Untitled THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp Hồ Chí Minh, tháng S K L 0 0 8 2 9 6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĈӖÈ17Ӕ71*+,ӊ3 1*¬1+&Ð1*1*+ӊ.Ӻ7+8Ұ71+,ӊ7 0é3+1*48ẩ75ẻ1+ +ẽ$.+ậ 9,ầ11e15') *9+' 76/ầ0,1+1+7 697+ 1*8 CO2 + H2 (R3.7) phản ứng thuận nghịch nên tăng nồng độ nước q trình hóa khí thúc đẩy chuyển dịch phản ứng Water Gas Shift theo chiều thuận 75 1800 1600 Nhiệt độ (oC) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.7 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí với đương lượng khơng khí – nước Hình 5.7 cho ta thấy rằng, nhiệt độ q trình hóa khí giảm có mặt nước q trình hóa khí Khi hóa khí khơng sử dụng nước (SBR = 0), nhiệt độ hóa khí tăng theo hệ số đương lượng ER, cao đạt 1569oC ER = 0.5 thấp đạt 693.94oC ER = 0.2 Khi cấp nước vào với đương lượng SBR = 0.6 nhiệt độ hóa khí cao đạt 1365.56oC ER = 0.5 thấp đạt 604.38oC ER = 0.2 Nếu tiếp tục cấp nước đến SBR = 1, nhiệt độ hóa khí cao đạt 1251.61oC ER = 0.5 thấp đạt 572.56oC ER = 0.2 Nguyên nhân việc có mặt nước, thúc đẩy phản ứng thu nhiệt diễn làm giảm nhiệt độ hóa khí Phản ứng thu nhiệt chủ yếu: C + H2O -> CO + H2 (R3.9) 76 100 Hiệu suất chuyển đổi nhiệt (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.8 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với đương lượng khơng khí – nước Nhìn chung, hình 5.8 cho thấy việc hóa khí sử dụng tác nhân khơng khí có phẩn nhỉnh tác phân hóa khí khơng khí kết hợp nước Tại ER = 0.25, khơng sử dụng nước (SBR=0) hiệu suất chuyển đổi nhiệt đạt 85.55% hiệu suất trường hợp SBR = 0.2, SBR = 0.4, SBR = 0.6, SBR = 0,8 SBR = 84.66% , 83.59%, 82.78%, 82.1% 81.44% Chênh lệch việc không sử dụng nước sử dụng với đương lượng SBR = 4.11% 5.1.3 Kết mơ tác nhân hóa khí khơng khí có gia nhiệt sơ Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí đầu vào đến q trình hóa khí thực với nhiệt độ sau 25oC, 100oC, 200oC, 300oC, 400oC, 500oC 77 30 Thành phần % 25 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.9 Sự thay đổi thành phần khí CO theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER Hình 5.9 cho ta thấy rằng, thành phần khí CO có xu hướng tăng ta tăng nhiệt độ khơng khí cấp cho q trình hóa khí Khi khơng có gia nhiệt sơ cho khơng khí, thành phần khí CO đạt lớn 25.01% ER=0.25 Khi nhiệt độ khơng khí gia nhiệt đến 500oC thành phần khí CO lớn đạt đến 28.45% Đồ thị cịn cho thấy rằng, có gia nhiệt sơ cho khơng khí nhiều thành phần khí CO cải thiện 10 Thành phần % 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.10 Sự thay đổi thành phần khí CO2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 78 Theo hình 5.10, nồng độ khí CO2 có xu hướng giảm ta gia nhiệt sơ khơng khí đầu vào Khi khơng gia nhiệt khơng khí sơ bộ, thành phần CO2 chiếm từ 5.66% đến 9.46% thành phần syngas Khi gia nhiệt sơ cho không khí đạt 500oC thành phần khí CO2 thấp đạt 4.32% ER=0.2 cao đạt 9.05% ER = 0.5 Đồ thị rằng, việc gia nhiệt sơ cho khơng khí làm giảm thành phần khí CO2 syngas 30 Thành phần % 25 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.11 Sự thay đổi thành phần khí H2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER Theo hình 5.11, thành phần khí H2 khơng có thay đổi đáng kể có gia nhiệt khơng khí sơ Ở hệ số ER thấp ER = 0.2, thành phần khí H2 có gia nhiệt sơ khơng khí đạt cao 24.56% khơng khí có 500oC thấp 23.73% khơng khí có 25oC Khi tăng dần hệ số ER, nồng độ H2 dường khơng có biến động q lớn 1% Nguyên nhân việc tăng nhiệt độ không khí đầu vào làm tăng nồng độ khí CO giảm nồng độ khí CO2 syngas tăng nhiệt độ khơng khí đầu vào làm tăng nhiệt độ q trình hóa khí thúc đẩy phản ứng thu nhiệt C + CO2 -> 2CO (R3.10) diễn mạnh hơn, thể hình 5.13 Điều phù hợp với nghiên cứu Wayne Doherty cộng [34] 79 Nhiệt độ 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.12 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 100 90 80 Hiệu suất 70 60 50 40 30 20 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.13 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với nhiệt độ không khí đầu vào hệ số ER Ảnh hưởng q trình gia nhiệt sơ khơng khí đến hiệu suất chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí thể hình 5.13 Nó cho thấy gia nhiệt sơ khơng khí có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí ER thấp ảnh hưởng khí hệ số ER ngày cao Đối với ER = 0.2, hiệu suất cải thiện từ 78.22% đến 90.19% ER = 0.4, hiệu suất xấp xỉ 61.4% khơng có thay đổi đáng kể tăng nhiệt độ hóa khí Điều phù hợp với nghiên cứu Wayne Doherty cộng sự[34] 80 5.2 Bàn luận Thông qua kết mô phỏng, ta thấy hóa khí tác nhân khơng khí hiệu suất chuyển đổi nhiệt giảm cấp q nhiều khơng khí lượng khí đốt thu chủ yếu CO, H2 lượng CH4 Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiệt cách tăng nồng độ CO H2, xử dụng phương án thu hồi nhiệt syngas để nâng nhiệt độ khơng khí cấp vào lị Việc làm có ích syngas tạo với mục đích hóa học sản xuất CH4 qua nhiều khâu phía sau Nếu mục đích sử dụng syngas đốt để tạo nhiệt việc thu hồi nhiệt syngas cần tính tồn kỹ lưỡng để hiệu tốt Để lựa chọn thông số vận hành lị hóa khí thơng số để thiết kế lị hóa khí viên nén RDF với tác nhân khí hóa khơng khí, nhóm đề xuất chọn hệ số ER = 0.3 – 0.4 để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi nhiệt bên cạnh cịn đảm bảo hiệu suất chuyển hóa carbon cao Việc cung cấp nước vào q trình khí hóa thúc đẩy phản ứng Water gas shift theo chiều thuận làm tăng nồng độ H2 syngas, qua kết mô cho thấy việc thêm nước vào lị hóa khí chưa cho hiệu mặt chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí Tuy nhiên, giàu có H2 syngas điểm mạnh việc tiếp thêm nước vào trình hóa khí hướng tới việc tạo nhiều hydrogen, tương lai mạnh sản xuất nhiên liệu Để thu hiệu việc lấy khí H2, nhóm đề xuất thơng số vận hành q trình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí kết hợp nước ER = 0.2 SBR = 0.6 để đảm bảo tính kinh tế hiệu Bảng 5.1 Thành phần thể tích syngas hệ số ER khoảng 0.3 đến 0.4 ER CO (%) 0.3 0.35 0.4 22.24 19.59 17 CO2 (%) H2 (%) H2 O (%) 5.98 16.16 7.01 6.53 11.98 9.46 7.3 8.69 11.27 CH4 (%) N2 (%) 48.61 52.44 55.74 LHV (MJ/Nm3) Nhiệt độ hóa khí (oC) Hiệu suất (%) 4.546 3.761 3.08 994 1183 1342 77.85 69.59 61.28 81 Bảng 5.2 Thành phần syngas hệ số ER=0.2 SBR = 0.6 ER CO (%) CO2 (%) H2 (%) 0.2 7.05 15.74 26.5 H2 O (%) CH4 (%) 20.56 1.86 N2 (%) LHV (MJ/N m3) Nhiệt độ hóa khí (oC) Hiệu suất (%) 28.29 4.41 604 86.61 82 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Công nghệ hóa khí cơng nghệ có nhiều tiềm việc tạo khí đốt cho trình sản xuất nhiệt, điện Bên cạnh đó, sử dụng nhiên liệu viên nén RDF giải pháp góp phần tận dụng tối đa nguồn chất thải rắn để tạo lượng, giúp giải tình trạng rác thải ngày nhiều Phần mềm Aspen Plus công cụ hữu ích mơ q trình hóa khí, giúp đánh giá chất lượng syngas, góp phần tối ưu thiết kế lị hóa khí Thơng qua thực đồ án, nhóm chúng em tìm hiểu chế hóa khí mơ hình tốn cho q trình hóa khí đồng thời xây dựng mơ hình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí, khơng khí kết hợp nước phần mềm Aspen Plus Các kết mô cho thấy thay đổi thành phần khí syngas, nhiệt trị syngas theo giá trị Hệ số đương lượng khơng khí (ER), Hệ số đượng lượng nước (SBR) nhiệt độ gia nhiệt cho khơng khí cấp khác để điều kiện vận hành tốt cho lị hóa khí Nhóm đưa đánh giá sau: Để thu hiệu việc lấy khí H2, nhóm đề xuất thơng số vận hành q trình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí kết hợp nước ER = 0.2 SBR = 0.6 để đảm bảo tính kinh tế hiệu Để lựa chọn thơng số vận hành lị hóa khí thơng số để thiết kế lị hóa khí viên nén RDF với tác nhân khí hóa khơng khí, nhóm đề xuất chọn hệ số ER = 0.3 – 0.4 để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi nhiệt bên cạnh cịn đảm bảo hiệu suất chuyển hóa carbon cao 6.2 Kiến nghị Sau hồn thành mơ phỏng, nhóm chúng em có số kiến nghị sau: - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hóa khí viên nén RDF để kiểm nghiệm tính xác mơ hình Gibbs hóa khí - Mơ hình toán học sử dụng đồ án dựa phương pháp tối ưu hóa lượng Gibbs dựa vào cân pha cân hóa học Kiến nghị áp dụng 83 mơ hình động học hóa học để đánh giá điểm khác mơ hình tính xác mơ hình - Xây dựng mơ hình CFD hóa khí viên nén để biết trình diễn bên lị hóa khí 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Patra, T K., & Sheth, P N (2015) Biomass gasification models for downdraft Gasifier: A state-of-the-art review Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 583593 [2] Atikah, M S N., & Harun, R (2019) Simulation and optimization of Chlorella vulgaris gasification using Aspen Plus Process Integration and Optimization for Sustainability, 3(3), 349-357 [3] Pilar González-Vázquez, M., Rubiera, F., Pevida, C., Pio, D T., & Tarelho, L A (2021) Thermodynamic Analysis of Biomass Gasification Using Aspen Plus: Comparison of Stoichiometric and Non-Stoichiometric Models Energies, 14(1), 189 [4] Bùi Trung Thành cộng (2012) Nghiên cứu tính tốn thiết kế buồng đốt trấu hóa khí quy mơ nhỏ sử dụng cho hộ gia đình nơng thơn, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, tập 7, tr 3544 [5] LE, Q M., TRAN, T N., PHAM, V V., NGUYEN, K N., TRAN, V T., LE, P T K., & LE, K A (2017, December) Process Simulation of Rice Husk Gasitication in Updraft Gasifier Using Aspen Plus In The 3rd ASEAN Smart Grid Congress The 5th International Conference on Sustainable Energy (p 36) [6] Chiến, L C., Tâm, N T., & Huy, T Q (2018) Nghiên cứu đánh giá khả khí hóa chất thải rắn sinh hoạt làm nhiên liệu thay Bản B Tạp Chí Khoa học Và Cơng nghệ Việt Nam, 60(6) [7] Jared P.Ciferno & John J.Marano (2002) Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels Chemicals and Hydrogen Production [8] Basu, P (2010) Biomass gasification and pyrolysis: practical design and theory Academic press [9] Bộ Tài nguyên Môi trường(2019), Nghị định 09/VBHN-BTNMT ngày 25/10/2019 ban hành Về quản lí chất thải phế liệu [10] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2012, Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất thải rắn [11] Nguyễn Văn Phước (2008), Giáo trình Quản lý xử lý Chất thải rắn, Hà Nội, NXB Xây dựng [12] Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2020, Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019, Chuyên đề Quản lý chất thải rắn sinh hoạt [13] Bosmans, A., Vanderreydt, I., Geysen, D., & Helsen, L (2013) The crucial role of Waste-to-Energy technologies in enhanced landfill mining: a technology review Journal of Cleaner Production, 55, 10-23 [14] Lê Đức Trung (2014) Kỹ thuật xử lý chất thải cơng nghiệp chất thải nguy hại, TP Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia TP HCM 85 [15] Nguyễn Văn Mạnh (2009) Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy ép viên phụ phế liệu nông nghiệp rác thải thải để làm phân bón, Mã số: 255-08RD/HĐ-KHCN [16] Scheithauer, M., Soliz, P E M., Lee, R P., Keller, F., Meyer, B., Bui, X N., & Huong, T T T (2021) Assessment of Feasible and Effective Technologies for the Chemical Utilization of Domestic Coal for Value-Added Production in Vietnam In Proceedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining (pp 364-384) Springer, Cham [17] http://www.fledged.eu/nhiên liệu-to-dme-process/gasification-2/ [18] Gil, J., Corella, J., Aznar, M P., & Caballero, M A (1999) Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: effect of the type of gasifying agent on the product distribution Biomass and bioenergy, 17(5), 389-403 [19] Kirsanovs, V., & Žandeckis, A (2015) Investigation of fuel effect on biomass gasification process using equilibrium model Agronomy research, 13(2), 500-510 [20] Duman, G., Uddin, M A., & Yanik, J (2014) The effect of char properties on gasification reactivity Fuel processing technology, 118, 75-81 [21] Guo, B., Shen, Y., Li, D., & Zhao, F (1997) Modelling coal gasification with a hybrid neural network Fuel, 76(12), 1159-1164 [22] Baruah, D., & Baruah, D C (2014) Modeling of biomass gasification: A review Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, 806-815 [23] Moukalled, F., Mangani, L., & Darwish, M (2016) The finite volume method in computational fluid dynamics (Vol 113, pp 10-1007) Berlin, Germany:: Springer [24] Tech, A (2001) Aspen physical property system 11.1 Aspen Technology, Inc., Cambridge, MA, USA [25] Aspen Tech, Getting Started Modeling Processes with Solids , Version Number: V8.4, November 2013 [26] Li, Y., Zou, K., Yang, T., Li, R., & Chi, Y (2013) Combustible solid waste gasification gas characteristics simulation based on Aspen plus Journal of Renewable and Sustainable Energy, 5(5), 053113 [27] Do, T M., & Sharma, D (2011) Vietnam's energy sector: A review of current energy policies and strategies Energy Policy, 39(10), 5770-5777 [28] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017, Báo cáo môi trường quốc gia năm 2017 – Quản lí Chất thải rắn [29] Patil, K., Bhoi, P., Huhnke, R., & Bellmer, D (2011) Biomass downdraft gasifier with internal cyclonic combustion chamber: design, construction, and experimental results Bioresource technology, 102(10), 6286-6290 [30] Rowland, S (2010) Design and testing of a small-scale updraft gasifier for gasification of eastern redcedar Oklahoma State University 86 [31] Nguyễn Tô Hạc (2015) Nghiên cứu phát triển lị đốt cơng nghiệp sử dụng nhiên liệu sinh khối (trấu) phục vụ nung gạch (Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh) [32] Jayathilake, R., & Rudra, S (2017) Numerical and experimental investigation of Equivalence Ratio (ER) and feedstock particle size on birchwood gasification Energies, 10(8), 1232 [33] Khezri, R., Wan Ab Karim Ghani, W A., Awang Biak, D R., Yunus, R., & Silas, K (2019) Experimental evaluation of napier grass gasification in an autothermal bubbling fluidized bed reactor Energies, 12(8), 1517 [34] Doherty, W., Reynolds, A., & Kennedy, D (2009) The effect of air preheating in a biomass CFB gasifier using ASPEN Plus simulation Biomass and bioenergy, 33(9), 11581167 [35] Li, X., Grace, J R., Watkinson, A P., Lim, C J., & Ergüdenler, A (2001) Equilibrium modeling of gasification: a free energy minimization approach and its application to a circulating fluidized bed coal gasifier Fuel, 80(2), 195-207 [36] Nikoo, M B., & Mahinpey, N (2008) Simulation of biomass gasification in fluidized bed reactor using ASPEN PLUS Biomass and bioenergy, 32(12), 1245-1254 [37] Aspen Plus IGCC Model [Internet] Aspen Technology, Inc 2008 [38] Zhai, R., Yang, Y., Duan, L., & Yan, Q (2009) Modelling and simulating of GTCC system with CO2 removal plant using Aspen Plus International Journal of Modelling, Identification and Control, 7(4), 365-370 [39] Kerdsuwan, S., Meenaroch, P., & Chalermcharoenrat, T (2016) The Novel Design and Manufacturing Technology of Densified RDF from Reclaimed Landfill without a Mixing Binding Agent Using a Hydraulic Hot Pressing Machine In MATEC Web of Conferences (Vol 70, p 11003) EDP Sciences [40] Công ty TNHH Phúc Trường Hải 87 S K L 0