Khảo sát và mô phỏng quá trình khí hóa trầu

Tóm tắt: Biomass là một nguồn năng lượng tái tạo và là năng lượng sạch. Các quốc gia trên khắp thế giới đang ngày càng quan tâm đến sinh nguồn năng lượng sạch này vì nó có thể làm giảm hiệu ứng nhà kính một cách hiệu quả do không phát thải CO2. Trong số các công nghệ chuyển hóa biomass, công nghệ khí hoá là một giải pháp hấp dẫn để sử dụng biomass một cách hiệu quả. Quá trình khí hoá được nghiên cứu dựa trên quá trình khí hóa ngược chiều và được mô phỏng bằng phần mềm Aspen Plus V8. Mô hình mô phỏng quá trình này sử dụng phương pháp năng lượng tự do Gibbs và mô hình tính toán chất rắn không thông thường. Các thông số hoạt động chính bao gồm lưu lượng không khí, tỷ lệ hơi nướctrấu, và nhiệt độ khí hoá được thay đổi bằng cách sử dụng phân tích sentivity của Aspen Plus. Ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số về thành phần khí tổng hợp đầu ra, nhiệt trị thấp của khí tổng hợp được nghiên cứu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN

KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHÍ

HÓA TRẦU

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

Mã ngành: 60 52 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Tấn Việt Chữ ký:

TS Nguyễn Đình Quân Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lý Cẩm Hùng Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Tuấn Anh Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 17 tháng

07 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Lê Thị Kim Phụng

2 TS Lý Cẩm Hùng

3 TS Nguyễn Tuấn Anh

4 PGS TS Nguyễn Quang Long

5 TS Bùi Ngọc Pha

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và trưởng phòng thí nghiệm sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

• • • •

Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN

Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1989 Chuyên ngành:

Kỹ thuật hóa học

Nơi sinh: TPHCM

Mã số : 60 52 03 01 MSHV: 1570721

I TÊN ĐỀTÀI: KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA TRẦU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình khí hóa trấu

- Thực nghiệm khí hóa trấu trên quy mô pilot với tác nhân không khí

- Thực nghiệm khí hóa trấu trên quy mô pilot với tác nhân không khí và hơi nước

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Tháng 7/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12/2017

LỜI CẢM ƠN

Trong quá thực hiện đề tài luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết on sâu sắc đến TS Trần Tấn Việt và TS Nguyễn Đình Quân người đã tận tình truyền đạt những kinh nghiệm và kiến thức nghiên cứu khoa học quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi có thêm tri thức và hoàn thành tốt luận văn này

Gia đình luôn là hậu phưong vững chắc, là động lực to lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong học tập và cuộc sống

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết on đến quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học và cán bộ phòng Thí nghiệm Nhiên liệu Sinh học và Biomass - Trường Đại học Bách khoa đã hết lòng hướng dẫn và giúp tôi có được những điều kiện thí nghiệm tốt nhất

Cảm on bạn Trần Ngọc Tú và bạn Lê Minh Quân đã cùng nghiên cứu, thực hiện thí nghiệm, thảo luận và cùng nhau giải quyết khó khăn khi thực hiện luận văn này

Xin gửi lòi cảm on đến tập thể lóp cao học Kỹ thuật Hóa học khóa 2015 và những người bạn của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như khi thực hiện đề tài

TÓM TẮT

Biomass là một nguồn năng lượng tái tạo và là năng lượng sạch Các quốc gia trên khắp thế giới đang ngày càng quan tâm đến sinh nguồn năng lượng sạch này vì nó có thể làm giảm hiệu ứng nhà kính một cách hiệu quả do không phát thải CƠ2 Trong số các công nghệ chuyển hóa biomass, công nghệ khí hoá là một giải pháp hấp dẫn để sử dụng biomass một cách hiệu quả

Quá trình khí hoá được nghiên cứu dựa trên quá trình khí hóa ngược chiều và được mô phỏng bằng phần mềm Aspen Plus V8 Mô hình mô phỏng quá trình này sử dụng phương pháp năng lượng

tự do Gibbs và mô hình tính toán chất rắn không thông thường Các thông số hoạt động chính bao gồm lưu lượng không khí, tỷ lệ hơi nước/trấu, và nhiệt độ khí hoá được thay đổi bằng cách sử dụng phân tích sentivity của Aspen Plus Ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số về thành phần khí tổng họp đầu ra, nhiệt trị thấp của khí tổng họp được nghiên cứu

Kết quả phân tích bằng công cụ sentivity cho thấy khi tăng tỷ lệ hơi nước/trấu sẽ làm tăng năng suất hydro và tỷ lệ hàm lượng hydro trong khí tổng họp, trong khi tăng S/A có ảnh hưởng tiêu cực đến việc tăng giảm nhiệt trị của khí tổng họp Nhiệt độ hoá khí tăng làm giảm hiệu quả khí hoá

và năng suất hydro, trong khi nó có ảnh hưởng tích cực đến sự gia tăng nhiệt trị thấp của khí tổng họp Các kết quả khí hóa diễn ra một chút khác nhau khi tỷ lệ hơi nước/trấu và nhiệt độ khí hóa thấp

ABSTRACT Biomass is an abundant resource of renewable and green energy It attracts an increasing interest from all over the world because this is the most efficient way to cut the greenhouse effects from the

CƠ2 emission Among the technologies to convert biomass into renewable energy, gasification technology is considered the most effective process

In this study, an updraft gasification process of rice husk simulated via Aspen Plus V8 program The simulation model is based on free energy Gibbs theory and exceptional computation model The main operation factors include air flow rate, steam/biomass ratio, and the gasification temperature is varied by sentivity analysis function in Aspen Plus The effects of these factors on the composition and LLV of outputing syngas were discussed

The results indicated that an increase in steam/biomass ratio led to an increase of hydrogen content

in syngas, while an increase of S/A negatively changed the LLV of the syngas The increase of gasification temperature reduced the gasification efficiency and hydrogen producing rate, whereas it positively affected the syngas' LLV Other results were also discussed for the less change of steam/biomass ratio and the gasification at lower temperature

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn này là do chính tôi thực hiện từ kiến thức của chính mình Tôi không nộp luận án này cho bất cứ trường, viện nào để được cấp bằng

Lê Nguyễn Phúc Thiên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỒNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về nguyên liệu 1

1.1.1 Đại cương về biomass 1

1.1.2 Thành phần hóa học của biomass 1

1.1.3 Các nguồn sinh khối phổ biến là 3

1.1.4 Sản phẩm từ biomass 3

1.1.5 Sự chuyển hóa sinh khối 3

1.1.6 Tổng quan về trấu 4

1.2 Tổng quan về quá trình khí hóa 7

1.2.1 Khái niệm 7

1.2.2 Sản phẩm sau quá trình khí hóa 8

1.2.3 Nguyên lý của quá trình khí hóa 8

1.2.4 Quá trình hình thảnh và phân hủy tar 9

1.2.5 Các loại thiết bị khí hóa 11

1.2.6 Tình hình phát triển khí hóa trên thế giới 17

1.2.7 Tình hình phát triển khí hóa sinh khối tại Việt Nam 18

1.3 Tổng quan về mô phỏng trong Công nghệ Hóa học 19

1.3.1 Định nghĩa về mô phỏng 19

1.3.2 Tính chất của mô hình 20

1.3.3 Phần mềm mô phỏng Aspen Plus v8.4 21

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG NGHIÊN cứu 34

2.2.4 Quy trình thực nghiệm 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52

3.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của tác nhân không khí lên quá trình khí hóa 52

3.1.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ không khí/nguyên liệu lên thảnh phần khí syngas52 3.1.2 So sánh thành phần khí co trong dòng khí sản phẩm dựa trên mô hình Aspen Plus và thực nghiệm 53

3.1.3 So sánh tỉ lệ H2 trong dòng khí sản phẩm dựa trên mô hình mô phỏng Aspen Plus và thực nghiệm 54

3.1.4 So sánh tỉ lệ CƠ2 trên mô hình Aspen Plus và thực nghiệm 55

3.1.5 Tỉ lệ CO/CƠ2 theo các lưu lượng khí khác nhau 56

3.1.6 Khảo sát thành phần khí syngas ở các mức lưu lượng khác nhau 57

3.1.7 Khảo sát quan hệ giữa các thành phần khí syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa 57

3.1.8 Nhiệt trị thấp (LHV) của dòng khí sản phẩm 58

3.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của quá trình thêm hơi nước vào tác nhân không khí lên quá trình khí hóa 59 3.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ hơi nước/không khí lên thànhphần khí sản phẩm59 3.2.2 So sánh tỉ lệ của co của mô hình Aspen Plus vói thực nghiệm 61

3.2.3 So sánh tỉ lệ của H2 của mô hình Aspen so với thực nghiệm 62

3.2.4 Tỉ lệ CO/H2 theo các tỉ lệ S/A khác nhau 63

3.2.5 Khảo sát quan hệ giữa các thành phần khí syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa 64

3.2.6 Năng lượng tỏa nhiệt khi đốt khí syngas dựa theo các tỉ lệ S/A khác nhau 65

3.2.7 Phản ứng Tar-cracking 65

KÉT LUẬN - KIÉN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các phương pháp chuyển hóa sinh khối 4

Hình 1.2: cấu tạo hạt lúa 5

Hình 1.3: Quá trình khí hóa FICFB 18

Hình 1.4: Bếp trấu hóa gas của GS Trần Bình (Vinasilic) 19

Hình 2.1: cấu tạo thiết bị khí hóa tầng cố định ngược chiều 34

Hình 2.2: Sơ đồ mô hình khí hóa dạng ngược chiều 35

Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng quá trình khí hóa trấu trong thiết bị khí hóa tầng cố định kiểu ngược chiều bằng phần mềm Aspen Plus 36

Hình 2.4: Mô hình giai đoạn sấy 39

Hình 2.5: Mô hình giai đoạn nhiệt phân 40

Hình 2.6: Mô hình giai đoạn Tar - cracking 41

Hình 2.7: Mô hình giai đoạn khí hóa 42

Hình 2.8: Mô hình giai đoạn cháy 43

Hình 2.9: Mô hình giai đoạn dòng khí sản phẩm ra khỏi thiết bị 44

Hình 2.10: Mô tả cấu tạo buồng đốt 46

Hình 2.11: Sơ đồ quy trình thiết bị thí nghiệm khí hóa tầng cố định ngược chiều 47

Hình 2.12:Lưu lượng kế khí 48

Hình 2.13: Dụng cụ đo thành phần khí TESTO 350XL 49

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ CO/CO2 trong dòng khí sản phẩm theo các mức tỷ lệ ER khác nhau

56

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ CO/H2 trong dòng khí sản phẩm theo các mức tỷ lệ ER khác nhau 57 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn thành phần khí syngas theo các nhiệt độ vùng khí hóa 57

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn nhiệt trị của dòng khí sản phẩm theo các tỷ lệ ER khác nhau 59

Hình 3.9: Thành phần khí sản phẩm theo các giá trị S/A khác nhau 60

Hình 3.10: Phần trăm thể tích của khí co theo các tỉ lệ S/A dựa trên Aspen Plus và thực nghiệm 61

Hình 3.11: Phần trăm thể tích của H2 theo các tỉ lệ S/A dựa trên Aspen và thực nghiệm 62

Hình 3.12: Tỉ lệ CO/H2 theo các tỉ lệ S/A khác nhau 63

Hình 3.13: Sự thay đổi thành phần syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa 64

Hình 3.14: Nhiệt trị thấp của khối khí sản phẩm theo các tỉ lệ S/A 65

Hình 3.15: Sự ảnh hưởng của phản ứng tar-cracking đến thành phần khí sản phẩm 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1:Thành phần các chất trong biomass 1

Bảng 1.2: Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ 2

Bảng 1.3: Tiềm năng năng lượng biomass từ phụ phẩm nông nghiệp 2

Bảng 1.4: Phân tích thảnh phần trấu 6

Bảng 1.5: Tổng họp các phản ứng phân hủy tar 10

Bảng 1.6: Phân loại các thiết bị khí hóa 11

Bảng 1.7: Các loại tác nhân khí hóa và nhiệt trị tương ứng 13

Bảng 1.8: Các loại thiết bị khí hóa và thảnh phần khí tuông ứng 15

Bảng 1.9: Các loại tác nhân khí hóa và thảnh phần khí tưong ứng 16

Bảng 1.10: Các loại tác nhân khí hóa và nhiệt trị tưong ứng 16

Bảng 1.11: Bảng thống kê các mô hình tính toán Enthalpy và khối lượng riêng cho chất rắn không thông thường: 24

Bảng 1.12: Bảng mã giá trị lựa chọn các phương pháp tính toán trong mô hình HCOALGEN 24

Bảng 1.13: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Boie 26

Bảng 1.14: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Dulong 27

Bảng 1.15: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Grummel và Davis 27

Bảng 1.16: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Mott và Spooner 28

Bảng 1.17: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh IGT 28

Bảng 1.20: Bảng giá trị hằng số trong Quan hệ Kirov 31

Bảng 1.21: Bảng giá trị hằng số trong Phương trình bậc ba 33

Bảng 1.22: Bảng giá trị hằng số trong mô hình DCOALIGT 33

Bảng 2.1: Thành phần vỏ trấu nguyên liệu dùng để khai báo dòng nguyên liệu 37

Bảng 2.2: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai đoạn sấy 39

Bảng 2.3: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai đoạn nhiệt phân 40

Bảng 2.4: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai đoạn Tar - cracking 41

Bảng 2.5: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai đoạn khí hóa 42

Bảng 2.6: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai đoạn cháy 44

Bảng 2.7: Chú thích các thiết bị mô phỏng sử dụng trong giai đoạn dòng khí sản phẩm ra khỏi thiết bị 45

Bảng 2.8: Quy trình thực nghiệm thí nghiêm 50

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nguyên liệu

1.1.1 Đại cương về biomass

Biomass (sinh khối) là những vật liệu sinh học đang sống hoặc đã chết (nhưng mới gần đây), có thể sử dụng làm chất đốt, nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp Sinh khối còn bao gồm

cả những chất thải rắn hoặc lỏng, có thể bị phân hủy sinh học [1]

Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành các dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí

1.1.2 Thành phần hóa học của biomass

Biomass bao gồm phần lớn là họp chất hữu cơ phức tạp, độ ẩm và tro Các nguyên tố vô cơ

cơ bản như: Cacbon, Hydro, Nitơ, lưu huỳnh, Oxy

Các thành phần cơ bản của biomass được phân tích theo tiêu chuẩn ASTM E 870-06 Thành phần các chất trong biomass được mô tả trong bảng 1.1

❖ Tiềm năng năng lượng biomass ở Việt Nam Việt Nam là một nước nằm trong khu

vực khí hậu nhiệt đói nên thực vật phát triển nhanh Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam là đất nông nghiệp nên sản xuất nông nghiệp phát triển do đó Việt Nam có nguồn biomass rất lớn

Theo Viện năng lượng Việt Nam - Bộ Công thưong, tiềm năng năng lượng biomass ở Việt Nam

Bảng 1.2: Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ

1.1.3 Các nguồn sinh khối phổ biến là

- Nông nghiệp: lương thực, bã mía, thân ngô, rơm rạ, vỏ hạt và phân từ gia súc, gia cầm

- Rừng: cây cối, gỗ thải hoặc vỏ cây, mùn cưa

- Khu đô thị: bùn thải, chất thải từ thực phẩm và rác thải

- Sinh học: chất thải động vật, thủy sinh vật, chất thải sinh học

1.1.4 Sản phẩm từ biomass

Ba loại nhiên liệu chính được sản xuất từ sinh khối:

- Chất lỏng (ethanol, dầu diesel sinh học, methanol )

- Khí ga (CH4, C02), khí lò (CO, H2, CH4, C02), khí tổng hợp (CO, H2)

- Chất rắn (than từ quá trình than hóa, chất thải sinh khối)

1.1.5 Sự chuyển hóa sinh khối

Hình dạng cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích để tồn trữ là một rào cản lớn cho việc thay đổi xu hướng sử dụng nhiên liệu hóa thạch bằng sinh khối Không giống như khí đốt hoặc chất lỏng, sinh khối không thể được xử lý, lưu trữ, hoặc vận chuyển dễ dàng, đặc biệt trong việc sử dụng làm nhiên liệu để vận chuyển Đây là động cơ thúc đẩy cho việc nghiên cứu chuyển đổi sinh khối rắn thành chất lỏng và nhiên liệu khí thông qua hai con đường chính sau:

Chuyển đổi sinh hóa có lẽ là phương pháp đầu tiên được sử dụng để khí hóa biomass Từ xa xưa, Ấn Độ và Trung Quốc đã biết cách tạo ra khí methane bằng cách phân hủy kỵ khí các chất thải động vật Ngày nay, hầu hết ethanol dùng làm nhiên liệu ô tô được sản xuất bằng cách lên men ngô Đốt củi, gỗ hay các phụ phẩm nông nghiệp để tạo nhiệt là phương pháp truyền thống Tuy nhiên hướng biến đổi sinh khối thành khí bằng con đường chuyển đổi nhiệt hóa bắt đầu muộn hơn nhiều Nhu cầu ngày một tăng trong việc sử dụng các thiết bị khí hóa sinh khối nhỏ đã bắt đầu trong Thế chiến thứ hai, hơn một triệu thiết bị đã được chế tạo

Theo báo cáo triển vọng lưong thực được Tổ chức Lưong nông Liên hiệp quốc (FAO) công

bố mới đây, sản lượng lúa của Việt Nam trong năm 2017 dự kiến đạt khoảng 43,5 triệu tấn và là một trong 5 quốc gia sản xuất lúa lớn nhất ở khu vực châu Á

Quá trình xay xát lúa sẽ phát sinh một nguồn phế phẩm rất lớn vỏ trấu có chiều dài khoảng 2,5-5 mm hoặc 5-10 mm với độ dày khoảng 25-30 um, màu vàng, nâu hung, hoặc hơi ngả nâu vỏ

trấu có cấu tạo rất bền và dai nhằm bảo vệ phôi và nội nhũ khỏi các tác động cơ học và hóa học từ bên ngoài Tỷ lệ trấu/thóc được ước tính khoảng từ 0,2 đến 0,22 [ 2 ]

Hf I 59»

Vã 1

ri II tam PhiL

Hình 1.2: cấu tạo hạt lúa Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt Thành phần hóa học của vỏ trấu thay đổi theo loại lúa, mùa vụ canh tác, điều kiện khí hậu và đặc trưng vùng miền Tuy nhiên, hầy hết vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm đến 90% khối lượng Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như họp chất nitơ và vô cơ Cụ thể xét theo khối lượng, vỏ trấu chứa 35% cellulose, 33% hemicellulose, 23% lignin [3]

Mặc dù đã có khá nhiều nghiên cứu về trấu và ứng dụng trấu ở Việt Nam, bao gồm việc khảo sát sản lượng trấu hàng năm, tiềm năng sử dụng trấu cho công nghệ đồng phát năng lượng nhưng hầu như chưa có công bố chính thức nào về các đặc trưng cơ bản của trấu Việt Nam Cho tới nay chỉ

có một số ít công bố về thành phần hóa học và tính chất hóa lí của tro trấu, trong đó chủ yếu quan tâm tói silic [4],

- Đối vói sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng được sử dụng rất thường xuyên, đặc biệt là ở các vùng nông thôn ở nước ta Các lò nung gạch ở đồng bằng sông Cửu Long sử dụng trấu làm chất đốt với ưu điểm là nhiệt trị cao, rẻ và sẵn có tại địa phương Ngoài ra củi trấu (trấu

ép thành dạng ống) còn được sử dụng cho việc nấu thức ăn chăn nuôi, nấu rượu

- Sản xuất silica: trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro vói thành phần chính là silica [3] Đây là nguồn

silica không chỉ phục vụ cho nông nghiệp (bổ sung silica cho đất) mà còn là nguồn nguyên liệu để sản xuất một số họp chất silica như silicon carbide, silicon nitride, silicon tetrachloride, zeolite, silica và silicon nguyên chất

- Chế tạo vật liệu hấp phụ: vật liệu hấp phu thu được từ vỏ trấu được xử lý bằng kiềm và acid citric

có khả năng tách loại và thu hồi rất tốt kim loại nặng như chì, crom trong nguồn nước bị ô nhiễm [7] [8]

- Sử dụng làm vật liệu xây dựng: việc sử dụng tro trấu làm chất độn trong xi măng và bê tông có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như cải thiện độ bền, giảm chi phí sản xuất vật liệu do tiết kiệm xi măng Sản xuất gạch bằng cách nghiền mịn vỏ trấu và trộn vói các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh Trọng lượng của vật liệu nhẹ hon gạch xây thông thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao, thích họp vói các khu vực đất yếu [9]

- Sản xuất than hoạt tính: vỏ trấu cần được than hóa trước khi được dùng làm nguyên liệu liệu sản xuất than hoạt tính để dễ loại bỏ silic dioxit với hiệu quả cao Than sau khi đã được xử lý nhiệt được đem đi tách silic đioxit bằng phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học Thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp hóa học đem lại hiệu quả cao hơn phương pháp vật lý Than sau khi tách S1O2 có bề mặt riêng dao động từ 674 đến 750 m2/g [10]

1.2 Tổng quan vè quá trình khí hóa

1.2.1 Khái niệm

Khí hóa là quá trình nhiệt hóa, thực hiện oxy hóa không hoàn toàn thành phần cacbon trong sinh khối rắn để thu được khí CO, H2 ở nhiệt độ cao (khoảng 1000°C) bằng tác nhân không khí Ngoài ra còn các thành phần khí khác như CH4, CO2, H2O Hỗn họp khí này được sử dụng thay thế cho khí thiên nhiên dùng để phát điện, dùng để sản xuất dung môi hoặc các sản phẩm tổng họp

1.2.2 Sản phẩm sau quá trình khí hóa

Trong quá trình khí hóa, bên cạnh các sản phẩm khí mong muốn như CO, H2, CH4, C2IỈX,

C3IỈX còn có các thành phần làm giảm chất lượng của quá trình khí hóa Các thành phần này bao gồm:

- Chất trơ: CO2, H2O, N2

- Các vết NH3, HCN, nitơ hữu cơ, H2S, cos, CS2, mercaptanes, thiophens, HC1, NaCl, KC1

- Các hydrocarbon nặng ngưng tụ tại nhiệt độ khoảng 250 tới 300°c, được gọi là hắc ín (tar)

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

Khí tổng họp 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 hay nồi hơi Ngoài ra loại khí sản phẩm này còn được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều hoá chất quan trọng như amoniac, phân urê, các sản phẩm hữu cơ nhờ phản ứng tổng họp Fischer-Tropsch

1.2.3 Nguyên lý của quá trình khí hóa

Các quá trình diễn ra trong quá trình khí hóa bao gồm 4 giai đoạn: sấy, nhiệt phân, khử và đốt

Vùng sấy: đây là vùng làm tách ẩm trong nguyên liệu dưới tác dụng nhiệt Nhiệt cung cấp này được thực hiện trong hệ nhiệt động học của quà trình khí hóa Quá trình này diễn ra đến nhiệt độ khoảng 200°c

Giai đoạn cháy: ở giai đoạn này các sản phẩm dễ bay hơi và phần lớn than phản ứng với oxy

để tạo thành CO2 và một lượng nhỏ co, cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa tiếp theo Phản ứng

nhiệt độ khoảng 200°c - '

sản phẩm hữu cơ thoát ra,

ban đầu của vật liệu, than]

ứng sinh khí

Vùng nhiệt phân: ỉ

^ C x HyO z + nH 2 0

lóa không có oxy không khí dưói tác dụng của

ân hủy theo những phản ứng tỏa nhiệt Các Giai đoạn này phụ thuộc vào các tính chất

c tạo thành mà sau đó mà sau đó diễn ra phản

+ H 2 0 + tar + char

1.2.4 Quá trình hình thành và phân hủy tar

1.2.4.1 Giới thiệu vè tar

Tar là sản phẩm không mong muốn của quá trình khí hóa mà thành phần chủ yếu là các hydrocacbon thơm ngưng tụ Quá trình hình thành tar thường xày ra trong vùng nhiệt phân của thiết

bị khí hóa và phụ thuộc rất lớn vào điều kiện phản ứng Tar hình thành qua một loạt các phản ứng phức tạp, từ hỗn họp các chất dễ bị oxy hóa thành các hydrocacbon thơm đa vòng (PAH) trong từng khoảng nhiệt độ được tóm tắt theo sơ đồ sau [11]:

1* Thành phần của tar

Ở nhiệt độ lớn hon 900°c, tar bị phân hủy theo phản ứng cracking, reforming được tổng họp

ở bảng sau đây, với CnHx đại diện cho tar và CmHy đại diện cho hydrocacbon có số cacbon nhỏ hon CnHx [11]:

Bảng 1.5: Tổng họp các phản ứng phân hủy tar

Cracking pC n H x -> qC m Hy + rH 2 R2.13

Reforming C n H x + nH 2 0 ^ (n + x/2)H 2 + nCO R2.14 C n H x + nC0 2 x / 2 H 2

+ 2nCO R2-15Hình thành cacbon C n H x nC + X / 2 H 2 R2.16

Tóm lại, sau quá trình sấy, nhiệt độ của vỏ trấu tăng lên và phản ứng nhiệt phân bắt đầu xảy ra

và quá trình hình thành tar cũng bắt đầu Tar một phần sẽ ngưng tụ khi nhiệt độ giảm trong quá trình theo dòng khí sản phẩm đi ra ngoài thiết bị, một phần sẽ phân hủy ở nhiệt độ cao sinh ra khí co và H2

1.2.5 Các loại thiết bị khí hóa

Công nghệ khí hóa đã được dùng rất phổ biến ở Việt Nam trong thập kỷ 70-80, giai đoạn khó khăn về nguồn năng lượng từ dầu mỏ Tuy nhiên do kỹ thuật lạc hậu, công nghệ này đã bị lãng quên Gần đây, với sự tiến bộ của khoa học cộng với mối quan tâm về môi trường, công nghệ này đang trở lại

Có hai loại thiết bị khí hóa thường được sử dụng là: thiết bị khí hóa tầng cố định và thiết bị khí hóa tầng sôi

1.2.5.1 Phân loại các thiết bị khí hóa

về công nghệ khí hoá, đứng trên nguyên lí vận hành, chúng ta có ba dạng lò khí hoá thường được sử dụng là: Thiết bị khí xuôi chiều (updraft), Thiết bị khí hóa ngược chiều (downdraft) và Thiết

bị khí hóa giao chiều (crossdraft) Ưu nhược điểm của các loại thiết bị tầng cố định này được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.6: Phân loại các thiết bị khí hóa

I.2.5.2 Các tác nhân khí hóa

Tác nhân khí hóa tác dụng với cacbon rắn và các hydrocacbon nặng qua các phản ứng chuyển hóa tạo thành hỗn họp khí có khối lượng phân tử nhẹ như co và H2 Các tác nhân khí hóa chính thường

sử dụng cho công nghệ này là: oxy, không khí và hơi nước [13]:

Bảng 1.7: Các loại tác nhân khí hóa và nhiệt trị tương ứng

Dựa trên bảng số liệu trên có thể thấy

- Sử dụng tác nhân Ơ2 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 họp 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 khí hóa là hơi nước là một lựa chọn tốt do khí đầu ra có nhiệt trị cao và tăng lượng H2 và co sinh ra một cách đáng kể Đồng thòi, 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 [14] Tuy nhiên việc lắp đặt hệ thống nồi 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

I.2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng tói thành phần khí tổng họp

Thành phần khí tổng họp sau quá trình khí hóa bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

TV A Ả A J 1» A

a Độ âm vật liệu

Khi độ ẩm lớn hơn 30% sẽ rất khó để làm cháy khối biomass, đồng thòi làm giảm trị số năng lượng của sản phẩm khí bởi vì lượng nhiệt một phần để làm bay hơi lượng hơi nước này [15]

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 [16]

b Thành phần phân tích c, H, o trong biomass

Ba 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 [17]:

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_1)c

• LHVf: giá trị năng lượng cháy thấp của nguyên liệu (kJ.kg1)

• 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

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 [17]

Khả năng tham gia vào phản ứng khí hóa của Carbon cũng phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, theo Gozde Duman và cộng sự [18] cũng công bố nghiên cứu khả năng tham gia phản ứng khí hóa của các loại biomass có nguồn gốc từ gỗ cao hơn so vói phụ phẩm nông nghiệp

c Ảnh hưởng của tro

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

Hàm lượng Na và K: Làm giảm nhiệt độ nóng chảy tro do sự hình thành hỗn họp eutectics Đồng thòi sẽ tác dụng với Si hoặc s sẽ gây tắc nghẽn hoặc ăn mòn

Mg, p, Ca: tăng nhiệt độ nóng chảy của tro

d Loại thiết bị khí hóa

Thí nghiệm khí hóa biomass trên ba loại thiết bị khí hóa khác nhau với cùng loại tác nhân là không khí được tổng họp ở bảng sau [19]:

Bảng 1.8: Các loại thiết bị khí hóa và thảnh phần khí tương ứng

Thiết bỉ khí hóa

Thành phần khí (% thể tích)

sử dụng cho công nghệ này là: oxy, không khí và hơi nước [13]:

Bảng số liệu tổng họp dưới đây cho thấy các kết quả thực nghiệm của quá trình khí hoá bang biomass sử dụng các loại tác nhân khác nhau [19] Việc sử dụng hơi nước hoặc O2 như tác nhân oxy hóa tăng đáng kể tỉ lệ H2 và co phản ánh sự gia tăng đáng kể giá trị gia tăng khí tổng họp Điều này phù họp với các nghiên cứu trước đây [14] [20]

Bảng 1.9: Các loại tác nhân khí hóa và thành phần khí tương ứng

Dựa trên bảng số liệu trên có thể thấy

- Sử dụng tác nhân Ơ2 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 họp 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 khí hóa là hơi nước là một lựa chọn tốt do khí đầu ra có nhiệt trị cao và tăng lượng H2 và co sinh ra một cách đáng kể Đồng thòi, phần tar tạo ra sau quá trình khí hóa vói tác nhân là hơi nước cũng được nghiên cứu là dễ phân hủy bằng xúc tác niken hoặc dolomite [14] Tuy nhiên việc lắp đặt hệ thống nồi 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

f Quá trình tar-cracking

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

đã quan sát được lưu lượng tar sẽ giảm nhanh ở nhiệt độ cao hơn và thời gian 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 [21]

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 Fe203, AI2O3 sẽ được thêm vào nguyên liệu để tăng khả năng chuyển hóa các loại này thành co [22]

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 [23]

1.2.6 Tình hình phát triển khí hóa trên thế giói

Công nghệ khí hóa đã có từ rất lâu trên thế giới nhưng gần đây người ta mới bắt đầu nghiên cứu phát triển trở lại, do nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và vấn đề biến đổi khí hậu, đòi hỏi phải tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế

Từ năm 2007, PT Dieng National Jaya (trước đây) or PT National Champignon (bây giờ) in Wonosobo - Central Java đã xây dựng nhà máy khí hóa trấu làm nhiên liệu phát điện cho nhà máy

Tại Áo, sau giai đoạn phát triển ban đầu của quá trình FICFB tại phòng thí nghiệm kỹ thuật Đại học Vienna (TUV) Một nhà máy đã được xây dựng Nhà máy là nguồn cung cấp 8 MWth, nhà máy nằm trong Gussing (Áo) với sản lượng điện 2 MW

Hình 1.3: Quá trình khí hóa FICFB

1.2.7 Tình hình phát triển khí hóa sinh khối tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, năng lượng sinh khối tại Việt Nam được phát triển thông qua việc đầu

tư vào hai lĩnh vực chính: sản xuất nhiệt và điện và việc sử dụng năng lượng sinh khối ngày càng được cải thiện về tính hiệu quả và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường

Rất nhiều các Nhà khoa học, các Viện, Trường quan tâm đến việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khí hóa vào thực tế tại Việt nam trong khoảng 5 năm trở lại đây nhưng hầu hết đều dừng lại

ở mức độ nghiên cứu và thử nghiệm Các kết quả nghiên cứu cho thấy với đội ngũ làm công tác kỹ thuật công nghệ và năng lực chế tạo trong nước hoàn toàn có thể làm chủ và ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong công nghiệp và đời sống

Có 2 hướng mà các doanh nghiệp cố gắng ứng dụng công nghệ khí hóa:

❖ ứng dụng vào các bếp nhỏ quy mô hộ gia đình:

Hình 1.4: Bếp trấu hóa gas của GS Trần Bình (Vinasilic)

❖ ứng dụng quy mô công nghiệp:

Công ty TNHH Tân mai - Sa đéc đã nhập từ Ấn độ 1 hệ thống tạo gas từ trấu có công suất từ

80 đến 100 kg trấu /giờ từ giữa năm 2010 Hệ thống hoạt động khá ổn định và đáp ứng tốt cho kiểu lò

4 buồng liên hoàn Khắc phục hoàn toàn khói bụi gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên với giá thành khoảng 1,8 tỷ đồng / hệ thống là quá cao, công suất đốt còn thấp Chưa thể ứng dụng rộng rãi cho các

lò gạch thủ công hiện nay

Trong 3 năm qua nhóm kỹ sư SCT đã nghiên cứu sâu về lĩnh vực Gasifier từ trấu Từ năm

2010 nhóm đã thử nghiệm thành công hệ thống gasifier với công suất đốt 8 kg trấu /giờ

1.3 Tổng quan về mô phỏng trong Công nghệ Hóa học

khía cạnh đã chọn về cách hoạt động của hệ thống được mô hình đến một độ chính xác chấp nhận được”

Ngày nay quá trình mô phỏng là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số

và dùng phương pháp số để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống

Mô hình hóa là một đặc điểm chủ yếu trong quá trình mô phỏng Mô hình hóa là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm các thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay vói sự trợ giúp đắc lực của khoa học

kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp

mô hình hóa cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thòi việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những ngưòi làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình

1.3.2 Tính chất của mô hình

- Tính tương tự: có sự tương tự giữa mô hình và vật gốc, chúng có những đặc điểm cơ bản có thể so sánh với nhau được như: cấu trúc (đẳng cấu), chức năng, thuộc tính, cơ chế vận hành Song sự tương tự giữa mô hình và đối tượng thực (vật gốc) chỉ là tương đối

- Tính đơn giản: mô hình chỉ phán ánh một hoặc một số mặt nào đó của đối tượng gốc

- Tính trực quan: mô hình là sự tái hiện đối tượng nghiên cứu dưới dạng trực quan

1.3.3 Phần mềm mô phỏng Aspen Plus v8.4

1.3.3.1 Giói thiệu phần mềm mô phỏng Aspen Plus v8.4

ASPEN là một từ viết tắt của cụm từ Advanced System for Process Engineering, được xây dựng dựa trên quá trình tính toán sơ đồ (flowsheeting) để thực hiện các tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất nhằm xác định kích thước thiết bị và chi phí đối vói một quá trình công nghệ hóa học ở trạng thái ổn định

Aspen Plus có khả năng mô phỏng toàn bộ dây chuyền sản xuất, bắt đầu từ dòng nguyên liệu thô thông qua các quá trình biến đổi vật lý và biến đổi hóa học để tạo thành dòng sản phẩm cuối cùng, trong đó:

- Biến đổi vật lý: khuấy trộn, hấp thụ, chưng cất và trích ly, đun nóng/làm nguội có hoặc không có biến pha

- Biến đổi hóa học: bao gồm phản ứng đơn hay các phản ứng song song và nối tiếp

Phần mềm mô phỏng sẽ dựa vào các phương trình và mối quan hệ chủ đạo để tính toán thông qua các phương trình đạo hàm, đại số độc lập tuyến tính mà số phương trình phải bằng số biến Những phương trình chủ đạo bao gồm:

- Phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng

- Các quan hệ nhiệt động phản ứng, như là cân bằng hóa học, cân bằng pha

- Quan hệ tốc độ: momentum, truyền nhiệt, truyền khối

I.3.3.3 Các yếu tổ cơ bản để mô phỏng một quá trình công nghệ hóa học

Có ba yếu tố cơ bản để mô phỏng một quá trình công nghệ hóa học

- Các cấu tử tạo nên thành phần của dòng nguyên liệu, sản phẩm

Aspen Plus có một cơ sở dữ liệu khổng lồ để mô tả cấu tử nguyên chất tạo nên dòng nguyên liệu hoặc sản phẩm Cơ sở dữ liệu ngày được hoàn thiện, trong đó chứa các tham số của gần 8500 đơn chất, họp chất hóa học bao gồm các loại chất hữu cơ, vô cơ và muối

Ngoài ra, Aspen Plus còn hỗ trợ người dùng tự định nghĩa cấu tử rắn ở dạng

“Nonconventional solid” Đây là các chất rắn không có công thức hóa học đại diện, gồm nhiều cấu

tử tạo thành: than, biomass hoặc bột giấy Các cấu tử được định nghĩa ở dạng “Nonconventional solid” không tham gia vào cân bằng hóa học hoặc cân bằng pha, tính chất vật lý duy nhất được tính toán là khối lượng riêng và enthalpy [24]

- Hệ nhiệt động

Aspen Plus xây dựng các gói nhiệt động làm cơ sở để tính toán các tính chất nhiệt động học, tính chất vật lý đối vói các cấu tử

Hai loại hệ nhiệt động được sử dụng phổ biến trong Aspen Plus ™ bao gồm:

♦♦♦ Phương pháp phương trình trạng thái

Được dùng nhiều cho các loại cấu tử không phân cực và hoạt động ở vùng tói hạn Chúng biểu thị mối quan hệ dựa theo ba biến: p, R, T, có thể sử dụng phương trình trạng thái trong một khoảng nhiệt độ và áp suất rộng từ vùng cận tới hạn đến siêu tói hạn Phương trình trạng thái sẽ phù họp cho mô phỏng đến Hydrocarbon vói các khí nhẹ như là CƠ2, N2, H2S

Các mô hình dựa trên phương trình trạng thái bao gồm: “PENG-ROB” (PENG- ROBINSON),

“RK-SOAVE” (Redlich-Kwong Soave) và “PC-SAFT” (Pertured-Chain Statistical Associating Fluid Theory-copolymer system)

❖ Phương pháp dựa trên hệ số hoạt động

Phương pháp dựa trên hệ số hoạt động được sử dụng chính cho các hệ chất lỏng chưa tới hạn hoặc không lí tưởng có áp suất dưói 10 atm Những hệ số hoạt động trong mô hình

này phụ thuộc nhiệt độ Các hệ dung môi lí tưởng và không lý tưởng được phân biệt bởi sự pha trộn các dung môi có tính chất hóa học khác nhau (khác nhóm chức) và kích thước đồng thể khác nhau Theo nhiệt động lực học, các hệ dung môi không lý tưởng sẽ được biểu thị qua hệ số fuga, thể hiện mức độ hoạt động trong hệ nhiệt động của cấu tử i trong hệ

ĩi = X ị X Y i X f °

f : hệ số fugo của cấu tử i trong hệ áp suất, nhiệt độ và thành phần cho trước Xị\ phần mol của

cấu tử I trong cấu tử

Yi' hệ số hoạt động của cấu tử i trong hỗn họp được cho áp suất, nhiệt độ và thành

phần

/Ể°: tính fugo của chất lỏng I nguyên chất ở nhiệt độ và áp suất cho trước

Trong hệ khí, tính fugo hệ khí được biểu hiện như sau:

7i= % X Y i X P

Các mô hình dựa trên hệ số hoạt động bao gồm: NRTL, UNIFAC và UNIQUAC Mô hình hệ

số hoạt động thường được sử dụng tốt cho các hệ có các phân tử có độ phân cực lớn ở áp suất thấp

và xa vùng tới hạn Những mô hinh này là cách dùng lớn nhất cho hệ chất lỏng không lý tưởng cao

ở áp suất thấp (dưới 10 bar)

I.3.3.4 Mô hình tính toán tính chất của các chất rắn không thông thường

Biomass và tro là một hỗn họp gồm nhiều nguyên tố cấu tạo nên không có công thức hóa học

cụ thể, nên khối lượng riêng chất rắn và mô hình Enthalpy được chọn trong hệ thống tính chất của Aspen Plus

Bảng 1.11: Bảng thống kê các mô hình tính toán Enthalpy và khối lượng riêng cho chất rắn

không thông thường:

Mô hình tính toán khối

lượng riêng và Enthalpy

Mô hình khối lượng riêng cho

than đá

Phần lớn các tính toán tính chất cho chất rắn không thông thường đều cần các phân tích thành phần tương đối và thành phần tuyệt đối Chỉ thành phần hữu cơ được quan tâm, bỏ qua hơi nước và thành phần khoáng

Trong quá trình khai báo, tùy thuộc vào mã lựa chọn được thống kê dưới đây sẽ có phương pháp tính toán tương ứng để xác định các thông số tính chất của chất rắn không thông thường

Hằng số trong các quan hệ tính toán trong mô hình HCOALGEN được đưa ra bởi Học Viện

công nghệ khí (IGT), các giá trị w d m tương ứng với khối lượng các nguyên tố được khai báo trong phần phân tích tương đối và phân tích tuyệt đối

Bảng 1.12: Bảng mã giá trị lựa chọn các phương pháp tính toán trong mô hình

NHIỆT ĐỐT

CHÁY

1 Quan hệ Boie BOIEC

ULTANAL SULFANAL

2 Quan hệ Dulong DLNGC

ULTANAL SULFANAL PROXANAL

3 Quan hệ Grummel và Davis

GMLDC

ULTANAL SULFANAL PROXANAL

4 Quan hệ Mott và Spooner

MTSPC

ULTANAL SULFANAL PROXANAL

5 Quan hệ IGT CIGTC

ULTANAL PROXANAL

6 Giá trị người dùng định nghĩa

HCOMB

ULTANAL PROXANAL

7 Quan hệ IGT sửa đổi CIGT2

ULTANAL PROXANAL

1 Quan hệ dựa trên nhiệt đốt cháy

-ULTANAL SULFANAL

a

của 1

Bảng 1.14: Bảng giá trị hằng số trong Hiệu chỉnh Dulong

t