Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC MƠ TẢ Q TRÌNH KHÍ HĨA TRẤU TRONG HỆ THỐNG TẦNG SƠI TUẦN HỒN Chun ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN ĐẶNG BÌNH THÀNH Hà Nội - Năm 2017 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 LỜI CAM ĐOAN .2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU VỎ TRẤU VÀ CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA 12 1.1 Vỏ trấu tình hình sử dụng vỏ trấu 12 1.1.1 Thành phần tính chất vỏ trấu 12 1.1.2 Hiện trạng sử dụng vỏ trấu giới Việt Nam 13 1.1.3 Tiềm phát triển vỏ trấu 16 1.2 Phương pháp khí hóa 16 1.2.1 Khái niệm khí hố 16 1.2.2 Ưu điểm nhược điểm khí hố 17 1.2.3 Các loại nhiên liệu sinh khối dùng cho khí hố .18 1.3 Cơng nghệ thiết bị khí hố 18 1.3.1 Công nghệ khí hố thiết bị khí hố tầng cố định 19 1.3.2 Cơng nghệ khí hố tầng sơi thiết bị khí hố tầng sơi 24 1.3.3 Khí hố dịng theo 30 1.4 Lựa chọn loại thiết bị khí hố 31 CHƯƠNG MÔ HÌNH KHÍ HĨA TẦNG SƠI TUẦN HỒN .32 2.1 Mơ hình động học khí hố tầng sơi tuần hồn 32 2.1.1 Các phản ứng hố học xảy q trình khí hố 32 2.1.2 Mơ hình tính toán .33 2.1.3 Mơ hình tính tốn cho vùng nhiệt phân 35 2.1.4 Mô hình tính tốn cho vùng tầng sơi 41 2.1.5 Mơ hình tính tốn cho vùng chuyển động tự .51 2.1.6 Xác định thông số chưa biết hệ phương trình cân chất nhiệt cho vùng tầng sôi vùng chuyển động tự 54 2.2 Phương pháp giải mơ hình khí hố tầng sơi 68 2.2.1 Giải mơ hình vùng nhiệt phân 68 2.2.2 Giải mô hình vùng tầng sơi 69 2.2.3 Giải mơ hình vùng chuyển động tự .72 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TRONG TÍNH TỐN HỆ THỐNG KHÍ HĨA TRẤU NĂNG SUẤT 500 kg/h .77 3.1 Các thông số cơng nghệ cơng nghệ khí hóa 77 3.2 Mô tả sơ lược chương trình sơ đồ thuật tốn 78 3.2.1 Chương trình “MassBalanceForPyrolysis” .78 3.2.2 Chương trình “MassAndHeatBalanceForDenseBed” .78 3.2.3 Chương trình “MassAndHeatBalanceForFreeBoard” .79 3.2.4 Chương trình “MassAndHeatBanalceForGasifier” 79 3.2.5 Chương trình “DualCirculatingFluidizedBed” 79 3.2.6 Chương trình “Result” 79 3.2.7 Các chương trình khác .80 3.2.8 Các chương trình phụ trợ 81 3.3 Kết thảo luận .82 KẾT LUẬN .92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 97 Phụ lục Chương trình con: “DualCirculatingFluidizedBed” .97 Phụ lục Chương trình con: “PyrolysisModel” 102 Phụ lục Chương trình con: “Hydrodynamics” 103 Phụ lục Chương trình con: “RiserModel” .105 LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hồn thành Viện Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận hướng dẫn tận tình thầy giáo, quan tâm gia đình bạn hữu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Đặng Bình Thành, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Thầy cô mơn Bộ mơn Máy Thiết bị cơng nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Trần Ngọc Vân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình khí hóa trấu hệ thống tầng sơi tuần hồn” tơi thực Các số liệu kết đề tài trung thực chưa cơng bố Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Định nghĩa Ký hiệu Đơn vị Hằng số tốc độ phản ứng phản ứng thứ i s-1 Keqi Hằng số cân phản ứng thứ i - k0i Yếu tố va chạm phản ứng thứ i s-1 Ei Năng lượng hoạt hoá phản ứng thứ i R Hằng số khí lý tưởng T Nhiệt độ vùng phản ứng ki J/mol J/mol.K K Lưu lượng khối lượng dòng nhiên liệu kg/s Mchar Lưu lượng khối lượng dòng than thiêu kết kg/s Mtar Lưu lượng khối lượng dịng hắc ín kg/s Lưu lượng khối lượng dịng khí (chất bốc) kg/s Mbiomass Mvolatile t Thời gian s τ Thời gian phản ứng (thời gian lưu) s n Lưu lượng mol cấu tử M Khối lượng phân tử cấu tử mol/s kg/mol G i0 Năng lượng tự Gibbs cấu tử J/mol H i0 ij Enthanpy cấu tử J/mol λi Hệ số tỉ lượng cấu tử thứ i phản ứng thứ j - Nhân tử Lagrange - A, B, C, D Hằng số nhiệt dung riêng cấu tử - Ab Tiết diện cắt ngang vùng tầng sôi m Af Tiết diện cắt ngang vùng chuyển động tự m z Chiều cao đoạn chia thiết bị m Sb Tiết diện cắt ngang pha bong bóng m Se Tiết diện cắt ngang pha nhũ tương m Sg Tiết diện cắt ngang pha khí m ρg Khối lượng riêng trung bình pha khí kg/m3 Định nghĩa Ký hiệu Đơn vị ρgi Khối lượng riêng cấu tử thứ i pha khí kg/m3 ρib Mật độ khối cấu tử thứ i pha bong bóng kg/m3 ρie Mật độ khối cấu tử thứ i pha nhũ tương kg/m3 ρif Mật độ khối cấu tử thứ i vung chuyển động tự Khối lượng riêng trung bình pha rắn kg/m3 Khối lượng riêng cát kg/m3 ρp ρsand t Thời gian kg/m3 s Vb Thể tích vùng tầng sơi m3 Vg Thể tích pha khí m3 VRb Thể tích khối phản ứng pha bong bóng m3 VRe Thể tích khối phản ứng vùng chuyển động tự m3 VRf Thể tích khối phản ứng pha nhũ tương m3 δb Phần thể tích pha bong bóng - δe Phần thể tích pha nhũ tương - δf Phần thể tích pha khí - δs Phần thể tích pha rắn - δg Phần thể tích pha khí - u0 Vận tốc khí vào thiết bị m/s ub Vận tốc pha bong bóng m/s ubr Vận tốc bong bóng pha bong bóng m/s ue Vận tốc pha nhũ tương m/s umf Vận tốc tối thiểu để đạt chế độ tầng sôi m/s ug Vận tốc pha khí m/s ut Vận tốc theo m/s kaj Hằng số tốc độ phản ứng phản ứng thứ j s-1 Kbe Hệ số truyền chất pha bong bóng pha nhũ tương s-1 Định nghĩa Ký hiệu Đơn vị Kbc Hệ số truyền chất pha bong bóng lớp màng s-1 Kce Hệ số truyền chất pha lớp màng pha nhũ tương s-1 kg Hệ số dẫn nhiệt trung bình pha khí W/mK kgi Hệ số dẫn nhiệt cấu tử thứ i W/mK Kpj Hằng số cân phản ứng thứ j mib Khối lượng cấu tử thứ i pha bong bóng kg mie Khối lượng cấu tử thứ i pha nhũ tương kg mif Khối lượng cấu tử thứ i vùng chuyển động tự kg Mi Khối lượng phân tử cấu tử thứ i n1,0 Số mol ban đầu carbon mol nib Số mol cấu tử thứ i pha bong bóng mol nie Số mol cấu tử thứ i pha nhũ tương mol nif Số mol cấu tử thứ i vùng chuyển động tự mol - kg/mol Lưu lượng mol cấu tử thứ i pha khí mol/s εmf Độ xốp khối hạt rắn pha nhũ tương - νij Hệ số tỷ lượng - rj Tốc độ phản ứng hoá học mol/m3s rj Tốc độ phản ứng hoá học mol/s Igi Enthanpy cấu tử thứ i pha khí J/kg Isand Enthanpy cát J/kg Csand Nhiệt dung riêng cát J/kgK Cpgi Nhiệt dung riêng cấu tử thứ i pha khí J/kgK Cpg Nhiệt dung riêng trung bình pha khí J/kgK Tf Nhiệt độ vùng chuyển động tự K Tg Nhiệt độ pha khí K Ts Nhiệt độ pha rắn K  ni Định nghĩa Ký hiệu Fgi Fsand Sm h ΔHRj g Đơn vị Lưu lượng khối lượng cấu tử thứ i pha khí kg/s Lưu lượng khối lượng cát kg/s Diện tích bề mặt pha rắn đơn vị thể tích khối m2/m3 phản ứng Hệ số truyền nhiệt pha rắn pha khí W/m2K Enthanpy phản ứng hoá học thứ j J/mol Gia tốc trường m/s2 db0 Đường kính nhỏ bong bóng pha bong bóng m db Đường kính bong bóng pha bong bóng m dbm Đường kính lớn bong bóng pha bong bóng m dp,c Đường kính than hoạt tính sinh sau nhiệt phân m Hb Chiều cao vùng tầng sôi m Hf Chiều cao vùng chuyển động tự m Db Đường kính vùng tầng sơi m ϕs Độ cầu hạt rắn - μg Độ nhớt trung bình pha khí Ns/m2 μgi Độ nhớt cấu tử thứ i Ns/m2 Re Chuẩn số Reynolds dịng khí - Rep Chuẩn số Reynolds lớp hạt - Ar Chuẩn số Archimedes - Nu Chuẩn số Nusselt - Aj Yếu tố va chạm phản ứng thứ j s-1 P Áp suất làm việc atm Eaj Năng lượng hoạt hoá phản ứng thứ j J/mol Năng lượng Gibbs phản ứng thứ j J/mol Năng lượng tự Gibbs cấu tử thứ i J/mol G 0j g i0 Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị Ri Tốc độ biến đổi chất cấu tử thứ i Ki Hằng số hấp thụ cấu tử thứ i Pa-1 Np Số hạt rắn đơn vị thể tích khơng gian cân hạt Ap Diện tích bề mặt hạt rắn m2 mp Khối lượng hạt rắn không gian cân kg ρbu Khối lượng riêng đổ đống nhiên liệu rắn kg/m3 ρap Khối lượng riêng biểu kiến hạt nhiên liệu rắn kg/m3 Vp Thể tích hạt nhiên liệu rắn fi Phần khối lượng hạt rắn thứ i  Lưu lượng khối lượng hạt rắn thứ i mi xi Phần mol cấu tử thứ i mol/s m3 kg/s - Cp,c Nhiệt dung riêng than thiêu kết J/kgK Dg Hệ số khuếch tán hỗn hợp khí m2/s Dij Hệ số khuếch tán cấu tử i vào cấu tử j m2/s Qadd Lượng nhiên liệu cần bổ sung thêm vào thiết bị đốt kg/s Hdemand Nhiệt lượng cần thiết cho thiết bị khí hố J/s Qchar Lượng than thiêu kết khơng phản ứng hết kg/s Nhiệt trị thấp than thiêu kết J/kg LHVchar LHVbiomass Nhiệt trị thấp nhiên liệu Hsyngas Hloss J/kg Nhiệt lượng khí tổng hợp mang ngồi J/s Nhiệt lượng tổn thất ngồi mơi trường J/s HHVbiomass Nhiệt trị cao nhiên liệu J/kg hg Ẩn nhiệt ngưng tụ nước H Hàm lượng Hydro nhiên liệu % M Hàm lượng ẩm nhiên liệu % nadd Số mol nhiên liệu cần bổ sung mol nair Số mol khơng khí đưa vào thiết bị đốt mol J/mol - Một số phương trình mơ hình khơng có số liệu động học phản ứng nhiệt phân vỏ trấu,… chọn phương trình loại nhiên liệu sinh khối khác có tính chất gần giống để thay Do số kết q tính tốn khơng mong đợi - Ngoài ra, luận văn sử dụng nhiều phần mềm khác để phục vụ tính tốn giải mơ hình Phần mềm MATLAB, dùng để giải mơ hình phương pháp số Các phần mềm phụ ASPENONE dùng để lấy số liệu thuộc tính chất cấu tử khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt,…; phần mềm ENGAUGE dùng để số hoá đồ thị; phần mềm MICROSOFT EXCEL dùng để hồi quy số liệu từ ASPENONE ENGAUGE thành phương trình đại số, phục vụ cho tính tốn MATLAB thuận tiện 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Lương Thình (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Kỹ thuật trồng chăm sóc hồ tiêu Truy cập : http://hotieuvietnam.vn/index.php?option=com_content&view=article&id=230:tr o-tru-dung-trong-nong-nghip&catid=48:qun-ly-dinh-dng&Itemid=54 Prabir Basu, Combustion and Gasification in Fluidized Beds: Taylor & Francis Group, LLC, 2006 Ms Brahmotri Sahoo, "The effect of parameters on the performance of a Fluidized bed reactor and Gasifier," DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, NATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ROURKELA, 2011 Bích Hồng (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Sản lượng lúa năm 2015 đạt 45 triệu Truy cập tại: http://baotintuc.vn/kinh-te/san-luong-lua-ca-nam-2015dat-hon-45-trieu-tan-20150928143500012.htm Lực lượng niên xung phong Thành phố Hồ Chí Minh (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Sản xuất kinh doanh Mơ hình xay xát lúa hiệu Truy cập tại: http://www.tnxp.hochiminhcity.gov.vn/web/guest/san-xuat-kinhdoanh;jsessionid=A75E8F815807675ABD1DFAAE7EC61E89?p_p_id=EXT_A RTICLEVIEW&p_p_lifecycle=0&p_p_col_id=column-home-lltnxp-center-left4&p_p_col_count=1&_EXT_ARTICLEVIEW_groupId=10217&_EXT_ARTIC LEVIEW_articleId=183627&_EXT_ARTICLEVIEW_version=1.0&_EXT_AR TICLEVIEW_redirect=%2Fweb%2Fguest%2Fhome Công ty cổ phần đầu tư Lam An (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Chất đốt củi trấu Bếp tiết kiệm nhiên liệu Truy cập tại: http://chatdotxanh.com/chi-tiettin/tiem-nang-sinh-khoi.html Lê Xuân Thịnh (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Nghiên cứu nhiên liệu Việt Nam (Kỳ 8) Truy cập tại: http://www.khihoa.com/2011/12/nghien-cuu-nhienlieu-o-viet-nam-ky-8.html 94 Vũ Thị Bách (Truy cập lần cuối: 10/06/2017) Ứng dụng tro trấu (kỳ 1) Truy cập tại: http://www.khihoa.com/2011/12/ung-dung-tro-trau-ky-1.html Prabir Basu, Biomass Gasification, Pyrolysis, and Torrefaction, Second edition ed.: Elsevier Inc, 2013 10 Samreen Hameed, Naveed Ramzan, Zaka-ur Rahman, Muhammad Zafar, and Sheema Riaz, "Kinetic modeling of reduction zone in biomass gasification," Energy Conversion and Management, vol 78, 2014 11 Prasanth Gopalakrishnan, "Modelling of Biomass Steam Gasification in a Bubbling Fluidized Bed Gasifier," Doctor of Philosophy, Chemical and Process Engineering, University of Canterbury, 2013 12 Wai-Chun R Chan, Marcia Kelbon, and Barbara B Krieger, "Modelling and experimental verification of physical and chemical processes during pyrolysis of a large biomass particle," Fuel, vol 64, 1985 13 R G Graham, M A Bergougnou, and B A Freel, "The kinetics of vapourphase cellulose fast pyrolysis reactions," Biomass and Bioenergy, vol 7, 1994 14 Robert H Perry and Don W Green, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, ed.: McGraw-Hill Companies, Inc., 2008 15 Mai Xuân Kỳ, Thiết bị phản ứng công nghiệp hoá học tập 1: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 16 Mai Xuân Kỳ, Thiết bị phản ứng cơng nghiệp hố học tập 2: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 17 Samy S Sadaka, 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, vol 22, 2002 18 Daizo Kunii and Octave Levenspiel, Fluidization Engineering United States of America: Reed Publishing (USA) Inc, 1991 19 Daniel Andersson and Martin Karlsson, "Investigation of the effects of introducing hydrodynamic parameters into a kinetic biomass gasification model 95 for a buubling fluidized bed," Master of Science Thesis, School of Business, Society and Engineering, 2014 20 Y Wang and C M Kinoshita, "Kinetic model of biomass gasification," Solar Energy, vol 51, 1993 21 Raymond C Everson, Hein W J P Neomagus, Henry Kasaini, and Delani Njapha, "Reaction kinetics of pulverized coal-chars derived from inertinite-rich coal discards: Gasification with carbon dioxide and steam," Fuel, vol 85, 2006 22 Kyoung-Soo Kang, Chang-Hee Kim, Ki-Kwang Bae, Won-Chul Cho, SeongUk Jeong, Sung-Hyun Kim, and Chu-Sik Park, "Modeling a counter-current moving bed for fuel and steam reactors in the TRCL process," International Journal of Hydrogen Energy, vol 37, 2012 23 E D Gordillo and A Belghit, "A two phase model of high temperature steamonly gasification of biomass char in bubbling fluidized bed reactors using nuclear heat," International Journal of Hydrogen Energy, vol 36, 2011 24 Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, and Phạm Xuân Toản, Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hố chất tập 2: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 25 Thanh D B Nguyen, Son Ich Ngo, Young-Il Lim, Jeong Woo Lee, Uen-Do Lee, and Byung-Ho Song, "Three-stage steady-state model for biomass gasification in a dual circulating fluidized-bed," Energy Conversion and Management, vol 54, 2012 26 Samy S Sadaka, A E Ghaly, and M A Sabbah, "Two phase biomass air-steam gasification model for fluidized bed reactors: Part II—model sensitivity," Biomass and Bioenergy, vol 22, 2002 96 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH MATLAB TÍNH TOÁN MƠ HÌNH KHÍ HOÁ Phụ lục Chương trình con: “DualCirculatingFluidizedBed” function [mBiomass msand Rcir mH2O SBratio P hBed dBed hFrb dFrb ResidenceTime InputHeat moleBub molefrBub moleElm molefrElm moleDens moleFracDens moleFrb moleFrb_fractions moleGasi molefrGasi hdb hfr hGasi ConvCS Char_residue Tbed Tfrb Velocity uRiser dRiser hRiser VstAir VwoAir VstFlueGas VwoFlueGas mBiomass_riser Win massGas mTar ResidenceTime_Riser Hdemand DistributionParameter hJet PitchNozz N_Nozz dNozz PitchOrif nOrif N_Orif dOrif FOA uOrif moleFrac_pyrolysis mole_fractions TPyr VstSyngas VwoSyngas Delta2G Delta3G Delta4G qG WarnG Delta2R Delta3R Delta4R qR WarnR DscrewG dscrewG PscrewG NscrewG DscrewR dscrewR PscrewR NscrewR CycloneDemesionForGasifier CycloneDemesionForRiser MwChar AngleG AngleR msandG msandR msandTot VelocityofGasifier VelocityofRiser Hair dAir doutG, doutR, Load, dLS, Lug, xm, NotificationG, NotificationR] = DualCirculatingFluidizedBed tic; % Start stopwatch timer format long g fprintf('+ -+\n') fprintf('| RUNNING |\n') fprintf('| PLEASE WAIT :) |\n') fprintf('+ -+\n') global mBiomass msand TPyr SBratio Rcir Tgs Tss P hBed dBed hFrb dFrb phi dpChar PorosityChar rhoApparentChar dpSand PorositySand rhoApparentSand Scale Step mH2O Win massGas mTar dRiser Tsteam dOrif dNozz mChar Dbrick DensityBirck ThermalBrick Tmax DeltaCeramic DensityCeramic ThermalCeramic DeltaBed DeltaFrb ThermalBed ThermalFrb Tamb MwChar dAir dLS DeltaR % Main parameters % Operational condition mBiomass = 500; % Mass flow of fuel [kg/h] SBratio = 0.35; % Steam to biomass ratio (Mass of Steam/Mass of Biomass = 1/6 - 1/2) [-] 97 Rcir = 45; % Circulation ratio (Mass of Sand/Mass of Biomass = 40 - 60) [-] Tgs = 1089; % Gas temperature in gasifier [K] Tss = 1094; % Solid temperature in gasifier [K] P = 1; % Reactor pressure [atm] Tambient = 50; % Ambient temperature [C] Triser = 950; % Temperature in riser [C] Tsteam = 150; % Temperature of steam [C] % Bed dimensions hBed = 200; % Height of fluidized bed [cm] dBed = 100; % Bed diameter [cm] DeltaBed = 06; % Thickness of bed [mm] ThermalBed = 50; % Thermal conductivity of steel at work temperature [W/mK] % Freeboard dimensions hFrb = 200; % Free board height [cm] dFrb = 140; % Free board diameter [cm] DeltaFrb = DeltaBed; % Thickness of free board [mm] ThermalFrb = ThermalBed; % Riser dimensions dRiser = 30; % Diameter of riser [cm] DeltaR = 06; % Thickness of riser [mm] % Distributor dimensions dOrif = 5; % Diameter of orifice [mm] dNozz = 60; % Diameter of nozzles [mm] dAir = 200; % Diameter of inlet airbox [mm] dLS = 200; % Diameter of Loop Seal [mm] % Other parameters phi = 0.81; % Particle sphericity For nonspherical particles, all having the same sphericity, % the mean size 'dm', would then be 'phi*dm' Tamb = 25; % Temperature of air in ambient [C] % Char parameters dpChar = 0.2E-3; % Particle size of char [m] PorosityChar = 0.128; % Porosity of char [-] rhoApparentChar = 1478; % Apparent density of char [kg/m3] % Sand parameters dpSand = 270E-6; % Particle size of sand [m] PorositySand = 0.46; % Porosity of sand [-] rhoApparentSand = 2600; % Apparent density of sand [kg/m3] % Biomass parameters rhoBulkBiomass = 426; % Bulk density of biomass [kg/m3] 98 % Insulate parameters Dbrick = [230 114 65]; % Dimension of insulating refractory brick: length x width x height [mm] DensityBirck = 700; % Density of insulating refractory brick [kg/m^3] ThermalBrick = 0.16; % Thermal conductivity of insulating refractory brick at work temperature [W/mK] Tmax = 1700; % Maximum work temperature DeltaCeramic = 25; % Thickness of ceramic [mm] DensityCeramic = 128; % Density of ceramic [kg/m^3] ThermalCeramic = 0.09; % Thermal conductivity of ceramic at work temperature [W/mK] % Cyclone parameters nGCyclone = 1; % Number of cyclone for gasifier nRCyclone = 1; % Number of cyclone for riser % Screw parameters AngleG = 0; % Angular of screw for gasifier [dregree] AngleR = 0; % Angular of screw for riser [dregree] NscrewG = 60; % Number of revolutions of screw for gasifier [rpm] NscrewR = 60; % Number of revolutions of screw for riser [rpm] % Mechanical parameters nS = 4; % Number of lug of gasifier xmlG = 220; % Yield limit of cyclind body of gasifier [MPa] xmlR = 220; % Yield limit of cyclind body of combustion [MPa] % Caculate parameters Scale = 10; % Number of steps size Step = 100; % Number of steps to advance Runge Kutta %% Caculate mass and heat balance in gasifier [ResidenceTime InputHeat moleBub molefrBub moleElm molefrElm moleDens moleFracDens moleFrb moleFrb_fractions moleGasi molefrGasi hdb hfr hGasi ConvCS Char_residue Tbed Tfrb Velocity DistributionParameter moleFrac_pyrolysis mole_fractions InsulateParameterForGasifier VstSyngas VwoSyngas] = MassAndHeatBanalceForGasifier; %% Caculate mass balance in riser [uRiser hRiser VstAir VwoAir VstFlueGas VwoFlueGas mBiomass_riser Hdemand ResidenceTime_Riser Hloss InsulateParameterForRiser] = RiserModel(Char_residue, moleGasi, Tfrb, InputHeat, P, Velocity, Tambient, Triser); %% Caculate for Distributor [hJet PitchNozz N_Nozz dNozz PitchOrif nOrif N_Orif dOrif FOA uOrif Hair] = DistributorModel(Velocity, DistributionParameter); 99 %% Caculate for insulation % For Gasifier fprintf('Caculating for insulation in gasifier') [Delta2G Delta3G Delta4G qG WarnG] = InsulationModel((((Tbed(1,1) + Tbed(2,1))/2)+Tfrb(end))/2, InsulateParameterForGasifier, 1); % For Riser fprintf('Caculating for insulation in riser') [Delta2R Delta3R Delta4R qR WarnR] = InsulationModel(Triser + 273.15, InsulateParameterForRiser, 2); %% Caculate for cyclone % For Gasifier fprintf('Caculating for cyclone for gasifier') [CycloneDemesionForGasifier, VelocityofGasifier] = CycloneModel (VwoSyngas, nGCyclone, 4); % For Riser fprintf('Caculating for insulation in riser') [CycloneDemesionForRiser, VelocityofRiser] = CycloneModel (VwoFlueGas, nRCyclone, 4); %% Caculate for screw % For Gasifier fprintf('Caculating for screw for gasifier') [DscrewG dscrewG PscrewG NscrewG] = ScrewModel(AngleG, NscrewG, mBiomass*3600, rhoBulkBiomass); % For Riser fprintf('Caculating for screw in riser') [DscrewR dscrewR PscrewR NscrewR] = ScrewModel(AngleR, NscrewR, mBiomass_riser, rhoBulkBiomass); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% msandG = msand*ResidenceTime; msandR = msand*ResidenceTime_Riser; msandTot = msandG + msandR; mBrick(1) = (pi/4)*((((dBed/100)+2*(Delta2G))^2)((dBed/100)^2))*(hBed/100)*DensityBirck + (pi/4)*((((dFrb/100)+2*(Delta2G))^2)((dFrb/100)^2))*(hFrb/100)*DensityBirck; mBrick(2) = (pi/4)*((((dRiser/100)+2*(Delta2R))^2)((dRiser/100)^2))*(hRiser/100)*DensityBirck; mWall(1) = (pi/4)*((((dBed/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G))^2) -(((dBed/100)+2*(Delta2G))^2))*(hBed/100)*7900 + (pi/4)*((((dFrb/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G))^2) -(((dFrb/100)+2*(Delta2G))^2))*(hFrb/100)*7900; 100 mWall(2) = (pi/4)*((((dRiser/100)+2*(Delta2R)+2*(Delta3R))^2) -(((dRiser/100)+2*(Delta2R))^2))*(hRiser/100)*7900; mCreamic(1) = (pi/4)*((((dBed/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G)+2*(Delta4G))^2) (((dBed/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G))^2))*(hBed/100)*DensityCeramic + (pi/4)*((((dFrb/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G)+2*(Delta4G))^2) (((dFrb/100)+2*(Delta2G)+2*(Delta3G))^2))*(hFrb/100)*DensityCeramic; mCreamic(2) = (pi/4)*((((dRiser/100)+2*(Delta2R)+2*(Delta3R)+2*(Delta4R))^2) (((dRiser/100)+2*(Delta2R)+2*(Delta3R))^2))*(hRiser/100)*DensityCeramic; mHead(1) = ((4*pi/3)*7900*(((((dBed/100)+(2*Delta2G)+(2*Delta3G))/2)^3)((((dBed/100)+(2*Delta2G))/2)^3))/2) + ((4*pi/3)*7900*(((((dFrb/100)+(2*Delta2G)+(2*Delta3G))/2)^3)((((dFrb/100)+(2*Delta2G))/2)^3))/2); mHead(2) = ((4*pi/3)*7900*(((((dRiser/100)+(2*Delta2R)+(2*Delta3R))/2)^3)((((dRiser/100)+(2*Delta2R))/2)^3))); Load = mBrick + mWall + mCreamic + mHead; doutG = sqrt((4/pi)*(VwoSyngas/3600/VelocityofGasifier(1))); doutR = sqrt((4/pi)*(VwoFlueGas/3600/VelocityofRiser(1))); [Lug xm NotificationG NotificationR] = Supported(Load, nS, xmlG, xmlR, Delta2G, Delta3G, Delta2R, Delta3R); %% Print ET = toc; fprintf('Lastest run: %s\n',datestr(now)) Elapsed_Time = ElapsedTime(3,ET); Notification = input('Finished Press any key to see figure or C to cancel:','s'); if Notification == 'C' | Notification == 'c' clc fprintf('Lastest run: %s\n',datestr(now)) Elapsed_Time = ElapsedTime(3,ET); fprintf('\n') else clc fprintf('Lastest run: %s\n',datestr(now)) Elapsed_Time = ElapsedTime(3,ET); fprintf('\n') BiomassGasifierFigure(moleFrac_pyrolysis, mole_fractions, moleFrb_fractions, moleFracDens, molefrGasi, TPyr, Tbed, Tfrb, hdb, hfr, hGasi, ConvCS); end 101 Phụ lục Chương trình con: “PyrolysisModel” function fn = PyrolysisModel(x) global nPyr mBiomass TPyr massGas Win moleChar MwChar format long g R = 8.314; % Gas Constant if nargin == 0; x = ones(1,8); end A = [3.249 3.376 5.457 3.470 1.702 1.771 3.64]; B = [0.422e-3 0.557e-3 1.047e-3 1.450e-3 9.081e-3 0.771e-3 5.06E-04]; C = [0 0 -2.164e-6 0]; D = [0.083e5 -0.031e5 -1.157e5 0.121e5 -0.867e5 -2.27E+04]; Go_f298 = [0 -137169 -394359 -228572 -50460 0]; Ho_f298 = [0 -110525 -393509 -241818 -74520 0]; % Molecular weight [g/mol] [M, MW] = MolecularWeight; MW(end) = []; % Stoichiometric Co-efficient Reactions % H2 CO CO2 H2O CH4 C O2 nu = [1, 1, 0, -1, 0, -1, 0; % C + H2O > CO + H2 1,-1, 1, -1, 0, 0, 0; % CO + H2O > CO2+ H2 -2, 0, 0, 0, 1, -1, 0; % C + 2H2 > CH4 0, 2,-1, 0, 0, -1, 0; % C + CO2 > 2CO 3, 1, 0, -1, -1, 0, 0; % CH4+ H2O > CO + 3H2 0, 2, 0, 0, 0, -2,-1; % 2C + O2 > 2CO 2, 0, 1, -2, 0, -1, 0]; % C + 2H2O > CO2+ 2H2 Tatm = 298.15; del_A = A*nu'; del_B = B*nu'; del_C = C*nu'; del_D = D*nu'; del_Go_f298 = Go_f298*nu'; del_Ho_f298 = Ho_f298*nu'; J(nPyr,:) = del_Ho_f298 - (del_A * Tatm + del_B/2*Tatm^2 + del_C/3*Tatm^3-del_D/Tatm)* R; I(nPyr,:) = -((del_Go_f298-J(nPyr,:))/(R*Tatm)+del_A*log(Tatm)+ del_B/2*Tatm +del_C/6*Tatm^2+del_D/(2*Tatm^2)); delG(nPyr,:) = -((-J(nPyr,:)/(R*TPyr(nPyr)))+ del_A*log(TPyr(nPyr))+ del_B/2*TPyr(nPyr) +del_C/6*TPyr(nPyr)^2 +del_D/(2*TPyr(nPyr)^2) + I(nPyr,:))*R*TPyr(nPyr); % Columns 1.H2 2.CO 3.CO2 4.H2O 5.CH4 6.C 7.O2 % Gibbs enthalpy of formation of species i GFt(nPyr,1:7)=0; 102 GFt(nPyr,2)=(delG(nPyr,6)-nu(6,6)*GFt(nPyr,6)nu(6,7)*GFt(nPyr,7))/nu(6,2); %Gibbs enthalpy of formation of CO [J/mol] GFt(nPyr,3)=(delG(nPyr,4)-nu(4,2)*GFt(nPyr,2)nu(4,6)*GFt(nPyr,6))/nu(4,3); %Gibbs enthalpy of formation of CO2 [J/mol] GFt(nPyr,5)=(delG(nPyr,3)-nu(3,6)*GFt(nPyr,6)nu(3,1)*GFt(nPyr,1))/nu(3,5); %Gibbs enthalpy of formation of CH4 [J/mol] GFt(nPyr,4)=(delG(nPyr,5)-nu(5,1)*GFt(nPyr,1)-nu(5,2)*GFt(nPyr,2)nu(5,5)*GFt(nPyr,5))/nu(5,4); %Gibbs enthalpy of formation of H2O [J/mol] % Mass of components H2, CO, CO2, H2O, CH4, CO2 nH2 = x(1); % Mole of hydrogen nCO = x(2); % Mole of carbon monoxide nCO2 = x(3); % Mole of carbon dioxide nH2O = x(4); % Mole of water nCH4 = x(5); % Mole of methane Lg_C = x(6); % Lagrangian for Carbon Lg_O = x(7); % Lagrangian for Oxygen Lg_H = x(8); % Lagrangian for Hydrogen % The Composition of Wood in weight percent MFbiomass = [1 1.6 1.1]; % Molecular formula of biomass (CH_1.6O_1.1) MFchar = [1 0.2 0.13]; % Molecular formula of char (CH_0.2O_0.3) MwChar = sum(MW.*MFchar); % Molecular weight of char [g/mol] MwBiomass = sum(MW.*MFbiomass) ; % Molecular weight of biomass [g/mol] moleBiomass = (mBiomass/MwBiomass)*1000; % Mole of biomass [mol/s] moleChar = (Win/MwChar)*1000; % Mole of Carbon [mol/s] f(1) = (4*nCH4+2*nH2+2*nH2O) + MFchar(2)*moleChar MFbiomass(2)*moleBiomass; % Hydrogen Mass Balance f(2) = (nH2O+nCO+2*nCO2) + MFchar(3)*moleChar - MFbiomass(3)*moleBiomass; % Oxygen Mass Balance f(3) = (nCH4+nCO+nCO2) + MFchar(1)*moleChar - MFbiomass(1)*moleBiomass; % Carbon Mass Balance f(4) = GFt(nPyr,1)/R/TPyr(nPyr) + log(nH2/sum(x(1:5))) + 2*Lg_H/R/TPyr(nPyr); % H2 Gibbs f(5) = GFt(nPyr,2)/R/TPyr(nPyr) + log(nCO/sum(x(1:5))) + Lg_C/R/TPyr(nPyr) + Lg_O/R/TPyr(nPyr); % CO Gibbs f(6) = GFt(nPyr,3)/R/TPyr(nPyr) + log(nCO2/sum(x(1:5))) + 2*Lg_O/R/TPyr(nPyr) + Lg_C/R/TPyr(nPyr); % CO2 Gibbs f(7) = GFt(nPyr,4)/R/TPyr(nPyr) + log(nH2O/sum(x(1:5))) + 2*Lg_H/R/TPyr(nPyr) + Lg_O/R/TPyr(nPyr); % H2O Gibbs f(8) = GFt(nPyr,5)/R/TPyr(nPyr) + log(nCH4/sum(x(1:5))) + Lg_C/R/TPyr(nPyr) + 4*Lg_H/R/TPyr(nPyr); % CH4 Gibbs fn = [f(1),f(2),f(3),f(4),f(5),f(6),f(7),f(8)]; end Phụ lục Chương trình con: “Hydrodynamics” function [dbm, db0, umf, emf, ut] = Hydrodynamics(area, u0, rhog, mug, phi, g, rhop, dp, Type) 103 % INPUT % area = Cross-sectional area of the bed [cm^2] % u0 = Superficial gas velocity [cm/s] % rhog = Density of gas mixture [g/cm^3] % mug = Viscosity of gas mixture [Poise] % phi = Particle sphericity [0-1] % g = Gravitational acceleration [cm/s^2] % rhop = Particle density of bed material [g/cm^3] % dp = Diameter of bed particles [cm] % OUTPUT % dbm = Maximum bubble diameter [cm] % db0 = Minimum bubble diameter [cm] % umf = Minimum fluidization velocity [cm/s] % emf = Bubble voidage [0-1] format long g % Minimum fluidization conidition for small bed particles emf = 0.586*phi^(-0.72)*(mug^2/(rhog*g*(rhoprhog)*dp^3))^(0.029)*(rhog/rhop)^(0.021); umf = (phi*dp)^2/150*(g*(rhop-rhog)/mug)*(emf^3)/(1-emf); repmf = dp*umf*rhog/mug; % Reynold's number Ar = (rhog*(rhop - rhog)*g*(dp^3))/(mug^2); if (repmf > 10) % Minimum fluidization conidition for small bed particles emf = 0.586*phi^(-0.72)*(mug^2/(rhog*g*(rhoprhog)*dp^3))^(0.029)*(rhog/rhop)^(0.021); C1 = 27.2; C2 = 0.0408; umf = (((((C1^2)+C2*Ar)^(1/2))-C1)*mug)/(dp*rhog); end ut = (mug*Ar)/(dp*rhog*18); % Terminal velocity of spherical particles rep = dp*ut*rhog/mug; % Reynold's number if rep >0.4 & rep 500 ut = (mug*((Ar/(1/3))^(1/2)))/(dp*rhog); end if u0 >= ut & Type == fprintf('\n') error('Program is stopped because superficial gas velocity larger terminal velocity of spherical particles') end % Maximum and minimum bubble size [cm] dbm = 0.652*(area*(u0-umf))^0.4; db0 = 0.00376*((u0-umf)^2); end 104 Phụ lục Chương trình con: “RiserModel” function [uRiser hRiser VstAir VwoAir VstFlueGas VwoFlueGas mBiomass_riser Hdemand ResidenceTime_Riser Hloss InsulateParameterForRiser] = RiserModel(Char_residue, moleGasi, Tfrb, InputHeat, P, Velocity, Tambient, Triser) fprintf('Caculating for Riser') ElapsedTimeInitial = toc; format long g global dRiser msand mBiomass rhoApparentSand rhoApparentChar dpChar dpSand phi hRiser R = 8.314; % Gas Constant g = 9.80665*100; % Gravitational acceleration [cm/s^2] Tg = Tfrb(end)-273.15; HHVbiomass = 15376; % Hight heating value of biomass [kJ/kg] MoiBiomass = 9.7 ; % Moisture of biomass [%] HidBiomass = 5; % Hydrogen composition of biomass [%] % Molecular weight [g/mol] [M, MW] = MolecularWeight; % Element C, H, O MW(end) = []; MFbiomass = [1 1.6 1.1]; % Molecular formula of biomass (CH_1.6O_1.1) MwBiomass = sum(MW.*MFbiomass); % Molecular weight of biomass [kg/kmol] MFchar = [1 0.2 0.13]; % Molecular formula of char (CH_0.2O_0.3) MwChar = sum(MW.*MFchar); % Molecular weight of char [kg/kmol] xchar = (MFchar.*MW)/MwChar; LHVchar = 34835*xchar(1) + 93870*xchar(2) + 10800*xchar(3); nH2 = (moleGasi(2,end)/1000)*3600; % Mole number of H2 [kmol/h] nCO = (moleGasi(3,end)/1000)*3600; % Mole number of CO [kmol/h] nH2O = (moleGasi(4,end)/1000)*3600; % Mole number of H2O [kmol/h] nCO2 = (moleGasi(5,end)/1000)*3600; % Mole number of CO2 [kmol/h] nCH4 = (moleGasi(6,end)/1000)*3600; % Mole number of CH4 [kmol/h] nN2 = (moleGasi(7,end)/1000)*3600; % Mole number of N2 [kmol/h] Cp = HeatCapacity(Tg+273.15); Hproduct = ((nH2*Cp(2)+nCO*Cp(3)+nCO2*Cp(5)+nCH4*Cp(6)+nN2*Cp(7)))*(Tg Tambient) + (nH2O*Cp(4)*(Tg-100)); Cp = HeatCapacity(Tambient+273.15); CpH2OLiq = Cp(11); LtH2O = ((-2e-10)*(Tambient^6) + (2e-7)*(Tambient^5) + (-6e5)*(Tambient^4) + (0.01)*(Tambient^3) + (-0.8254)*(Tambient^2) + (-14.021)*Tambient + 44795); % Latent heat of H2O [kJ/kmol] Hproduct = Hproduct + nH2O*(LtH2O + CpH2OLiq*(100-Tambient)); Hloss = 0.08*InputHeat; LHVbiomass = HHVbiomass - LtH2O/(2*MW(2)+MW(3))*(9*HidBiomass/100MoiBiomass/100); 105 Hdemand = (3600*InputHeat/1000) + Hproduct + Hloss; if (Char_residue/1000)*3600*MW(1)*LHVchar >= Hdemand mBiomass_riser = 0; else mBiomass_riser = (Hdemand ((Char_residue/1000)*3600*MW(1))*LHVchar)/LHVbiomass; % Mass flow of additional biomass [kg/h]; end nBiomass_riser = (mBiomass_riser*1000/MwBiomass)/3600; % Mole flow of additional biomass [mole/s]; nrCO2 = nBiomass_riser*MFbiomass(1) + Char_residue*MFchar(1); % Mole flow of CO2 out of riser [mole/s]; nrH2O = (nBiomass_riser*MFbiomass(2) + Char_residue*MFchar(2))/2; % Mole flow of H2O out of riser [mole/s]; nO2in = (2*nrCO2+nrH2O-nBiomass_riser*MFbiomass(3)Char_residue*MFchar(3))/2; % Mole flow of O2 into riser [mole/s]; nrN2 = nO2in*79/21; % Mole flow of N2 out of riser [mole/s]; Rc = 0.1; % Redundant cofficent of air VstAir = ((nrN2 + nO2in + Rc*(nrN2 + nO2in))*22.4)*3600/1000; % Volume of air at standard conditions [Nm^3/h] VwoAir = ((nrN2 + nO2in + Rc*(nrN2 + nO2in))*R*(Triser+273.15)/(P*1e5))*3600; % Volume of air at work conditions [m^3/h] VstFlueGas = ((nrCO2 + nrH2O + nrN2 + Rc*(nrN2 + nO2in))*22.4)*3600/1000; % Volume of flue gas at standard conditions [Nm^3/h] VwoFlueGas = ((nrCO2 + nrH2O + nrN2 + Rc*(nrN2 + nO2in))*R*(Triser+273.15)/(P*1e5))*3600; % Volume of air at work conditions [m^3/h] molarFlow = [nrCO2; nrH2O; (1+Rc)*nrN2; Rc*nO2in]; areaRiser = pi*(dRiser^2)/4; % Cross area of riser [cm^2] WfSand = msand/(msand + ((mBiomass_riser+((Char_residue/1000)*3600*MW(1)))/3600)); % Weight fraction of sand WfBiomass = - WfSand; % Weight fraction of biomass dp = phi*(1/((WfSand/dpSand)+(WfBiomass/dpChar)))*100; % Diameter of bed particles [cm] rhop = (1/((WfSand/rhoApparentSand)+(WfBiomass/rhoApparentChar)))/1000; % Particle density of bed material [g/cm^3] [u0R, rhog, mug, kg, Dg, Cpg, Cpg2] = GasProperties(molarFlow, P, Triser, areaRiser, 0, 1); [dbm, db0, umf, emf, ut] = Hydrodynamics(areaRiser, u0R, rhog, mug, phi, g, rhop, dp, 2); uRiser = 3*ut; % Terminal velocity of spherical particles [cm/s] hRiser = (VwoFlueGas/3600)/areaRiser*1e6; % Height of riser [cm] ResidenceTime_Riser = hRiser/uRiser; % Residence time of gas in riser [s] 106 InsulateParameterForRiser = [rhog mug Cpg2 kg uRiser]; fprintf(': Finished ') Elapsed_Time_For_Riser = ElapsedTime(0,ElapsedTimeInitial); end 107 ... cứu xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình khí hóa trấu hệ thống tầng sơi tuần hồn” với mục đích tìm hiểu xây dựng mơ hình tốn học để mơ tả q trình khí hóa vỏ trấu hệ thống thiết bị tầng sơi tuần. .. giả hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Trần Ngọc Vân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: ? ?Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học mơ tả q trình khí hóa trấu hệ thống tầng. .. cơng nghệ khí hóa tầng sơi Trong cơng nghệ khí hố tầng sơi vỏ trấu, để có hiệu suất cao chất lượng khí tổng hợp tốt, thiết bị khí hố tầng sơi tuần hoàn hạt rắn trơ lựa chọn để nghiên cứu 31 CHƯƠNG