T H Â N N G Ọ C T R U N G K Ỹ T H U Ậ T H Ó A H Ọ C K H Ó A B 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Thân Ngọc Trung NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG CHO QU[.]
THÂN NGỌC TRUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Thân Ngọc Trung NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG CHO Q TRÌNH KHÍ HĨA CÁC LOẠI VẬT LIỆU SINH KHỐI TRONG THIẾT BỊ KHÍ HĨA TẦNG SƠI KỸ THUẬT HĨA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC KHÓA 2011B Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131859241000000 Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi MỤC LỤC MỤC LỤC I LỜI CAM ĐOAN .III LỜI CẢM ƠN IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU V DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Q TRÌNH KHÍ HÓA CHƯƠNG CÁC QUÁ TRÌNH CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI CHƯƠNG KHÁI QT VỀ CÁC DẠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI KHÍ HĨA 16 3.1 Mơ hình hệ thống q trình (PSM) .16 3.2 Tính tốn thủy động lực học dịng chảy (CFD) 18 3.3 Mục tiêu nghiên cứu .19 PHẦN II MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 20 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG CHO LỚP TẦNG SÔI 20 CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG 22 5.1 Nhiệt phân 23 5.2 Phản ứng Than-khí 28 5.3 Phản ứng pha khí 29 5.4 Quy trình tính tốn 31 I Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi CHƯƠNG CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI TRONG HỆ THỐNG DFB 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 7.1 So sánh kết mơ hình với liệu thí nghiệm 38 7.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tỷ lệ nước 41 7.3 Điều kiện hoạt động hiệu khí tổng hợp cho phát điện 53 CHƯƠNG KẾT LUẬN .56 PHẦN TỔNG KẾT VÀ KẾT LUẬN CỦA NGHIÊN CỨU 58 3.1 KẾT LUẬN 58 3.2 HẠN CHẾ VÀ ĐỊNH HƯỚNG CHO NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 II Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi” hồn thành hướng dẫn TS Nguyễn Đặng Bình Thành – Bộ mơn Máy Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất – Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan, luận văn không chép nội dung từ luận văn thạc sỹ luận án tiến sỹ khác Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2013 Người viết Thân Ngọc Trung III Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Đặng Bình Thành, Bộ mơn Máy Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất tận tình hướng dẫn chun mơn, phương pháp nghiên cứu tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình thực đề tài Xin gửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học thầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nội dung học tập thực đề tài thuận lợi Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, bạn lớp Cao học Kỹ thuật Hóa học 2011 - 2012 giúp đỡ động viên thời gian học tập trình làm luận văn Hà Nội, ngày 26 tháng năm 2013 IV Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Latin cp kJ/kmol-K Nhiệt dung riêng mol phân tử Cp kJ/kg-K Nhiệt dung riêng E non 1/K Hệ số không cân nhiệt động học ∆GT0 kJ/kmol Năng lượng tự Gibbs tiêu chuẩn Hbiomass kg/hr Nhiệt thay đổi sinh khối điều kiện đầu vào Hchar kg/hr Nhiệt thay đổi than chưa phản ứng đầu khí hóa Hdemand kJ/hr Lượng nhiệt cần thiết Hg,in kJ/hr Lượng nhiệt vào lị khí hóa Hg,out kJ/hr Lượng nhiệt khỏi lị khí hóa Hloss kJ/hr Nhiệt thất ngồi mơi trường Hsteam kJ/hr Lượng nhiệt thay đổi nước ∆H 0f kJ/kmol Enthalpy điều kiện chuẩn ΔH C MJ/hr Lượng nhiệt đốt cháy khí sản phẩm K - Hằng số cân nhiệt động học K* - Hằng số cân hiệu chỉnh LHV biomass kJ/kg Giá trị nhiệt trị thấp sinh khối LHV product MJ/Nm3 Giá trị nhiệt trị thấp khí sản phẩm LHV char kJ/kg Giá trị nhiệt trị thấp than n kmol/hr Lưu lượng mol Qbomass kg/hr Lưu lượng sinh khối vào V Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi QC kg/hr Lượng carbon sinh khối Qchar kg/hr Lượng carbon chưa phản ứng QC,convert kg/hr Lượng carbon chuyển hóa sang khí sản phẩm QC,fixed kg/hr Lượng carbon cố định sinh khối Qproduct Nm3/hr Lưu lượng khí sản phẩm r add kg/kg Tỷ lệ bổ sung sinh khối r cir kg/kg Tỷ lệ hạt rắn (cát) tuần hoàn R kJ/kmol-K Hằng số khí T K Nhiệt độ khí hóa T riser K Nhiệt độ lò đốt UC kg/MJ Hệ số giá đơn vị V yield Nm 3/kg- Sản lượng khí sản phẩm biomass x - Thành phần khối lượng y - Thành phần mol γ kg/kg Tỷ lệ nước sinh khối ε kmol Hệ số cấu tử phản ứng κ - Hệ số không cân ηe - Hệ số thu hồi nhiệt ϕ - Tỷ lệ thành phần φC - Độ chuyển hóa carbon Kí kiệu Hy Lạp VI Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi φ char - Than dư ν - Số tỷ lượng i - Chỉ số cấu tử j - Chỉ số phản ứng Subscripts VII Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 5.1 Thành phần khí nhiệt phân (% thể tích) [21]……………………………………… Bảng 5.2 Tỉ lệ CO CH tạo thành (ϕ CO 25 26 ϕ CH )……………………………………… Bảng 7.1 Thành phần hóa học sinh khối thân họ đậu điều kiện tiến hành thí nghiệm ………………………………………………………………………………………………… 39 Bảng 7.2 Thành phần hóa học gỗ thơng………………………………………………………… 41 Bảng 7.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm thông số nghiên cứu …………… 42 Bảng 7.4 Đánh giá điều kiện làm việc mơ hình khí hóa gỗ thơng yếu tố nước cho thiết bị khí hóa kiểu tầng sơi tổ hợp (DFB) với công suất 1.8 MW ba điểm làm việc đáng lưu ý Hình 7.14 ………………………………… VIII 47 Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Độ tăng mức độ tiêu thụ lượng tồn cầu (2001-2005) [3]…… Hình 1.2 Cơng nghệ khí hóa ứng dụng sản phẩm khí tổng hợp………… Hình 2.1 Phân loại kiểu khí hóa …………………………………………………………………… Hình 2.2 Các giai đoạn thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng lên (updraft) [12]…………………………………………………………………………………………………… Hình2.3 Thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW) [12]…………………………………………………………………………………………………………………………… Hình 2.4 Thiết bị khí hóa tầng sơi tuần hồn [12] …………………………………………… Hình 2.5 Thiết bị khí hóa tầng sôi kiểu tổ hợp (CFB BFB) [11, 14]……… Hình 2.6 Thiết bị khí hóa tầng sơi ghép đơi…………………………………………………… 11 Hình 2.7 Minh họa q trình khí hóa thiết bị DFB[59]………………………… 12 Hình 2.8 Sự hạt lị khí hóa dịng lơi cuốn…………………………………… 13 Hình 2.9 Hai kiểu lị khí hóa dịng lơi [12]………………………… 14 Hình 2.10 Một thiết bị khí hóa dịng theo kiểu top-fed downflow [12] 15 Hình 4.1 Nguyên tắc xây dựng mơ hình thiết bị tầng sơi tổ hợp dùng cho khí hóa than……………………………………………………………………………………………………… 20 Hình 5.1 Cấu trúc mơ hình giả cân ba giai đoạn cho khí hóa sinh khối.……………………………………… ………………………………………………………………………………… 22 Hình 5.2 Thành phần tỷ lệ CO CH (ϕ CO ϕ CH) nhiệt độ khác nhau: (a) ϕCO nhiệt độ thay đổi; (b) ϕ CH nhiệt độ thay đổi.……… Hình 5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ khí hóa (T) tới số cân (K) IX 27