Chu trình tuần hoàn hóa học là một lựa chọn tốt để sản xuất Hyđrô cùng với khả năng thu hồi CO2 và hiệu suất nhiệt cao [12, 109]. Các kỹ thuật tuần hoàn hóa học như chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học và quá trình reforming tuần hoàn hóa học có ưu điểm lớn trong việc sử dụng oxit kim loại làm chất mang ôxy để ôxy hóa mêtan. CO2 dễ dàng phân riêng từ dòng khí thải mà không cần phân ly không khí để cấp ôxy cho quá trình đốt cháy mêtan. Fe2O3, CeO2 và WO3 được lựa chọn làm các vật liệu tuần hoàn. MgAl2O4 và ZrO2 được lựa chọn làm các vật liệu trơ do chúng có nhiệt dung riêng cao, ổn định về hóa học và bền nhiệt. Khi xem xét về mặt giá cả, tính sẵn có và các tính chất hóa lý khác Fe2O3 và ZrO2 là các vật liệu phù hợp cho chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng.
Chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng bao gồm thiết bị chuyển hóa nhiên liệu (fuel reactor), thiết bị chuyển hóa hơi nước (steam reactor) và thiết bị chuyển hóa ôxy (air reactor) (Hình 3.1). Trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu, khí thiên nhiên bị ôxy hóa bởi ôxy trong chất mang ôxy tạo thành CO2 và H2O (phản ứng 3.1). Trong thiết bị chuyển hóa hơi nước, hơi nước bị khử bởi hóa chất mang ôxy dạng khử tạo thành Hyđrô (phản ứng 3.2). Trong thiết bị chuyển hóa ôxy, chất mang ôxy sẽ bị ôxy hóa hoàn toàn bởi không khí (phản ứng 3.3). Trong các quá trình này, chất mang ôxy được tuần hoàn trong 3 thiết bị chuyển hóa để tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa nhiên liệu, hơi nước và không khí.
yMeOx + CH4 = yMeOx−a + CO2 + 2H2O (3.1)
yMeOx−a + ybH2O = yMeOx−a+b + ybH2 (3.2)
yMeOx−a+b + y(a − b)/2O2 = yMeOx (3.3)
Phản ứng tổng quát: CH4 + 2/3H2O + 2/3O2 = CO2 + 8/3H2 (3.4) o 25 C H 157, 6kJ / mol
Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 52
Kang và các cộng sự [53] đã đề xuất một thiết bị phản ứng với tầng chuyển động hoặc tầng sôi nhiều cấp thu được CO2 và H2O có độ chọn lọc cao trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và phần mol H2 cao trong thiết bị chuyển hóa hơi nước. Mô hình thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và hơi nước giúp ích cho việc thiết kế một quá trình đốt cháy mêtan với hiệu suất cao và năng suất sản phẩm Hyđrô caọ Chưa có nghiên cứu nào mô hình hóa các thiết bị chuyển hóa phức tạp trong chu trình tuần hoàn hóa học ba thiết bị phản ứng. Mô hình thiết bị chuyển hóa nhiên liệu với tầng sôi sử dụng trong chu trình đốt cháy tuần hoàn hóa học (CLC) đã được nghiên cứu [2, 3].
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng để sản xuất Hyđrô
Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 53
Mô hình này xem xét cả động lực tầng sôi và phần nổi cũng như động học chất mang ôxỵ Sự khuếch tán khí giữa pha nhũ tương và bong bóng là một trong các thông số quan trọng. Mô hình quá trình khử với tầng chuyển động được gọi là lò đứng được đưa ra trong một nghiên cứu về quá trình khử quặng sắt bằng khí tổng hợp để sản xuất sắt dạng xốp [77]. Mô hình này có thể được xem là một điểm chuẩn cho thiết bị chuyển hóa nhiên liện trong chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng. Mặt khác, sự khác nhau về nhiên liệu và các điều kiện vận hành trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu dẫn đến nó có thể làm việc với các chế độ nhiệt độ và độ chuyển hóa pha rắn và pha khí khác nhaụ Mô hình quá trình ôxy hóa sắt bằng hơi nước đã được thử nghiệm bởi Lorente và các cộng sự [66] với thiết bị chuyển hóa tầng cố định nhiều ống. Mô hình toán học cho quá trình ôxy hóa trong thiết bị chuyển hóa tầng cố định được sử dụng để ước tính các thông số cho thiết bị chuyển hóa và lựa chọn các điều kiện phản ứng tối ưụ
Mô hình tầng chuyển động trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi nước được phát triển nhằm đạt được các thông số thiết kế và các thông số vận hành tối ưụ Mô hình động học tuyến tính thực nghiệm được sử dụng cho mô hình nàỵ Dòng lý tưởng pha rắn và pha khí được giả thiết trong mô hình thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi với chất mang ôxy Fe2O3/ZrO2. Một lượng chất mang ôxy tối thiểu được giả thiết nhằm chuyển hóa hoàn toàn mêtan thành CO2, H2O trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và chuyển hóa hoàn toàn FeO thành Fe3O4 trong thiết bị chuyển hóa hơi nước. Từ mô hình, có thể ước tính các thông số về nhiệt độ, độ chuyển hóa của pha rắn và pha khí cho thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi nước. Lượng chất mang ôxy tuần hoàn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi nước có thể được tính toán dựa trên sự biến thiên của nhiệt độ đầu vào của pha rắn, độ chuyển hóa của pha rắn, hàm lượng Fe2O3 trong chất mang ôxy và lưu lượng hơi nước cấp cho thiết bị chuyển hóa hơi nước.
Luận văn tốt nghiệp GVHD : TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 54