Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Nhiên liệu tái chế từ rác thải Động lực học lưu chất tính toán ANN Artificial neural network Mạng thần kinh nhân tạo IGCC Integrated gasification combined cycl

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu về mô phỏng hóa khí 4

1.3 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Mục tiêu của đồ án 5

1.5 Cấu trúc của đồ án 6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ RDF 7

2.1 Tổng quan công nghệ hóa khí 7

2.1.1 Khái niệm hóa khí 7

2.1.2 Sản phầm của hóa khí 7

2.1.3 Lịch sử phát triển của hóa khí 8

2.1.4 Xu hướng phát triển 9

2.2 Tổng quan về nhiên liệu Refuse-derived fuel (RDF) 10

2.2.1 Định nghĩa chất thải rắn 10

2.2.2 Thực trạng chất thải rắn ở Việt Nam 11

2.2.3 Công nghệ chuyển hóa rác thải thành năng lượng 15

2.2.4 RDF (Refuse-derived fuel) 16

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

3.1 Giới thiệu về hóa khí 20

3.1.1 Cơ chế của quá trình hóa khí 20

3.1.2 Phân loại lò hóa khí 23

3.1.3 Tác nhân hóa khí 26

3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa khí 27

3.1.5 Quy trình thiết kế hệ thống hóa khí 30

3.2 Cơ sở lý thuyết về mô phỏng hóa khí 31

3.2.1 Tổng quan về mô hình hóa hóa khí 31

3.2.2 Các mô hình mô phỏng hóa khí 33

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ VIÊN NÉN RDF 37

4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Aspen Plus 37

4.1.1 Giới thiệu phần mềm ASPEN PLUS v11 37

4.1.2 Các mô hình ASPEN PLUS sử dụng cho bài toán hóa khí 39

4.2 Mô phỏng quá trình hóa khí trên phần mềm Aspen Plus 52

4.2.1 Các giả định trong mô phỏng 52

4.2.2 Thông số đầu vào 53

4.2.3 Lựa chọn hệ nhiệt động 55

4.2.4 Lựa chọn thiết bị mô phỏng 56

4.2.5 Thiết lập mô phỏng 56

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 71

5.1 Kết quả mô phỏng 71

5.1.1 Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là không khí 71

5.1.2 Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là hơi nước kết hợp không khí 73

5.1.3 Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là không khí có gia nhiệt sơ bộ 77

5.2 Bàn luận 81

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

6.1 Kết luận 83

6.2 Kiến nghị 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn nhu cầu và khả năng đáp ứng năng lượng của Việt Nam[27] 3

Hình 2.1 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm của quá trình hóa khí [8] 8

Hình 2.2 Lượng CTR sinh hoạt phát sinh trong ngày tại khu vực đô thị và nông thôn (theo vùng, 2019), BTNMT[9] 12

Hình 2.3 Lượng CTR công nghiệp phát sinh tại một số địa phương (tấn) năm 2015[28]13 Hình 2.4 Tỷ lệ xử lý CTR bằng công nghệ tại TP Hồ Chí Minh[28] 15

Hình 3.1 Cơ chế hóa khí trong lò updraft[8] 22

Hình 3.2 Cơ chế hóa khí trong lò downdraft[8] 23

Hình 3.3 Mô tả hai loại lò khí hóa theo cách cấp nhiệt[16] 24

Hình 3.4 Hình ảnh các loại lò hóa khí[17] 25

Hình 3.5 Quy trình thiết kế lò hóa khí đúc kết được 30

Hình 3.6 Quy trình thiết kế lò hóa khí đề xuất 31

Hình 4.1 Phần mềm Aspen Plus V11 38

Hình 4.2 Giao diện phần mềm Aspen Plus V11 39

Hình 4.3 Flowsheet mô phỏng nhà máy nhiệt điện tua bin khí chu trình kết hợp bằng Aspen Plus[38] 39

Hình 4.4 Hình ảnh viên nén RDF[40] 53

Hình 4.5 Khởi chạy phần mềm Aspen Plus và chọn hệ mô phỏng 57

Hình 4.6 Khai báo các cấu tử trong phần mềm Aspen Plus 57

Hình 4.7 Lựa chọn gói nhiệt đông IDEAL 58

Hình 4.8.1 Thiết lập mô hình enthalpy cho RDF 59

Hình 4.8.2 Thiết lập mô hình enthalpy cho RDF 59

Hình 4.9 Thiết lập mô hình enthalpy cho RDF 60

Hình 4.10 Vẽ flowsheet cho mô phỏng với tác nhân là không khí 60

Hình 4.11 Thiết lập tổng quát cho mô phỏng 61

Hình 4.12 Thiết lập dòng vật liệu không khí 62

Hình 4.13.1 Thiết lập dòng vật liệu viên nén RDF 62

Hình 4.13.2 Thiết lập dòng vật liệu viên nén RDF 62

Hình 4.13.3 Thiết lập dòng vật liệu viên nén RDF 63

Hình 4.14.1 Thiết lập khối Ryield (1) 63

Hình 4.14.2 Thiết lập khối Ryield (2) 64

Hình 4.14.3 Thiết lập khối Ryield (3) 64

Hình 4.15.1 Thiết lập khối Gibbs (1) 64

Hình 4.15.2 Thiết lập khối RGibbs (2) 65

Hình 4.16 Thiết lập khối SAPARATE 65

Hình 4.17 Thiết lập khối CALCULATOR 66

Hình 4.18 Kết quả thành phần mol của syngas 67

Hình 4.19 Vẽ flowsheet cho mô phỏng với tác nhân là không khí kết hợp hơi nước 67

Hình 4.20 Thiết lập dòng vật liệu hơi nước 68

Hình 4.21 Mô tả thành phần các dòng vật chất trong mô phỏng 70

Hình 5.1 Sự thay đổi các thành phần thể tích syngas theo hệ số ER 71

Hình 5.2 Đồ thị sự thay đổi của nhiệt trị và thể tích của syngas theo hệ số ER 72

Hình 5.3 Đồ thị sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt theo hệ số ER 72

Hình 5.4 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO với các đương lượng không khí – hơi nước khác nhau 73

Hình 5.5 Sự thay đổi thành phần thể tích khí H2 với các đương lượng không khí – hơi nước khác nhau 74

Hình 5.6 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO2 với các đương lượng không khí – hơi nước 75

Hình 5.7 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí với các đương lượng không khí – hơi nước 76

Hình 5.8 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với các đương lượng không khí – hơi nước 77

Hình 5.9 Sự thay đổi thành phần khí CO theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER 78 Hình 5.10 Sự thay đổi thành phần khí CO2 theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER 78

Hình 5.11 Sự thay đổi thành phần khí H2 theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER 79 Hình 5.12 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER 80

Hình 5.13 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER 80

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nhu cầu năng lượng và khả năng đáp ứng của Việt Nam[27] 2

Bảng 2.1 Nguồn phát sinh và phân loại rác [10] 11

Bảng 2.2 Các công nghệ chuyển hóa rác thải theo Kaltschmitt and Reinhardt[13] 16

Bảng 2.3 Phân loại RDF theo ATSM classification of RDFs[39] 17

Bảng 3.1 Bốn quá trình diễn ra trong lò hóa khí[8] 21

Bảng 4.1 Thống kê các mô hình tính toán Enthalpy và khối lượng riêng cho chất rắn không thông thường: 41

Bảng 4.2 Mã giá trị lựa chọn các phương pháp tính toán trong mô hình HCOALGEN 42

Bảng 4.3 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Boie 44

Bảng 4.4 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Dulong 44

Bảng 4.5 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Grummel và Davis 45

Bảng 4.6 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Mott và Spooner 45

Bảng 4.7 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh IGT 46

Bảng 4.8 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh IGT sửa đổi 46

Bảng 4.9 Giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh trực tiếp 47

Bảng 4.10 Giá trị hằng số trong Quan hệ Kirov 49

Bảng 4.11 Giá trị hằng số trong Phương trình bậc ba 50

Bảng 4.12 Giá trị hằng số trong mô hình DCOALIGT 51

Bảng 4.13 Phân tích thành phần viên nén RDF[40] 53

Bảng 4.14 Thông số hệ số đương lượng không khí cho quá trình hóa khí (ER) 54

Bảng 4.15 Thông số hệ số đương lượng hơi nước cấp cho quá trình hóa khí (SBR): 55

Bảng 4.16 Các thiết bị mô phỏng được sử dụng trong mô phỏng 56

Bảng 4.17 Tóm tắt mô phỏng bằng ASPEN 69

Bảng 5.1 Thành phần thể tích syngas tại hệ số ER trong khoảng 0.3 đến 0.4 81

Bảng 5.2 Thành phần syngas tại hệ số ER=0.2 và SBR = 0.6 82

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Nhiên liệu tái chế từ rác thải

Động lực học lưu chất tính toán

ANN Artificial neural network

Mạng thần kinh nhân tạo

IGCC Integrated gasification combined cycle

Chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp

VBHN – BTNMT Văn bản hợp nhất - Bộ Tài nguyên và Môi trường

CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt

Chuyển đổi rác thải thành năng lượng

Phương pháp thể tích hữu hạn

NIST National Institute of Standards and Technology

Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ

IGT Institute of Gas Technology

Học viên Công nghệ Khí

Hệ số đương lượng không khí

Hệ số đương lượng hơi nước

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng là một trong những lĩnh vực cơ bản và quan trọng của một quốc gia Ngành năng lượng là động lực cho hầu hết các ngành kinh tế và được xem là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cơ sở hạ tầng sản xuất, nền sản xuất hiện đại của con người chỉ

có thể phát triển nhờ sự phát triển của năng lượng Công nghiệp năng lượng hiện đại là một

hệ thống gồm đa dạng các ngành phục vụ cho sản xuất và đời sống Tài nguyên năng lượng của thế giới rất phong phú và đa dạng, gồm: năng lượng truyền thống như củi, gỗ, than, dầu mỏ, khí đốt, đá cháy,… ngoài ra còn có các dạng năng lượng mới, hiệu quả như năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, sinh khối hay năng lượng từ rác thải được sử dụng với nhiều hình thức khác nhau Tuy nhiên, hiện con người đang đứng trước thách thức là nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng, tìm ra các nguồn năng lượng mới và bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp thiết

Năng lượng sử dụng ở Việt Nam chủ yếu có nguồn gốc từ năng lượng hóa thạch: than, dầu mỏ, khí thiên nhiên Theo ước tính, Việt Nam có trữ lượng khoảng 15 triệu tấn dầu thô và 20 tỷ m3 khí thiên nhiên, lượng dầu và khí thiên nhiên được dự đoán sẽ cạn kiệt trong vòng 25 năm tới [27] Ngoài ra, Việt Nam cũng có tiềm năng rất lớn về thủy điện, tuy nhiên nguồn năng lượng này không bền vững, chỉ khai thác được trong mùa mưa, bị ảnh hưởng mạnh bởi thời tiết, đặc biệt là hiện tượng ấm lên toàn cầu Do đó, trong mùa khô thường xảy ra hiện tượng mất điện Trong khi đó, năng lượng gió và mặt trời khó có khả năng đáp ứng trong tương lai gần

Theo dự đoán, sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế ở Việt Nam đã đẫn đến nhu cầu về năng lượng tăng liên tục qua các năm Từ năm 1990 đến năm 2007, tổng nhu cầu năng lượng tăng khoảng 5% mỗi năm, từ 24,3 triệu tấn dầu tương đương trong năm

1990 tăng lên 55,6 triệu tấn dầu tương đương trong năm 2007 Hiện nay, nhu cầu năng lượng được dự đoán tăng 5,5% mỗi năm do sự mở rộng phát triển kinh tế

Bảng 1.1 Nhu cầu năng lượng và khả năng đáp ứng của Việt Nam[27]

(triệu tấn dầu tương

đương)

Nhu cầu

Khả năng đáp ứng

Nhu cầu

Khả năng đáp ứng

Nhu cầu

Khả năng đáp ứng Năng lượng thương mại 5.4 5.8 31 49.4 135.4 88.7

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn nhu cầu và khả năng đáp ứng năng lượng của Việt Nam[27]

Hơn nữa, với sự phát triển kinh tế - xã hội, quá trình đô thị hóa và sự gia tăng dân

số đang diễn ra mạnh mẽ Việt Nam đã tạo ra áp lực rất lớn tới môi trường, lượng chất thải rắn nói chung, chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn công nghiệp nói riêng hằng năm phát sinh rất nhiều Trong khi đó, việc kiểm soát, quản lý chặt chẽ chất thải rắn còn hạn chế, dẫn đến nhiều nguy cơ gây ra tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trường và sức khỏe con người Trong ngững năm gần đây, ô nhiễm môi trường từ chất thải rắn, đặc biệt là từ các bãi chôn lắp đã và đang là một vấn đề báo động [9] Rác từ lâu được xem là phế thải

và không có giá trị, và bị thải ra môi trường một cách bừa bãi Tuy nhiên, thế giới đang đứng trước một cuộc khủng hoảng về năng lượng và môi trường, nên tính cấp thiết để đẩy mạnh nghiên cứu về các loại hình năng lượng mới từ rác đang là vấn đề rất được quan tâm Ngày nay, đã có rất nhiều công nghệ để chuyển hóa rác thải thành năng lượng, như các công nghệ nhiệt: hóa khí, phân hủy nhiệt polymer, nhiệt phân, hóa khí plasma; công nghệ không nhiệt: phân hủy yếm khí, ủ lên men…

Trong các công nghệ chuyển đổi rác thải thành năng lượng, công nghệ hóa khí là một trong những giải pháp tiềm năng trong việc tận dụng phế phẩm để tạo ra nguồn năng lượng sạch, phục vụ cung cấp nhiệt hoặc sử dụng cho đồng phát năng lượng (sản xuất điện

và nhiệt), mà còn góp phần giảm phát thải khí nhà kính; phù hợp với xu hướng sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả và phát triển năng lượng bền vững

1.2 Tình hình nghiên cứu về mô phỏng hóa khí

Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Trên thế giới, công nghệ hóa khí là công

nghệ đã được phát minh và ứng dụng từ từ thế kỷ XIX Nhiều nghiên cứu đã được tiến

hành để cải tiến, nâng cao chất lượng và ứng dụng rộng rãi công nghệ hóa khí:

Tapas Kumar Patra và Pratik N.Seth (2015), đã công bố bài báo “Biomass gasification models for downdraft gasifier: A state-of-the-art review”, bài báo đã thảo luận

về các mô hình thiết bị hóa khí kiểu downdraft đã được nghiên cứu, như mô hình cân bằng nhiệt động, động học, CFD, ANN và ASPEN Plus Các phân tích so sánh của từng mô hình

và đầu ra đã được thực hiện Một phân tích quan trọng về ảnh hưởng của các tham số mô hình hóa khác nhau và cuối cùng là những ưu điểm, nhược điểm của từng mô hình được phác thảo [1]

M.S.N Atikah và Razif Harun (2019), đã công bố nghiên cứu “Simulation and Optimization of Chlorella vulgaris Gasification Using Aspen Plus”, nghiên cứu này mô hình hóa quá trình hóa khí vi tảo và tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hóa khí Mô hình hóa được thực hiện bằng phần mềm Aspen Plus V8.8, các phương pháp tiến cận cân bằng nhiệt động và động học được sử dụng trong quá trình tính toán Mô hình được phát triển bằng cách sử dụng dữ liệu phân tích sơ bộ và phân tích cuối của Chlorella Vulgaris (một loại tảo) [2]

María Pilar Gonzalez-Vazquez và cộng sự (2020), đã công bố bài báo

“Thermodynamic Analysis of Biomass Gasification Using Aspen Plus: Comparison of Stoichiometric and Non-Stoichiometric Models”, bài báo đã đánh giá hai mô hình cân bằng nhiệt động lực học được phát triển bởi phần mềm Aspen Plus: mô hình không cân bằng dựa trên thành phần nguyên liệu và dựa trên các hợp chất có khả năng xảy ra cao nhất trong quá trình hóa khí bằng cách sử dụng tối thiểu hóa năng lượng tự do Gibbs và mô hình cân bằng dựa trên một tập hợp các phản ứng hóa học có liên quan đến quá trình hóa khí Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tỉ lệ không khí và hơi nước đối với nhiên liệu

và kết luận các dự đoán về thành phần khí, hiệu suất hóa khí cho kết quả phù hợp với các thí nghiệm Tác giả cũng chỉ ra tầm quan trọng của việc mô tả chính xác thành phần khí sản phẩm của quá trình hóa khí sinh khối [3]

Tình hình nghiên cứu trong nước: Trong nước, cũng đã có nhiều nghiên cứu và

ứng dụng công nghệ hóa khí ở nhiều quy mô khác nhau:

Năm 2012, tác giả Bùi Trung Thành và cộng sự đã công bố bài báo “Nghiên cứu tính toán thiết kế buồng đốt trấu hóa khí quy mô nhỏ sử dụng cho hộ gia đình nông thôn”, bài báo đã trình bày phương pháp hóa khí, đốt trấu bằng phương pháp mới để chuyển hóa nhiên liệu rắn thành khí và ứng dụng nguyên lý hóa khí để tính toán thiết kết buồng đốt trấu hóa khí nguyên lý đốt nghịch quy mô nhỏ ứng dụng trong gia đình nông thôn [4]

Lê Minh Quân và cộng sự (2017) đã công bố nghiên cứu “Process Simulation of Rice Husk Gasitication in Updraft Gasifier Using Aspen Plus”, nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứu mô phỏng quá trình hóa khí trấu bằng Aspen Plus Mô phỏng trạng thái

ổn định của lò hóa khí ngược chiều tầng cố định đã được phát triển Hiệu suất của mô hình này đã được nghiên cứu bằng cách thay đổi tác nhân hóa khí để khảo sát giá trị nồng độ hydrogen và carbon monoxide trong dòng khí sản phẩm Kết quả thí nghiệm được tiến hình trên thiết bị hóa khí quy mô pilot, được so sánh với dữ liệu mô phỏng và đạt được sự thống nhất Mô hình có độ tính cậy cao để có thể dự đoán thành phần khí tổng hợp với độ chính xác cao và có thể được sử dụng để tìm các điều kiện hoạt động tối ưu của lò hóa khí [5]

Đến năm 2018, tác giả Lê Cao Chiến và cộng sự đã công bố nghiên cứu “Nghiên cứu đánh giá khả năng khí hóa chất thải rắn sinh hoạt làm nhiên liệu thay thế”, bài viết này đánh giá tiềm năng ứng dụng của công nghệ hóa khí vào việc xử lý chất thải rắn, tạo ra năng lượng và các sản phẩm cần thiết, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế [6]

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình: Quá trình hóa khí viên nén RDF

- Vật liệu nghiên cứu: Viên nén RDF từ rác thải không nguy hại

- Phương pháp: Mô hình cân bằng nhiệt động quá trình hóa khí viên nén RDF

- Chương trình mô phỏng ASPEN PLUS 11.0

1.4 Mục tiêu của đồ án

- Xây dựng mô hình toán học của quá trình hóa khí

- Mô phỏng quá trình hóa khí RDF trong lò hóa khí với tác nhân hóa khí là không khí và không khí kết hợp hơi nước

- Đánh giá điều kiện vận hành lò hóa khí

1.5 Cấu trúc của đồ án

Các nội dung nghiên cứu trong đồ án này được trình bày qua 6 chương:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan về hóa khí RDF

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF

Chương 5: Kết quả và bàn luận

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ RDF 2.1 Tổng quan công nghệ hóa khí

2.1.1 Khái niệm hóa khí

Hóa khí là sự chuyển hóa nguyên liệu thô có nguồn gốc từ carbon bằng cách oxy hóa không hoàn toàn nguyên liệu ở nhiệt độ cao thành sản phẩm dạng khí, gọi là khí tổng hợp (syngas) có thành phần chủ yếu là hydro (H2), carbon dioxide (CO), và một lượng ít hơn các khí carbon dioxide (CO2), hơi nước (H2O), methane (CH4), nitrogen (N2), các hydrocacbon nặng ngưng tụ được gọi là hắc ín (tar) và tro Syngas được sử dụng để làm nhiên liệu tổng hợp các hóa chất khác, sản xuất năng lượng nhiệt, điện hoặc nhiên liệu cho vận tải [7]

Công nghệ hóa khí có ưu điểm là tạo ra khí tổng hợp hiệu quả hơn quá trình đốt cháy trực tiếp nhiên liệu ban đầu vì nó có thể cháy ở nhiệt độ cao hơn, đồng thời sản phẩm syngas chứa ít tro nên quá trình thu hồi bụi sau hóa khí dễ dàng hơn Hơn nữa, khí tổng hợp được sản xuất thành nhiên liệu lỏng rất thuận tiện và tiết kiệm chi phí trong việc vận chuyển và phân phối so với nhiên liệu rắn Ngoài ra, quá trình hóa khí xảy ra ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ các yếu tố ăn mòn như clorua và kali, cho phép sản xuất khí tổng hợp sạch

từ nguồn nhiên liệu cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng khí cao như nhà máy điện khí, tổng hợp hóa chất…

2.1.2 Sản phầm của hóa khí

Trong quá trình hóa khí, bên cạnh các sản phẩm khí mong muốn như CO, H2, CH4, C2Hx, C3Hx còn có các thành phần làm giảm chất lượng của quá trình hóa khí Các thành phần này bao gồm:

- Chất trơ: CO2, H2O, N2

- Các chất NH3, HCN, nitơ hữu cơ, H2S, COS, CS2, mercaptanes, thiopens, HCl, NaCl, KCl

- Các hydrocacbon nặng ngưng tụ tại nhiệt độ khoảng 250 đến 300oC, được gợi là hắc ín (tar)

- Các hạt: tro, chất khoáng/ muối, char, hắc ín

Khí tổng hợp có thể được sử dụng để đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt trong các thiết

bị cháy hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện hoặc lò hơi Ngoài ra các loại khí sản phẩm này còn được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều hóa quan trọng trong công nghiệp như anomiac, phân urê, các sản phẩm hữu cơ… nhờ phản ứng tổng hợp Fischer- Tropsch

Hình 2.1 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm của quá trình hóa khí [8]

2.1.3 Lịch sử phát triển của hóa khí

Lịch sử phát triển của công nghệ hóa khí có thể được chia làm 4 giai đoạn như dưới đây [8]:

Giai đoạn 1850 – 1940: Trong giai đoạn đầu tiên này, khí đốt từ than đá được sử dụng chủ yếu để thắp sáng nhà cửa, đường phố và sưởi ấm Chiếu sáng đã giúp ích cho cuộc Cách mạng Công nghiệp bằng cách kéo dài giờ làm việc trong các nhà máy đặc biệt

là mùa đông Việc phát minh ra bóng đèn điện vào khoảng năm 1900 đã làm giảm nhu cầu

sử dụng khí đốt để thắp sáng, nhưng việc sử dụng nó để sưởi ấm và nấu nướng vẫn tiếp tục Với việc phát hiện ra khí tự nhiên, nhu cầu hóa khí than và sinh khối đã giảm xuống Tuy vật, tất cả các công nghệ hóa khí thương mại chính đã được ra mắt đầu tiên trong giai đoạn này (thiết bị hóa khí tầng sôi của Winkler năm 1926, thiết bị hóa khí tầng dịch chuyển

có áp suất của Lurgi năm 1931 và thiết bị hóa khí dòng lôi cuốn của Koppers- Totzek), các dạng thiết bị hóa khí này sẽ được đề cập chi tiết ở chương sau

Giai đoạn 1940 – 1975: Đây là giai đoạn chứng kiến công nghệ hóa khí được đưa vào hai lĩnh vực ứng dụng như nhiên liệu tổng hợp: đốt trong và tổng hợp hóa học thành dầu Một số lượng lớn ô tô và xe tải ở châu Âu hoạt động bằng thiết bị hóa khí than đá hoặc sinh khối được tích hợp trên phương tiện Trong thời kỳ này, hơn một triệu thiết bị hóa nhỏ được chế tạo cho lĩnh vực vận tải

Giai đoạn 1975 – 2000: Giai đoạn này, Hoa Kỳ và các nước phương Tây vốn phụ thuộc rất nhiều vào dầu mỏ bị thiếu hụt sau lệnh cấm từ Trung Đông Điều này đã tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển các công nghệ thay thế như hóa khí để giảm phụ thuộc vào dầu nhập khẩu Bên cạnh cung cấp khí đốt để sưởi ấm, khí tổng hợp được sử dụng thương mại chủ yếu trong sản xuất hóa chất, thay thế cho dầu mỏ Nhiều nước nhận thấy sự cần thiết phát triển công nghệ hóa khí ở quy mô lớn như nhà máy nhiệt điện sử dụng chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp (IGCC) vì những lợi ích về môi trường

Giai đoạn sau năm 2000: Sự nóng lên toàn cầu và sự bất ổn của năng lượng dầu

mỏ đã tạo động lực cho công nghệ hóa khí phát triển Mối đe dọa biến đổi khí hậu nhấn mạnh sự cần thiết phải thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Công nghệ hóa khí là một sự lựa chọn để chuyển đổi sinh khối carbon trung tính tạo thành khí Nhiều quốc gia đã bắt đầu đẩy mạnh sự phát triển nhà máy IGCC Công nghệ hóa khí liên tục được nghiên cứu và cải tiến qua từng năm

2.1.4 Xu hướng phát triển

Công nghệ hóa khí là công nghệ đã được phát hiện từ khá lâu, có quá trình phát triển lâu dài và được thương mại hóa Tuy nhiên đây là một công nghệ phức tạp cần tiếp tục được làm rõ, qua các công việc nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm để có thể nắm vững công nghệ và ứng dụng rộng rãi, đạt hiệu quả cao

Hiện nay, công nghệ hóa khí được tiếp tục nghiên cứu chủ yếu theo các hướng:

- Tổng hợp khí từ nguyên liệu rắn có chứa carbon

- Chưng cất cắt mạch các vật liệu có chứa carbon để tạo ra khí

- Thiết kế và cải tiến các lò, bếp hóa khí sử dụng nhiên liệu sinh khối như củi, trấu, rác thải… ở quy mô nhỏ và quy mô công nghiệp có hiệu suất cao và ít ô nhiễm

- Công nghệ làm sạch hoặc biến tính khí chứa carbon monoxide

- Loại bỏ chất thải rắn

- Mô phỏng quá trình hóa khí

2.2 Tổng quan về nhiên liệu Refuse-derived fuel (RDF)

2.2.1 Định nghĩa chất thải rắn

Theo quan niệm chung: Chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt động kinh tế - xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng v.v…) Trong đó quan trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ các hoạt động sản xuất và hoạt động sống

Nghị định số 09/VBHN-BTNMT ngày 25 tháng 10 năm 2019 của Bộ Tài nguyên

và Môi trường về Quản lý chất thải và phế liệu đã đưa ra định nghĩa về chất thải, chất thải rắn đô thị và chất thải rắn sinh hoạt [9]:

- Chất thải rắn là chất thải ở thể rắn hoặc sệt (còn gọi là bùn thải) được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác

- Chất thải rắn sinh hoạt (còn gọi là rác sinh hoạt) là chất thải rắn phát sinh trong sinh hoạt thường ngày của con người

- Chất thải rắn công nghiệp là chất thải rắn phát sinh từ hoạt động sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, trong đó bao gồm chất thải rắn nguy hại và chất thải rắn công nghiệp thông thường

Hiện nay, với tốc độ phát triển kinh tế cao, sự gia tăng dân số, cùng với sự phát triển về trình độ sản xuất và tiêu dùng, lượng chất thải do sinh hoạt ngày càng tăng lên Các nguồn phát sinh chất thải và phân loại chất thải được thể hiện như sau:

Bảng 2.1 Nguồn phát sinh và phân loại rác [10]

2.2.2 Thực trạng chất thải rắn ở Việt Nam

Theo Báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2017, (Bộ TN&MT,2018), chất thải rắn đô thị VN tăng 10-16%/ năm, CTR sinh hoạt chiếm 60-70% tổng lượng CTR đô thị Dựa vào số liệu Báo cáo Hiện trạng môi trường và quốc gia và số liệu dân số đô thị năm 2017, tổng lượng CTR đô thị ở Việt Nam năm 2017 khoảng 18,2 triệu tấn Còn đối với CTR nông nghiệp, mỗi năm khu vực nông thôn phát sinh hơn 14.000 tấn bao bì hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón các loại, 76 triệu tấn rơm rạ

Hình 2.2 Lượng CTR sinh hoạt phát sinh trong ngày tại khu vực đô thị và nông thôn (theo

vùng, 2019), BTNMT[9]

Ngoài ra, lượng CTR công nghiệp cũng rất lớn, tính đến năm 2016, cả nước có

325 KCN (đã đi vào hoạt động 220 KCN), 04 khu chế xuất, 40 khu kinh tế, 04 khu công nghệ cao và 621 cụm công nghiệp đã đi vào hoạt động, phát sinh CTR từ các ngành công nhiệp khác rất lớn: sản xuất giấy, công nghiệp nhiệt điện than, hóa chất phân bân bón, khai thác khoáng sản… có đặc thù riêng và tăng lên nhanh chóng trong nhưng năm gần đây Theo thống kê của Cục Quản lý chất thải và cải thiện môi trường, lượng CTR thông thường phát sinh từ hoạt động sản xuất công nghiệp ước tỉnh khoảng 25 triệu tấn/năm

Hình 2.3 Lượng CTR công nghiệp phát sinh tại một số địa phương (tấn) năm 2015[28]

Với lượng chất thải rắn lớn và ngày càng tăng, yêu cầu quản lý chất thải rắn được đặc ra nhằm mục đích: bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng, sử dụng tối đa vật liệu, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng, tái chế và sử dụng tối đa rác hữu cơ và giảm thiểu CTR

Nguyễn Văn Phước [11] đã đưa ra thứ tự ưu tiên trong quản lý tổng hợp CTR:

1 Giảm thiểu tại nguồn

Được cho là hiệu quả nhất trong mục đích giảm lượng CTR, giảm chi phí và hạn chế những tác động bắt lợi đối với môi trường Giảm thiểu trong sản xuất được thực hiện xuyên suốt từ khâu thiết kế, sản xuất và đống gói sản phẩm, nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm thành phần độc hại, giảm số lượng bao bì và tăng độ bền sản phẩm Ở các hộ gia đình, trung tâm thương mại, nhà máy,… giảm thiểu tại nguồn bắt đầu ở việc lựa chọn hàng hóa đến tái sử dụng các sản phẩm vật liệu

2 Tái chế

Tái chế là yếu tố quan trọng trong việc giảm nhu cầu sử dụng tài nguyên và và giảm khối lượng chôn lấp CTR một cách đáng kế Tái chế gồm ba gia đoạn: phân loại và thu gom CTR, chuẩn bị nguyên liệu cho việc tái sử dụng, tái chế và tái sử dụng

3 Chuyển hóa

Áp dụng các quá trình biết đổi vật lý, hóa học, sinh học của CTR, gồm các biện pháp: nâng cao hiệu quả của hệ thống quản lý CTR, tái sinh và tái sử dụng, sử dụng các sản phẩm tái chế như phâm compost và thu hồi năng lượng ở dạng nhiệt và khí sinh học

Sử chuyển hóa CTR giúp giảm đáng kể quy mô của các bãi chôn lắp Điển hình là cách đốt CTR

4 Chôn lắp

Phương pháp chôn lắp được áp dụng với CTR không có khả năng tái chế, tái sử dụng hoặc phần còn lại sau khi chế biến và đốt Thông thường có hai hướng chôn lắp CTR: thải bỏ trên mặt đất hay chôn vào dất và thải xuống biển

Theo báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019, Chuyên đề Quản lý chất thải rắn sinh hoạt, hiện nay trên trên cả nước có 1.322 cơ sở xử lý CTRSH, gồm 381 lò đốt CTRSH, 37 dây chuyền chế biến compost, 904 bãi chôn lấp, trong đó có nhiều bãi chôn lấp không hợp vệ sinh Một số cơ sở áp dụng phương pháp đốt CTRSH để thu hồi năng lượng phát điện hoặc có kết hợp nhiều phương pháp xử lý Trong các cơ sở xử lý CTRSH,

có 78 cơ sở cấp tỉnh Trên tổng khối lượng CTRSH được thu gom, khoảng 71% (tương đương 35.000 tấn/ngày) được xử lý bằng phương pháp chôn lấp (chưa tính lượng bã thải

từ các cơ sở chế biến compost và tro xỉ phát sinh từ các lò đốt); 16% (tương đương 7.900 tấn/ ngày) được xử lý tại các nhà máy chế biến compost; 13% (tương đương 6.400 tấn/ngày) được xử lý bằng phương pháp đốt [12]

Từ số liệu có thể nhận thấy đa số CTR ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh được chôn lấp tại các bãi rác tập trung còn rất lớn, gây áp lực quá tải lên các bãi rác Vì thể các nhà quản lý đã đặt mục tiêu chuyển đổi phương pháp xử lý có thể thu hồi vật chất và năng lượng

Hình 2.4 Tỷ lệ xử lý CTR bằng công nghệ tại TP Hồ Chí Minh[28]

2.2.3 Công nghệ chuyển hóa rác thải thành năng lượng

Rác thành năng lượng (WtE) là một quá trình thu hồi năng lượng sử dụng các công nghệ chuyển đổi chất thải để tạo ra năng lượng nhiên và điện từ các chất thải không thể tái

sử dụng và tái chế WtE vượt trội so với các biện pháp quản lý chất thải khác như tái sử dụng và tái chế vì nó có thể được được sử dụng để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và để giảm sự phụ vào nhập khẩu năng lượng và tài nguyên thiên nhiên, thêm vào đó

là việc giảm chất thải bỏ Chuyển hóa rác thải thành năng lượng mang lại lợi ích kinh tế và môi trường vượt trội vì các sản phẩm được sản xuất qua các quy trình này (ví dụ như: nhiên liệu, khí tổng hợp, hóa chất, kim loại đen, kim loại màu, năng lượng) thải ra ít carbon dioxide (CO2) hơn các nhà máy nhiệt điện sử dụng các nguồn nhiên liêu hóa thạch và phát thải khí nhà kính (như CH4) so với biện pháp chôn lắp

Các công nghệ chuyển rác thải thành năng lượng hiện nay có tiềm năng sản xuất điện với hiệu suất cao hơn, bằng cách chuyển hóa rác thải thành nhiên liệu, tách bỏ các thành phần ăn mòn và tro, do đó sản phẩm nhiên liệu được sử dụng cho tuabin khí, động

cơ đốt trong, pin nhiên liệu Chuyển hóa WtE là một giải pháp hoàn hảo bảo vệ trường và sản xuất năng lượng xanh, vì vậy đây đang là lĩnh vực được tập trung nghiên cứu và hoàn hiện

Bảng 2.2 Các công nghệ chuyển hóa rác thải theo Kaltschmitt and Reinhardt[13]

2.2.4 RDF (Refuse-derived fuel)

a) Định nghĩa RDF

RDF (Refuse-derived fuel) là loại nhiên liệu có chất lượng nhất định được tạo ra

từ các thành phần nguyên liệu thô hơn và kém nguyên chất hơn có trong CTR Các nguyên liệu thô để sản xuất RDF chính là các thành phần của rác được tách ra và xử lý sao cho khi phối trộn lại thì tính chất ban đầu của chất thải không còn nữa Công nghệ RDF là quá trình đốt có giai đoạn tiền xử lý rác, phân loại thành các thành phần cháy được và không cháy được, và biến phần cháy được thành dạng chất đốt có hiệu quả để sử dụng

b) Thành phần và nguyên liệu RDF

Nguyên liệu để sản xuất RDF chủ yếu là chất thải rắn đô thị, chất thải rắn công nghiệp, chất thải rắn từ các hoạt động nông nghiệp Thành phần chủ yếu là CTR không nguy hại, có thể cháy được: giấy, nhựa, vải, cao su, gỗ vụn…

c) Phân loại RDF

Bảng 2.3 Phân loại RDF theo ATSM[39]

Loại RDF Mô tả

RDF-1 CTR đô thị dùng như nhiên liệu không có các chất thải có kích thước

quá lớn RDF-2

(c-RDF)

CTR đô thị được xử lý để có kích thước hạt, không có hoặc có sắt

c-RDF là loại khi phân loại sẽ có 95% khối lượng qua được mắt lưới 6-inch

- Tạo hình sản phẩm có hình dáng, kích thước và khối lượng phù hợp với yêu cầu công nghệ chế biến, khi sản phẩm có hình dáng đẹp, khối lượng phù hợp với khả năng tiêu thụ sẽ tăng được giá trị [15]

e) Quy trình tạo ra RDF từ CTR đô thị

Dây chuyền sản xuất RDF từ CTR đô thị bao gồm các hoạt động chuỗi để tách riêng các thành phần không mong muốn và tạo những điều kiện cháy Các công đoạn chính gồm sàng lọc, băm nhỏ, giảm kích thước, phân loại, tách kim loại, thủy tinh hoặc những vật liệu hữu cơ ẩm ướt, sấy và đầm nén Trình tự có thể rác nhau tùy thuộc và thành phần CTR và yêu cầu chất lượng của RDF [14]

- Tách

Trong hỗn hợp CTR có rất nhiều rác thải cồng kềnh như thiết bị gia dụng, gỗ… và các chất thải nguy hại Việc phân loại giúp có thể tái chế thủy tinh, giấy, hộp nhựa và lon nhôm

- Giảm kích thước

Giảm kích thước rác là một công đoạn quan trọng trong các cơc sơ xử lý chất thải

vì nó sẽ tạo ra sự đồng nhất về kích thước CTR Ngoài ra, công đoạn băm nhỏ để tạo ra RDF theo chất lượng mong muốn Máy nghiền thường được sử dụng với chất thải hỗn hợp, trong khi cắt shredder thường được dùng cho các vật liệu khó nghiền như nhôm, lốp xe, nhựa…

- Sàng lọc

Sàng lọc dùng để tách những chất hải có kích thước mong muốn và những chất thải chưa đạt được kích thược yêu cầu Máy sàng quặng mỏ thường được sử dụng trong các nhà máy chế biến CTR do yêu cầu hiệu quả cao và có thể tách được những chất thải

vô cơ

- Phân loại bằng khí

Phân loại CTR bằng khí là quá trình phân tách được thực hiện nhừo sự khác biệt

về đặc tính động lực học của chất thải Quá tình này liên quan đến sự tương rác giữa các

dòng chuyển động của không khí, chất thải băm nhỏ và lực hấp dẫn Trong dòng khí này, hỗn hợp giấy vụn, nhựa hay kim loại được phân loại

- Tách từ

Tách từ dùng để tách kim loại màu từ hỗn hợp CTR Việc thu hồi kim loại có từ tính thường được dùng bằng nam châm Tỷ lệ thu hồi này sẽ cao (85-90%) nếu chúng được tiến hành sau công đoạn phân loại rác bằng không khí

- Sấy khô và đầm nén

Độ ẩm trong CTR có thể dạt 55-70% ngày cả trong những ngày không mưa Do

đó, yêu cầu làm khô rác trước khi tạo thành viên là một yêu cầu bắt buộc Sau quá tình sấy,

độ ẩm của rác sẽ giảm xuống còn 15% thông qua hệ thống sấy đa tầng Sấy có thể được thực hiện bởi năng lượng mặt trời hoặc sấy bằng không khí nóng, đôi khi là kết hợp cả hai

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Giới thiệu về hóa khí

3.1.1 Cơ chế của quá trình hóa khí

Quá trình hóa khí sinh khối, than hoặc các nhiên liệu rắn khác là một quá trình phức tạp liên quan đến hàng loạt các thay đổi về tính chất vật lý và các phản ứng hóa học Trong lò hóa khí, có thể chia ra làm 4 quá trình nhỏ diễn ra trong lò:

- Quá trình sấy: Trước tiên khi nhiên liệu được đưa vào lò khí hóa sẽ được gia nhiệt bởi nhiệt sinh ra ở quá trình cháy cacbon Nhiên liệu được gia nhiệt đến trên 100oC, ẩm bên trong vật liệu sẽ di chuyển ra ngoài bề mặt và bay hơi thoát ra khỏi vật liệu

- Quá trình nhiệt phân: Sau quá trình sấy, nhiệt độ của nhiên liệu tiếp tục tăng lên trên 200oC Lúc này, thành phần chất bốc trong vật liệu bắt đầu phân hủy thành các chất khí, các thành phần rắn còn lại sau quá trình này sẽ là tro và cacbon cố định Quá trình này được gọi là quá trình nhiệt phân Quá trình nhiệt phân diễn ra vô cùng phức tạp đến nay vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, có thể xem quá trình này gồm 2 giai đoạn nhiệt phân sơ cấp và thứ cấp nếu có kể đến sự cracking của hắc ín

- Quá trình cháy: Sau khi nhiệt phân, một phần thành phần rắn còn lại sẽ phản ứng với lượng oxy cấp vào diễn ra quá trình cháy Đây là quá trình tỏa nhiệt, cung cấp nhiệt cho các quá trình khác để thúc đẩy các phản ứng trong lò hóa khí Theo lý thuyết quá trình này có tỏa nhiệt liên đến 1450oC Các phản ứng ở quá trình này là phản ứng dị thể diễn ra giữa 2 pha rắn và khí

- Quá trình hóa khí: Luồng sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân và cháy qua phần còn lại của thành phần rắn ở đây các phản ứng khử CO2 bởi cabon còn lại và các phản ứng đồng thể giữa các khí diễn ra tạo nên sản phẩm chính của quá trình hóa khí là CO, H2 và một ít CH4

Mặc dù các quá trình này thường được mô hình hóa theo chuỗi các quá trình, nhưng thực tế không có ranh giới rõ ràng giữa chúng và chúng thường chồng chéo lên nhau

Bảng 3.1 Bốn quá trình diễn ra trong lò hóa khí[8]

Nhiệt cung cấp cho

quá trình được lấy

𝐻2+ 0,5𝑂2→ 𝐻2𝑂

𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2

của quá trình nhiệt

phân và oxy hóa,

Một số hình ảnh miêu tả cơ chế hóa khí ở một số loại lò hóa khí:

Hình 3.1 Cơ chế hóa khí trong lò updraft[8]

Hình 3.2 Cơ chế hóa khí trong lò downdraft[8]

Có thể thấy rằng, luồng sản phẩm khí sau quá trình nhiệt phân của lò hóa khí downdraft sẽ đi qua vùng cháy có nhiệt độ rất cao, vì thế ở đây tar trong luồng khí nhiệt phân sẽ cracking thành các hydrocacbon Đây là lý do hắc ín trong syngas của lò hóa khí downdraft rất ít và ít hơn là hóa khí updraft

3.1.2 Phân loại lò hóa khí

Lò hóa khí thường được phân loại dựa trên 2 yếu tố:

- Cách cung cấp nhiệt cho lò khí hóa

- Cách mà dòng nhiên liệu và tác nhân khí hóa tiếp xúc với nhau

Cách tiếp cận dựa trên yếu tố đầu tiên, lò hóa khí được chia làm 2 loại: lò hóa khí

tự nhiệt và lò hóa khí được cấp nhiệt riêng Đối với lò khí hóa tự nhiệt thì nhiệt lượng cần thiết cho lò được cung cấp bởi các phản ứng oxi hóa một phần nhiên liệu có trong lò Trong một số trường hợp, hơi nước được cung cấp vào với mục đích cấp nhiệt và tăng hàm lượng H2 ở syngas Đối với lò hóa khí được cấp nhiệt riêng, nhiệt cần thiết cho lò hóa khí được cung cấp từ các nguồn nhiệt bên ngoài bởi thiết bị trao đổi nhiệt Trong trường hợp này,

hơi nước có thể được cung cấp như một tác nhân hóa khí do đó tạo ra khí tổng hợp giàu hydro, điều này rất thuận lợi cho quá trình tổng hợp nhiên liệu lỏng hoặc tinh chế hydro

Hình 3.3 Mô tả hai loại lò khí hóa theo cách cấp nhiệt[16]

Cách tiếp cận dựa trên cách mà dòng nhiên liệu và tác nhân hóa khí tiếp xúc với nhau, lò hóa khí được chia làm 3 loại: lò hóa khí tầng cố định ( fixed (moving) bed), lò hóa khí tầng sôi (fluidized bed), lò hóa khí dòng cuốn(entrained flow bed)

- Ở loại lò hóa khí tầng cố định, nhiên liệu được cấp từ trên xuống và tác nhân hóa khí có thể cấp từ dưới lên hoặc trên xuống tùy theo cấu tạo của lò Dòng syngas có thể dẫn

ra ở phía trên hoặc phía dưới Vận tốc dòng khí trong kiểu lò này rất thấp vì thế nhiên liệu dường như cố định trong lò Dòng nhiên liệu chỉ chuyển động từ trên xuống khi mà khối lượng của chúng giảm do tác động của các quá trình trong lò hóa khí

- Trong lò hóa khí tầng sôi, tác nhân hóa khí được nạp từ dưới của lò hóa khí và đi qua lớp nhiên liệu rắn và các hạt sôi Syngas được lấy ra ở phần trên của lò Vận tốc dòng khí trong lò tầng sôi cao hơn trong lò tầng cố định Trong kiểu lò này, cả nguyên liệu và tác nhân được hòa trộn trong thiết bị, bao gồm 2 loại là dạng sôi bọt (Bubbling Fluidized Bed) hoặc dạng tuần hoàn (Criculating Fluidized Bed) Nhiệt độ trong thiết bị có thể đạt

800oC đến 1000oC, do đó dễ điều khiển hơn so với thiết bị dạng cuốn (Entrained Bed) Tro được lấy ra ở đáy thiết bị (không bị nóng chảy) Thiết bị dạng tầng sôi (Fluidized Bed) không bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước và chất lượng nguyên liệu, do đó công nghệ này phù hợp với nhiều loại sinh khối, kể cả hỗn hợp sinh khối và rác thải đô thị Nguyên liệu trong thiết bị ở dạng tầng sôi nên quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong thiết bị được cải thiện đáng kể, đồng thời nhiệt trị của sản phẩm khí cũng được tăng lên Loại thiết bị này phù hợp với hệ thống có năng suất lớn (>100 MW) Tuy nhiên, do nhiệt độ trong thiết

bị thấp hơn so với thiết bị dạng cuốn (Entrained Bed) nên hắc ín (tar) trong sản phẩm khí

không được chuyển đổi hoàn toàn, đồng thời than không được khí hóa hoàn toàn, do đó làm giảm hiệu quả quá trình

- Lò hóa khí dạng cuốn thường được dùng cho các loại nhiên liệu dạng bùn hoặc dạng bột Loại thiết bị này được dùng ở quy mô lớn (>100MW) và thường dùng cho nguyên liệu hóa thạch Nhiệt độ khí hóa cao (khoảng 2000oC) và áp suất lớn (đến 35 bar) Do nhiệt

độ cao nên tro bị tan chảy ra và chảy thành dòng trên thành thiết bị xuống đáy và được lấy

ra như xỉ lỏng Với Nhiên liệu, tro nóng chảy ở khoảng 1000oC, còn với than thì khoảng

1300oC Nhiệt độ cao cũng làm cho hắc ín (tar) trong sản phẩm khí bị chuyển đổi hoàn toàn trong thiết bị

Hình 3.4 Hình ảnh các loại lò hóa khí[17]

Hiện tại, lò hóa khí tầng cố định là lò hóa khí được sử dụng phổ biến nhất sau đó

là lò tầng sôi Lò khí hóa tầng cố định được chia làm 2 loại chính là lò thuận dòng (updraft)

và lò ngược dòng (downdraft) Ngoài ra còn có dạng lò crossdraft nhưng vì lý do không phổ biến nên sẽ không được đề cập đến Trong lò hóa khí downdraft, nhiên liệu rắn cấp vào lò từ phía trên và khi di chuyển xuống phía dưới nhờ tác dụng của trọng lực, nó trải qua tuần tự các quá trình sấy, nhiệt phân, đốt cháy và hóa khí, và cuối cùng tro rời khỏi thiết bị khí hóa từ phía dưới Tác nhân hóa khí được đưa vào lò phản ứng ở vị trí phía trên

vỉ, chổ này diễn ra quá trình cháy và đi xuống vùng khí hóa, nơi tạo ra hỗn hợp H2 và CO Syngas được dẫn ra ở phía dưới của lò Mặt khác, lò hóa khí updraft cũng tương tự nhưng dòng tác nhân hóa khí được đưa vào lò ở phía dưới và syngas được dẫn ra ở phía trên của

lò Nhiên liệu được dẫn qua tuần tự các quá trình sấy, nhiệt phân, hóa khí và cháy như ở hình 3.4

So sánh hai loại lò hóa khí tầng cố định, lò downdraft có ưu điểm hơn là hàm lượng hắc ín thấp trong syngas, vì sản phẩm khí từ quá trình nhiệt phân đi qua vùng đốt nơi nhiệt

độ có thể trên 1000oC Với nhiệt độ cao như thế, hắc ín và hydrocacbon nặng trong vùng nhiệt phân sẽ bị cracking và syngas sẽ sạch Nhược điểm của lò hóa khí này là chưa tận dụng được hết nhiệt do vùng cháy tạo ra vì nhiệt độ của syngas đi ra khỏi lò rất cao Ngược lại, lò hóa khí updraft tận dụng hiệu quả hơn nguồn nhiệt mà vùng cháy tỏa ra do dòng tác nhân đi ngược chiều với dòng nhiên liệu vì thế dòng syngas ra khỏi lò có nhiệt độ tương đối thấp

3.1.3 Tác nhân hóa khí

Tác nhân hóa khí là chất phản ứng với cacbon rắn và các hydrocacbon nặng qua các phản ứng chuyển hóa thành hỗn hợp khí có khối lượng phân tử nhẹ như CO và H2 Các loại tác nhân hóa khí chính thường được sử dụng là oxy, không khí và hơi nước Các tác nhân trên có thể kết hợp với nhau

- Sử dụng tác nhân O2 là một cách hiệu quả để nâng cao nhiệt trị khí sản phẩm Tuy nhiên khi sử dụng lượng dư khí O2 thì quá trình chuyển từ khí hóa sang đốt hoàn toàn

và nồng độ khí tổng hợp trong dòng sản phẩm sẽ giảm đáng kể Do đó cần kiểm soát lưu lượng O2 cấp vào đồng thời việc sử dụng loại tác nhân này làm tăng chi phí đầu tư

- Khi sử dụng tác nhân hóa khí là hơi nước là một lựa chọn tốt cho ứng dụng đốt hyrdogen vì khí đầu ra có lượng H2 sinh ra một cách đáng kể Đồng thời, phần tar tạo ra sau quá trình khí hóa với tác nhân là hơi nước cũng được nghiên cứu là dễ phân hủy bằng xúc tác niken hoặc dolomite [18].Tuy nhiên việc lắp đặt hệ thống lò hơi cũng làm tăng chi phí đầu tư cho thiết bị

- Sử dụng tác nhân không khí là phương pháp đơn giản nhất để vận hành hệ thống khí hóa, bất chấp những hạn chế của tác nhân này về nhiệt trị và nồng độ H2 thấp, lượng N2 cao trong khí sản phẩm

- Sử dụng tác nhân khí hóa là hỗn hợp giữa không khí và hơi nước sẽ gia tăng chất lượng khí tổng hợp hơn so với khi sử dụng không khí Phương pháp này ưu điểm hơn so với sử dụng chỉ hơi nước là nó không cần một nguồn nhiệt độc lập mà lấy nhiệt từ phản ứng cháy

3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa khí

Hiệu suất của lò hóa khí được đo bằng cả chất lượng và số lượng syngas được tạo

ra Lượng sinh khối chuyển hóa thành khí được biểu thị bằng hiệu suất khí hóa Chất lượng sản phẩm được đo bằng nhiệt trị cũng như lượng syngas mong muốn

Hiệu suất của lò khí hóa sẽ được thể hiện bằng nhiều cách đánh giá tùy vào mục đích sử dụng của syngas Thông thường người ta sẽ đánh giá bằng hiệu suất cold-gas, hiệu suất hot-gas và hiệu suất chuyển hóa cacbon

- Hiệu suất cold-gas được tính đơn giản bằng nhiệt trị của syngas chia cho nhiệt trị của nhiên liệu

cg

Q M LHV M

 =

Trong đó: Qg là nhiệt trị thấp của syngas (kJ/m3)

Mg là lưu lượng của syngas (m3/h)

LHVf là nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg)

Mf là khối lượng của nhiêu liệu cấp vào (kg/h)

Mg = n x 24.465 (m3/h) Trong đó: n là tổng số mol của syngas (kmol/h), 24.465 là thể tích mol tại 25oC (L/mol)

- Hiệu suất hot-gas được sử dụng trong trường hợp syngas được sử dụng đốt trực tiếp sau khi ra khỏi lò hóa khí mà không qua quá trình làm mát Hiệu suất này chưa tính đến nhiệt do than chưa chuyển hóa hết và tro mang đi Do đó nhiệt mà syngas mang ra khỏi

lò hóa khí cũng được tính vào trong hiệu suất:

Trong đó: Tf là nhiệt độ của syngas đi ra khỏi lò khí hóa (K)

To là nhiệt độ của nhiên liệu đi vào lò khí hóa (K)

Cp là nhiệt dung riêng của syngas (kJ/kg)

- Hiệu suất chuyển hóa cacbon muốn nói đến hiệu quả của quá trình cháy và hóa khí Hiệu suất này chỉ ra rằng lưu lượng của tác nhân khí hóa là đủ hay không Nó đánh giá lượng cacbon trong phần rắn thải ra ở đáy lò

(gas)

C

f

C C

3.1.4.2 Thành phần của nhiên liệu

Thành phần nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hóa khí Khi độ

ẩm lớn hơn 30% sẽ rất khó để làm cháy khối nhiên liệu, đồng thời làm giảm trị số năng

lượng của sản phẩm khí bởi vì lượng nhiệt một phần để làm bay hơi lượng hơi nước này Khi tăng độ ẩm và có sự hiện diện của CO sẽ thúc đẩy phản ứng nước khí chuyển đổi, do

đó thành phần của H2, CH4 sẽ tăng lên trong khi CO giảm điều này dẫn đến nhiệt đốt cháy của khí sẽ bị giảm bởi vì sự giảm của CO sẽ ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt lượng của khí Thành phần phân tích C, H, O trong phân tích cuối cùng,3 thành phần này góp vai trò quan trọng trong việc quyết định đến năng lượng cháy của khí syngas được biểu hiện như sau:

Nhiệt trị cao và thấp của nguyên liệu được tính toán như sau [19]:

HHVf = 339.1Cdr + 1178.3Hdr + 100.5Sdr – 103.4Odr – 15.1Ndr – 21.1 Adr

LHVf = HHV – 9mHhfg Trong đó: HHVf : giá trị năng lượng cháy thuần trên khối lượng khô cơ bản (kJ/kg) LHVf : giá trị năng lượng cháy thấp của nguyên liệu (kJ.kg-1)

Cdr, Hdr, Odr, Sdr, Ndr: thành phần hóa học chất khô (%)

Adr: thành phần tro trong nguyên liệu khô (%)

hfG: ẩn nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg)

Bên cạnh đó, lượng carbon trong nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến thành phần CO trong syngas Một trong những chỉ số ảnh hưởng quan trọng hơn là tỉ lệ C/O và giá trị làm nóng của syngas Tỉ lệ này càng cao thì giá trị năng lượng càng cao

Khả năng tham gia vào phản ứng khí hóa của Carbon cũng phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, theo Gozde Duman và cộng sự [20] cũng công bố nghiên cứu khả năng tham gia phản ứng khí hóa của các loại nhiên liệu có nguồn gốc từ gỗ cao hơn so với phụ phẩm nông nghiệp

Thành phần nhiều tro sẽ làm giảm giá trị nhiệt của vật liệu Thành phần của tro sẽ ảnh hưởng đến quá trình tro bay hơi, có thể dẫn đến các vấn đề về lắng, kết tụ và gây tắc nghẽn

3.1.4.3 Tar cracking

Tar được sinh ra chủ yếu ở quá trình nhiệt phân sơ cấp, khoảng 88% Theo những

lưu lớn hơn Bằng cách thay đổi thiết kế thiết bị khí hóa sẽ điều chỉnh được các yếu tố này

để hình thành nhiều hơn các khí cháy được như H2, CO, CH4

Khi tar bị khử sẽ làm tăng nồng độ của CO và một sự tăng nhẹ thành phần CO2 Thông thường để tăng khả năng khử tar, xúc tác như Fe2O3, Al2O3 sẽ được thêm vào nguyên liệu để tăng khả năng chuyển hóa các loại này thành CO

Giá trị nhiệt trị cao (HHV) do của khối khí đã tăng thêm gần 30% khi độ chuyển hóa của tar đạt 95% cho thấy quá trình tar-cracking ảnh hưởng rất lớn đến thành phần của các khí cháy được [20]

3.1.5 Quy trình thiết kế hệ thống hóa khí

Quá trình hóa khí là một quá trình phức tạp, trong đó có nhiều phản ứng hóa học đồng thể và dị thể, cũng như các cơ chế truyền nhiệt và truyền khối trong đó Nhiều thông

số như nguyên liệu đầu vào, dạng lò hóa khí, tác nhân hóa khí, nhiệt độ và áp suất (khi tác nhân là hơi nước)… ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng syngas [22]

Để thiết kế một hệ thống sử dụng nhiên liệu nói chung, và một hệ thống hóa khí nói riêng thì thông số thành phần nhiên liệu (phân tích thành phần sơ bộ, phân tích thành phần cuối cùng), thành phần syngas và nhiệt trị là những thông số cần phải biết Qua nghiên cứu, nhóm nhận thấy đa phần các quy trình thiết kế đều dựa trên các dữ liệu về phân tích thành phần nhiên liệu, thành phần syngas đã công bố từ các tài liệu hoặc thực nghiệm với

mô hình nhỏ, dựa trên dữ liệu có được thì người ta ước tính được lượng tiêu hao nhiên liệu

để thiết kế lò hóa khí [29], [30], [31] Thông qua các thí nghiệm hoặc dữ liệu khoa học đã công bố, người ta lựa chọn tác nhân khí hóa cho lò để phù hợp với mục đích sử dụng syngas Quy trình thiết kế đó được thể hiện sơ bộ như sau:

Hình 3.5 Quy trình thiết kế lò hóa khí đúc kết được

Tuy nhiên, trong phạm vi của đồ án này, nhiêu liệu sử dụng là viên nén RDF, là nhiên liệu chưa có dữ liệu đáng tin cậy về hóa khí nhiên liệu này Vì thế, nhóm đề xuất quy

sau đó dùng mô hình toán mà các nhà khoa học đã nghiên cứu để dự đoán chất lượng syngas Các mô hình toán về hóa khí sẽ được trình bày ở phần sau

Hình 3.6 Quy trình thiết kế lò hóa khí đề xuất

3.2 Cơ sở lý thuyết về mô phỏng hóa khí

3.2.1 Tổng quan về mô hình hóa hóa khí

Mô phỏng số còn được gọi là mô phỏng tính toán có thể giải quyết các vấn đề kỹ thuật và các vấn đề vật lý, thậm chí cả các hiện tượng bản chất bằng cách tính toán số và phương pháp hiển thị hình ảnh So với phương pháp thí nghiệm truyền thống, mô phỏng

số đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như cơ khí, điều hòa không khí, truyền nhiệt, Kết quả thí nghiệm có thể được dự đoán bằng cách mô phỏng quá trình phản ứng thực tế với phần mềm mô phỏng số thích hợp, tiết kiệm đáng kể thời gian và nhân lực

Việc tối ưu hóa chuyển đổi năng lượng trong lò hóa khí phụ thuộc rất nhiều vào cấu hình, kích thước và điều kiện vận hành của lò hóa khí Ở các nhà máy lớn, các điều kiện vận hành tối ưu được rút ra từ các thí nghiệm với mô hình nhỏ hơn Mặc dù tốn kém, các thí nghiệm có thể cung cấp dữ liệu thiết kế đáng tin cậy hơn những gì có thể thu được thông qua mô hình hóa hoặc mô phỏng Tuy nhiên, có một hạn chế lớn với dữ liệu thử nghiệm Nếu một trong các biến của quá trình ban đầu thay đổi, điều kiện vận hành tối ưu được chọn từ điều kiện thực nghiệm cụ thể không còn giá trị Hơn nữa, một tham số tối ưu được tìm thấy trong thực nghiệm có thể là kích thước cụ thể; nghĩa là, điều kiện hoạt động tối ưu cho một kích thước của bộ hóa khí không có nghĩa là hợp lý cho bất kỳ kích thước khác Do đó, sự lựa chọn đúng đắn giữa thử nghiệm và mô hình hóa là cần thiết cho một thiết kế đáng tin cậy

Mô phỏng hoặc mô hình toán học của lò hóa khí có thể không đưa ra dự đoán chính xác về hiệu suất của nó, nhưng ít nhất nó có thể cung cấp hướng dẫn định tính về ảnh hưởng của thiết kế và vận hành hoặc các thông số nguyên liệu Mô phỏng cho phép nhà thiết kế

hoặc kỹ sư nhà máy tối ưu hóa hợp lý hoạt động hoặc thiết kế của nhà máy bằng cách sử dụng dữ liệu thí nghiệm có sẵn cho nhà máy thí điểm hoặc nhà máy hiện tại

Mô phỏng cũng có thể xác định các giới hạn hoạt động và các vùng hoạt động nguy hiểm hoặc không mong muốn, nếu chúng tồn tại Ví dụ, các thiết bị khí hóa hiện đại thường hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao và do đó phải tiếp xúc với các điều kiện hoạt động khắc nghiệt Đẩy hoạt động đến những điều kiện khắc nghiệt hơn nữa để cải thiện hiệu suất của bộ khí hóa có thể nguy hiểm, đặc biệt nếu nó được thực hiện mà không có ý tưởng trước về cách bộ khí hóa có thể hoạt động ở những điều kiện đó Mô hình hóa có thể cung cấp một phương tiện ít tốn kém hơn để đánh giá lợi ích và rủi ro liên quan Và với một mô hình toán học tốt, thì mô phỏng có thể:

- Tìm điều kiện hoạt động tối ưu hoặc thiết kế cho lò hóa khí

- Xác định các khu vực cần quan tâm hoặc nguy hiểm trong lúc vận hành

- Cung cấp trường nhiệt độ, trường áp suất trong lò mà thực nghiệm khó chỉ ra được

- Phân tích các hoạt động bất thường của lò hóa khí nếu có

- Hổ trợ cho việc scale - up lò khí hóa từ công suất này sang công suất lớn hơn, từ nhiên liệu này sang nhiên liệu khác

Các mô hình mô phỏng lò hóa khí có thể được phân loại thành các nhóm sau:

- Cân bằng nhiệt động lực học

- Động học hóa học

- Computational fluid dynamics (CFD)

- Artificial neural network (ANN)

Mô hình cân bằng nhiệt động lực học dự đoán sản lượng tối đa có thể đạt được của một sản phẩm mong muốn từ một hệ thống phản ứng [35] Nói cách khác, nếu để các chất phản ứng phản ứng trong một thời gian vô hạn, chúng sẽ đạt đến hiệu suất cân bằng Sản lượng và thành phần của sản phẩm ở điều kiện này được đưa ra bởi mô hình cân bằng, mô hình này chỉ liên quan đến phản ứng mà không tính đến dạng hình học của lò hóa khí

Trong thực tế, chỉ có một thời gian hữu hạn để chất phản ứng phản ứng trong thiết

bị hóa khí Vì vậy, mô hình cân bằng có thể cho một sản phẩm lý tưởng Đối với các ứng dụng thực tế, chúng ta cần sử dụng mô hình động học để dự đoán sản phẩm từ lò hóa khí trong một thời gian nhất định Mô hình động học nghiên cứu sự tiến triển của các phản ứng trong lò phản ứng, đưa ra các thành phần sản phẩm ở các vị trí khác nhau dọc theo thiết bị khí hóa Nó có tính đến hình dạng của lò phản ứng cũng như thủy động lực học của nó

Mô hình CFD giải quyết một tập hợp các phương trình đồng thời để bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và chất trên một vùng riêng biệt của bộ khí hóa Do đó, chúng cung cấp phân bố nhiệt độ, nồng độ và các thông số khác trong lò hóa khí Nếu biết

rõ về thủy động lực học của lò phản ứng, thì mô hình CFD cung cấp một dự đoán rất chính xác về nhiệt độ và sản lượng khí trong lò phản ứng

Neural network analysis là một công cụ mô phỏng tương đối mới để mô hình hóa một lò hóa khí Nó hoạt động giống như một nhà vận hành có kinh nghiệm, người sử dụng nhiều năm kinh nghiệm của mình để dự đoán cách lò hóa khí sẽ hoạt động như thế nào trong một điều kiện nhất định Cách tiếp cận này yêu cầu ít kiến thức trước về quy trình Thay vào đó, mạng nơ-ron tự học từ dữ liệu thí nghiệm mẫu [21]

Hiện nay, nhiều phần mềm thương mại được phát triển và sử dụng rộng rãi để mô phỏng quá trình hóa khí chủ yếu bao gồm phần mềm tính toán phân tích HSC, phần mềm

mô phỏng dòng hóa chất tổng quát quy mô lớn Aspen Plus và phần mềm tính toán động lực học chất lỏng Fluent, v.v

Dựa trên các bài báo khoa học đã công bố về mô phỏng hóa khí thì hai phần mềm thường được sử dụng để mô phỏng hóa khí đó chính là Aspen Plus và Fluent Giữa hai phần mềm nêu trên có nhiều điểm khác biệt trong mô phỏng quá trình hóa khí chẳng hạn như nguyên lý mô phỏng, nền tảng mô phỏng,

3.2.2 Các mô hình mô phỏng hóa khí

3.2.2.1 Mô hình cân bằng nhiệt động lực học

Trong mô hình cân bằng cho quá trình hóa khí, thành phần của syngas được dự đoán thông qua giả thiết rằng các chất phản ứng hoàn toàn trộn lẫn với nhau và phản ứng

ở điều kiện trạng thái ổn định Mô hình này tính toán cân bằng khối lượng, nhiệt và năng lượng trong toàn bộ lò hóa khí hoặc trong một số phần nhất định của lò hóa khí để xác định gần đúng thành phần khí đầu ra Mô hình này được tiếp cận bằng 2 phương pháp: stoichiometric và non-stoichiometric

Trong phương pháp stoichiometric, hằng số cân bằng được sử dụng để xác định một tập hợp các phản ứng hóa học xảy ra trong lò phản ứng Các phản ứng quan trọng nhất được xem xét và các phản ứng khác bị bỏ qua có thể dẫn đến sai số nhỏ Trong phương pháp non-stoichiometric, không cần cơ chế phản ứng để giải quyết vấn đề thông qua việc

sử dụng tối thiểu hóa năng lượng tự do Gibbs Phương pháp này phức tạp hơn một chút nhưng có lợi vì không cần phải có kiến thức phức tạp về các phản ứng hóa học Nó rất thích hợp cho khí hóa sinh khối và RDF, vì thành phần nguyên tố của nguyên liệu là tất cả những gì cần thiết để có được công thức hóa học thông qua phân tích cuối cùng

Các mô hình cân bằng có thể đơn giản, nhưng chúng có thể mô tả các thông số khí hóa khác nhau và thành phần của khí sản xuất khá chính xác Điều này đặc biệt đúng đối với lò khí hóa downdraft vì nó thường hoạt động gần với các điều kiện cân bằng [22] Tuy nhiên, phương pháp cân bằng có những hạn chế Vì cân bằng nhiệt động lực học không xuất hiện khi nhiệt độ hoạt động thấp, nên phương pháp cân bằng không phải là phương pháp dự đoán chính xác cho lò hóa khí trong điều kiện này Tuy nhiên, phương pháp cân bằng đã được sử dụng thành công trong việc mô hình hóa quá trình khí hóa trong lò hóa khí downdraft trong nhiều nghiên cứu

3.2.2.2 Mô hình động học

Mô hình động học có khả năng dự đoán nhiệt độ và cấu hình thành phần khí bên trong bộ khí hóa Nó cũng có thể dự đoán hiệu suất tổng thể của bộ khí hóa khi các điều kiện hoạt động nhất định của bộ khí hóa được đưa ra làm đầu vào Mô hình động học xem xét cả phản ứng thủy động lực học và động học bên trong lò phản ứng, điều này rất quan trọng nếu thời gian lưu trú cần thiết để chuyển đổi hoàn toàn là đủ lâu Do đó, nhiệt độ vận hành thấp có xu hướng phù hợp hơn ,nhiệt độ thấp hơn khi so với mô hình cân bằng Mô hình động học có xu hướng chuyên sâu về mặt tính toán và độ phức tạp của chúng sẽ tăng lên khi cần biết nhiều biến đầu ra của mô hình