Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi

Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

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 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 H biomass kg/hr Nhiệt thay đổi sinh khối điều kiện đầu vào H char kg/hr Nhiệt thay đổi than chưa phản ứng đầu khí hóa H demand kJ/hr Lượng nhiệt cần thiết H g,in kJ/hr Lượng nhiệt vào lị khí hóa H g,out kJ/hr Lượng nhiệt khỏi lị khí hóa H loss kJ/hr Nhiệt thất ngồi mơi trường H steam 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 Q bomass kg/hr Lưu lượng sinh khối vào V Nghiên cứu xây dựng mô 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 Q char kg/hr Lượng carbon chưa phản ứng Q C,convert kg/hr Lượng carbon chuyển hóa sang khí sản phẩm Q C,fixed kg/hr Lượng carbon cố định sinh khối Q product 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 Nm3/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 sôi φ char - Than dư ν - Số tỷ lượng i - Chỉ số cấu tử j - Chỉ số phản ứng Subscripts VII Nghiên cứu xây dựng mô 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 thông yếu tố nước cho thiết bị khí hóa kiểu tầng sơi tổ hợp (DFB) với cơng 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 sơi 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 Ngun 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) ϕ CO 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 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 sôi 55 0.15 rcir radd 0.1 45 0.05 r r cir add (kg/kg) (kg/kg) 50 40 0.2 0.4 0.6 γ (k g/k g) 0.8 1.2 Hình 7.10 Ảnh hưởng γ lên tỷ lệ tuần hoàn rắn (r cir ) lượng nhiên liệu thêm vào (r add ) T = 780 oC Kết mô Hình 7.10 nhiệt độ 780oC, nhiệt sinh từ trình đốt cháy lượng than chưa chuyển hóa vừa đủ để cấp nhiệt cho q trình khí hóa thệ thống DFB tỷ lệ nước/nguyên liệu γ = 0,3 Khi γ lớn 0,3, cần phải bổ sung thêm nguyên liệu phụ trợ để cung cấp nhiệt cần thiết cho phản ứng thu nhiệt Murakami cộng [40] việc bổ sung nhiên liệu phụ trợ cần thiết sử dụng lượng nước cấp lớn 52 Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi 0.85 16 15 0.8 14 0.775 13 product 0.825 (MJ/Nm3) LHVproduct LHV ηe (-) ηe 0.75 0.2 0.4 0.6 γ (k g/k g) 0.8 1.2 12 Hình 7.11 Ảnh hưởng γ lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e ) nhiệt trị thấp khí sản phẩm (LHV product ) T = 780 oC Ảnh hưởng γ lên hiệu suất chuyển hóa nhiệt (η e ) nhiệt trị khí tổng hợp (LHV product ) biểu thị Hình 7.11 η e tăng tăng γ, đồng thời sản lượng khí tổng hợp tăng lên [6] (xem Hình 7.8) Tuy nhiên, hiệu suất chuyển hóa nhiệt có chiều hướng giảm xuống γ ≥ 0,3 lượng nguyên liệu bổ sung không trực tiếp tạo thành sản phẩm khí tổng hợp Ở η e đạt giá trị lớn 82%tại điều kiện làm việc: T = 780oC γ = 0,3 7.3 Điều kiện hoạt động hiệu khí tổng hợp cho phát điện Ảnh hưởng hai thông số công nghệ (T γ) đến hiệu thiết bị khí hóa DFB trình bày phân tích sở khai thác mơ hình TSM Tuy nhiên, việc tìm điều kiện hoạt động tối ưu cho hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong nghiên cứu này, điều kiện hoạt động hiệu cho thiết bị khí hóa vật liệu sinh khối DFB nhà máy điện với công suất 1,8 MW phân tích 53 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 sôi đánh giá dựa tiêu chuẩn sau: (1) tỷ lệ lưu hành rắn (rcir), (2) hiệu suất chuyển hóa nhiệt (ηe), (3) tỷ lệ nhiên liệu bổ sung (radd ), (4) chi phí đơn vị (UC) Theo nghiên cứu công bố [47,49,50,59,62], thực tế vận hành hệ thống tỷ lệ tuần hoàn vật liệu trao đổi nhiệt thường nhỏ 50 Đối với hiệu suất chuyển hóa nhiệt (η e ) nên cao tốt để tăng hiệu chuyển hóa nhiệt Ngược lại, lượng nhiên liệu bổ sung (r add ) chi phí đơn vị (UC) cần phải kiểm soát mức thấp tốt để giảm chi phí cho q trình Hình 7.7 mơ tả biến thiên r cir , η e , r add , UC theo hai thông số công nghệ T γ Nhận thấy rằng, r cir r add tăng lên tăng nhiệt độ lượng nước cấp (T γ) Độ chuyển hóa nhiệt (η e ) tăng lên khi tăng nhiệt độ phản ứng, đại lượng thay đổi nhỏ tăng γ Theo mơ tả Hình 7.7, chi phí đơn vị (UC) giảm khí tăng T γ nhiệt đốt cháy khí sản phẩm (∆H C ) tăng lên (xem Phương trình (40)) Để có khả thu hồi nhiệt cao, chi phí cho trình khí hóa thấp, khả chuyển động ổn định lớp vật liệu trao đổi nhiệt [59], bốn tiêu chí giới hạn sau: r cir ≤ 50 ± 0,5%, η e ≥ 0,8 ± 0,05%, r add UC thấp tốt Ứng với điều kiện đặt cho bốn tiêu chí, điều kiện làm việc cần xem xét biểu thị điểm A, B, C đồ thị Hình 7.7 Tại điểm A hai thông sô công nghệ T = 758oC γ = 0,9 (kg/kg) Ở điều kiện chi phí đơn vị UC tối thiểu tỷ lệ tuần hoàn lớp vật liệu trao đổi nhiệt r cir lớn Có thể thấy hai tiêu chi phí đơn vị tỷ lệ tuần hồn lớp vậ liệu trao đổi nhiệt có mâu thuẫn với Bởi điểm A lượng nước tương đối cao (γ= 0.9), tỷ lệ nhiên liệu bổ sung (r add = 0.07) xem cao khả hồi nhiệt (η e = 0,8) thấp Cũng ứng r cir = 50, điều kiện làm việc mô tả điểm B ứng với hai thơng số cơng nghệ T = 779 o C γ = 0,24 (kg/kg) Ở điều kiện khả thu hồi nhiệt (η e = 0,815) lớn ứng với r cir ≤ 50 54 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 chi phí đơn vị (UC = 240 kg/MJ) lại tăng cao so với điều kiện làm việc mô tả điểm A Vì tỷ lệ nhiên liệu bổ sung ln có xu hướng chống lại tăng lên độ chuyển hóa nhiệt (Eq (39)) Khi lượng nhiên liêu bổ sung coi không đáng kể (r add = 0.001) giảm tỷ lệ tuần hoàn vật liệu trao đổi nhiệt xuống 45, điều kiện làm việc cần quan tâm thứ ba mơ tả điểm C có thơng số cơng nghệ T = 7500C γ = 0,48 (kg/kg) Ứng với điều kiện làm việc khả thu hồi nhiệt tương đối thấp chi phí đơn vị cao nhiệt độ khí hóa thấp Bảng 7.4 tóm tắt thơng số cơng nghệ giá trị tiêu chí đánh giá hiệu q trình khí hóa 1,8 MW thiết bị khí hóa DFB ba điểm A, B, C nói 55 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 KẾT LUẬN Mơ hình ba giai đoạn ổn định (TSM) phát triển để tính tốn sản phẩm khí, độ chuyển hóa carbon, lượng nhiệt cần thiết, hiệu suất thu hồi nhiệt, giá thành đơn vị hàm nhiệt độ khí hóa tỷ lệ nước nguyên liệu vào thiết bị khí hóa sinh khối kiểu tầng sơi tổ hợp Cả trình nhiệt phân hệ số khơng cân q trình kể đến mơ hình Kết mơ hình xem tương hợp so với số liệu thực nghiệm thành phần khí sản phẩm, áp dụng cho khoảng làm việc rộng thiết bị Sử dụng bốn phương trình hồi quy thực nghiệm, mơ hình TSM đưa kết đốn xác nhiều so với mơ hình cân đề suất trước Tuy nhiên, để tăng thêm độ xác cho đốn mơ hình, hệ số bốn phương trình thực nghiệm nên thiết lập dựa đặc tính loại vật liệu sinh khối cụ thể Ảnh hưởng nhiệt độ khí hóa tỷ lệ nước đến nguyên liệu đầu vào thơng số q trình khảo sát q trình khí hóa vật liệu vụn gỗ thơng Thơng qua mơ hình, kết luận rằng, thành phần khí sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào bước phân hủy nhiệt có lượng nhỏ carbon cố định biomass chuyển hóa sang sản phẩm khí thơng qua phản ứng khí hóa Hiệu suất chuyển hóa nhiệt (thu hồi nhiệt) tăng lên tăng nhiệt độ q trình Có tồn điểm cực đại đại lượng độ chuyển hóa nhiệt ứng với tỷ lệ nước nguyên liệu vào đến 1.2 độ biến thiên lượng nhiên liệu bổ sung lượng khí sản phẩm tạo thành ln có chiều hướng biên thiên ngược Tỷ lệ tuần hoàn rắn (lớp vật liệu trao đổi nhiệt) tăng lên tăng nhiệt độ tỷ lệ nước/nguyên liệu lượng vật liệu tăng khả cấp thêm nhiệt cho phản ứng hệ Giá thành đơn vị sản xuất (UC) giảm T γ tăng, khí tổng hợp sinh nhiều T γ tăng lên lượng nhiên liệu vào 56 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 Khi xem xét mục tiêu sản xuất khí tổng hợp cho dây chuyền sản xuất điện, ba điều kiện làm việc hiệu thiết bị đề suất dựa tiêu chí: tỷ lệ tuần hồn rắn (r cir ), hiệu suất thu hồi nhiệt, lượng nhiên liệu bổ sung (r add ), giá thành đơn vị sản xuất (UC) Với r cir =50, UC đạt giá trị nhỏ T = 758 oC γ = 0.9, hiệu suất thu hồi nhiệt đạt giá trị lớn T = 779oC γ = 0,24 Trong trường hợp khơng có nhiên liệu thêm vào (r add =0.0), lượng tuần hoàn rắn đạt giả trị nhỏ T = 750 oC and γ = 0.48 Hiệu suất thu hồi nhiệt đạt 80% cho ba điểm làm việc nói Trong nghiên cứu này, hiệu q trình khí hóa sinh khối thiết bị khí hóa DFB sử dụng nước làm tác nhân khí hóa khảo sát đánh giá vùng nhiệt độ 750oC ≤ T ≤ 800 oC kèm theo điều kiện lượng tuần hoàn rắn nhỏ 50 Dải nhiệt độ làm việc hiệu nằm khoảng khoảng 750oC ≤ T ≤ 780 oC, tương ứng với độ chuyển hóa carbon khoảng 70% lưu lượng khí sản phẩm khoảng 1,1 Nm3/kg Khi cần khống chế tỷ lệ tuần hoàn lớp vật liệu trao đổi nhiệt nhỏ, nhiệt độ khí hóa tăng lên cách sử dụng phương pháp khí hóa dùng hỗn hợp nước khơng khí Tuy nhiên hiệu suất thu hồi nhiệt bị giảm lượng nhiên liệu bị đốt cháy trực tiếp nhiều so với q trình khí hóa dùng đơn nước 57 Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi PHẦN TỔNG KẾT VÀ KẾT LUẬN CỦA NGHIÊN CỨU 3.1 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu, nhìn tổng quan tình hình sử dụng lượng dạng cơng nghệ khí hóa trình bày Từ số liệu cụ thể cho thấy việc khí hóa sinh khối Việt Nam có tiềm lớn việc thay nguồn nguyên liệu hóa thạch sử dụng than đá dầu mỏ Tiếp đến, nghiên cứu tổng kết dạng mơ hình tốn học ứng dụng việc mô hệ phản ứng chế thủy động lực học dòng chảy thiết bị khí hóa Với nhiều so sánh tính khả thi khả ứng dụng dạng mô hình thời điểm tại, nghiên cứu đến việc áp dụng mơ hình giả cân ba giai đoạn cho việc khí hóa sinh khối Mơ hình giả cân ba giai đoạn dạng mơ hình cân nhiệt động học có hiệu chỉnh thông số phản ứng thành phần cấu tử giai đoạn phân hủy nhiệt phương trình cân nhiệt động học, nhằm bù trừ cho khác biệt hệ cân nhiệt động học với thực tế Mơ hình chia làm ba giai đoạn chính: (1) giai đoạn nhiệt phân, (2) giai đoạn phản ứng khí-rắn, (3) giai đoạn phản ứng khí-khí Trong giai đoạn, mơ hình phụ trợ đưa thêm vào từ sở nghiên cứu gần cho vật liệu sinh khối Kết mô mơ hình cho thấy việc áp dụng hiệu chỉnh thông số phản ứng hệ cân nhiệt động học có sở đắn Từ việc áp dụng mơ hình giả cân ba giai đoạn, thông số công nhệ điều kiện làm việc q trình khí hóa vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa kiểu tầng sơi tổ hợp tiêu chuẩn (DFB) tính tốn, phân tích đánh giá Nghiên cứu vùng làm việc hiệu cho q trình khí hóa vật liệu vụn gỗ thơng 58 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 3.2 HẠN CHẾ VÀ ĐỊNH HƯỚNG CHO NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI Như đề cập nội dung luận văn, nghiên cứu hạn chế định như: - Chưa tính đến ảnh hưởng chế dịng chảy pha thiết bị tới sản phẩm khí cuối - Chưa đoán profile nhiệt độ thiết bị - Giai đoạn nhiệt phân sinh khối chưa mơ cặn kẽ, kết áp dụng cho vài loại sinh khối cụ thể - Chưa có nghiên cứu chế phản ứng phân hủy nhiệt giai đoạn mơ hình Nội dung nghiên cứu tương lai: - Kết hợp mơ hình giả cân ba giai đoạn với mơ hình nhiệt phân rõ chế phân hủy nhiệt phản ứng dị thể khác - Nghiên cứu nhiều dạng vật liệu sinh khối khác nhau, đến việc áp dụng mơ hình cho tất loại sinh khối thơng dụng nói chung - Tiến hành kết hợp mơ hình giả cân ba giai đoạn với mơ hình động lực học dịng chảy (CFD) nhằm giải toán ảnh hưởng cấu trúc thiết bị tới q trình khí hóa 59 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chemistry [cited April 2011]; Available from: http://webbok.nist.gov/chemistry/ http://tapchicongnghiep.vn/News/Intrang.aspx?Md=News&iSup=87 &iDta=1104 2004 bp in BP Statistical Review of World Energy 2006 http://vinamin.vn/modules.php?name=Content&op=details&mid=1279 2009 http://www.kh-sdh.udn.vn/zipfiles/03.tbDNL/03.11.r.hung-duc.pdf 2010 Ahmed, I and A.K Gupta, Evolution of syngas from cardboard gasification Applied Energy, 2009 86(9): p 1732-1740 Ahmed, I and A.K Gupta, Syngas yield during pyrolysis and steam gasification of paper Applied Energy, 2009 86(9): p 1813-1821 Al-Dawery, S.K., A.M Alrahawi, and K.M Al-Zobai, Dynamic modeling and control of plate heat exchanger International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012 55(23–24): p 6873-6880 Altafini and C., Prediction of the working parameters of a wood waste gasifier through an equilibrium model Energy Conversion and Management, 2003 44(17): p 2763-2777 10 Asadullah, M., et al., Gasification of different biomasses in a dual-bed gasifier system combined with novel catalysts with high energy efficiency Applied Catalysis A: General, 2004 267(1-2): p 95-102 11 Basu, P., Combustion and Gasification in Fluidized Beds 2006: CRC Press 12 Basu, P., Biomass gasification and pyrolysis : practical design and theory 2010, Burlington, MA: Academic Press ix, 365 p 13 Basu, P., Biomass gasification and pyrolysis : Practical design and theory 2010: Elsevier 364 14 Basu, P., Combustion and Gasification in Fluidized Beds, CRC Press 2006 60 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 sôi 15 Brown, D., T Fuchino, and F Maréchal, Solid fuel decomposition modelling for the design of biomass gasification systems, in Computer Aided Chemical Engineering, W Marquardt and C Pantelides, Editors 2006, Elsevier p 1661-1666 16 Buragohain, B., P Mahanta, and V.S Moholkar, Biomass gasification for decentralized power generation: The Indian perspective Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010 14(1): p 73-92 17 Buragohain, B., P Mahanta, and V.S Moholkar, Thermodynamic optimization of biomass gasification for decentralized power generation and Fischer-Tropsch synthesis Energy, 2010 35(6): p 2557-2579 18 Charpentier, J.C and T.F McKenna, Managing complex systems: some trends for the future of chemical and process engineering Chemical Engineering Science, 2004 59(8–9): p 1617-1640 19 Chen, Q., Z Zhai, and L Wang, Computer modeling of multiscale fluid flow and heat and mass transfer in engineered spaces Chemical Engineering Science, 2007 62(13): p 3580-3588 20 Corella, J and A Sanz, Modeling circulating fluidized bed biomass gasifiers A pseudo-rigorous model for stationary state Fuel Processing Technology, 2005 86(9): p 1021-1053 21 Fagbemi, L., L Khezami, and R Capart, Pyrolysis products from different biomasses: application to the thermal cracking of tar Applied Energy, 2001 69(4): p 293-306 22 Fiaschi, D and M Michelini, A two-phase one-dimensional biomass gasification kinetics model Biomass and Bioenergy, 2001 21(2): p 121-132 23 Franco, C., et al., The study of reactions influencing the biomass steam gasification process[small star, filled] Fuel, 2003 82(7): p 835-842 24 Franco, C., et al., The study of reactions influencing the biomass steam gasification process Fuel, 2003 82(7): p 835-842 61 Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân cho q trình khí hóa loại vật liệu sinh khối thiết bị khí hóa tầng sơi 25 Gao, N and A Li, Modeling and simulation of combined pyrolysis and reduction zone for a downdraft biomass gasifier Energy Conversion and Management, 2008 49(12): p 3483-3490 26 Goo, J.H., et al., Hydrodynamic Properties in a Cold-Model Dual FluidizedBed Gasifier, J Chem Eng Jpn 41 2008: p 686-690 27 Grossmann, I.E and A.W Westerberg, Research challenges in process systems engineering AICHE Journal, 2000 46(9): p 1700-1703 28 Guo, B., et al., Simulation of biomass gasification with a hybrid neural network model Bioresource Technology, 2001 76(2): p 77-83 29 Hangos, K.M and I.T Cameron, A formal representation of assumptions in process modelling Computers & Chemical Engineering, 2001 25(2–3): p 237-255 30 Hangos, K.M and I.T Cameron, Process modeling and model analysis Process Systems Engineering 2001, London: Springer 31 Hedlund, H and P Johansson, Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants Thermochimica Acta, 2000 349(1-2): p 79-88 32 Herguido, J., J Corella, and J Gonzalez-Saiz, Steam gasification of lignocellulosic residues in a fluidized bed at a small pilot scale Effect of the type of feedstock Industrial & Engineering Chemistry Research, 1992 31(5): p 1274-1282 33 Ho, K and R.D Pehlke, Simultaneous determination of thermal conductivity and specific heat for refractory materials Journal of the American Ceramic Society, 1990 73(8): p 2316-2322 34 Jarungthammachote, S and A Dutta, Thermodynamic equilibrium model and second law analysis of a downdraft waste gasifier Energy, 2007 32(9): p 1660-1669 62 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 35 Kaushal, P., T Proell, and H Hofbauer, Application of a detailed mathematical model to the gasifier unit of the dual fluidized bed gasification plant Biomass and Bioenergy, 2011 35(7): p 2491-2498 36 Le, N.H., Thiết kế thiết bị khí hóa than cơng suất nhiệt 10MW 2010 MH K52 37 Lim, Y., Y.-S Moon, and T.-W Kim, Artificial neural network approach for prediction of ammonia emission from field-applied manure and relative significance assessment of ammonia emission factors European Journal of Agronomy, 2007 26(4): p 425-434 38 Lv, P., et al., An experimental study on biomass air–steam gasification in a fluidized bed Bioresource Technology, 2004 95(1): p 95-101 39 Moulijn, J.A., et al., Process intensification and process systems engineering: A friendly symbiosis Computers & Chemical Engineering, 2008 32(1–2): p 3-11 40 Murakami, T., et al., Some process fundamentals of biomass gasification in dual fluidized bed Fuel, 2007 86(1-2): p 244-255 41 Németh, E., I.T Cameron, and K.M Hangos, Diagnostic goal driven modelling and simulation of multiscale process systems Computers & Chemical Engineering, 2005 29(4): p 783-796 42 Ngo, S.I., et al., Performance evaluation for dual circulating fluidized-bed steam gasifier of biomass using quasi-equilibrium three-stage gasification model Applied Energy, 2011 88(12): p 5208-5220 43 Nguyen, T.D.B., et al., CFD simulation with experiments in a dual circulating fluidized bed gasifier Computers & Chemical Engineering, (In Press, Corrected proof) 44 Nguyen, T.D.B., et al., Two-stage equilibrium model applicable to the wide range of operating conditions in entrained-flow coal gasifiers Fuel, 2010 89(12): p 3901-3910 63 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 45 Nguyen, T.D.B., et al., Three-stage steady-state model for biomass gasification in a dual circulating fluidized-bed Energy Conversion and Management, 2012 54(1): p 100-112 46 Pfeifer, C., R Rauch, and H Hofbauer, Ing Eng Chem Res., 2004 43(null): p 1634 47 Pfeifer, C., B Puchner, and H Hofbauer, Comparison of dual fluidized bed steam gasification of biomass with and without selective transport of CO Chemical Engineering Science, 2009 64(23): p 5073-5083 48 Pinto, F., et al., Co-gasification study of biomass mixed with plastic wastes Fuel, 2002 81(3): p 291-297 49 Prasad, B.V.R.K and J.L Kuester, Process analysis of a dual fluidized bed biomass gasification system Industrial & Engineering Chemistry Research, 1988 27(2): p 304-310 50 Proll, T and H Hofbauer, H rich syngas by selective CO removal from biomass gasification in a dual fluidized bed system — Process modelling approach Fuel Processing Technology, 2008 89(11): p 1207-1217 51 Radmanesh, R., J Chaouki, and C Guy, Biomass gasification in a bubbling fluidized bed reactor: Experiments and modeling AIChE Journal, 2006 52(12): p 4258-4272 52 Rapagnà, S., et al., Steam-gasification of biomass in a fluidised-bed of olivine particles Biomass and Bioenergy, 2000 19(3): p 187-197 53 Rath, J and G Staudinger, Cracking reactions of tar from pyrolysis of spruce wood Fuel, 2001 80(10): p 1379-1389 54 Sadaka, S.S., A.E Ghaly, and M.A Sabbah, Two phase biomass air-steam gasification model for fluidized bed reactors: Part I model development Biomass and Bioenergy, 2002 22(6): p 439-462 55 Sadaka, S.S., A.E Ghaly, and M.A Sabbah, Two phase biomass air-steam gasification model for fluidized bed reactors: Part I-model development Biomass and Bioenergy, 2002 22(6): p 439-462 64 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 56 Sanz, A and J Corella, Modeling circulating fluidized bed biomass gasifiers Results from a pseudo-rigorous 1-dimensional model for stationary state Fuel Processing Technology, 2006 87(3): p 247-258 57 Schuster, G., et al., Biomass steam gasification - an extensive parametric modeling study Bioresource Technology, 2001 77(1): p 71-79 58 Seo, M.W and D.B.T Nguyen, Solid circulation and loop-seal characteristics of a dual circulating fluidized bed: Experiments and CFD simulation 2011 59 Seo, M.W., et al., Solid circulation and loop-seal characteristics of a dual circulating fluidized bed: Experiments and CFD simulation Chemical Engineering Journal, 2011 168(2): p 803-811 60 Shafizadeh, F., Introduction to pyrolysis of biomass Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 1982 3(4): p 283-305 61 Sharma, A.K., Equilibrium modeling of global reduction reactions for a downdraft (biomass) gasifier Energy Conversion and Management, 2008 49(4): p 832-842 62 Shen, L., Y Gao, and J Xiao, Simulation of hydrogen production from biomass gasification in interconnected fluidized beds Biomass and Bioenergy, 2008 32(2): p 120-127 63 Smith, J.M., H.C Van Ness, and M.M Abbott, Introduction to chemical engineering thermodynamics 7th ed 2005, New York: Mc Graw-Hill 64 Walawender, W.P., D.A Hoveland, and L.T Fan, Steam gasification of pure cellulose Uniform temperature profile Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1985 24(3): p 813-817 65 Wei, L., et al., Steam gasification of biomass for hydrogen-rich gas in a freefall reactor International Journal of Hydrogen Energy, 2007 32(1): p 24-31 66 Wurzenberger, J.C., et al., Thermal conversion of biomass: Comprehensive reactor and particle modeling AIChE Journal, 2002 48(10): p 2398-2411 65 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 67 Yin, X.L., et al., Design and operation of a CFB gasification and power generation system for rice husk Biomass and Bioenergy, 2002 23(3): p 181-187 68 Yoshida, H., et al., Two-stage equilibrium model for a coal gasifier to predict the accurate carbon conversion in hydrogen production Fuel, 2008 87(10-11): p 2186-2193 69 Zainal, Z.A., et al., Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials Energy Conversion and Management, 2001 42(12): p 1499-1515 70 Zhang, Z and Q Chen, Experimental measurements and numerical simulations of particle transport and distribution in ventilated rooms Atmospheric Environment, 2006 40(18): p 3396-3408 66 ... 21 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 MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG Mơ hình động học giả cân xây dựng cho. .. Reactions Hình 5.1 Cấu trúc mơ hình giả cân ba giai đoạn cho khí hóa sinh khối 22 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... phẩm khí [2] 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 Q TRÌNH CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI Sự phân loại dựa cách