Nghiên cứu thiết kế hệ thống hóa khí than phục vụ thí nghiệm
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 159 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA KHÍ THAN PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM THE RESEARCH OF DESIGNING COAL GASIFICATION SYSTEM FOR EXPERIMENTS SVTH: Trần Việt Hưng, Nguyễn Văn Đức Lớp 05N1, Khoa CN Nhiệt Điện Lạnh, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS.Trần Thanh Sơn Khoa CN Nhiệt Điện Lạnh, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Việc sử dụng than ở nước ta chưa được hiệu quả và gây ô nhiểm môi trường. Hóa khi than là một phương pháp giúp sử dụng than hiệu quả hơn và giảm thiểu tối đa ô nhiểm môi trường. Mục đích của bài báo này là thiết kế một thiết bị hóa khí để thí nghiệm. Nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu sử dụng than sau này ABSTRACT Using coal in our coutry lacks of effect and influences environment badly. Coal gasification is a method which helps us using coal much more effective and reducing pollution. The aim of this report is design a device which gasifies coal in laboratory, furthermore. It help us research of using coal in future. 1. Đặt vấn đề Năng lượng và môi trường trong thế kỷ XXI đang là vấn đề cấp bách hàng đầu do nhu cầu khai thác và sử dụng nhiên liệu cùng với phát khí thải gia tăng chóng mặt, các nguồn năng lượng mới như: Gió, mặt trời, địa nhiệt… đã được nghiên cứu chế tạo nhưng hiệu suất thấp, chi phí lớn nên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu hiện nay, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch: Than đá với trữ lượng rất lớn… là một giải pháp thay thế hiệu quả. Tuy nhiên việc sử dụng nguồn tài nguyên này sao cho hợp lý là vấn đề được đặt ra. Hóa khí than là phương pháp chuyển than đá thành khí đốt chứa ít chất độc hại hoặc dùng làm tổng hợp hóa chất, phân bón, giảm thiểu khí thải độc hại ra môi trường gây hiệu ứng nhà kính và là một giải pháp tiết kiệm hiệu quả cho các doanh nghiệp. 2. Nội dung 2.1. Các kiểu khí hóa than 2.1.1. Hóa khí than tầng cố định Lò hóa khí kiểu này chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng này kế tiếp vùng kìa. Tác nhân khí hóa có thể đi cùng chiều, ngược chiều với sản phẩm khí sinh ra hoặc có thể đi liên hợp. Kiểu hóa khí than này có thể sự dụng được tất cả nhiên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng đến chất lượng khí than. Phương pháp hóa khí than tầng cố định cho phép sản xuất khí than có chứa nhiều hydrocacbon nên sản phẩm khí có nhiệt cháy cao rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 160 2.1.2. Hóa khí than kiểu tầng sơi Than cám và than bụi có kích thước khá nhỏ đường kính từ 0 . Ở kiểu hóa khí này gió đi cùng với nhiên liệu theo một hướng ở đáy lò. Nhiên liệu sơi lơ lửng bên trong lò, tại đây cùng với nhiệt độ và áp suất thích hợp các khí đốt được tạo ra. 2.1.3. Hóa khí than kiểu lơi cuốn Khi than cám có kích thước rất nhỏ đường kính từ 0 pháp hóa khí than kiểu dòng lơi cuốn. Phương pháp hóa khí này ở nhiệt độ cao đạt hiệu suất nhận khí tổng hợp cao do lúc đó tất cả các chất hữu cơ của than chuyển hóa thành CO2, CO, H2, H2O. Vì vậy khi làm lạnh khí khơng cần có cơng đoạn tách các chất nhựa than, dầu, bezen, phenol…Nhờ đó q trình làm sạch đơn giản. 2.2. 2.2.1. Cấu tạo của lò hóa khí thực nghiệm Lò hóa khí tầng cố định kiểu ngược chiều, chiều cao tổng thể của lò là 982mm, đường kính trong của lò là 200mm, đường kính ngồi tổng thể là 532mm, chiều cao của vùng đặt than là 600mm. Các bộ phận chính của lò là 01 lớp bơng thủy tinh, 02 quạt cấp gió, 03 xiclon, 4 áo khí, các cửa đo nhiệt độ và áp suất, 06 nắp lò, 07 ghi lò, 08 cửa thải xỉ (xem hình 1). 1 5 4 3 6 7 8 2 TT Chụ Thêch 1 2 3 4 5 6 7 8 Låïp bäng thy tinh Quảt giọ cao ạp Xyclon Låïp ạo khê ÄÚng tên hiãûu nhiãût âäü Nàõp l Ghi l Cỉía thi xè Hình 1: Cấu tạo Lò hóa khí tầng cố định kiểu ngược chiều 2.3. Quy trình thực nghiệm hóa khí than . 2.3.1. Chuẩn bị than . Ta chọn than cục có đường kính trung bình 25mm và lượng than cho 1 mẻ là 6 kg. 2.3.2. Chuẩn bị hóa khí Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 161 : Không khí tự nhiên, không khí đã được gia nhiệt, ôxy công nghiệp, hỗn hợp hơi nước và không khí đã gia nhiệt, hỗn hợp hơi nước và ôxy công nghiệp. Để mồi , ta sắp ở trên ghi 1 lớp củi mỏng và s . Khi mồi cháy than, nắp lò được mở để thoáng khí và quạt gió bật. . hí hóa sau khi ra khỏi xyclon được đốt trực tiếp ngay nhằm tránh gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe tới người xung quanh. 3. Kết quả thực nghiệm 3.1. Thành phần của khí than khô Bảng 1: Thành phần của khí than khô Than Thành phần khí, %V Nhiệt cháy, kcal/N.m 3 CO H 2 CH 4 CO 2 N 2 Than cốc 32,2 0,5 - 1,5 65,8 996 Than nâu 29,0 4,0 2,0 5,0 60,0 1159 3.2. Thành phần của khí than ướt Bảng 2: Thành phần khí than ướt từ than antraxit Thành phần CO 2 H 2 S CO H 2 O 2 N 2 Q thấp, kcal/m 3 %V 6,5 0,3 37 50 0,2 6 2490 Đặc trưng cho điều kiện nhiệt độ của lò là cường độ thổi không khí và hơi nước trên toàn bộ tiết diện ngang của lò. Trong các lò sản xuất khí than ướt gián đoạn, vận tốc không khí thổi vào hợp lý nhất khi khí hóa than antraxit thường là 0,7 0,8 m/s, khi dùng than cốc cao cấp thường là 1,5 m/s. Vận tốc hơi nước thường là 0,2 0,25 m/s, có khi tới 0,3 m/s. Các phản ứng phân huỷ hơi nước là phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ của các lớp than trong lò ngày càng giảm đi và do đó mức độ phân huỷ hơi nước giảm xuống rất nhanh, phẩm chất khí ngày càng xấu đi. Sự thay đổi này có thể thấy rõ trong bảng 3. Bảng 3: Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh. Các cấu tử Thành phần trong khí than ướt (%V) sau khi bắt đầu thổi gió lạnh được: 2 phút 4 phút 6 phút CO 2 3,0 5,3 8,5 CO 45,6 39,5 34,2 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 162 H 2 45,0 51,2 53 CH 4 0,1 0,1 0,1 O 2 0,4 0,3 0,1 N 2 5,9 3,6 4,1 Bảng 4: Thành phần khí than khi nồng độ ôxy trong gió khô thay đổi Thành phần khí, % thể tích Nồng độ oxy trong gió khô, % 20 30 50 70 CO 2 6 13,2 15,4 17,4 CO 26 18,8 34,0 35,2 H 2 13 23,9 31,7 37,5 CH 4 0,5 0,5 0,5 0,5 N 2 54,5 33,6 18,4 9,4 Q thấp 1160 1540 1900 2080 Bảng 4 cho thấy khi tăng nồng độ oxy trong gió thì nồng độ CO 2 , H 2 và CO trong khí sản phẩm tăng, nồng độ N 2 giảm, nhiệt cháy tăng. Do khống chế được tỷ lệ O 2 , N 2 , H 2 O trong gió nên có thể điều chỉnh được nhiệt độ lò khí hóa theo ý muốn. Phương pháp này cho phép dùng các loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro khác nhau, đồng thời cho phép dùng cả các loại than có độ biến tính thấp, cường độ khí hóa tương đối cao. Sản phẩm khí than ướt sản xuất bằng phương pháp này có thể dùng để tổng hợp NH 3 , CH 3 OH, dùng để đốt các lò công nghiệp, hoặc để làm khí đốt dân dụng. 4. Kết luận Kết quả thu được là một nguồn nhiên liệu khí sạch bụi với . Khí sản phẩm đốt cháy có nhiệt trị cao, hiệu suất sinh khí tương đối lớn, thiết bị vận hành đơn giản, ổn định và an toàn, có thể đạt được khí sản phẩm có chất lượng khí khác nhau theo ý muốn. Kết quả này sẽ tạo tiền đề cho quá trình nghiên cứu mục đích sử dụng khí hóa sau này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999). Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội. [2] Nguyễn Sĩ Mão (1999). Lý Thuyết Và Thiết Bị Cháy, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội. [3] Trương Duy Nghĩa, Nguyễn Sĩ Mão (1974). Thiết Bị Lò Hơi, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 163 [4] PGS.TS Bùi Hải – PGS.TS Trần Thế Sơn (2001). Bài Tập Truyền Nhiệt – Nhiệt Động Và Kĩ Thuật Lạnh, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội [5] PGS.TS Đặng Quốc Phú, PGS.TS Trần Thế Sơn, PGS.TS Trần Văn Phú (1999). Truyền Nhiệt, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Đinh Văn Huỳnh, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Văn Thơm, Phạm Xuân Toàn, Trần Xoa (1999). Sổ Tay Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Chất – Tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội. [7] Nguyễn Thanh Quang (ĐHBK – Đà Nẵng) – Đặng Thế Hùng (Công ty TNHH Trường Quang II). “Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Thống Hóa Khí Than Tầng Cố Định Ngược Chiều”. Tạp Chí Khoa Học Và Công Nghệ Nhiệt Số 77 [8] Gasification Technology- Technical Issues in the Design of Gasifiers-1999 . Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 159 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA KHÍ THAN PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM THE RESEARCH. trường. Mục đích của bài báo này là thiết kế một thiết bị hóa khí để thí nghiệm. Nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu sử dụng than sau này ABSTRACT Using coal