Nghiên cứu thiết kế thiết bị khí hóa than hơi nước loại ghi quay cấp liệu liên tục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM BÁ THẢO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÍ HĨA THAN HƠI NƯỚC LOẠI GHI QUAY CẤP LIỆU LIÊN TỤC Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT NHIỆT 605280 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2014 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN VĂN TUYÊN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM BÁ THẢO MSHV: 12060483 Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1973 Nơi sinh: Thanh Hóa Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số : I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÍ HÓA THAN HƠI NƯỚC LOẠI GHI QUAY CẤP LIỆU LIÊN TỤC II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan sở lý thuyết thiết bị khí hóa than nước loại ghi quay cấp liệu liên tục Khảo sát chế độ vân hành hiệu suất khí hóa than nước Tính tốn xác định kích thước buồng khí hóa than nước Tính tốn lượng tiêu hao nhiên liệu Xây dựng trình tự thiết kế thiết bị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/7/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN TUYÊN Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Cơng nghệ khí hóa than cơng nghệ xuất từ lâu giới Nhưng đến năm gần giá nhiên liệu dầu gas tăng cao, nên việc sử dụng nguồn nhiên liệu rẻ khí hóa than giải pháp thay nhằm giảm chi phí sản xuất tăng khả cạnh tranh Khí hóa than cơng nghệ khai thác than thay phương pháp đốt truyền thống nhằm biến đổi nguồn nhiên liệu có chất lượng thấp thành nguồn nhiên liệu có chất lượng cao nhằm giải nghịch lý xuất than thơ có chất lượng thấp nhập than có chất lượng cao Khí hóa than khơng tạo đột phá giúp tiết kiệm nhiên liệu sản xuất mà cịn giải pháp giảm thiểu nhiễm góp phần bảo vệ mơi trường Cơng nghệ khí hóa than áp dụng nhiều cho ngành cơng nghiệp Việt Nam như: nhà máy cán thép, nhiệt luyện, nhà máy gạch, gốm sứ, thủy tinh, xi măng, bột giặt hóa chất điện đạm Tuy nhiên phải nhập thiết bị cịn sử dụng cơng nghệ lạc hậu nhiều lí Với mong muốn tìm hiểu cơng nghệ khí hóa nghiên cứu thiết kế thiết bị khí hóa loại ghi quay cấp liệu liên tục nhằm làm chủ cơng nghệ khí hóa thiết kế thay thiết bị nhập từ Trung quốc, chọn chọn đề tài “nghiên cứu tính tốn thiết kế thiết bị khí hóa than nước loại ghi quay cấp liệu liên tục” Trong thực luận văn xin cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Tuyên bạn đồng nghiệp giúp tơi hồn thành luận văn Tuy nhiên q hồn thành luận văn khơng tránh khỏi sai sót, tơi kính mong đóng góp ý kiến hướng dẫn quý thầy cô bạn đồng nghiệp xin chân thành cảm ơn Tphcm, ngày 15 tháng năm 2014 iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết lập trình tự bước thiết kế, xây dựng đề xuất cơng thức tính tốn, xây dựng mơ hình tỷ lượng tính tốn dự đốn kết thành phần khí hóa theo tỷ lệ nhiên liệu, khơng khí nước Xây dựng mơ hình lớp hai lớp tính tốn tiêu hao carbon thời gian cháy kiệt tương ứng kích thước than Khảo sát đề xuất chế độ vân hành thiết bị xây dựng phần mềm thiết kế chế độ vận hành kích thước thiết bị phù hợp cho kích thước thành phần than khác thiết bị khí hóa than nước loại ghi quay cấp liệu liên tục Từ khóa: Coal, Gasification, bed moving ABSTRACT Research to establish the process of design steps, building and proposed the calculation formulas, using percentage amount models to predict results of coalgasificaton product component according to the ratio of fuel, air and steam Building mono-layer models and double-layer models of chemical reactions to construct design software of operating modes as well as device size according to the size and component of coal for the rotary and constant feed gasifier coal-steam type Keywords : Coal, Gasification, bed moving v LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Trong trình thực luận văn thân tác giả tự tìm tịi nghiên cứu không coppy hay ăn cắp tác giả ngồi nước Tơi xin cam đoan chịu tránh nhiệm hoàn toàn với tất nội dung trình bày luận văn Tp HCM, ngày 20 tháng năm 2014 Tác giả Phạm Bá Thảo vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tóm tắt kiểu khí hóa than Bảng 1.2 Tóm tắt đánh giá theo tiêu chí thiết kế Bảng 1.3 Tóm tắt so sánh kiểu khí hóa 10 Bàng 2.1 Các phản ứng khí hóa than nước 18 Bảng 3.1 Thông số thành phần than Antraxit 30 Bảng 3.2 Các phản ứng đặc trưng khí hóa than nước .30 Bảng 3.3 Tóm tắt thành phần sản phẩn khí than theo tỷ lệ 38 Bảng 3.4 Thành phần khí hóa than tác nhân cháy khơng khí 39 Bảng 3.5 Thành phần khí than theo số đo đạc tập đoàn than Việt Nan 39 Bảng 3.6 Thành phần khí hóa than 39 Bảng 5.1 Kết than có đường kính δ0 =20m 67 Bảng 5.2 Khảo sát tiêu hao thời gian cháy kiệt than theo thời gian 69 Hình 1.1 Sơ đồ cơng nghệ ứng dụng khí hóa than Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ nhà máy IGCC .2 Hình 1.3 Khí hóa than tầng cố định Hình 1.4 Khí hóa than loại ghi quay Hình 1.5 Khí hóa tầng sơi .7 Hình 1.6 Khí hóa dịng Hình 1.7 Khí hóa than bể muối nóng chảy Hình 1.8 Sơ đồ cơng nghệ hệ thốngkhí hóa than nước 11 Hình 1.9 Hình ảnh hệ thống khí hóa than nước 12 Hình 2.1 Sơ đồ dây truyền cơng nghệ khí hóa than 16 Hình 2.2 Phân bố tầng khí hóa 16 Hình 2.3 Quá trình cháy bon .19 Hình 2.4 Phân bố thành phần khối lượng nhiệt độ theo phương hướng kính 21 Hình 2.5 Phân bố thơng lượng khối lượng thành phần bề mặt .22 Hình 2.6 Mạch hóa trở tương đương .22 Hình 2.7 Phân bố thành phần khối lượng nhiệt độ theo phương hướng kính 23 vii Hình 2.8 Lưu đồ thiết kế .28 Hình 3.1 Dải phân bố phản ứng tầng theo nhiệt độ 31 Hình 3.2 Thành phần khí hóa theo tỷ lệ biến thiên Sco 35 Hình 3.3 Thành phần khí hóa than kết hợp thêm điều kiện 36 Hình 3.5 Thành phần khí than theo tỷ số Scs kết hợp cơng thức kinh nghiệm 37 Hình 3.6 Nhiệt trị khí than theo tỷ lệ 38 Hình 3.7 Lưu đồ lập trình thành phần khí theo tỷ lệ Sco 40 Hình 3.8 Lưu đồ thành phần khí theo tỷ lệ Sco với điều kiện .41 Hình 5.1 Phân bố thành phần khối lượng nhiệt độ theo phương hướng kính 54 Hình 5.2 Cân khối lượng thành phần bề mặt .55 Hình 5.3 Sơ đồ mạch hóa trở phản ứng 58 Hình 5.4 Lưu đồ giải thuật vịng lặp lớp phản ứng R1 59 Hình 5.5 Phân bố thành phần khối lượng nhiệt độ theo phương hướng kính 60 Hình 5.6 Cân khối lượng thành phần hai bề mặt phản ứng R1 61 Hình 5.7 Phân bố thành phần khối lượng nhiệt độ theo phương hướng kính phản ứng R2 64 Hình 5.8 Phân bố thành phần khối lượng theo phương hướng tâm 66 Hình 5.9 Tiêu hao than theo kích thước than 68 Hình 5.10 Thời gian cháy kiệt theo kích thước than 69 Hình 6.1 Các kích thước lị khí hóa 73 Hình 6.2 Giao diện thông số thiết bị 75 Hình 6.3 Giao diện thông số vận hành 76 viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CÁM ƠN iii TÒM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ v DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT 1.1 Tổng quan 1.2 Phân loại khí hóa than cơng nghệ hóa khí than .5 1.2.1 Khí hóa than tầng cố định 1.2.2 Khí hóa than kiểu tầng sơi 1.2.3 Khí hóa than bể muối nóng chảy 1.2.4 Khí hóa than kiểu dòng 1.2.5 Khí hóa than nước loại nghi quaycấp liệu liên tục 10 1.3 Mục tiêu đề tài 12 1.3.1 Phân tích chọn đề tài 12 1.3.2 Mục tiêu luận án 14 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 14 1.3.4 Đối tượng nghiên cứu 14 1.3.5 Phạm vi nghiên cứu 14 1.3.6 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 14 CHƯƠNG 15 CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÍ HĨA THAN HƠI NƯỚC LOẠI GHI QUAY CẤP LIỆU LIÊN TỤC 15 2.1 Đặc điểm sơ đồ công nghệ 15 2.1.1 Đặc điểm thiết bị khí hóa than nước loại ghi quay cấp liệu liên tục 15 2.1.2 Sơ đồ công nghệ 15 2.2 Các phản ứng khí hóa than nước 18 2.2.1 Cháy đồng thể 18 ix 2.2.2 Cháy dị thể 18 2.2.3 Các mơ hình khảo sát khí hóa than 19 2.2.3.1 Mơ hình liên tục 20 2.2.3.2 Mơ hình lớp 20 2.2.3.3 Mơ hình hai lớp 22 2.2.3.4 Thời gian cháy kiệt hạt than 23 2.3 Xây dựng trình tự tính tốn thiết kế 27 CHƯƠNG 29 KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH 29 3.1 Phương trình tỷ lượng 29 3.2 Phương trình phản ứng 30 3.3 Xây dựng ma trận tỷ lượng 31 3.4 Phân tích kết theo thành phần khí theo tỷ lệ mol [Carbon]/ [Oxygen] [Carbon]/[Steam] 35 CHƯƠNG 43 NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN HƠI NƯỚC 43 4.1 Nhiệt phản ứng 43 4.2 Năng lượng tự hệ 44 4.3 Hiệu suất q trình hóa than nước 45 4.4 Đánh giá vùng cháy kiệt hạt bon lớp 47 4.5 Xác định chiều cao toàn phần cần thiết lớp nhiên liệu 52 CHƯƠNG 54 KHẢO SÁT THỜI GIAN CHÁY KIỆT CARBON 54 5.1 Xây dựng mơ hình tính toán phản ứng 54 5.2 Mơ hình phản ứng R1, R2, R4, R5 54 5.2.1 Mơ hình phản ứng R1 54 5.2.1.1 Mô hình lớp phản ứng R1 54 5.2.1.2 Sơ đồ cháy hai lớp cháy Carbon phản ứng R1 61 5.2.2 Mơ hình lớp phản ứng R2 64 6.2.3 Mơ hình lớp phản ứng R4 66