Nghiên cứu xây dựng giá thí nghiệm xử lý bụi

Thứ Sáu, 01/12/2023, 10:22(GMT +7)

1. Đặt vấn đề

Trên thế giới, nhiều tác giả đã nghiên cứu, xây dựng giá thí nghiệm xử lý bụi. Các giá thí nghiệm này được xây dựng để đánh giá các thông số của các loại thiết bị lọc bụi như thiết bị lọc bụi dạng dòng xoáy, thiết bị lọc bụi túi vải, thiết bị lọc bụi tĩnh điện,…. Trong các hệ thống giá thí nghiệm này, các tác giả đã nghiên cứu khả năng lọc bụi với các dải kích thước hạt bụi khác nhau, tương đồng với các loại bụi phát sinh trong quá trình sản xuât.

Nhiệm vụ: “Nghiên cứu xây dựng mô hình giá thí nghiệm xử lý bụi” thuộc chương trình quốc gia về Bảo hộ lao động nhằm phục vụ cho việc đánh giá hiệu quả của các thiết bị lọc bụi, bảo vệ môi trường trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam. Quy mô giá thí nghiệm sau khi lắp đặt hoàn chỉnh có thể sử dụng để đánh giá hiệu quả lọc bụi của các thiết bị lọc bụi nghiên cứu với lưu lượng xử lý tối đa là 2100 m³/h và nồng độ bụi tối đa là 4000 mg/m³.

2. Xây dựng mô hình giá thí nghiệm xử lý bụi trong phòng thí nghiệm

2.1. Mục tiêu

– Thiết kế chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh một giá thí nghiệm đánh giá hiệu quả của thiết bị lọc bụi.

2.2. Sơ đồ giá thí nghiệm lọc bụi

tranhuytoan_1_1

Giá thí nghiệm lọc bụi bao gồm 5 cụm thiết bị:

1. Cụm thiết bị tạo mẫu bụi bao gồm: máy nén khí, máy tạo mẫu bụi.

2. Cụm thiết bị kiểm soát lưu lượng bao gồm: ống Ventury để đo lưu lượng và các thiết bị đo trong đường ống.

3. Thiết bị lọc bụi nghiên cứu (cấp 1): Nhiệm vụ lựa chọn Xiclon hai dòng vào làm thiết bị nghiên cứu. (trong đó một dòng vào là khí bụi, một dòng vào là khí sạch).

4. Thiết bị lọc bụi cấp 2: Thiết bị lọc bụi túi vải có cơ cấu rung rũ khí nén để xử lý bụi đạt tiêu chuẩn cho phép trước khi thải ra môi trường.

5. Cụm thiết bị vận hành hệ thống bao gồm: Quạt li tâm và máy biến tần (Inverter).

Ngoài ra nhiệm vụ sẽ thiết kế, bố trí sẵn hệ thống đường ống nước trong PTN khi nghiên cứu đánh giá thiết bị lọc bụi dạng ướt.

Trong đó, các bộ phận cố định trên giá thí nghiệm là:

– Cụm thiết bị tạo mẫu bụi.

– Cụm thiết bị kiểm soát lưu lượng.

– Thiết bị lọc bụi cấp 2.

– Cụm thiết bị vận hành hệ thống.

Và bộ phận không gắn cố định trên giá thí nghiệm mà có thể tháo lắp, thay thế là thiết bị lọc bụi nghiên cứu.

Do đó, trong nhiệm vụ này sẽ thiết kế giá thí nghiệm lọc bụi đảm bảo yêu cầu sau:

– Các bộ phận cố định trên giá thí nghiệm sẽ được thiết kế có giá đỡ độc lập và dễ di chuyển để khi thay đổi thiết bị nghiên cứu thì chỉ cần di chuyển tới và lắp ráp là xong.

– Thiết bị lọc bụi nghiên cứu có thể tháo lắp và thay thế dễ dàng mà không ảnh hưởng tới các bộ phận khác trong giá thí nghiệm.

2.3. Các thông số thiết kế của các bộ phận trong giá thí nghiệm

– Lưu lượng thí nghiệm: 600 ÷ 2100 m³/h

– Tổn thất áp suất hệ thống tới 3200 Pa (~320 mmH₂O)

2.3.1. Đối với các bộ phận cố định trên giá thí nghiệm

1. Cụm thiết bị tạo mẫu bụi

a. Máy nén khí

– Sử dụng máy nén khí dạng piston làm mát bằng dầu có áp suất đủ lớn để tạo áp lực phun bụi cho máy cấp bụi.

– Chọn máy nén khí có thông số như sau:

+ Áp suất máy nén khí có áp suất max là: 8 bar (~8 kG/cm²)

+ Lưu lượng khí khoảng: 300 lít/phút

+ Dung tích bình chứa khí nén: 100 lít.

b. Máy cấp bụi

– Thiết kế và chế tạo máy cấp bụi có năng suất cấp bụi tối đa khoảng 4 kg bụi/h.

– Sử dụng máy biến tần gắn vào máy cấp bụi để điều chỉnh năng suất cấp bụi.

– Dùng khí nén để cấp bụi vào đường ống và có bộ tách nước cho khí nén.

2. Bộ đo lưu lượng

– Thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng theo dạng ventury lắp trên đường ống để xác định lưu lượng dòng khí vào hệ thống.

– Xác định tổn thất áp suất bằng vi áp kế Manometer ứng với các chế độ lưu lượng khác nhau.

3. Thiết bị lọc bụi túi vải có cơ cấu rung rũ cơ khí

Do là giá thí nghiệm sử dụng để nghiên cứu các thiết bị lọc bụi nên nhiệm vụ sẽ thiết kế thiết bị lọc bụi túi vải có cơ cấu rung rũ để bảo vệ môi trường.

÷ Các thông số của thiết bị lọc bụi túi vải có cơ cấu rung rũ cơ khí:

– Lưu lượng lớn nhất: 2100 m³/h

– Tổn thất áp suất: 180 kG/m²

– Kích thước: 1,5 x1,5 x 3 (m)

4. Cụm thiết bị vận hành hệ thống

a. Quạt li tâm hút bụi

– Lưu lượng lớn nhất: 2100 m³/h

– Áp suất: 320 kG/m²

– Tốc độ vòng quay: 2600 V/ph

– Công suất động cơ: 3,5 kW

b. Máy biến tần Inverter

– Sử dụng máy biến tần inverter để điều chỉnh tốc độ vòng quay của quạt li tâm – Thông số Inverter: điện áp 220V, ba pha; Công suất 5,5 kW

c. Thiết bị đo đạc

– Thiết bị đo vận tốc trong đường ống (dải đo từ 0 ÷ 40m/s)

– Thiết bị đo áp suất. (dải đo từ 0 ÷ 760mmH₂O).

2.3.2. Thiết bị lọc bụi nghiên cứu

– Giá thí nghiệm có thể áp dụng để thử nghiệm đánh giá các thiết bị lọc bụi với lưu lượng thí nghiệm lớn nhất là 2100 m³/h.

3. Nghiên cứu thử nghiệm trên giá thí nghiệm lọc bụi

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Nhiệm vụ sẽ sử dụng xiclon hai dòng vào để đánh giá thử nghiệm giá thí nghiệm cũng vừa là nghiên cứu một dạng xiclon cải tiến.

* Tóm tắt nội dung nghiên cứu :

– Dòng không khí vào xiclon được chia làm 2 dòng: một dòng vào là không khí chứa bụi; dòng còn lại là khí sạch. ý tưởng là dòng khí sạch sẽ làm gia tăng khả năng thu bắt các hạt bụi tại vỏ của Xiclon so với xiclon truyền thống do dòng khí sạch được cấp vào trong khu vực gần ống thoát và dồn các hạt bụi vào khu vực phía ngoài vỏ xiclon; do đó các hạt bụi sẽ di chuyển trong xiclon với quãng đường ngắn hơn, dễ bị thu bắt hơn.

– Về cấu tạo: Xiclon cải tiến có cấu tạo như sau:

tranhuytoan_2_1

– Cấu tạo miệng vào của xiclon cải tiến:

tranhuytoan_3_1

* Sơ đồ mặt bằng hệ thống giá thí nghiệm lọc bụi :

* 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. Miệng vào xiclon nghiên cứu được chia làm hai dòng, một dòng vào khí bụi một dòng vào là khí sạch. Trong đó, dòng khí bụi được quạt hút (6) cấp vào xiclon thí nghiệm. Dòng khí sạch được quạt hút (7) cấp vào xiclon để thí nghiệm. Một phần bụi sau khi được đưa vào thiết bị lọc bụi Xiclon sẽ được xử lý và lắng xuống thùng chứa bụi. Một phần dòng khí bụi có kích thước hạt còn lại theo đường ống được đưa sang thiết bị lọc bụi túi vải (6) để xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường. Lưu lượng dòng khí bụi được cấp vào xiclon được điều chỉnh thông qua máy biến tần. Lưu lượng dòng khí sạch cập vào xiclon được điều chỉnh thống qua van gió. Bộ đo lưu lượng khí Ventury (3) dùng để xác định lưu lượng dòng khí bụi cấp vào xiclon. Bộ đo lưu lượng khí Ventury (8) dùng để xác định lưu lượng dòng khí sạch cấp vào xiclon.

3.2. Quy hoạch thực nghiệm

3.2.1. Quy hoạch dải lưu lượng, vận tốc thí nghiệm:

3.2.2. Bụi thí nghiệm:

– Chọn loại bụi thí nghiệm là bụi thạch anh. Trong nghiên cứu này, nhiệm vụ tiến hành thí nghiệm với bụi thí nghiệm có đường kính lọt sàng: 45µm. (Bảng kết quả phân tích dải hợp phần của bụi xem trong phụ lục)

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

– Nồng độ bụi thí nghiệm đầu vào là: 2000 mg/m³ và 3000 mg/m³.

– 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 xyclon), nên mỗi chế độ thí nghiệm nhiệm vụ tiến hành thí nghiệm với lượng bụi tương đối lớn khoảng 0,5kg để cấp bụi vào thiết bị xử lý.

– Đường kính hạt bụi trung bình và dải phân bố kích thước các loại bụi được phân tích tại PTN Công nghệ lọc hoá dầu & VLXT Hấp thụ, Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Phân tích thành phần dải hạt bụi của mẫu bụi đầu vào và đầu ra của thiết bị trên máy phân tích Laser Scatting Particle Size Distribution Analyzer (LA-950).

tranhuytoan_6_1

– Điều kiện thí nghiệm: thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện thời tiết tương đối khô và độ ẩm môi trường dưới 75%.

3.2.3. Các bước tiến hành thực nghiệm

a. Xác định nồng độ bụi ở đầu vào thiết bị lọc:

Xác định nồng độ bụi đầu vào thiết bị Xiclon thông quan việc xác định lượng bụi cấp vào và lưu lượng khí thí nghiệm tương ứng.

Nhiệm vụ tiến hành thí nghiệm đánh giá hiệu quả lọc bụi của xiclon cải tiến (hai dòng vào) với nồng độ bụi đầu vào là 2000 mg/m³ và 3000 mg/m³.

b. Xây dựng đường cong xác định lưu lượng của bộ đo lưu lượng:

Nhiệm vụ dự kiến sử dụng vi áp kế Manometer (Mỹ) để tiến hành xác định lưu lượng dòng khí đi qua bộ đo lưu lượng; sử dụng một vi áp kế Manometer (Mỹ) khác để xác định độ chênh áp suất qua bộ đo lưu lượng tương ứng; từ đó xây dựng biểu đồ lưu lượng của hệ thống thí nghiệm theo độ chênh cột áp của bộ đo lưu lượng. Biểu đồ lưu lượng được sử dụng trong suốt quá trình thí nghiệm.

c. Tổn thất áp suất qua thiết bị lọc bụi nghiên cứu

Để xác định tổn thất áp suất qua thiết bị lọc bụi nghiên cứu, Nhiệm vụ sử dụng vi áp kế chữ U (Nhật) để đo độ chênh áp suất giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị.

d. Xác định hiệu quả lọc bụi của Xiclon lọc bụi nghiên cứu:

Công thức tính hiệu quả lọc bụi chung của Xiclon:

tranhuytoan_7_1

3.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

3.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định năng suất cấp bụi của máy phun bụi

xây dựng mối quan hệ giữa năng suất cấp bụi của máy phun bụi và tần số máy biến tần cho máy phun bụi.

tranhuytoan_8_1

tranhuytoan_9_1

3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm trên xyclon cải tiến hai dòng vào

a. Xây dựng bảng tính lưu lượng của Xyclon cải tiến

Trước tiên, để tiện cho việc điều chỉnh lưu lượng dòng khí bụi và dòng khí sạch cấp vào xyclon, đề tài đã tiến hành xây dựng bảng tính lưu lượng dựa vào tổn thất áp suất qua các ống ventury D150 (trên ống cấp khí bụi) và ống Ventury D100 (trên ống cấp khí sạch) ứng với các chế độ lưu lượng cấp vào xiclon khác nhau.

tranhuytoan_10_1

b. Xác định tần số cấp bụi của máy phun bụi theo lưu lượng khí vào Xiclon:

Đối với Xiclon cải tiến (có hai dòng vào xiclon), nhiệm vụ tiến hành thí nghiệm với hai chế độ nồng độ bụi đầu vào là 2000 mg/m³và 3000 mg/m³.

tranhuytoan_11_1

Với nồng độ bụi đầu vào là C_b=3000 mg/m³, tần số cấp bụi như bảng sau:

tranhuytoan_12_1

tranhuytoan_13_1

c. Tổn thất áp suất

Kết quả đo đạc tổn thất áp suất qua xyclon như sau:

tranhuytoan_14_1

tranhuytoan_15_1

d. Đánh giá hiệu quả lọc bụi của Xiclon hai dòng vào

* Hiệu quả lọc bụi của Xiclon cải tiến đối với nòng độ bụi C_b = 3000 mg/m³

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu quả lọc bụi của Xiclon cải tiến ứng với nồng độ bụi đầu vào là C_b = 3000 mg/m³ như sau:

tranhuytoan_16_1

tranhuytoan_17_1

KẾT LUẬN:

Với mục tiêu của nhiệm vụ là thiết kế, chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh giá thí nghiệm đánh giá hiệu quả của thiết bị lọc bụi. Nhiệm vụ đã đạt được các kết quả sau:

1. Lựa chọn và xây dựng được giá thí nghiệm xử lý bụi nhằm đánh giá hiệu quả của các thiết bị lọc bụi phù hợp với điều kiện kinh tế – kỹ thuật ở Việt Nam.

2. Giá thí nghiệm đã được lắp đặt hoàn chỉnh , có thể sử dụng để nghiên cứu các thiết bị lọc bụi với lưu lượng thí nghiệm tối đa là 2100 m³/h, nồng độ bụi là 4000 mg/m3..

3. Trên cơ sở giá thí nghiệm đã lắp đặt, đã thực hiện được một nghiên cứu thử nghiệm trên xiclon nhằm đánh giá khả năng làm việc của giá thí nghiệm theo yêu cầu thiết kế ban đầu.

Qua các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên giá thí nghiệm bụi cho thấy, giá thí nghiệm xử lý bụi đã vận hành tương đối ổn định, đáp ứng được các thông số thiết kế đề ra và có thể sử dụng để nghiên cứu, đánh giá các thiết bị lọc bụi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

A. Tài liệu tiếng anh

1. Sepehr Sadighi, Research Article: “Improving the Removal Efficiency of Cyclones by Recycle Stream”, Cement Research Center, Iran, 2006.

2. ZHAO Bing-tao, Research Article: “Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on Cyclone Efficiency”, College of Power Engineering, University of Shanghai Sci. Technol., Shanghai 200093, China; Apr. 2006.

3. Madhumita B. Ray, Pouwel E. Luning, Research Article: “Improving the removal efficiency of industrial-scale cyclones for particles smaller than five micrometre”, Department of chemical engineering, university of Groningen; Apr. 1997

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

B. Tài liệu tiếng việt

5. TS. Phạm Văn Hải, Viện nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động, 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.

6. KS. Trần Huy Toàn, Viện nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hiệu quả lọc bụi của Xyclon”, mã số 211/09/VBH

7. GS. Trần Ngọc Chấn, 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 (2001).

Trần Huy Toàn, Nguyễn Hoàng Quý

Viện nghiên cứu KHKT-BHLĐ

(Nguồn tin: Nilp.vn)