MANUSCRIPT PREPARATION GUIDELINES

MANUSCRIPT PREPARATION GUIDELINES 50 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA THAN[.]

50 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA THAN NGẦM APPLIED RESEARCH ON SIMULATION SOFTWARE OF HEAT AND MASS TRANSFER IN THE PROCESS OF UNDERGROUND COAL GASFICATION Nguyễn Lê Hồng Sơn1, Nguyễn Hoàng Anh2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh; hongsonnguyenle@gmail.com Trường Cao đẳng Nghề Đồng Nai; hoanganhskill@gmail.com Tóm tắt - Khí hóa than ngầm q trình chuyển than đá trực tiếp vỉa than thành khí đốt dùng để làm nguyên liệu tổng hợp hố chất Nghiên cứu thực mơ chi tiết q trình khí hố than ngầm bên vỉa than để sản xuất khí tổng hợp (CO, CO2) Các mô tiến hành cách sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics phiên 5.2 để mô trình truyền nhiệt truyền chất q trình khí hoá than ngầm Các nghiên cứu truyền nhiệt mơ hình dạng khoang rỗng ba chiều (chiều dài, chiều rộng chiều sâu) sau q trình khí hoá thể vỉa than ngầm Cần ý nhiệt độ bên vỉa than cao nhiều so với nhiệt độ đầu khí sản phẩm, điều tổn thất nhiệt mơi 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 q trình khí hố ảnh hưởng đến chất lượng khí tổng hợp nghiên cứu Tỷ lệ cấp O2 tốt khoảng 0,15 mol/s Abstract - Underground Coal Gasification (UCG) is a process in which coal is converted to clean synthetic gas (syngas) in-situ This study performs detailed simulations of UCG process inside coal seam to produce syngas (CO, CO2) The simulations are conducted using the Comsol Multiphysics software to simulate the heat and mass transfer during the underground coal gasification Studies on the heat transfer and the growth of three-dimensional cavity geometries in underground coal gasification are presented in underground coal seam During the heat transfer, it should be noted that local temperature in the coal seam is higher than the outlet temperature; this might be attributed to gas heat loss by the surrounding environment 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 are also studied The best oxygen injection rate is about 0.15 mol/s Từ khóa - khí hố than ngầm; UCG; truyền nhiệt truyền chất UCG; comsol multiphysics; khí tổng hợp Key words - underground coal gasification; UCG; heat and mass transfer; syngas; oxygen concentration; coal seam; comsol multiphysics 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, nên phải nghiên cứu kỹ loại than, dự đốn 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 hơn, biết chắn điều mang lại lợi nhuận kinh tế cao Dựa sở lý thuyết chung cơng nghệ khí hóa, mơ hình cho thấy q trình khí hóa than diễn gần giống lòng đất với đường ống dẫn hỗn hợp khí + nước đường ống thu hồi khí tổng hợp Qua đó, nghiên cứu xác định thành phần lý hoá 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 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 môi 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 mơ q trình truyền nhiệt truyền chất khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng phần mềm mơ Comsol Multiphysics phiên 5.2 Một mơ hình tốn học truyền nhiệt truyền chất trình khí hóa than xây dựng theo phương pháp bảo tồn lượng khối lượng q trình sản xuất khí hóa than Việc nghiên cứu giá trị mơ kết hợp với q trình thực nghiệm khí hóa than cung cấp sở lý thuyết cần thiết cho nghiên cứu hay dự đốn quy luật diễn q trình khí hóa than, việc xác định yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất khí hóa Cơ sở lý thuyết Các q trình cháy khí hóa lịng đất lớp than phức tạp mặt vật lý phản ứng hóa học, với 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 Q trình oxy hóa than: C + O2 = CO2+ 399499kJ/mol (1) Phản ứng Boudouard: C + CO2 = 2CO + 167023kJ/mol (2) Q trình khí hóa cacbon với nước: C + H2O = CO + H2 – 125788kJ/mol (3) Quá trình tạo metan: C + 2H2 => CH4 (4) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 2.2 Phương trình bảo tồn thành phần chất pha khí Trong q trình đốt khí hố lớp than, nhiều phản ứng vật lý hoá học phức tạp xảy lị khí hố với 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 Lớp than khoang khí hóa liên tục C gi C pgi Tg   r 𝜕𝑇𝑔 𝜕𝑧 =0 𝜕𝑇𝑔 r = r1, Kλg C gi     C gi    C gi  C gi  D D   (C gi Vg )   D  Si z z  z  r  r  r r (5) Trong đó: Cgi: Nồng độ mol thành phần i (mol/m3); Vg: Vận tốc dịng khí dọc trục (m/s); D: Hệ số khuếch tán dịng khí (trục bán kính khuếch tán thành phần chất khí) (m2/s); 𝜏: Thời gian (s); Si: Tỷ lệ sản phẩm thành phần thứ i phản ứng hóa học (mol/m3s) Nếu chiều dài kênh khí hóa dài chiều dài bán kính phương trình viết đơn giản sau: C gi C gi      C gi Vg  D r z  z    Si  Z = L, z 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 i i g  Ts )  Qg 𝜕𝑟 ≤ r ≤ r1 = h(Ts - Tg), 𝜏>0 0≤z≤L 𝜏>0 r = 0, Tg = Tgr0 ≤ z ≤ L 𝜏>0 𝜏 = 0, Tg = Tg0 ≤ z ≤ L ≤ r ≤ r1 Trong đó: Tggz0, Tgr0: Nhiệt độ biên pha khí (K); Tg0: Nhiệt độ ban đầu pha khí (K); Kλg: Hệ số dẫn nhiệt pha khí (kW/mK); Ts: Nhiệt độ pha rắn (K); h: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (kJ/m2K) 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: s Cs Ts T    T  T    K s s    K s s   K s s  FsTs (7)  z  z  r  r  r r 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/mK);  s : Khối lượng riêng chất rắn (kg/m3) Điều kiện biên: Z = 0, Cgi= Cgi0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 𝜏 >0 Cgi0: Nồng độ mol thành phần i phía đầu kênh khí hố (mol/m3) C gi  R H   A(T (6) Tg: Nhiệt độ pha khí (K); Cg: Tổng nồng độ mol pha khí (mol/m3); Cpgi: Nhiệt dung riêng chất khí thứ i (kJ/mol.K); Ri: Tốc độ phản ứng hóa học (mol/m3.s); Hi: Nhiệt lượng phản ứng hóa học (kJ/mol); 𝛼: Hệ số trao đổi nhiệt pha rắn khí (kJ/m2); A: Diện tích tiếp xúc pha rắn khí (m2/m3); Qg: Nhiệt lượng tổn thất pha khí (kJ); ygi: Thành phần phần trăm chất khí thứ i pha khí Điều kiện biên: z = 0, Tg = Tgz0 ≤ r ≤ r1 𝜏>0 z = L, Hình Mơ hình tính tốn học kênh khí hóa 51  (Vg Tg )  ygi   C pgi Cgi  Cg DTg z z   𝜏>0 L: chiều dài kênh khí hóa (m) Điều kiện ban đầu trước khí hóa: 𝜏 ≤ 0, Cgi= Cgi0, ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 0≤𝑧≤𝐿 2.3 Phương trình bảo tồn lượng pha khí Theo định luật bảo tồn chuyển hóa lượng, phương trình bảo tồn lượng cho pha khí: Điều kiện biên: r = r0, Ts = Tsr0 ≤ z ≤ L z = L, 𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑧 =0 r1 < r < r 𝜏>0 𝜏>0 z = 0, Ts = Tsz0 r1 < r < r0 𝜏>0 Trong đó: Tsr0: Nhiệt độ bên ngồi lớp than (tại vị trí r0) số Tại bề mặt pha rắn khí (r = r1), điều kiện biên là: 𝐾λs ∂Ts ∂τ = h(Ts – Tg) -∑𝑛𝑖 𝑚𝑖 𝛥𝐻𝑖 (8) Trong đó: mi: Lưu lượng thể thích thành phần thứ i (kg/m3); 𝛥𝐻𝑖 : Nhiệt phản ứng hóa học chất thứ i (kJ/mol); N: tổng số chất; 52 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh Điều kiện ban đầu: 𝜏 = 0, Ts = Ts0 ≤ z ≤ L ≤ r ≤ r1 Ts0 : Nhiệt độ ban đầu pha rắn (K) 2.5 Phương trình dịng chảy pha khí Theo định luật bảo tồn động lượng, phương trình dịng chảy kênh khí hóa: Pg    Pg z    Pg r r r  r  2RTg     k  (9) Trong đó: Pg  Cg RTg Pg: Áp suất dịng khí (Pa);  : Hệ số dính kết (Pa.s);  : Hệ số hiệu chỉnh; R: Hằng số chất khí (J/mol.K); k: Tỷ lệ rị rỉ chất khí ( m 2) Mơ hình mơ 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, 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 - Mơ q trình truyền nhiệt khí hóa than; - Mơ hình dạng lỗ rỗng ; - Xét ảnh hưởng hiệu suất khí hóa phụ thuộc vào nồng độ O2 3.2 Xây dựng mơ hình Xét khối than có kích thước 200x100x40 (cm) xây dựng phần mềm Comsol phiên 5.2 giả định điều kiện: - 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 - Bỏ qua thay đổi khối lượng dịng khí phản ứng hóa học vùng oxy hóa - 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 = 21 cm 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 Để xác định ảnh hưởng thông số đến q trình khí hóa, tác giả tiến hành mơ theo mơ sau: Hình Mơ hình mơ khí hóa than dạng 2D 3.3 Cài đặt điều kiện thông số đầu vào cho mô - Nhiệt độ mô phỏng: 750°C; - Áp suất mô từ bar; - Vận tốc cấp O2 ban đầu từ 0,01 m/s Bảng Thành phần than Kết mơ 4.1 Q trình truyền nhiệt khí hóa than Nhiên liệu cấp vào lị mô khối than tiếp xúc trực tiếp với oxy Lúc đầu, than phản ứng với oxy tạo nhiệt độ cao, 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) Hình mơ véc-tơ vận tốc q 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 đốn nồng độ carbon thay đổi nhiệt độ thay đổi vị trí khác vùng khí hóa Phần mềm Comsol Multiphysics thể hình thành dịng chảy phức tạp thơng qua véc-tơ vận tốc khoang khí hóa thể rõ ràng qua hình, điều phù hợp với kết nghiên cứu S Daggupati [7] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 53 Hình Hình dạng khoang rỗng hình giọt nước hình thành Hình Kết mơ q trình truyền nhiệt lúc tâm phản ứng đạt 750°C véc-tơ vận tốc Hình Hình dạng khoang rỗng Hình Phân bố nhiệt độ véc-tơ vận tốc khoang khí hóa dùng phần mềm CFD 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 [1] [2] Theo điều trên, thành phần chất khí CO, CO2 thay đổi theo nồng độ O2 Hình 8-14 Kết từ Hình 8-14 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 9) 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 phù hợp với nghiên cứu Lanhe Yan [6] Hình Dạng hình học dự đốn khoang rỗng dùng phần mềm CFD 4.2 Hình dạng khoang rỗng sau trình khí hóa than Kết mơ hình dạng lỗ rỗng hình thành khoang rỗng hình giọt nước Điều phù hợp với kết hình dạng khoang [3] phù hợp với kết [5] Quá trình mơ giúp ta dễ dàng việc hồn thổ sau khai thác Hình Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,10 mol/s 54 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hồng Anh Hình Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,15 mol/s Hình 10 Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,30 mol/s Hình 12 Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,60 mol/s Hình 13 Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,75 mol/s Hình 11 Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 0,45 mol/s Hình 14 Thành phần sản phẩm khí thu cho nồng độ O2 1,0 mol/s Kết luận Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mơ q trình khí hóa than ngầm mơ q trình truyền nhiệt, truyền chất Qua đó, hiểu rõ q trình truyền nhiệt diễn khoang khí hóa Từ đó, 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, vậy, 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt, NXB Giáo dục, 2004 [2] Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Bài tập Truyền nhiệt – Nhiệt động Kỹ thuật lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2001 [3] Prabir Basu, Combusion and gasification, Taylor and Francis [4] G X Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin University Technology, 2009 [5] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012 [6] Lanhe Yang, Study on the model experiment and numerical simulation for underground coal gasification, Elsevier, 2003 [7] Sateesh Daggupati, Laboratory studies on combustion cavity growth in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification, Elsevier, 2009 (BBT nhận bài: 27/03/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 01/09/2017)