng dụng một số giải pháp kỹ thuật chống bụi cho một số công đoạn trong một vài ngành sản xuất công nghiệp, Báo cáo tổng kết đề tài 58A 02.02 thuộc Chương trình cấp Nhà nước 58A, Hà nội.
Nguyễn Thắng Lợi và cộng sự (2014), Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và giải pháp cấu tạo nhằm thiết kế và chế tạo thiết bị lọc bụi kiểu rotoclon, Báo cáo tổng kết nhiệm vụ 213/17/VBH do Trạm QT & PT NTLĐ chủ trì, Hà Nội.
Aliev G. M.-A. (1986), Kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí thải công nghiệp, Nhà xuất bản luyện kim, Matxcova. (Tiếng Nga).
Ngô Trung Chuẩn (2001), Sổ tay kỹ thuật môi trường. Kiểm soát ô nhiễm không khí, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật môi trường, Bắc Kinh.(Tiếng Trung Quốc).
Uzop V.N., Vanbec A. U (1972), Làm sạch khí thải bằng các thiết bị lọc bụi ướt, Nhà xuât bản hoá học, Matxcova. (Tiếng Nga).
http://www.keptter.com
http://www.aafintl.com

Nguyễn Thắng Lợi, Trần Huy Toàn, Nguyễn Hoàng Quý,

Viện nghiên cứu KHKT bảo hộ lao động

(Nguồn tin: Nilp.vn)