Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi

Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

M ỤC LỤC

MỤC LỤC I

LỜI CAM ĐOAN III

LỜI CẢM ƠN IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU V DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX

PHẦN I: TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA 1

CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI 4

CHƯƠNG 3 KHÁI QUÁT VỀ CÁC DẠNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI KHÍ HÓA 16

3.1 Mô hình hệ thống quá trình (PSM) 16

3.2 Tính toán thủy động lực học dòng chảy (CFD) 18

3.3 Mục tiêu của nghiên cứu 19

PHẦN II MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 20

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CHO LỚP TẦNG SÔI 20

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG 22

5.1 Nhiệt phân 23

5.2 Phản ứng Than-khí 28

5.3 Phản ứng pha khí 29

5.4 Quy trình tính toán 31

CHƯƠNG 6 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI

TRONG HỆ THỐNG DFB 34

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

7.1 So sánh các kết quả mô hình với dữ liệu thí nghiệm 38

7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ hơi nước 41

7.3 Điều kiện hoạt động hiệu quả của các khí tổng hợp cho phát điện 53

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN 56

PHẦN 3 TỔNG KẾT VÀ KẾT LUẬN CỦA NGHIÊN CỨU 58

3.1 KẾT LUẬN 58

3.2 HẠN CHẾ VÀ ĐỊNH HƯỚNG CHO NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

L ỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu

li ệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi” được hoàn thành dưới sự hướng

dẫn của TS Nguyễn Đặng Bình Thành – Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất – Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan, luận văn không sao chép nội dung từ bất kỳ một luận văn thạc sỹ

hoặc luận án tiến sỹ nào khác

Hà N ội, ngày 26 tháng 03 năm 2013

Người viết

Thân Ng ọc Trung

đề tài

Xin g ửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học và các th ầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình

d ạy dỗ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành các nội dung học tập và

th ực hiện đề tài thuận lợi

Cu ối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, và các bạn cùng l ớp Cao học Kỹ thuật Hóa học 2011 - 2012 đã giúp đỡ và động viên tôi trong

th ời gian học tập và quá trình làm luận văn

Hà N ội, ngày 26 tháng 3 năm 2013

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Latin

0

T

G

H biomass kg/hr Nhiệt thay đổi của sinh khối tại điều kiện đầu vào

khí hóa

H demand kJ/hr Lượng nhiệt cần thiết

H g,out kJ/hr Lượng nhiệt ra khỏi lò khí hóa

H steam kJ/hr Lượng nhiệt thay đổi của hơi nước

0

f

H

LHV biomass kJ/kg Giá trị nhiệt trị thấp của sinh khối

LHV product MJ/Nm3 Giá trị nhiệt trị thấp của khí sản phẩm

LHV char kJ/kg Giá trị nhiệt trị thấp của than

Q bomass kg/hr Lưu lượng sinh khối vào

Q C kg/hr Lượng carbon trong sinh khối

Q C,convert kg/hr Lượng carbon đã chuyển hóa sang khí sản phẩm

Q C,fixed kg/hr Lượng carbon cố định trong sinh khối

Q product Nm3/hr Lưu lượng khí sản phẩm

φchar - Than dư

Subscripts

B ảng 7.2 Thành phần hóa học của gỗ thông……… 41

B ảng 7.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm và các thông số nghiên cứu……… 42

B ảng 7.4 Đánh giá điều kiện làm việc của mô hình khí hóa gỗ thông bằng

yếu tố hơi nước cho thiết bị khí hóa kiểu tầng sôi tổ hợp (DFB) với công suất

1.8 MW tại ba điểm làm việc đáng lưu ý trong Hình 7.14………

47

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu (2001-2005) [3]…… 2

Hình 1.2 Công nghệ khí hóa và ứng dụng của sản phẩm khí tổng hợp………… 3

Hình 2.1 Phân loại các kiểu khí hóa……… 4

Hình 2.2 Các giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dòng hướng lên (updraft) [12]……….

5 Hình2.3 Thiết bị khí hóa tầng sôi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW) [12]………

7 Hình 2.4 Thiết bị khí hóa tầng sôi tuần hoàn [12]………. 8

Hình 2.5 Thiết bị khí hóa tầng sôi kiểu tổ hợp (CFB và BFB) [11, 14]……… 9

Hình 2.6 Thiết bị khí hóa tầng sôi ghép đôi……… 11

Hình 2.7 Minh họa quá trình khí hóa trong thiết bị DFB[59]………. 12

Hình 2.8 Sự cuốn hạt trong lò khí hóa dòng lôi cuốn……… 13

Hình 2.9 Hai kiểu chính của lò khí hóa dòng lôi cuốn [12]……… 14

Hình 2.10 Một thiết bị khí hóa dòng cuốn theo kiểu top-fed downflow [12] 15 Hình 4.1 Nguyên tắc xây dựng mô hình của thiết bị tầng sôi tổ hợp dùng cho khí hóa than………

20 Hình 5.1 Cấu trúc của mô hình giả cân bằng ba giai đoạn cho khí hóa sinh khối.……… ……….

22 Hình 5.2 Thành phần tỷ lệ của CO và CH4 (ϕCO và ϕCH) tại những nhiệt độ khác nhau: (a) ϕCO khi nhiệt độ thay đổi; (b) ϕCH khi nhiệt độ thay đổi.……… 27

Hình 5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa (T) tới hằng số cân bằng (K) và

hệ số không cân bằng (κ) của phản ứng khí-hơi nước: (a) K với T; (b) κ với

T ……….

30

Hình 7.1 Thành phần khí sản phẩm tại những T và γ khác nhau khi so sánh

với số liệu thí nghiệm [65]: (a) Thành phần khí sản phẩm so với T; (b)

Thành phần khí sản phẩm so với γ

39

Hình 7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ T tới độ chuyển hóa carbon (ϕC), than dư

43

Hình 7.3 Ảnh hưởng của T tới thành phần khí sản phẩm tại γ = 0.3……… 44

Hình 7.4 Ảnh hưởng của T lên tỷ lệ rắn tuần hoàn (r cir) và lượng nhiên liệu

Hình 7.5 Ảnh hưởng của T lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e) và nhiệt trị thấp

của khí sản phẩm (LHVproduct) tại γ = 0.3……… 46

Hình 7.6 Ảnh hưởng của γ lên độ chuyển hóa carbon (ϕC), than dư (ϕchar),

và lưu lượng khí sản phẩm (Vyield) tại T = 780 oC………. 48

Hình 7.7 Biểu đồ tổng hợp các chỉ tiêu hoạt động của thiết bị khí hóa DFB

với công suất 1.8 MW với sự tác động của T và γ………

49

Hình 7.8 Ảnh hưởng của γ lên thành ph ần khí sản phẩm tại T = 780 oC……… 50

Hình 7.9 Ảnh hưởng của γ lên tỷ lệ tuần hoàn rắn (r cir) và lượng nhiên liệu

thêm vào (r add) tại T = 780 oC……… …… 51

Hình 7.10 Ảnh hưởng của γ lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e) và nhiệt trị thấp

của khí sản phẩm (LHV product) tại T = 780 oC……… 52

Hình 7.11 Ảnh hưởng của γ lên hiệu suất thu hồi nhiệt (ηe) và nhiệt trị thấp

của khí sản phẩm (LHVproduct) tại T = 780

53

PH ẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGH Ệ KHÍ HÓA SINH KHỐI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA

Như chúng ta đã biết, trên trái đất có 9 loại tài nguyên năng lượng gồm: Mặt trời, sinh khối, gió, sóng, Hydro, nhiệt đất, hạt nhân và năng lượng hóa thạch Ngoại trừ

3 loại cuối, 6 loại còn lại được coi là những nguồn năng lượng tái tạo được, bởi vì chúng không bị mất dần theo thời gian sử dụng của con người [69] Sinh khối dự trữ năng lượng mặt trời bên trong nó dưới dạng hóa năng trong suốt quá trình quang

hợp khi chúng sinh trưởng Dạng năng lượng dự trữ này có thể được giải phóng và chuyển hóa sang nhiều dạng năng lượng khác nhau như nhiệt, điện, ánh sáng, và cơ

học thông qua một số quá trình công nghệ nâng cấp và nhiệt chuyển hóa [10]

Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào các công nghệ nhiệt chuyển hóa sinh khối bởi vì: việc sử dụng sinh khối làm năng lượng có khả năng kiểm soát mức thải CO2 ra ngoài môi trường [10] và có thể kiểm soát được

vấn đề năng lượng không bị phụ thuộc bởi những nguyên liệu hóa thạch Trong số

những công nghệ nhiệt chuyển hóa như khí hóa, nhiệt phân hủy và đốt, thì khí hóa được coi là một công nghệ kinh tế nhất bởi vì nó có thể chuyển hóa sinh khối sang

những dạng khí đốt sạch một cách trực tiếp

Hình 1.1: Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu (2001-2005) [3]

Hình 1.2 Công ngh ệ khí hóa và ứng dụng của sản phẩm khí tổng hợp

Ưu điểm của phương pháp khí hóa là sử dụng khí tổng hợp hiệu quả hơn nhiều so

với việc đốt trực tiếp các nguồn nhiên liệu ban đầu do có thể đốt ở nhiệt độ cao hơn Khí tổng hợp có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, sử dụng để sản xuất methanol và hydro hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu tổng hợp nhờ phương pháp Fischer-Tropsch Phương pháp khí hóa cũng có thể áp dụng với các loại nhiên liệu không có ích khác như các phế thải hữu cơ hay sinh khối Quá trình đốt ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ các thành phần tro ăn mòn như clorua, kali tạo thành sản phẩm khí

Sản suất điện

Hydroge

n

Ethanol

Tổng hợp Fischer-Tropsch

Methano

l

Turbine khí chu trình kết hợp

Pin nhiên

liệu

Phân bón

Diesel/ Keroense

Acid Acetic

Nhiên liệu đa dạng

Sản phẩm đa dạng

Khí tổng hợp Sạch

Giá thành thấp

CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI

Sự phân loại dựa trên cách thức tiếp xúc giữa pha khí-pha rắn và môi trường khí hóa Theo đó, các thiết bị khí hóa được chia ra thành 3 kiểu cơ bản [12]:

- Tầng dịch chuyển

- Tầng sôi

- Tầng (dòng) cuốn theo

Hình 2.1 Phân lo ại các kiểu khí hóa

Với mỗi kiểu khí hóa thì có một khoảng áp dụng riêng [13] (tùy theo công suất nhiệt yêu cầu)

2.1 Khí hóa tầng dịch chuyển ( fixed/ moving bed)

Trong thiết bị khí hóa dòng cuốn theo và tầng sôi (ở phần sau), môi trường khí hóa

vận chuyển các hạt nhiên liệu trong lò, nhưng với tầng dịch chuyển thì nhiên liệu được đỡ bởi ghi lò Trong quá trình khí hóa, nhiên liệu dịch chuyển tịnh tiến xuống dưới Thiết bị cỡ nhỏ kiểu này có thể xây dựng dễ dàng, bởi thế có một số lượng lớn được sử dụng trên toàn thế giới [12]

Tổ hợp (DCFB)

Sự hòa trộn vào trao đổi nhiệt trong tầng dịch chuyển là khá kém, khó đạt được sự phân phối nhiên liệu, nhiệt độ và thành phần các khí một cách đồng đều theo mặt

cắt ngang của thiết bị Bởi thế nó không hiệu quả trong các thiết bị quy mô lớn

Hình 2.2 C ác giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dòng hướng lên

(updraft) [12]

Hoạt động:

Theo như trên Hình 2.2 thì một thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dòng hướng lên có dòng môi trường khí hóa (không khí, oxi, hoặc hơi nước) đi từ dưới lên qua lớp vật

liệu sinh khối còn chuyển động của lớp vật liệu sinh khối có chiều ngược lại Khí

sản phẩm thoát ra phía trên Dòng môi trường đi vào qua bộ phân phối (ghi lò), tại

đó gặp tầng nóng và xỉ lò [12] Xỉ rơi qua ghi lò

Kiểu này thích hợp cho loại nhiên liệu có lượng tro xỉ cao, độ ẩm cao (như sinh

khối), chất bốc thấp (như than củi) [12]

2.2 Khí hóa tầng sôi (fluidized bed)

Trong một lớp tầng sôi phổ biến, vậ liệu sinh khối hoặc than được nghiền nhỏ hơn

10 mm rồi được cấp vào lò Trong lò có vật liệu tầng ( hạt trơ) đã gia nhiệt và được

tạo tầng sôi bởi dòng hơi, không khí, hoặc oxi, hoặc hỗn hợp của chúng (tùy vào

việc lựa chọn môi trường khí hóa) [12] Tro xỉ được tháo xả dễ dàng ở phía đáy tầng [12] Nhiệt độ thường được giữ dưới 980oC với khí hóa than và dưới 900oC với khí hóa sinh khối để tránh sự nóng chảy của tro và để đảm bảo sự phân hủy hoàn toàn

của nhựa than (tar)

Dòng môi trường khí hóa có thể được cấp vào qua 2 giai đoạn:

- Cấp vừa đủ để duy trì tầng sôi ở nhiệt độ mong muốn

- Cấp thêm để chuyển hóa than (char) chưa phản ứng thành khí hữu ích

Lò khí hóa HTW (Hình 2.3) là một ví dụ cho khí hóa than tầng sôi bong bóng nhiệt

độ, áp suất cao Để cải thiện hiệu suất chuyển hóa cacbon, các hạt than nhỏ trong dòng khí sản phẩm được phân tách bởi cyclone và quay trở lại đáy lò Hệ thống HTW cho ra khí sản phẩm có chất lượng tốt hơn so với lò tầng sôi nhiệt độ thấp truyền thống

Hình2.3 Thi ết bị khí hóa tầng sôi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW) [12]

2.2.2 Tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Hình 2.4 Thi ết bị khí hóa tầng sôi tuần hoàn [12]

Thiết bị khí hóa CFB có ưu điểm đặc biệt đối với khí hóa sinh khối bởi nó cho phép kéo dài thời gian lưu của các dòng vật chất trong vùng phản ứng Đặc biệt thích hợp

với các nhiên liệu có lượng chất bốc cao Một thiết bị CFB điển hình gồm một ống

đứng (riser), một cyclone, và một thiết bị van tuần hoàn rắn (loop-seal) Riser có vai trò như một lò khí hóa (gasifier reactor) [12]

Không giống như thiết bị BFB (kiểu như lò Winkler), thiết bị khí hóa CFB có mức

độ tuần hoàn rắn cao hơn nhiều do chế độ thủy động học khác nhau

Trong thiết bị CFB, lượng rắn được phân tán tới toàn bộ chiều cao riser, do đó kéo dài thời gian lưu của khí và các hạt rắn mịn (fine particles) Vận tốc sôi trong CFB

cao hơn nhiều (3,5 – 5,5 m/s) so với tầng sôi bong bóng (bubbling bed) (0,5-1,0

m/s) Lượng pha rắn chưa phản ứng và vật liệu trao đổi nhiệt ra khỏi vùng khí hóa cũng được thu hồi bằng xyclon và tiếp tục quay trở lại đáy riser [12] Vì thế, tốc độ

tuần hoàn rắn và vận tốc sôi trong riser đủ cao để duy trì riser trong điều kiện thủy

động đặc biệt, được biết như là tầng sôi nhanh (fast fluidized bed) Tùy vào loại

nhiên liệu và ứng dụng, mà riser có thể hoạt động ở dải nhiệt độ từ 800 đến 1000oC [12]

Khí nóng từ gasifier qua một cyclone, phân tách hầu hết các chất rắn liên kết với nó,

rồi qua loop-seal trả lại các hạt về đáy của gasifier [12]

2.2.3 Tầng sôi tổ hợp (DFB) (hybrid /twin reactor, dual fluidized bed)

Hình 2.5 Thi ết bị khí hóa tầng sôi kiểu tổ hợp (CFB và BFB) [11, 14]

Một vấn đề lớn trong quá trình khí hóa than hoặc vật liệu sinh khối là sự pha loãng khí sản phẩm bởi N2 trong không khí (mà được dùng cho phản ứng cháy nhằm sinh

ra lượng nhiệt cần thiết để duy trì các phản ứng khí hóa) Để tránh điều này, O2

được dùng thay thế, nhưng giá thành sẽ tăng đáng kể Lò khí hóa ghép đôi (trong

một số nghiên cứu gọi là “lò tầng sôi tổ hợp”) có thể khắc phục được vấn đề này

bằng cách tách biệt buồng cháy (combustor) và gasifier (Hình 2.5), như vậy N2

trong không khí cháy sẽ không pha loãng sản phẩm khí Hệ thống này hiện đang được sử dụng phổ biến cho cả than và vật liệu sinh khối [12]

Tuy nhiên, hệ thống kiểu này có một vài hạn chế; ví dụ, Corella và các cộng sự [12]

đã xác định hai vấn đề chính trong thiết kế hệ thống tầng sôi kép (dual fluidized

bed):

• Sinh khối chứa ít char hơn so với than (coal); tuy nhiên, nếu char này được

sử dụng cho khí hóa thì với lượng char đó có thể không cấp đủ nhiệt cho gasifier (nơi xảy ra các phản ứng thu nhiệt) để duy trì nhiệt độ trên 900oC Khi đó cần phải có thiết bị gia nhiệt phụ

• Dù gasifier dùng hơi nước nhưng chỉ một phần nhỏ (<10%) tham gia vào phản ứng khí hóa; phần còn lại đơn giản là thoát khỏi gasifier, do đó tiêu thụ một lượng lớn nhiệt và pha loãng khí sản phẩm [12]

Đại học kỹ thuật Vienna đã dùng hệ thống tuần hoàn ngoài để khí hóa các

loại sinh khối khác nhau trong nhà máy điện công nghiệp Gussing, Áo

Hình 2.6 Thi ết bị khí hóa tầng sôi ghép đôi

Hệ thống gồm một thiết bị khí hóa tầng sôi bong bóng BFB gasifier và một buồng

cháy tầng sôi tuần hoàn CFB combustor (Hình 2.6) Riser trong CFB làm việc như

một buồng cháy; BFB ở nhánh quay trở lại có tác dụng như vùng khí hóa (gasifier)

Sự nhiệt phân và khí hóa diễn ra ở BFB do dòng hơi quá nhiệt và lớp vật liệu trơ trao đổi nhiệt Char và nhựa than (tar) chưa chuyển hóa di chuyển đến riser qua van

“phi cơ khí” Lượng chất chưa chuyển hóa này được đốt cháy tại riser nhờ không khí [12]

Hình 2.7 Minh h ọa quá trình khí hóa trong thiết bị DFB[59]

Nhựa than và khí sinh ra trong quá trình nhiệt phân được đốt cháy trong vùng cháy của riser Nhiệt do sự cháy làm tăng nhiệt độ của nguyên liệu cũng như lớp vật

liệu trao đổi nhiệt (ví dụ: silica sand- heat carrier) đến khoảng 950oC Vật liệu này

ra khỏi riser và được thu giữ bởi cyclone ở cửa thoát của riser [12] Lượng rắn thu

được rơi vào một ống đứng (downcomer) và sau đó đi vào BFB gasifier để cấp nhiệt

cho các phản ứng thu nhiệt của nó Char được khí hóa trong BFB gasifier với sự có

mặt của hơi nước, tạo ra khí sản phẩm Hệ thống này cũng khắc phục vấn đề nhựa than bằng cách đốt nó trong buồng cháy Bằng cách này, có thể đạt được khí sản

phẩm tương đối độc lập với nhựa than [12]

2.3 Khí hóa dòng cuối theo (Entrained-Flow)

Kiểu này được sử dụng rộng rãi nhất cho khí hóa than, cốc dầu mỏ… quy mô lớn Thích hợp với hầu hết các loại than (ngoại trừ một số loại như licnit-than non và sinh khối vì chúng có độ ẩm cao) Than có độ tro cao cũng không phù hợp bởi hiệu

suất khí lạnh giảm với sự tăng hàm lượng tro [12]

Bởi vì thời gian lưu trong lò khí hóa dòng cuốn theo là nhỏ (khoảng vài giây) nên

hạt nhiên liệu cấp vào cần phải mịn (nhỏ hơn 75μm [12, 13]) mà nghiền mịn sinh

khối là khó (do có thớ, sợi), hơn nữa tro sinh khối có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với than [12]

Nhiệt độ khí hóa của thiết bị kiểu này là trên 1000oC Điều này cho phép khí sản

phẩm gần như độc lập với nhựa than và lượng khí metan lẫn rất thấp Với một thiết

bị được thiết kế và hoạt động đúng thì hiệu suất chuyển hóa cacbon gần như đạt 100% Dòng khí ra rất nóng nên cần phải làm nguội qua thiết bị trao đổi nhiệt và tạo hơi quá nhiệt cho quá trình khí hóa [12]

Hình 2.8 mô tả sự cuốn theo dòng hạt trong thiết bị Các hạt nhiên liệu mịn được gia nhiệt nhanh bởi nhiệt bức xạ từ tường nóng của buồng lò và dòng khí nóng rồi cháy trong oxi dư Khối nhiên liệu được đốt cháy gần vùng cửa vào (entrance zone) thông qua sự phân giải chất bốc; tại đó nhiệt độ có thể lên đến 2500oC Phản cháy

gần như tiêu thụ hết toàn bộ lượng oxi cấp vào [12]

Hình 2.8 S ự cuốn hạt trong lò khí hóa dòng lôi cuốn

Thiết bị khí hóa dòng cuốn theo có thể phân loại thành 2 kiểu (Hình 2.9, 2.10) tùy theo cách mà nhiên liệu được cấp vào [12]:

- Dòng cấp (nhiên liệu và tác nhân khí hóa) từ trên (top-fed downflow)

- Dòng nhiên liệu vào từ bên và tác nhân đi từ dưới (side-fed upflow)

Hình 2.9 Hai ki ểu chính của lò khí hóa dòng lôi cuốn [12]

Hình 2.10 M ột thiết bị khí hóa dòng cuốn theo kiểu top-fed downflow [12]

CHƯƠNG 3 KHÁI QUÁT VỀ CÁC DẠNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ỨNG

D ỤNG TRONG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI KHÍ HÓA

Các dạng mô hình dùng cho khí hóa hệ này được phân ra hai dạng chính: Mô hình

hệ thống quá trình (Process System Modeling - PSM) và tính toán thủy động lực

học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics - CFD)

3.1 Mô hình h ệ thống quá trình (PSM)

Mô hình hệ thống quá trình (PSM) là một môn khoa học độc lập mà trong nó bao

gồm thiết kế quá trình công nghệ, thiết lập và điều khiển quá trình công nghệ, tối ưu hóa các quá trình công nghệ, thiết ké dây chuyền theo sản phẩm, và hỗ trợ các công

cụ mô hình hóa [18, 27, 39]

Về cơ bản, PSM là một tổ hợp tương tác và được chia ra làm các bước chính sau [41]:

(1) Thiết lập mục tiêu mô hình (thiết lập vấn đề cần mô phỏng)

(2) Xây dựng cơ sở lý thuyết cho mô hình (xác định các thông số điều khiển)

(3) Lựa chọn cơ sở dữ liệu cho mô hình (các nguồn dữ liệu)

(4) Xây dựng mô hình và các công cụ phân tích mô hình

(5) Kiểm nghiệm mô hình

(6) Đưa ra lời giải

(7) Phạm vi áp dụng mô hình, nhân rộng mô hình

Trong khí hóa than, tổng hợp những nghiên cứu về PSM được phân ra: (1) Mô hình

lý thuyết cổ điển (First-principle models) và (2) Mô hình hộp đen (Black-box models) Mô hình lý thuyết cổ điển được xây dựng dựa trên những giả thuyết cơ

bản của toán học và vật lý [29] mà trong đó bao gồm (a) mô hình nhiệt động học (thermodynamic equilibrium) [49, 50, 57], và (b) mô hình động học phản ứng (reaction kinetic rate models) [20, 22]

Mô hình nhiệt động học đưa ra kết quả là thành phần sản phẩm khí cuối cùng dưới

sự thừa nhận về trạng thái cân bằng nhiệt động học Tại trạng thái cân bằng, sản

phẩm của hệ phản ứng đạt giá trị ổn định nhất, đây là điều kiện mà khi entropy của quá trình đạt cực đại trong khi năng lượng Gibbs đạt giá trị cực tiểu Mô tả toán học

của mô hình được xây dựng dựa trên một bộ phương trình tuyến tính trong đó giả thuyết về sự thay đổi nồng độ theo thời gian là bằng 0 (dxi/dt = 0) [30]:

trong đó x và v là tọa độ và vận tốc tương ứng

Mô hình động học phản ứng đưa ra những thông tin cơ bản nhất về cơ chế động học

phản ứng để mô tả sự chuyển đổi của than sang khí và những sản phẩm khác, nó là bước nghiên cứu sâu sắc về thiết kế quá trình, đánh giá và cải tiến thiết bị khí hóa

Mô tả toán học của mô hình được thiết lập dựa trên sự cân bằng vật chất và năng lượng dưới dạng của những phương trình vi phân dưới sự đảm bảo của các điều

kiện biên và điều kiện ban đầu, cũng như những phương trình hồi quy thực nghiệm

dạng tuyến tính [30]:

trong đó ngoài x và v còn có thời gian t

Trong số các mô hình hộp đen, dạng mô hình nơ-ron nhân tạo (Artifical neural network models) được sử dụng một cách phổ biến nhất [15, 28] Những mô hình

dạng này được mô tả giống như sự tương tác giữa những nơ-ron thần kinh Thông tin được tích trữ dựa vào dữ liệu đầu vào, sau đó nhờ những quy luật đã thiết lập mà

mô hình phán đoán kết quả dựa trên trí thông minh nhân tạo (machine learning) Mô hình nơ-ron nhân tạo được sử dụng để phỏng đoán đầu ra dựa vào những bộ số dữ

liệu đầu vào, và không dựa trên bất cứ lý thuyết cổ điển nào về lý-hóa học Chính vì

vậy, khi sử dụng mô hình dạng này, có thể phỏng đoán chính xác đầu ra, tuy nhiên không thể hiểu rõ được các quá trình bên trong

Về mô phỏng toán học, mô hình dạng nơ-ron nhân tạo được thiết lập dựa trên phương pháp khối lượng phần tử (weight partitioning method) [37] Thủ tục tính toán dựa trên những bước chính sau: (1) thay đổi khối lượng phẩn tử, (2) chỉ định

cấu trúc mạng lưới nơ-ron, (3) so sánh mục đầu ra với cơ sở dữ liệu cho đến khi

mạng lưới trí thông minh nhân tạo xây dựng đủ quy luật và phỏng đoán các điểm khác

3.2 Tính toán th ủy động lực học dòng chảy (CFD)

Những mô hình CFD tập trung vào tính chất dòng chảy của khí và rắn như: phân bố

áp suất dòng, thành phần của dòng chảy, lượng rắn cuốn theo dòng, sự trao đổi của các cấu tử rắn sang khí và ngược lại, , nhằm mục đích cải tiến thiết kế thiết bị khí hóa và phỏng đoán điều kiện làm việc tối ưu

Phương pháp phân tích CFD có thể được sử dụng để tìm ra kết quả số của những phương trình vi phân phi tuyến cho các quá trình vận chuyển giữa dòng và hạt vốn

rất phổ biến trong DFBGs Về cơ bản, phương pháp tính toán này đưa ra lời giải cho các phương trình phi tuyến tại những điểm xác định trong không gian tính theo phương pháp phần tử hữu hạn thay vì sử dụng phương pháp phân tích thông thường Tùy theo chi tiết của các thông tin đã tính toán trong dòng chảy rối, CFD có thể được chia ra làm: Phương pháp số hóa trực tiếp dòng (Direct numerical simulation - DNS), Mô phỏng cho dải Eddy rộng (Large Eddy Simulation - LES) và mô phỏng Reynolds trung bình với phương trình Navier-Stockes (Reynolds averaged Navier-Stockes equations) với mô hình dòng chảy rối RANS [19] Trong đó DNS coi tất cả các tỷ lệ của dòng theo cùng một giá trị xoáy, còn LES và RANS lại tính toán giá trị xoáy của dòng chảy theo các tỷ lệ khác nhau Trong ba phương pháp tính trên, RANS có thể coi là một phương pháp tính đơn giản nhất Mô hình RANS chia tất cả các thông số thành phần ra thành những cấu tử dao động Giá trị của các cấu tử dao động được tính dựa vào giá trị trung bình bình phương (Root-mean-sequare RSM)

tại các phần tử tính toán [19]

Nhằm mục đích giải những phương trình vi phân phi tuyến trong hệ, phương pháp tính toán gián đoạn hóa thời gian và không gian kết hợp với điều kiện biên được sử

dụng rộng rãi nhất Có 4 phương pháp gián đoạn hóa phổ biến: Finite difference method (FDM), finite element method (FEM), spectral method (SM), và finite volume method (FVM) Trong đó phổ biến nhất vẫn là FVM và FEM, đã được ứng

dụng trong các phần mêm mô phỏng thương mại hóa như là Fluent hay COMSOL

3.3 M ục tiêu của nghiên cứu

Để tiến hành các nghiên cứu cụ thể và chi tiết cho mô hình hệ thống (PSM) cũng như mô hình tính toán thủy động học mô phỏng (CFD), việc xây dựng và thực hiện các nghiên cứu sơ bộ dựa trên các mô hình cân bằng nhiệt động học là cần thiết

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một mô hình cân bằng nhiệt động học để tính toán quá trình khí hóa vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi Mô hình động học giả cân bằng đề suất trong nghiên cứu này bao gồm 3 giai đoạn chính đó

là (1) giai đoạn nhiệt phân nguyên liệu (vật liệu sinh khối) nhằm làm thoát tối đa lượng chất bốc trong nguyên liệu; (2) giai đoạn khí hóa – giai đoạn các phản ứng khí hóa diễn ra dưới tác động của các tác nhân khí hóa (H2O, CO2); và (3) giai đoạn

xẩy ra các phản ứng trong pha khí Bằng việc kết hợp đồng thời các giai đoạn phản ứng trên, mô hình giả cân bằng nhiệt động học cho phép thực hiện các thông số đầu

ra của khí sản phẩm cho một quá trình khí hóa nhất định Do đó, mô hình còn cho phép thực hiện các tính toán nhằm xác định các điều kiện công nghệ thích hợp khí

tiến hành khí hóa một loại vật liệu sinh khối cụ thể Ngoài ra, mô hình cũng có thể

sử dụng để đánh giá sơ bộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu quả của quá trình khí hóa

Nội dung chi tiết về việc xây dựng mô hình và ứng dụng của nó trong việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên thành phần khí sản phẩm cũng như hiệu

suất của quá trình khí hóa được trình bày trong các phần tiếp theo của nghiên cứu này

PH ẦN II MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CHO L ỚP TẦNG SÔI

Các quá trình khí hóa trong lớp tầng sôi tổ hợp (Dual Fluidized Bed Gasifiers - DFBGs) thông thường được mô phỏng bằng hai vùng: Vùng khí hóa và vùng đốt, như mô tả trong Hình 4.1 [7] Cát thạch anh được sử dụng làm chất tải nhiệt một cách phổ biến bởi vì những tính chất cơ lý tốt và dễ điều khiển dòng [42, 45, 59] Nguyên liệu đầu vào (than) và cát được tích trữ trong vùng khí hóa, tại đây quá trình khí hóa than diễn ra Tại vùng đốt, than dư được đốt cùng với lượng nhỏ nguyên liệu phụ thêm để nâng nhiệt cho chất tải nhiệu là cát thạch anh Lượng nhiệt

cần thiết cho các phản ứng tại vùng khí hóa được cấp bởi nhiệt từ các hạt cát thạch anh mà đã được vận chuyển từ buồng đốt sang theo chu trình tuần hoàn vòng tròn

Gasification

Producer gas: CO,

Biomass

Cooled silica sand, Char residue and Ash

Heated silica sand Provide heat for gasification zone

Air and/or

thấp của khí sản phẩm, (5) lượng nhiên liệu thêm vào, (6) lượng tuần hoàn rắn, (7)

hiệu suất thu hồi nhiệt, và (8) giá thành đơn vị Chi tiết phân tích sự ảnh hưởng của các điều kiện làm việc thiết bị tới những nhân tố trên sẽ được phân tích sau

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG

Mô hình động học giả cân bằng xây dựng cho việc tính toán quá trình khí hóa các

loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi được giả thiết tồn tại 03 giai đoạn ổn định do đó nó còn có tên gọi là mô hình 3 giai đoạn ổn định (Three steady-state model - TSM) Cấu trúc cơ bản của mô hình cho quá trình khí hóa vật liệu sinh

khối được thể hiện ở Hình 5.1 Có 03 bước chính (nhiệt phân, các phản ứng khí, và các phản ứng pha khí) được tính toán TSM gồm 04 mô hình thực nghiệm

than-phụ trợ Trong bước thứ 1 (nhiệt phân vật liệu sinh khối), 02 phương trình thực nghiệm được lập dựa trên số liệu thực nghiệm về khí hóa của gỗ thông, vỏ dừa, và rơm trong phạm vi nhiệt độ rộng (400-900oC) [21] Các bước còn lại của TSM (bước thứ 2 và 3) được lập từ mô hình cân bằng hóa học 2 giai đoạn [44, 68]

n

CO

CO CO

3 4413 exp

10 17

n

H

CH CH

4239 exp 10

16

exp 4 51

tot O, H

O,0 H

2 2

5.1 Nhi ệt phân

Sự phân giải thành phần có tính khử trong vật liệu sinh khối, quá trình nhiệt phân, chia thành 02 bước: (1) bước phân giải nhiệt học sơ bộ và (2) bước thứ cấp cracking

dầu hắc ín Ở bước thứ 1, về mặt nhiệt học, vật liệu sinh khối phân giải thành khí,

dầu và than Khí sinh ra từ quá trình nhiệt phân sơ bộ gồm CO, CO2, CH4, H2, và

H2O Trong quá trình nhiệt phân thứ cấp quá trình cracking nhiệt dầu hắc ín được thay thế Sản phẩm của quá trình cracking dầu hắc ín gồm CO, CO2, H2, hydrocacbon nặng hơn hydrocarbons (như C2H6, C2H4, và C3H6), và dầu trơ [51,

Một phương pháp tiếp cận đơn giản được đề suất bởi Sharma, Gao và Li [25, 61], trong đó sản phẩm nhiệt phân được giả định chỉ có CO, CH4, và H2O Hàm lượng

của các thành phần này được xác định bằng cân bằng nguyên tử Sadaka và các

cộng sự [55] đã tính toán thành phần khí nhiệt phân bằng cách sử dụng sự cân bằng nguyên tố theo giả định rằng trong sản phẩm gồm CO, CO2, CH4, H2, và H2O Các giả thiết do Sadaka và các cộng sự [55] đề suất được sử dụng trong nghiên cứu này để dự đoán các sản phẩm khí sinh ra từ quá trình nhiệt phân vật liệu sinh khối Theo các giả thiết này này nguyên liệu bao gồm các chất bay hơi, hàm lượng carbon

cố định, tro, và độ ẩm với số liệu thu được từ những phân tích trên các mẫu nguyên

liệu Toàn bộ các chất bay hơi trong vật liệu sinh khối được xem như chuyển hóa hoàn toàn thành năm khí thành phần như đã đề cập ở trên và hàm lượng carbon cố định được giả định không phân hủy trong quá trình nhiệt phân Tổng hàm lượng của

các chất bay hơi được xác định từ phân tích tương đối của vật liệu sinh khối Thành

phần của các chất khí do nhiệt phân (phân hủy các chất dễ bay hơi trong vật liệu sinh khối) được tính toán từ bằng cân bằng nguyên tố

CH

n

2 2

O H CO

CO

n

2 2

+

Trong đó n là số mol Hàm lượng nitơ trong sinh khối (nếu có) được xem như

chuyển hóa hoàn toàn thành khí nitơ trơ Vì vậy, sự cân bằng nguyên tố nitơ là

Hai phương trình tỷ suất (ϕCO, ϕCH) được xác định từ các thực nghiệm nhiệt phân

với hàm lượng các chất khí sinh ra từ quá trình nhiệt phân gỗ, vỏ dừa, và rơm ở nhiệt độ khác nhau Các số liệu thực nghiệm này được đưa ra ở Bảng 5.1 [34]

Tỷ suất hình thành CO và CH4 (ϕCO và ϕCH) tính từ bảng 5.1 được liệt kê trong

Bảng 5.2 và trên Hình 5.2 Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng với sự gia tăng nhiệt độ, ϕCO tăng, khi ϕCH giảm Một giả thiết được đưa ra là phản ứng giữa một

phần nhất định của than và CO2 trong phản ứng Boudouard(C + CO2 → 2CO) làm

ϕCO tăng khi tăng nhiệt độ nhiệt phân [34] Sự sụt giảm ϕCH được giải thích là do sự gia tăng nồng độ H2 do sự khử bão hòa hydrocacbon nặng hơn như C2H6, C3H8

Hình 5.2 Thành ph ần tỷ lệ của CO và CH 4 (ϕCO và ϕCH ) t ại những nhiệt độ khác nhau: (a) ϕCO khi nhi ệt độ thay đổi; (b) ϕCH khi nhi ệt độ thay đổi

Empirical model (Eq (7))

(a)