NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘNG CƠ SAVONIUS PHÁT ĐIỆN CHIẾU SÁNG 130 Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC TRONG LÒ LỚP SÔI KHI NHIỆT PHÂN NHANH BIOMASS RESEARCH ON[.]
Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang 130 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC TRONG LỊ LỚP SÔI KHI NHIỆT PHÂN NHANH BIOMASS RESEARCH ON SIMULATING FLUIDIZED BED DYNAMICS DURING FAST PYROLYSIS OF BIOMASS Phạm Duy Vũ1, Hoàng Dương Hùng2, Trần Văn Vang1 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; phamduyvubk@gmail.com Trường Đại học Quảng Bình; hdhung@gmail.com Tóm tắt - Nghiên cứu động lực dòng nhiều pha lò nhiệt phân sở cho việc tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học công nghệ lớp sôi Kết hợp phương trình dịng chuyển động nhiều pha với phần mềm mô phỏng, tác giả mô thông số động học lớp sôi Phương pháp Eulerian sử dụng q trình mơ Kết mô xác định trở lực lớp sôi, tốc độ dịng khí lị, mật độ thể tích pha lị nhiệt phân mơ hình với cơng suất lị 800 g/h Các số liệu sử dụng làm sở tính tốn, thiết kế lị nhiệt phân theo cơng nghệ lớp sơi, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng nguồn lượng từ biomass để sản xuất nhiên liệu sinh học Abstract - Research on dynamics of multiphase flows in fluidised bed reactor is the foundation for calculating and designing equipment of biofuel production system by biomass pyrolysis technology By combining the equations of multi-phase flow with simulation software, the authors has simulated the dynamics parameters in fluidised bed reactor The Eulerian approach is applied during the process of simulations Simulation results include the determination of pressure drop, gas velocity, volume fraction of the phases in the pyrolysis reactor with a capacity of 800 g/h These data are applied as the basis for the calculation and design of pyrolysis reactor by fluidised bed technology, laying foundation for the research and application of energy from biomass for biofuel production Từ khóa - biomass; nhiệt phân; động lực học; lị lớp sơi; nhiên liệu sinh học Key words - biomass; pyrolysis; dynamic; fluidised bed reactor; biofuel Đặt vấn đề Một hướng nghiên cứu tận dụng nguồn lượng từ biomass thực trình nhiệt phân để tạo nhiên liệu sinh học [1] Nhiệt phân trình phân hủy tác động nhiệt mơi trường khơng có ôxy Sản phẩm trình nhiệt phân biomass khí, rắn, lỏng Chất khí bao gồm khí H2, CO, CO2, CH4, H2, C2H4, C2H2, khí sử dụng cung cấp nhiệt để sấy biomass Chất rắn than sử dụng làm than hoạt tính phục vụ công nghiệp, đời sống cung cấp nhiệt cho trình nhiệt phân Chất lỏng dầu sinh học thuận tiện cho vấn đề bảo quản vận chuyển, sử dụng nhiều ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện Tuy nhiên, trình nhiệt phân biomass trình phức tạp, tỷ lệ chất lượng loại sản phẩm phụ thuộc vào: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lò phản ứng, thời gian nhiệt phân, chế độ động lực học lớp sôi Các thông số thường xác định chế độ nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình nhiệt phân nhanh Khi thực nhiệt phân nhanh, lượng dầu sinh học tạo cao nhất, lên đến 60% [2] Nhiệt phân nhanh biomass xảy điều kiện: thời gian từ 0,5 giây đến giây, nhiệt độ từ 4000C đến 5000C Các kiểu lò thường sử dụng để thực điều kiện nhiệt phân nhanh là: lị lớp sơi, hình nón quay, chân khơng, ly tâm [3] Hiện tại, nhóm nghiên cứu chúng tơi chọn phương án nhiệt phân nhanh biomass lị lớp sơi Một yếu tố quan trọng để trì chế độ lớp sơi biomass lớp cát lị thông số động lực Xác định thông số động lực q trình nhiệt phân biomass cơng nghệ lị lớp sôi sở để thiết kế, chế tạo vận hành thiết bị Đặc điểm lị lớp sơi phụ thuộc vào loại nhiên liệu, kích thước nhiên liệu, số lượng kích cỡ hạt cát Tương ứng với trường hợp có chế độ động lực học (như áp suất, lưu lượng dịng khí, mức độ hịa trộn biomass cát) khác Việc xác định thông số động lực phương pháp nghiên cứu thực nghiệm tốn thời gian chi phí, để giảm bớt thời gian nghiên cứu thực việc mô động lực lị lớp sơi máy tính Kết mô sở để người thiết kế chọn lựa thông số động lực học nhằm trì lớp sơi với loại nhiên liệu khác Phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình tốn Việc mơ động lực q trình nhiệt phân biomass lị lớp sơi thực dựa sở phương trình chuyển động dịng nhiều pha Các phương trình sử dụng: phương trình liên tục, phương trình mơmen động lượng, phương trình cân lượng 2.1.1 Phương trình liên tục Với pha khí: ( g g ) + ( gg vg ) = ( ss ) Với pha rắn: + ( ss vs ) = 2.1.2 Phương trình bảo tồn động lượng Dựa vào Định luật II Newton, phương trình bảo tồn động lượng phát biểu thành biểu thức toán học sau [4]: Với pha khí: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 ( gg vg ) + ( gg vg vg ) = −gp + .g + gg g + K gs ( vg − vs ) Với pha rắn: ( ss vs ) + ( ss vs vs ) = −sp − ps + .s + ss g 131 Ø50 + K gs ( vg − vs ) Trong đó: i = ii vi + viT + i i − i .vi Ii Theo Gidaspow [5], hệ số Kgs xác định theo cơng thức: + Nếu g > 0,8 K gs = s gg vs − vg −2,65 Cd g ds + Nếu g < 0,8 K = 150 s g + 1, 75 gs g d s2 Hệ số Cd xác định 0,687 24 Cd = + 0,15 ( g Res ) g Res Với Res = s g v s − v g theo ds công thức: d s g v s − v g g 2.1.3 Phương trình bảo tồn lượng Phương trình bảo tồn lượng dịng nhiều pha viết theo phương trình sau [5]: p ( ii h i ) + ii vi h i = i i + i : vi − .qi + Si Trong đó, µt: Độ nhớt rối; hs: Entanpi chất rắn [kJ/kg]; q s : mật độ dòng nhiệt [W/m2]; Si: Năng lượng sinh trình nhiệt phân; : Mật độ thể tích; g: Pha khí; s: Pha rắn; : Khối lượng riêng [kg/m3]; I: Tensor ứng suất; µ: Độ nhớt phân tử [kg/sm]; : Độ nhớt tổng hợp [kg/sm] 2.2 Mơ hình mơ ( ) Bảng Các thông số đầu vào Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị Khối lượng riêng bã mía p kg/m3 700 Đường kính bã mía Φp mm Khối lượng riêng khí N2 g kg/m3 1,25 Độ nhớt khí N2 µg kg/ms 1,79x10-5 Vận tốc khí N2 vg m/s 0,35 Đường kính cát Φs mm Khối lượng riêng cát s kg/m3 2.500 2.2.1 Mơ hình Thiết bị thí nghiệm động lực học q trình nhiệt phân nhanh lị lớp sơi (Hình 1): + Ống phun: đường kính Φơf= 8mm, chiều cao h = 12mm, số lượng: cái; + Ống trụ: đường kính Φth =50mm, chiều cao h = 500mm Bắt đầu 500 ) 100 ( Hình Mơ hình động lực học lị lớp sơi 1.Thân lị; Đầu đo áp suất; Lớp cát; Ống phun; 5.Ống dẫn khí N2 vào 2.2.2 Mục tiêu mô Mục tiêu q trình mơ bao gồm: + Khảo sát vận tốc dịng khí dọc theo thân lị; + Xác định tổn thất áp suất lớp sôi; + Xác định mật độ thể tích pha: cát, biomass hỗn hợp dọc theo thân lị; Đặc điểm q trình mơ phỏng: + Q trình mơ thực theo lưu đồ thuật tốn (Hình 2); + Chia lướt mơ hình lị nhiệt phân biomass lị lớp sơi thể Hình 3; + Kết mơ xuất dạng số hay hình ảnh Kết nghiên cứu bình luận 3.1 Xác định tổn thất áp suất lớp sôi Kết mô tổn thất áp suất khí nitơ lị nhiệt phân thể Hình Từ kết mơ ta có nhận xét: + Trở lực trung bình lớp sơi từ 750 đến 1.500Pa; + Càng sau, trở lực lớp sôi ổn định trì khoảng 800Pa 3.2 Xác định vận tốc khí dọc theo buồng nhiệt phân Để tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị thu hồi chất lỏng từ trình nhiệt phân, ta cần phải xác định tốc độ dịng khí khỏi lị lớp sơi Hình kết mơ vận tốc khí dọc theo thân lị lớp sơi Từ kết mơ ta có nhận xét: + Tại vùng có ống phun khí, tốc độ cao ω = 2,5 m/s; + Vận tốc đầu lị lớp sơi khoảng từ 0,22 đến 0,24 m/s Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang 132 Hình Mơ hình mơ chia lưới bề mặt Thân lị, Ống phun, Khe phun khí, Mặt sàng gắn ống phun Hình Lưu đồ thuật toán t = 0.25s t = 0.50s t = 0.75s t = 1.00s t = 1.25s t = 1.50s t = 1.75s t = 2.00s t = 2.25s Hình Trở lực lớp sôi t = 0.25s t = 0.50s t = 0.75s t = 1.00s t = 1.25s t = 1.50s t = 1.75s Hình Vận tốc khí nitơ dọc theo thân lò t = 2.00s t = 2.25s t = 2.50s t = 2.50s ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 80mm 133 t = 0.25s t = 0.50s t = 0.75s t = 1.00s t = 1.25s t = 1.50s t = 1.75s t = 2.00s t = 2.25s t = 2.50s m 80m Hình Mật độ thể tích biomass lị nhiệt phân t = 0.25s t = 0.50s t = 0.75s t = 1.00s t = 1.25s t = 1.50s t = 1.75s t = 2.00s t = 2.25s t = 2.50s Hình Mật độ thể tích cát lị nhiệt phân 3.3 Mật độ thể tích biomass, cát dọc theo lị Nhiệm vụ cát lị lớp sơi cung cấp nhiệt trung gian từ khí nitơ đến biomass trì ổn định chế độ lớp sơi Vì vậy, cần phải xác định vị trí để mật độ thể tích biomass cát có giá trị tối ưu, qua ta tìm vị trí để cấp biomass vào lị nhiệt phân Kết mơ Hình Hình Nhận xét: Vị trí cấp nhiên liệu xác định tương ứng với vị trí có tỉ lệ thể tích cát biomass lớn Theo kết mô ta thấy vị trí cách mặt sàng 80mm, mật độ thể tích trung bình biomass 40% tương ứng với mật độ thể tích cát 40% vị trí tối ứu để xác định vị trí cấp nhiên liệu biomass vào lò nhiệt phân Kết luận Kết hợp phương trình dịng chuyển động nhiều pha với phần mềm mô phỏng, tác giả mô thông số động học lớp sôi Kết mơ sở để nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị nhiệt phân biomass lị lớp sơi để sản xuất dầu sinh học Kết mô phỏng: + Trở lực lớp sơi trung bình từ 750Pa đến 1500Pa giá trị ổn định trì khoảng 800Pa Đây sở chọn áp suất dịng khí nitơ cấp vào lị nhiệt phân để trì lớp sơi cho biomass cát + Vận tốc lớn vùng ống phun đạt 2,5m/s, vận tốc đầu lớp sôi nằm khoảng 0,2 - 0,24 m/s Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang 134 Đây sở để thiết kế thiết bị thu hồi sản phẩm từ trình nhiệt phân + Mật độ thể tích trung bình Biomass 40%, tương ứng với mật độ thể tích cát 40% vị trí cách mặt sàng 80mm vị trí tối ưu để cấp nhiệt Đây sở để xác định vị trí cấp biomass cho lị nhiệt phân với hiệu trao đổi nhiệt cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] [3] [4] [5] Linh, Đặng Tuyết Phương, Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Thị Vân, Hoàng Yến, (2009), Sản xuất dầu sinh học từ rơm rạ phương pháp nhiệt phân có khơng có xúc tác, Tạp chí Hóa học, T.47 (4A), pp 536-540 Bridgwater, A.V., Meier, D., Radlein, D., “An overview of fast pyrolysis of biomass”, Org Geochem., 1999, 30 pp 1479-1493 Trung Ngoc Trinh, “Fast pyrolysis of ligin, macroalgae and sewage sluge”, Ph.D Thesis, 2013 Ansys Inc, “Ansys Fluent Theory guide”, 2013 D.Gidaspow, “Multiphase flow and fluidization”, Academic press, Boston, MA.1994 [1] Đặng Ngọc Anh, Trần Thị Kim Hoa, Nguyễn Trung Kiên, Bùi Hải (BBT nhận bài: 18/04/2015, phản biện xong: 06/05/2015) ... luận Kết hợp phương trình dịng chuyển động nhiều pha với phần mềm mô phỏng, tác giả mô thông số động học lớp sôi Kết mô sở để nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị nhiệt... mơ phỏng: + Q trình mơ thực theo lưu đồ thuật tốn (Hình 2); + Chia lướt mơ hình lị nhiệt phân biomass lị lớp sơi thể Hình 3; + Kết mô xuất dạng số hay hình ảnh Kết nghiên cứu bình luận 3.1 Xác... m/s 0,35 Đường kính cát Φs mm Khối lượng riêng cát s kg/m3 2.500 2.2.1 Mơ hình Thiết bị thí nghiệm động lực học q trình nhiệt phân nhanh lị lớp sơi (Hình 1): + Ống phun: đường kính Φơf= 8mm,