Ta thấy hyđrô có động lực học phản ứng lớn hơn, song quan trọng hơn là nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (H2 bắt lửa ở 510°C còn CO bắt lửa ở 610°C [3]), sản phẩm là nước do đó phản ứng được ưu tiên xảy ra. Kết quả thực nghiệm đốt khí thải từ lò thấm (nhiệt độ thấm 920°C, thời gian lưu 16,1 phút (Q = 41,09 l/h) và tỷ lệ gas/CO2 là 1/3) ghi trong bảng 4.
| QO2, l/h | QH2, % | QCO, % | TH2, % | TCO, % |
| 0 | 21,09 | 27,24 | 0 | 0 |
| 2,7 | 11,13 | 27,24 | 47,23 | 0 |
| 5,4 | 1,17 | 23,9 | 94,45 | 12,2 |
| 7,1 | 0 | 19,8 | 100 | 27,3 |
| 9,6 | 0 | 15,7 | 100 | 42,4 |
| 12 | 0 | 5,6 | 100 | 79,4 |
| 13,8 | 0 | 0,2 | 100 | 99,3 |
Bảng 4. Thành phần khí thải sau khi đốt với lưu lượng oxy khác nhau
Ta thấy khi tăng dần tỷ lệ O2/H2 thì lượng H2 giảm nhanh và tỷ lệ đốt cháy hydro TH2 tăng mạnh (bảng 4). Ta còn thấy chỉ khi H2 cháy gần như hoàn toàn (TH2> 90%) thì CO mới bắt đầu bị ôxy hoá.
Hình 3. Tỷ lệ H2 và CO khi đốt với lưu lượng ôxy khác nhau:
a) với τ = 18,1 phút, gas/CO2=1/2,5; b) với τ = 18,9 phút, gas/CO2=1/2
Tính toán theo phản ứng thì 13,413 l/h hyđrô (bảng 2) phải dùng 6,705 l/h ôxy thì đốt hết H2, nhưng thực nghiệm cho thấy phải dùng dư 7,1 l/h (dư khoảng 6%) thì hyđrô mới được đốt cháy hoàn toàn. Để tận dụng CO cho quá trình thấm tiếp theo khi quay vòng, tốt nhất nên dừng đốt H2 và CO với lưu lượng ôxy theo kết quả sau (bảng 5a và b): Khi đó H2 chỉ còn dưới 10%, còn phần lớn CO vẫn có thể sử dụng lại (trên 80%). Thành phần khí thải sau khi đốt được ghi trong bảng 5b.
Bảng 4 và 5
Sau khi nén để ngưng tụ và loại hết hơi nước, khí thải chỉ còn lại CO, CO2, N2 và lượng nhỏ H2 dư sẽ được quay vòng để tái sử dụng.
Kết quả tính toán tỷ lệ đương lượng nguyên tử gam các nguyên tố C, O, H ghi trong bảng 6. So với khí thấm ban đầu đưa vào lò cho thấy cần bổ sung C bằng khí gas. Với mỗi chế độ thấm cần bổ sung một lượng khí gas khoảng từ 40 đến 70%. Cần thấy rằng, ở chế độ thấm ban đầu, khi đưa khí gas vào lò, mặc dù đã dùng buồng xúc tác hoạt hoá lọc muội nhưng tỷ lệ phân huỷ khí gas còn khá cao (khoảng 30%), quay vòng khí thải sẽ hạn chế hiện tượng này.
Như đã nêu trên, lưu lượng khí thải lớn hơn lưu lượng khí thấm dù đã loại hyđrô nhưng vẫn còn lớn hơn do đó chỉ quay vòng tối đa là 50 đến 70%. Hơn nữa, với sơ đồ thiết bị trên, đặc biệt là máy bơm nén quá lớn, dù đã dùng các biện pháp để giảm lưu lượng nhưng vẫn cần dùng van xả để điều tiết áp suất và lưu lượng, do đó không thể quay vòng lớn hơn được (bảng 6).
| Gas/CO2 | Khí thấm ban đầu | Khí quay vòng | Gas bổ sung | |||||||
| C | O | N | H | C | O | N | H | l/h | % | |
| 1/2 | 15,76 | 14,55 | 62,78 | 21,83 | 9,22 | 11,31 | 40,45 | 0,697 | 0,94 | 39 |
| 1/2,5 | 40,23 | 33,53 | 26,00 | 60,35 | 14,69 | 22,24 | 52,22 | 0 | 3,27 | 49 |
| 1/2 | 37,53 | 27,29 | 28,80 | 61,41 | 21,63 | 29,69 | 14,00 | 8,474 | 4,54 | 67 |
Bảng 6. Đương lượng tỷ lệ nguyên tử gam trong khí thấm và khí quay vòng
3.3 Dùng cảm biến để điều khiển quay vòng khí thải
Có 2 cách để điều khiển quay vòng khí thải là: cố định tỷ lệ khí quay vòng và điều khiển lượng khí thải quay vòng theo thế cácbon định trước.
3.4. Cố định tỷ lệ khí quay vòng
Thực nghiệm đã tiến hành với các tỷ lệ khí thải quay vòng khác nhau: 50, 60, 70 và 80%. ở mỗi chế độ lại điều chỉnh khí gas hoặc ôxy và nitơ để môi trường thấm giống như khi thấm bình thường (tỷ lệ gas/CO2 = 2, thời gian lưu 18,9 phút (Q= 34,87 l/h), thế cacbon CP = 0,95). Kết quả thấm lên thép C20 ở 920°C – 1h đều đạt lớp thấm có chiều dày khoảng 100 μm (hình 4).
3.5. Điều khiển lượng khí thải quay vòng theo thế cácbon định trước
Các thí nghiệm cũng lấy thế cacbon định trước CP = 0,95% và tiến hành thấm với hỗn hợp khí cố định và khí quay vòng được sử dụng với tỷ lệ khác nhau sao cho CP = 0,95%. Kết quả trình bày trong bảng 6. Nếu ta cố định khí gas đưa vào lò là 3 l/h, nitơ là 9 l/h thì khí thải quay vòng là 21 l/h, tỷ lệ quay vòng khoảng 58% thì môi trường thấm sẽ giống như khi thấm không quay vòng với tỷ lệ gas/CO2 =1/2, thời gian lưu 18,9 phút (Q=34,87 l/h). Như đã nêu trên, tỷ lệ khí thải quay vòng cũng không quá 80% được. Kết quả thấm lên thép trình bày trên hình 5.
Hình 4 và 5
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi xử lý bằng cách đốt khí thải và nén đã loại hầu hết hyđrô khỏi khí thải (hơn 80%). Hyđrô bị đốt cháy trước và chỉ khi bị ôxy hoá trên 70% thì CO mới bị ôxy hoá thành CO2. Khi quay vòng khí thải chỉ nên đốt khoảng 80% hyđrô để tận dụng CO quay vòng tái sử dụng cho quá trình thấm để giảm thiểu khí gas. Khí thải có thể được đưa trở lại lò thấm để tái sử dụng tới 50 đến 70%;
Kết quả thấm nhận được khi quay vòng tái sử dụng khí thải để thấm cũng giống như khi thấm không quay vòng khí thải với cùng thế cácbon. Xử lý để tái sử dụng khí thải khi thấm cácbon là một giải pháp hữu ích, không những giảm tiêu thụ khí thấm (30 đến 60%), không cần dùng khí gas để đốt khí thải mà còn không thải các khí có hại ra môi trường. Cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quy trình đốt khí thải và dung dịch hấp phụ để nâng cao tỷ lệ quay vòng tái sử dụng khí thải lên 100%.
[symple_box color=”yellow” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]
Tài liệu trích dẫn
- Nguyễn Văn Tư, “Giáo trình xử lý bề mặt”, Nxb Đại học Bách khoa Hà Nội, 1999
- Donald B. Wagner, Appendix 2: Equilibrium relations of CO and CO2 in steelmaking processes, http://alum.mit.edu/www/dwag/rehd/rehd.html, 2006
- Bùi Hải, “Giáo trình kỹ thuật nhiệt”, Nxb Đại học Bách khoa Hà Nội, 2000
[/symple_box][symple_clear_floats]
