Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình khí hóa than ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒNG ANH NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN NGẦM NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT SKC007431 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -o0o - LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀNG ANH NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN NGẦM NGHÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT TP- HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -o0o - LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒNG ANH NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN NGẦM NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT Hướng dẫn khoa học: PGS TS HOÀNG AN QUỐC TP- HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Hồng Anh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 11/08/1988 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Hải Hưng – Hưng Yên Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 91/10/25 KP Tân Hoà Biên Hoà Đồng Nai Điện thoại quan: 025132227281 Điện thoại nhà riêng: 02513987250 Fax: E-mail: hoanganhskill@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 05/ 2008 Nơi học (trường, thành phố): Cao Đẳng Nghề Đồng Nai Ngành học: Điện – Điện lạnh Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 03/ 2013 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật nhiệt – Điện lạnh Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: Chế tạo mơ hình giảng thực hành mô lỗi hệ thống lạnh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 01/2013 Xưởng Nhiệt ĐHSPKT HCM Người hướng dẫn: GVC Ths Lê Kim Dưỡng, Đồn Minh Hùng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hồ 09/2013 Thỉnh giảng Chí Minh 11/2013 Trường Cao Đảng nghề Đồng Nai Giảngviên 01/2014 Trường Cao Đẳng Nghề Hồ Bình Thỉnh Giảng [13] Results of the tracer tests during the El-Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 2000 [14] Review of Underground Coal Gasificationwith Reference to Alberta's Potential [15] Sateesh Daggupati - Laboratory studies on combustion cavity growth in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification, Elsevier, 2009 [16] V Prabu- Simulation of cavity formation in underground coal gasification using bore hole combustion experiments- Elsevier, 2009 [17] Lanhe Yang, Jie Liang, Li Yu, Clean coal technology - Study on the pilot project experiment of underground coal gasification, 2002 [18] Lanhe Yang, Study of the model experiment of blinding - hole UCG, 2002 [19] Ahad Sarraf Shirazi - CFD Simulation of Underground Coal Gasification, 2013 [20] PGS.TS Phạm Lê Dần - Cơng nghệ lị mạng nhiệt.Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội – 2005 [21] Đồ án anh chị khóa trước [22] COMSOL Mutiphysics Library 118 Review Of Underground Coal Gasification Technologies Nguyen Le Hong Son Nguyen Hoang Anh Hoang Ngoc Dong Da Nang University of Technology Da Nang city, Vietnam Ho Chi Minh City University of Technology and Education Ho Chi Minh city, Vietnam Sonnlh@hcmute.edu.vn , hoanganhskill@gmail.com Abstract—In thewake of increasingchallenges of highprices of oil and gas and uncertaintiesaboutpoliticalstability in many oil and gas producingcountries, coalbecomesmore and more important in the comingyearsforitsvastreserves and widedistributionallover the world The technology of Underground Coal Gasification (UCG), converting in-situ, unmined coal intocombustiblegases, hascontinued to attractworldwideinterestbecause of its ability to exploit coal whichisotherwiseunminablebyconventionalminingtechniquesdue to deepdepositdepths, thin seam thickness or low quality, in an economical, safe and environmentally friendly manner We have recently reviewed the current status of UCG throughout the world and analyzed the criteria for selecting UCG in the Red River Delta (RRD)- Viet Nam This article presents the main results of this work Keywords—underground coal gasification, ucg, syngas, coal seam, unmined coal seams INTRODUCTION not be exploited economically or technically by conventional mining processes The basic principles of UCG are similar to that of conventional surface gasification of coal The UCG process is illustrated in Fig.1 The process of UCG involves the injection of steam and air or oxygen into a coal seam from an injectionwell and recovering combustible fuel gases from the production well These bore wells are drilled into the coal seam from the surface and combustion is initiated at the bottom of one of the bore holes Both bore wells are linked with various available linking techniques to enable gas flow In recent years, people have applied many methods of burning and transfer coal fuel to other fuel types are very effective, it reduce emissions source pollute the environment, as well as transforming coal into liquid fuel, coal washing and especially the coal gasification Coal gasification is a method to transfer coal to gas or used as raw materials for chemical synthesis The quest for energy resources delineates the progress of mankind from the stone age to the modern era For the sustainable development and raising the living standards, man has tried all possible energy resources offered by the nature and used them creatively, for the better quality of life The conversion of available fossil fuel into useful heat energy has been an area of interest for long time This rudimentary practice was encouraged by the abundant availability of the fossil fuels such as coal, natural gas and crude oil The burgeoning energy demand was the main motivation behind the development of various technologies that converted fossil fuel into heat energy The coal gasification is one of the important energy harnessing technologies, which converts coal into useful gaseous fuel The Underground Coal Gasification technology (UCG) is a technology for recovering the energy content of coal reserves by gasifying it in-situ with the application of the skilful utilisation of operating conditions and the geological position of the coal seam This process aims at converting coal into combustible fuel gas by the gasification of the coal seam in the presence of air, oxygen and steam This technology has been proven to be very useful in situations where coal deposits can Figure 1: Principle of underground coal gasification REVIEW OF LITERATURE: Gasification Process- Chemical reactions The gasification process occurs in the coal of the gasifier was shown in Fig Based on the differences in major chemical reactions, the temperature, and the gas compositions, the gasification channel can be divided into three zones: oxidization zone, reduction zone and dry distillation zone 119 Pg    Pg z    Pg  2RTg   r  r r  r  k where, Pg is the fluid pressure, Pa; coefficient, Pa.s;  is the cohesiveness  is a source or convergence item; R is the gas constant, J/mol.K and k is the seepage rate,  m2 Brinkman Equations theory   p    . u   Qbr t u    u    u.     p  t p  Figure 2: The diagram of UCG In the oxidization zone, the multi-phase chemical reactions between oxygen contained in the gasification agent and the carbon in the coal seam occur, producing heat and making the coal seamfull-hot C + O2 → CO2 + 393,8 MJ/kmol (1) 2C + O2 → 2CO + 231,4 MJ/kmol (2) 2CO + O2 → 2CO2 + 571,2 MJ/kmol (3) In the reduction zone, the major reactions are that H2O(g) and CO2 are reduced to H2 and CO under the effect of high temperature, when they meet with the incandescent coal seams C + CO2 → 2CO + 162,4 MJ/kmol (4) C + H2O(g) → CO + H2 + 131,5 MJ/kmol (5) Additionally, under the catalytic action of coal ash and metallic oxides, a certain methanation reaction occurs C + 2H2 → CH4 + 74,9 Heat Transfer and Thermodynamics Species Transport Ts T    Ks s  z  z Ts       K  s r  r     u  F  +  : is the density of the fluid (kg/m3)  : (SI unit) is a dynamic viscosity of the fluid(Pa.s) +  p : is the porosity + k : is the permeability tensor of the porous medium +  F : hệ số Forchheimer + Qbr : is a mass source or mass sink (kg/m3.s)  : is the Laplace When the neglect inertial tern check box is selected, the tern  u.  u p is disabled For incompressible flow, the density stays constant in any fluid particle, which can be expressed Ts    K  s r  FsTs  r  theseequations : + u : is a velocity vector (m/s) + p : is the pressure (Pa) Process- Model of the temperature field of the coal layer Considering the heat conduction within the coal layer, according to the law of conservation of energy, the temperature field equation of the coal layer is obtained as  sCs 1  Q T   p     u   u     .u  I    k 1  br2   p    p  + MJ/kmol (6) In as   p    u.  t   p       u   Qbr reduces to t where and equation .u  Qbr + Cs is the specific heat of the solidphase, KJ/kg.K; + Fs is the heat losscoefficient of the solid phase, KJ/kg.s.K; Heat transfer in a porous media: T   C p u.T  .q  Q  Qvd t q  keff T  C  K  s is the heat conduction coefficient of solid + p eff phase, KW/m.K; + Tsr is the temperature of the external coal layer, K; where: +  : (SI unit: kg/m3) is the fluid density + and rs is the density of the solid phase, kg/m3 Flow equation for the gas phase According to the law of conservation of momentum, for the conditions of UCG, the flow equation of fluid in the gasification channel can be explicitly expressed as + Cp : (SI unit: J/(kg·K)) is the fluid heat capacity at constant pressure + (ρCp)eff (SI unit: J/(m3·K)) is the effective volumetric heat capacity at constant pressure defined by an averaging model to account for both solid matrix and fluid properties 120 + u : (SI unit: m/s) is the fluid velocity field, either an analytic expression or the velocity field from a Fluid Flow interface u should be interpreted as the Darcy velocity, that is, the volume flow rate per unit cross sectional area The average linear velocity (the velocity within the pores) can be calculated as uL = u ∕ θL, where θL is the fluid’s volume fraction, or equivalently the porosity + q : is the conductive heat flux (SI unit: W/m2) + Q : is the heat source (or sink) Add one or several heat sources as separate physics features (W/m3) + k eff Chinese studies have been mainly focused on the production of hydrogen-rich syngas from abandoned shallow coal mines (Depth 300 m ) of lower rank coals and few efforts for using highrank coals (anthartice and bituminous coals) were unsuccessful In the following sub-sections, a brief review of important field trials and their findings are described based on their location Figure summarizes all the UCG field trials performed worldwide in term of their depth and thickness of the coal seam As can be seen, all of the trials except European efforts have been conducted in relatively shallow seams which are not currently targeted because shallow depth of seam limits the application of high operating pressures and increases the possibility of leakage Figure 4: The thickness and the depth of the test is performed all over the world (C.Pana, 2009) Figure 5: Long tunnel configuration in China (Couch (2009)) Yeary and Riggs (1987) calculated the growth for lignite and sub-bituminous coal Recession rate of cavitysidewall has beenshown to have a strongdependenceon the flow rate and temperature of the injected gas Lignite recession rate has been reported to begenerallylowercompared to subbituminous, while having a higher spalling rate (Yeary and Riggs 1987) These observationsareconsistentwithweakmechanicalproperties of lignite and high reactivity of sub-bituminous coal Also, ash has remainedintact in the sidewall for lignite coal, which can be attributed to higher ash content and stronger ash structure in lignite sample A series of experiments have been conducted in European Union, mostly Poland, to investigate the UCG behaviour in lignite coal seams The mainobjective of thisongoingproject is to study the effect of variousparameters on hydrogenconcentration in syngas Experiments wereconducted in a 2.5*0.7*0.7 m coal block with a 10 cmlinkbored in the block Three distinctstages for the UCG process were observable in all of these experiments: ignition, combustion, and gasification with steam As reported by Stańczyk etal (2010), only hr of stablesteamgasificationwasachieved in theirfirst experiments and further gasification was impossible due to low temperature of the coal block and fastdrop in temperature due to high moisturecontent of the experimented lignite (53%) To compensate this, the experiment was continued with high injectionrates of oxygen Replacing oxygen with air was unfeasible due to rapiddecrease in temperature and termination of reactions (Stańczyk et al., 2011) Thus, oxygenrich air was used and optimum oxygen/air ratios for lignite and hard coal UCG were proposedaccordingly Shorter ignition and combustion periods, higher 121 temperatures and lower oxygen/air ratios were found to be attainable for hard coal due to its highercarbon content compared to lignite In order to increase the extent of steam-gasification injection of pure oxygen was continued until high temperature of about 1100 to 1200 oC was reached in the reactionfront (Stańczyket al., 2012) Then, the inlet gas was switched to steam and the heating value of the product syngas increased to around 11.5 MJ/m3 as the injection gas is changed to steam The inlet gas was changed to oxygen whenever temperature dropped to 700-800 °C in the reaction front Instead of cuttingthrough the block, the georadartechnique which is based on the difference in dielectric properties was used in these experiments to identify various zones in the reacted coal Three zones of free-space cavity, partially gasified lignite, and un-reacted dry coal were detected In the experiments performed in IIT Bombay, India, the cavity growth, cavity shape, and product gas composition with respect to various operatingconditions were studied (Daggupati et al., 2010) These experiments were undertaken in a 30*20*25 cm lignite coal block A 3mmdiameter link was drilled to connect the injection and production wells In first series of experiment, cavity growth and finalshape of cavity is of majorconcern Ignition has been initiated using LPG for minutes and gas is switched to pure oxygen to combust the coal Experiments were continued for a maximum of hours with different injection rates and welldistances After termination of experiments, coal block was opened to expose and study the cavity shape Similar to the field trials, the cavity was found to be teardrop shape and symmetricaround the injection point Cavity growth in upstream of injection point is less than width and height of the cavity Common cavity temperature is around 950 to 1000 oC (Daggupati et al., 2010) Increasing flow rate resulted in linear increase in cavity volume in all dimensions This increase is attributable to the effect of increased flow rate on decreasing the mass transfer limitation by removing the ash at coal surface The forward and backward growth and volume of the cavity was found to decrease with increasing the distancebetween the wells, while cavity width and height increase When the cavity reaches the production well, considerable bypass of oxygen terminates the process Stable operation of similar experiments with a mixture of steam and oxygen found to be possible only by the injection of high temperature steam (600-700 oC) in a cyclic manner (Daggupati et al., 2011) Cavity shape was the samebutlarger in case of steam/oxygen injection Coal particles of 1-2 cm in diameter were alsoobservedat the bottom of cavity in this case, while only ash was found in combustion Therefore, it can be concludedthat coal spalling is increased in gasification The best syngas heatingvalue was achieved by a steam/oxygen ratio of 2.5 Prabu and Jaynati (2011) investigated the cavity formation in blocks of wood, coal, and camphor and compared the results In all these cases, teardrop-shape cavities were formed with a more bulbous shape at lower flow rates One of the major challenges for applicability of UCG in steep coal seams is low heating value of produced gas Yang et al (2003) studied the UCG in a 6.8 m*0.25 m*1.1 m coal block with a dipangle of 65° with pure oxygen or mixture of oxygen and steam as injection gases In the case of oxygen/steam mixture, the flow rate of the produced gases decreasedafter 41 hours and injecting the gases close to reaction front was required to sustain the process An auxiliary well between injection and production well was used to supply the gas for the reaction front A steam/oxygen ratio of was found to give the best syngas heating value Using multiple injection points increased the duration of the gasification stage, while shortened the oxidation phase CONCLUSION The, worldwide consumption of coal by UCG is listed below: a Soviet Union: 1500 Ktonnes since 1950 (Cost: US$10 billion) b Europe: less than 10 Ktonnes since 1950 (Cost: US$1 million) c Australia: over 32 Ktonnes between 200-2002 (Cost: US$5 million) UCG trials have been performed over a 50 years period and in different geologicalsettings and various coal ranks The knowledgedeveloped based on these activities can be used to select the appropriate seam and designaneffectiveprocedure Following results can be concluded from the trials: - Depth of the seam dictates the operating pressure which is one of the most important parameters in UCG process Considerable leaks (Up to 20-30 percent of gas) have been reported in shallower seams - Heating value of the produced gas can be increased drastically, by using oxygen-enriched air - Syngases produced from CRIP technology generally have a higher heating value It should be noted that these experiments reviewedhere have only studied shortterm and earlybehaviour of UCG reactor and the results may or may not be representative of a long-term UCG operation In Vietnam, especially in the RRD, unmined coal reserves are very large so coal mining by UCG should be studied in detail References [1] Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw Hill, 1980 [2] Smoot D.L., Smith P.J., Coal Combustion and Gasification, Plenum Press, 1985 [3] Gasification Technology- Technical Issues in the Design of Gasifiers1999 [4] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta-, Experimental simulation of hard coal underground gasification for hydrogen production, Fuel, 2012 [5] Krzysztof Stanczyk Hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe (HUGE)-Euro commission 122 [6] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011 [7] G X Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin university technology, 2009 [8] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012 [9] Results of the tracer tests during the El-Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 2000 [10] Review of Underground Coal Gasificationwith Reference to Alberta's Potential [11] Prabir Basu- Combusion and gasification- Taylor and Francis [12] V Prabu- Simulation of cavity formation in underground coal gasification using bore hole combustion experiments- Elsevier L H Yang, Study on the Methods of Seepage Combustion in the Process of Underground CoalGasification,pp.72– 75,ChinaUniversityofMiningandTechnologyPress,Xuzhou, 2001 J W Martin, A W Layne, and H J Siriwardane, Thermo-Mechanical Modeling of Ground Movements Associated with Large Underground Coal Gasification Cavities in Thin Coal Seams, Proc 10th UCG Symp., Fallen Leaf Lake, CA, vol 1, pp 295–307, 1984 O.K.Min,FiniteElementModellingofThermoMechanicalResponsesAssociatedwith Underground Coal Conversion, Ph.D thesis, Ohio State University,1982 C B Thorsness and J A Britten, Analysis of Material and Energy Balances for the RockyMountainIUCGFieldTest,CollectionsofTranslatedWorkson Mining,vol.13, pp 7–13,1992 K Guntermann, The Model and Mathematical Models on the Comprehensive Experi- ment of Underground Coal Gasification, Collections of Translated Works on Mining, vol 9, pp 6–10,1988 C W Guo, Review of the Study of Mathematical Simulation on the Underground Coal Gasification, Mining World, vol 15, pp 3– 5,1994 S H Advani, J K Lee, and K S Chen, Geomechanical Modeling Associated with Underground Coal Gasification Processes, Proc 12th UCG Symp., U.S Department of EnergyAssistantSecretaryforFossilEnergy,Washington,DC,vol.1,pp.2 78–286,1986 [7] Gasification Technology, Technical Issues in the Design of Gasifiers, 1999 [8] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Experimental simulation of hard coal underground gasification for hydrogen production, Fuel, 2012 [9] Krzysztof Stanczyk Hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe (HUGE)-Euro commission [10] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011 [11] G X Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin university technology, 2009 [12] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012 123 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT- TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA THAN NGẦM Applied research numerical simulation on heat and mass transfer in the processof underground coal gasfication Nguyễn Lê Hồng Sơn 1, Nguyễn Hoàng Anh2 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh; hongsonnguyenle@gmail.com Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Nai; hoanganhskill@gmail.com TĨM TẮT ABSTRACT Khí hóa than ngầm q trình chuyển than đá trực tiếp vỉa than thành khí đốt dùng làm ngun liệu tổng hợp hố chất Nghiên cứu thực mô chi tiết q trình khí hố than ngầm bên vỉa than để sản xuất khí tổng hợp (CO, CO2) Các mơ thực cách sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics phiên 5.2 để mơ q trình truyền nhiệt truyền chất q trình khí hố than ngầm Các nghiên cứu truyền nhiệt mô hình dạng khoang rỗng ba chiều: chiều dài, chiều rộng chiều sâu sau q trình khí hố thể vỉa than ngầm Cần lưu ý nhiêt độ bên vỉa than cao nhiều so với nhiệt độ đầu khí sản phẩm, điều tổn thất nhiệt môi trường xung quanh Các khoang rỗng có hình giọt nước, mơ dựa chiều rộng, chiều cao, chiều dài phía trước phía sau khoang Điều chỉnh nồng độ O2 cấp vào trình khí hố ảnh hưởng đến chất lượng khí tổng hợp nghiên cứu Tỷ lệ cấpO2 tốt khoảng 0,15 mol/ m3 Underground Coal Gasification (UCG) is a process in which coal is converted to clean synthetic gas (syngas) insitu This study performs detailed simulations of UCG process inside coal seam to produce syngas (CO, CO2) The simulations are conducted using the Comsol Multiphysics solfware which is simulated the heat and mass transfer during the Underground coal gasification Studies on the heat transfer and the growth of threedimensional cavity geometries in Underground coal gasification are presented in underground coal seam The heat tranfer should be noted that local temperature in the coal seam is higher than the outlet temperature, this might be attributed to gas heat loss to surrounding enviroment The cavity has a tear-drop shape, which could be characterized based on its width, height, forward and backward lenght of the cavity The effects of oxygen injection rate on syngas quality also studied The best oxygen injection rate is about 0,15 mol/ m3 Từ khố: khí hố than ngầm; UCG; truyền nhiệt truyền chất UCG; comsol multiphysics; khí tổng hợp ĐẶT VẤN ĐỀ Q trình khí hóa than ngầm thường diễn thời gian dài, với khối lượng than lớn gấp nhiều lần so với mơ hình thực nghiệm Do phải đầu tư khoản chi phí lớn cho q trình xây dựng hệ thống khí hóa phải nghiên cứu kỹ loại than, dự đoán trường hợp xảy Trước u cầu đó, mơ q trình khí hóa than ngầm thiết kế xây dựng gần giống với thực tế nhằm thử nghiệm trước xây dựng hệ thống lớn biết chắn điều Keywords: underground coal gasification, ucg, heat and mass transfer, syngas, oxygen concentration, coal seam, Comsol Multiphysics mang lại lợi nhuận kinh tế cao Với mơ hình này, q trình khí hóa than diễn gần giống lòng đất dựa sở lý thuyết chung cho cơng nghệ khí hóa Với đường ống dẫn hỗn hợp khí + nước đường ống thu hồi khí tổng hợp Qua đó, nghiên cứu xác định thành phần lí hố học, chất lượng khí thương phẩm từ khí sản phẩm thu Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ mô số ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học kỹ thuật hoạt động 124 Lớp than khoang khí hóa liên tục người Mô số mang đến cho người lợi ích to lớn tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh rủi ro điều kiện thực tế, giảm tác động xấu tới mơi trường Các mơ hình xây dựng máy tính mơ q trình trước mơ hình thực nghiệm xây dựng Ở đây, nhóm tác giả xin giới thiệu phương pháp mô trìnhtruyền nhiệt truyền chất khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng phần mềm mô Comsol Multiphysics phiên 5.2 Một mơ hình tốn học truyền nhiệt truyền chất q trình khí hóa than xây dựng theo phương pháp bảo toàn lượng khối lượng q trình sản xuất khí hóa than Việc nghiên cứu giá trị mô kết hợp với trình thực nghiệm khí hóa than cung cấp sở lý thuyết cần thiết cho nghiên cứu hay dự đoán quy luật diễn q trình khí hóa than việc xác định yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất khí hóa Trong đó: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cgi: nồng độ mol thành phần i (mol/m3) Các q trình cháy khí hóa lịng đất lớp than phức tạp mặt vật lý phản ứng hóa học với q trình truyền nhiệt truyền chất pha rắn- khí Để dễ dàng q trình tính tốn, ta có điều kiện sau: 2.1 Các phản ứng hóa học khí hóa than: Vg: vận tốc dịng khí dọc trục (m/s) Q trình oxy hóa than: C + O2 = CO2 + 399499 kJ/mol (1) Hình 1: Mơ hình tính tốn học kênh khí hóa Cgi    Cgi    Cgi  Cgi   (Cgi.Vg )  D   D   D  Si (5)  z z  z  r  r  r r D: hệ số khuếch tán dịng khí (trục bán kính khuyếch tán thành phần chất khí) (m2/s) 5: thời gian (s) Si: tỷ lệ sản phẩm thành phần thứ i phản ứng hóa học (mol/ m3 s) Nếu chiều dài kênh khí hóa dài chiều dài bán kính phương trình viết đơn giản sau: Phản ứng Boudouard: C + CO2 = 2CO + 167023 kJ/mol (2) C gi Q trình khí hóa cacbon với nước: C + H2O = CO + H2 –125788 kJ/mol r (3)  C    C gi V g  D gi z  z    S i  Quá trình tạo metan: Điều kiện biên: C + H2 => C H4 (4) 2.2 Phương trình bảo tồn thành phần chất pha khí: Trong q trình đốt khí hố lớp than, nhiều phản ứng vật lí hố học phức tạp xảy lị khí hố với q trình truyền nhiệt truyền chất pha rắn- khí Để dễ dàng q trình tính tốn, ta giả định điều kiện sau: Kênh khí hóa làm việc ổn định, thông số vật lý, nhiệt động hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian Bỏ qua trình khuếch tán nhiệt áp suất Bỏ qua trở nhiệt lực liên kết Z=0, Cgi= Cgi0, ≤ ≤ 71 5>0 Cgi0: nồng độ mol thành phần I phía đầu kênh khí hố (mol/m3) Z=L, C gi z 0 ≤ ≤ 71 5>0 L: chiều dài kênh khí hóa, (m) Điều kiện ban đầu trước khí hóa: ≤0, Cgi= Cgi0, ≤ ≤ 71 0≤8≤9 2.3 Phương trình bảo tồn lượng pha khí: 125 Theo định luật bảo tồn chuyển hóa lượng, phương trình bảo tồn lượng cho pha khí:   (V g Tg )  y gi   C gi C pgi r   C pgi C gi z  C g DTg z    Ri H i    A(Tg  Ts )  Q g Tg r = r0, Ts = Tsr0 0≤z≤L ; =0 z = 0, Ts = Tsz0 5>0 5>0 5>0 r1 < r < r0 Trong đó: (6) Tsr0: Nhiệt độ bên lớp than (tại vị trí r0) số Tại bề mặt pha rắn khí (r= r1), điều kiện biên là: Tg: Nhiệt độ pha khí (K) Cg: Tổng nồng độ mol pha khí (mol/m ) 4•ž Cpgi: Nhiệt dung riêng chất khí thứ I (KJ/mol.K) Ri: Tốc độ phản ứng hóa học (mol/ m s) Hi: Nhiệt lượng phản ứng hóa học (KJ/mol) Ÿ¡ = h(Ts – Tg) - ∑DE E ¢|E (8) Trong đó: mi: Lưu lượng thể thích thành phần thứ i (kg/m3) u: Hệ số trao đổi nhiệt pha rắn khí (KJ/m2) Ÿ ž ¢|E : Nhiệt phản ứng hóa học chất thứ i (KJ/mol) A: Diện tích tiếp xúc pha rắn khí (m / m ) N: tổng số chất Qg: Nhiệt lượng tổn thất pha khí (KJ) Điều kiện ban đầu: = 0, Ts = Ts0 ≤ z ≤ L ≤ r ≤ r1 ygi: Thành phần phần trăm chất khí thứ i pha khí Ts0 : Nhiệt độ ban đầu pha rắn (K) Điều kiện biên: z = 0, Tg = Tgz0; ≤ r ≤ r1 > z = L, ; = 0 ≤ r ≤ r1 > ; 2.5 Phương trình dịng chảy pha khí: Theo định luật bảo tồn động lượng, phương trình dịng chảy kênh khí hóa: 5>0 Pg  = 0,Tg = Tg0 ≤ z ≤ L ≤ r ≤ r1   Pg z    Pg  2RTg  r   (9) r r  r  k Trong đó: Trong đó: Pg  Cg RTg Tggz0, Tgr0: Nhiệt độ biên pha khí (K) Tg0: Nhiệt độ ban đầu pha khí (K) Pg: Áp suất dịng khí (Pa) Kλg: Hệ số dẫn nhiệt pha khí (KW/m K)  : Hệ số dính kết (Pa.s) Ts: Nhiệt độ pha rắn (K)  : Hệ số hiệu chỉnh h: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (KJ/m2 K) R: Hằng số chất khí (J/mol.K) 2.4 Phương trình vùng nhiệt độ lớp than: Theo định luật bảo toàn chuyển hóa lượng, xét q trình dẫn nhiệt lớp than, ta có: T T    T  T    s C s s   K  s s    K s s   K  s s  z  z  r  r  r r  Fs T s (7) Cs: Nhiệt dung riêng pha rắn (KJ/kg.K) Fs: Nhiệt lượng tổn thất pha rắn (KJ/kg.s.K) K  s : Hệ số dẫn nhiệt pha rắn (KW/m K)  s : Khối lượng riêng chất rắn (kg/m3) k: tỷ lệ rị rỉ chất khí (  m 2) MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Nhằm thử nghiệm trước đầu tư xây dựng hệ thống lớn với mức chi phí lớn cho q trình xây dựng hệ thống khí hóa phải nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ dự đốn trường hợp xảy để chắn nghiên cứu ứng dụng thực tế mang lại lợi nhuận kinh tế cao Với mơ hình này, q trình khí hóa than diễn gần giống lòng đất dựa sở lý thuyết chung cho cơng nghệ khí hóa 3.1 Mục đích Điều kiện biên: 126 - Mơ q trình truyền nhiệt khí hóa than 3.3 Cài đặt điều kiện thông số đầu vào cho mô - Mô hình dạng lỗ rỗng - Xét ảnh hưởng hiệu suất khí hóa phụ thuộc vào nồng độ O2 - Nhiệt độ mô phỏng: 7500C 3.2 Xây dựng mơ hình - Vận tốc cấp O2 ban đầu từ 0,01 m/s Xét khối than có kích thước 200x100x40(cm) xây dựng phần mềm Comsol phiên 5.2 giả định điều kiện: Bảng 1: Thành phần than - Áp suất mô từ bar - Kênh khí hóa làm việc ổn định, thơng số vật lý, nhiệt động hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian - Bỏ qua trình khuếch tán nhiệt áp suất - Bỏ qua trở nhiệt lực liên kết KẾT QUẢ MÔ PHỎNG - Bỏ qua thay đổi khối lượng dịng khí phản ứng hóa học vùng oxy hóa 4.1 Quá trình truyền nhiệt khí hóa than - Lớp than khoang khí hóa liên tục - Trên khối than xây dựng hai đường ống: Đường ống dẫn khí nước vào khối phản ứng có d = 21cm vị trí 50x50x20(cm) khối than Đường ống khí thải sản phẩm khỏi khối khí hóa có d = 34 cm vị trí 150x50x20(cm) khối than Nhiên liệu cấp vào lị mơ khối than tiếp xúc trực tiếp với oxy Lúc đầu, than phản ứng với oxy tạo nhiệt độ cao, q trình cháy diễn Sau đó, nhờ có nhiệt độ cao cháy yếm khí mà phản ứng thu nhiệt q trình khí hóa xảy ( Phản ứng chuyển hóa carbon thành CO) Để xác định ảnh hưởng thông số đến q trình khí hóa tác giả tiến hành mơ theo mơ sau: Hình 3: Kết mơ q trình truyền nhiệt lúc tâm phản ứng đạt 7500C vecto vận tốc Hình Mơ hình mơ khí hóa than dạng 2D 127 Hình 6: Hình dạng khoang rỗng hình giọt nước hình thành Hình4: Phân bố nhiệt độ vecto vận tốc khoang khí hóa dùng phần mềm CFD Kết mơ hình dạng lỗ rỗng hình thành khoang rỗng hình giọt nước Điều phù hợp với kết hình dạng khoang [4]và phù hợp với kết [9] Q trình mơ giúp ta dễ dàng việc hoàn thổ sau khai thác Hình 5: Dạng hình học dự đốn khoang rỗng dùng phần mềm CFD Hình mơ vecto vận tốc trình truyền nhiệt khoang khí hóa Ta thấy rằng, nhiệt độ tâm q trình khí hóa cao nhất, giảm dần hướng lỗ thu khí Từ đó, ta dự đoán nồng độ Carbon thay đổi nhiệt độ thay đổi vị trí khác vùng khí hóa Comsol Multiphysics thể hình thành dịng chảy phức tạp thơng qua vecto vận tốc khoang khí hóa thể rõ ràng qua hình, điều phù hợp với kết nghiên cứu S Daggupati [15] 4.2 Hình dạng khoang rỗng sau trình khí hóa than Hình 7: Hình dạng khoang rỗng 4.3 Ảnh hưởng nồng độ O2 đến thành phần sản phẩm khí: Khi ta thay đổi nồng độ Oxy cấp vào nồng độ sản phẩm khí thay đổi theo Theo điều trên, thành phần chất khí CO, CO2 thay đổi theo nồng độ O2 sau: 128 Hình 8: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,10 mol/ m3 Hình 12: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,60 mol/ m3 Hình 13: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,75 mol/ m3 Hình 9: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,15 mol/ m3 Hình 14: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 1,0 mol/ m3 Hình 10: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,30 mol/ m3 Kết từ hình 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 cho thấy, thực q trình khí hóa, ta tăng nồng độ O2 từ 0,10 - 0,30 mol/s nồng độ sản phẩm khí sinh CO2 CO bắt đầu tăng theo Tại nồng độ O2 0,15 mol/s, hình nồng độ CO cao CO2 thấp Khi nồng độ O2 tăng từ 0,45 - 1,0 mol/s nồng độ CO2 bắt đầu tăng cao CO giảm Điều phù hợp ta tăng lượng oxy lên cao lúc trình cháy diễn lượng CO2 sinh nhiều hơn, lượng CO giảm Quá trình phủ hợp với nghiên cứu Lanhe Yan [14] Hình 11: Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,45 mol/ m3 129 KẾT LUẬN Mơ q trình khí hóa than ngầm dùng phần mềm Comsol Multiphysics ta mơ q trình truyền nhiệt, truyền chất Qua đó, ta hiểu rõ q trình truyền nhiệt diễn khoang khí hóa Từ đó, ta dự đốn hình thành khoang rỗng hình giọt nước Q trình giúp ích cho q trình hồn thổ sau Phương pháp mơ khí hóa than ngầm cho phép cài đặt thơng số ban đầu để sản xuất khí than có chứa thành phần khí hóa mong muốn, điều chỉnh thơng số ban đầu để kiểm sốt khí sản phẩm, có lợi dùng vào mục đích khí hóa than ngầm thực tế Thành phần khí than phụ thuộc vào nồng độ O2 cấp vào Sản phẩm có giá trị nhiệt lượng cao nồng độ O2 từ khoảng 0,15- 0,30 mol/s [10] Results of the tracer tests during the El-Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 2000 [11] Review of Underground Coal Gasificationwith Reference to Alberta's Potential [12] M.S Blinderman, Forward and reverse combustion linking in underground coal gasification- Combustion and Flame 2007 [13] M.S Blinderman, Forward and reverse combustion linking in underground coal gasification- Combustion and Flame 2007 [14] Lanhe Yang- Study on the model experiment and numerical simulation for underground coal gasification, Elsevier, 2003 [15] Sateesh Daggupati - Laboratory studies on combustion cavity growth in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification, Elsevier, 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt – NXB giáo dục – 2004 [2] PGS.TS Bùi Hải – PGS.TS Trần Thế Sơn (2001) Bài Tập Truyền Nhiệt – Nhiệt Động Và Kĩ Thuật Lạnh, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội [3] Nguyễn Thanh Quang (ĐHBK – Đà Nẵng) – Đặng Thế Hùng (Công ty TNHH Trường Quang II) “Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Thống Hóa Khí Than Tầng Cố Định Ngược Chiều” Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ Nhiệt Số 77 [4] Prabir Basu- Combusion and gasification- Taylor and Francis [5] Gasification Technology- Technical Issues in the Design of Gasifiers-1999 [6] Krzysztof Stanczyk Hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe (HUGE)-Euro commission [7] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011 [8] G X Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin university technology, 2009 [9] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012 130 131 S K L 0 ... riêng Đề tài ? ?Nghiên cứu mô thực nghiệm trình khí hố than ngầm ’sẽ đưa giải pháp nhằm đánh giá cụ thể việc khí hóa than ngầm ĐBSH sở số liệu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mơ hình khí hóa cụ thể... thuyết than sử dụng làm thực nghiệm Mơ q trình khí hố than ngầm phần mềm Comsol Multiphysics Thực nghiệm q trình khí hố than ngầm mơ hình thực nghiệm Đánh giá, phân tích kết thu q trình mô thực nghiệm. .. phương pháp khí hóa than khác Tùy thuộc kích cỡ than đưa vào lị khí hóa mà áp dụng ba kiểu cơng nghệ khí hóa phổ biến là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sơi khí hóa than dịng - Than cục