Mục tiêu của đề tài là giảm thiểu tối đa lượng khí thải ra trong quá trình thấm cácbon và tái sử dụng khí thải cho quá trình thấm tiếp theo. Đây là giải pháp hữu ích, không những giảm 30-60% tiêu thụ chất thấm, mà còn tránh phát thải CO2 và H2 ra môi trường.
Recycle exhaust gases during steel carburizing by Petro gas
Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Anh Sơn, Trần Văn Nam
Đại học Bách khoa Hà Nội
Tóm tắt
Nghiên cứu này thực hiện việc xử lý nhằm quay vòng tái sử dụng khí thải trong quá trình thấm cacbon thể khí để giảm thiểu phát thải CO2 và H2 ra môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khí thải sau khi đốt đã loại được hầu hết H2 có thể quay vòng sử dụng lại tới 50-70%. Đây là giải pháp hữu ích, không những giảm 30-60% tiêu thụ chất thấm, mà còn tránh phát thải CO2 và H2 ra môi trường.
Abtract
This research carries out treating methods to recycle exhaust gas during carburizing process to decrease the emissions as CO2 and H2, into the environment. The results sow that after exhaust gas was burned, almost hydro- gen content in exhaust gas can be remove and the remain gas can be recycled from 50 to 70 percent. This usful solution is not only decrease the consuming gas for carburizing process up 30-60 percent but also prevent emis- sion as CO2, H2 into the environment.
1. Đặt vấn đề
Xử lý nhiệt là một khâu đảm bảo chất lượng sản phẩm cơ khí nên được đầu tư và phát triển nhanh chóng. Các dạng nhiệt luyện, đặc biệt là hoá-nhiệt luyện tiêu hao nhiều năng lượng, đó là một nguồn quan trọng phát thải CO2 và chất độc hại khác ra môi trường. Khí thải trong quá trình thấm cacbon thể khí sử dụng khí gas có chứa tỷ lệ lớn H2 và một số khí khác CO, CO2, hơi nước (H2O)…
Môi trường thấm cũng có thành phần tương tự nhưng với hàm lượng CO cao hơn, CO2 và hơi nước thấp hơn. Để thực hiện quá trình thấm phải liên tục bổ sung khí gas để giữ môi trường thấm có hoạt độ cácbon đủ cao đồng thời luôn xả khí thải ra để giữ áp suất không đổi trong lò. Xả khí thải chứa các chất gây độc hại cho môi trường (H2, CO, CO2) là điều không nên.
Mục tiêu của đề tài là giảm thiểu tối đa lượng khí thải ra trong quá trình thấm cácbon và tái sử dụng khí thải cho quá trình thấm tiếp theo.
2. Thực nghiệm
Sơ đồ thiết bị có hệ thống quay vòng nhằm tái sử dụng khí thải trong quá trình thấm cacbon thể khí được mô tả trên hình 1.
Hình 1. Sơ đồ lò thấm quay vòng khí thải thực nghiệm
| Tỷ lệ Gas/CO2 |
Ôlưu | Q, l/h | Khí thấm, l/h | ||
| C3,5H9 | CO2 | N2 | |||
| 1/3 | 16,1 | 41,09 | 2,43 | 7,27 | 31,39 |
| 1/2,5 | 18,1 | 36,47 | 6,71 | 16,76 | 13,00 |
| 1/2 | 18,9 | 34,87 | 6,82 | 13,65 | 14,4 |
Bảng 1. Thành phần khí khi thấm ở 930oC với tỷ lệ và thời gian lưu khác nhau (thể tích lò là 11 dm3)
Thiết bị thực nghiệm bao gồm các bộ phận chính sau đây:
1. Lò thấm cácbon thể khí, công suất thiết kế 5 kW, buồng lò Φ180×200 mm, có buồng hoạt hoá và lọc muội, có hệ thống gioăng chịu nhiệt, nước làm nguội nắp lò và kẹp chặt đảm bảo lò kín và làm việc dưới áp suất ổn định, không đổi. Lò có hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động, có cảm biến ôxy để đo và điều chỉnh thế cácbon của môi trường thấm;
2. Buồng đốt bao gồm: mỏ đốt được thiết kế để hỗn hợp hoà trộn và cháy tốt nhất, chịu được nhiệt độ cao, dễ tháo lắp để kiểm tra trong quá trình thí nghiệm; buồng làm nguội để ngưng tụ nước, giảm thể tích khí và hạ thấp nhiệt độ đến nhiệt độ thường để hệ thống ống dẫn và bơm làm việc; có lỗ quan sát để theo dõi quá trình thí nghiệm;
3. Bơm nén, công suất 500 W, lưu lượng khoảng 35 l/min, áp suất 5 at:
4. Buồng lọc khí thải, bằng thép, chịu áp lực tối đa 6 at, có hệ thống van an toàn tự động xả khi áp suất cao hơn 3 at. Có hệ thống đồng hồ đo áp suất, van điều tiết khí quay lại lò, van xả để đo đạc và quan sát chế độ làm việc của bình hấp phụ. Trong bình có chứa chất hấp phụ để loại CO2.
Đo và điều chỉnh thế thấm bằng cảm biến ôxy sử dụng ôxit ziri côn (ZrO2 + (9÷11)%Y2O3) GoldProbe của hãng SSI (USA ), có cặp nhiệt loại S được lắp với hệ thống hiển thị và có thể tự động điều khiển thế cácbon AC20. Xác định thành phần khí hyđrô bằng cảm biến hyđrô của của hãng Stange CHLB Đức, với các đặc tính kỹ thuật: nồng độ H2 cho phép đo từ 0 đến 75%, điện áp nguồn: 24 VDC, dòng đo từ 4 đến 20 mA. CO và CO2 được đo bằng thiết bị GASBOARD 3100 của hãng WUHAN Cubic opto- electronics, Trung Quốc với dải đo CO (0-70)% và CO2 (0-40)%. Mẫu sau khi thấm được soi tổ chức trên kính hiển vi quang học Axiovert 100A của hãng Carl Zeiss, CHLB Đức, đo độ cứng trên máy Struers Duramin-2 (Đan Mạch) với tải trọng 100g. Khí gas sử dụng khi thấm là Petro Việt Nam Gas có thành phần 50%C3H8 + 50%C4H10, về mặt thành phần có thể coi là C3,5H9. Thép dùng để thấm là 20CrMo và thép C20.
