Độ chuyển hóa trong vùng khử và trong vùng cháy sẽ được tính toán thông qua việc giải phương trình cân bằng nhiệt của lò khí hóa
3
C
U 4
C
U
3.3.2 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt Ki trong các vùng của lò khí hóa
Hệ số cấp nhiệt K trong mỗi vùng của lò khí hóa là một thông số rất quan trọng
đối với việc mô phỏng lò khí hóa than. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ và thành phần của pha khí và pha rắn, cấu trúc của dòng chảy tức phụ thuộc vào vận tốc của pha khí và kích thước hạt của pha rắn. Như vậy về nguyên tắc ta có thể xây dựng được một hàm số K = fK(Ts,Tg,ωg,ds,Ci) nhưng để đơn giản cho việc tính toán ta chấp nhận một số giả thiết sau khi tính hệ số trao đổi nhiệt K như sau:
• Nhiệt độ tính toán sẽ lấy nhiệt độ logarit trung bình.
• Vận tốc của pha khí và kích thước hạt của pha rắn coi như không đổi. • Thành phần của pha khí lấy giá trị trung bình để tính toán.
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
Trong lò khí hóa đều xảy ra đồng thời các phương thức trao đổi nhiệt là dẫn nhiệt kết hợp với trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ nhưng trong mỗi vũng sẽ có những phương thức trao đổi nhiệt mang tính chất chủ yếu như sau:
• Trao đổi nhiệt trong vùng sấy và vùng nhiệt chủ yếu bằng phương thức trao
đổi nhiệt đối lưu.
• Trao đổi nhiệt trong vùng khử và vùng cháy xảy ra đồng thời cả trao đổi đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ.
• Trao đổi nhiệt trong vùng xỉ chủ yếu là bằng phương thức trao đổi nhiệt đối lưu.
Sử dụng mô hình tính toán hệ số cấp nhiệt nhưđã giới thiệu trong chương 2 để
tính toán hệ số cấp nhiệt K cho mỗi vùng.
3.3.3 Mô phỏng lò khí hóa
Trong phần này ta sẽ tiến hành mô phỏng lò khí hóa than có năng suất 2000 (kg/h), đường kính lò D=2,5 (m) sử dụng nguyên liệu là than Antranxit Quảng Ninh.
Kết quả của bài toán cân bằng nhiệt thể hiện trong hình 3.2 và bảng 3.1. Các thông số hóa lý của pha rắn và pha khí được tổng kết trong bảng 3.2. Giá trị các hệ
số truyền nhiệt trong các vùng đã được tính toán theo các công thức trong chương 2 ở các mục 2.6.1 và 2.6.2 và được tổng kết trong bảng 3.3. Động học của các phản ứng hóa học được tổng kết trong bảng 3.3.
i
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
Hình 3.2 : Đồ thị biểu diễn nhiêt cung cấp (QCC) và nhiệt tiêu hao (QTH) theo lượng C
chay
m
Trong đồ thị hình 3.2 thể hiện:
• Trục tung biểu diễn nhiệt lượng cung câp và nhiệt lượng tiêu hao , trục hoành biểu diễn lượng carbon chuyển hóa trong vùng cháy
CC
Q QTH
C chay
m
• Đường mầu đỏ thể hiện hàm số , đường màu xanh thể hiện hàm số , giao điểm của hai đường này là điểm được khoanh tròn có tọa độ , tại đây 1( C CC chay Q = f m ) ) h 2( C TH chay Q = f m 633( / ) C chay m = kg QCC =QTH
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
STT Ký hiệu Ý nghĩa Giá trị
1 C [kg.h ]-1
Chay
m Lượng carbon chuyển hóa theo phản
ứng C O+ 2 →CO2 633,0
2 C2 [kg.h ]-1
H O
m Lượng carbon chuyển hóa theo phản
ứng C H O+ 2 CO H+ 2 301,0
3 C 2[kg.h ]-1
CO
m Lượng carbon chuyển hóa theo phản
ứng C CO+ 2 2CO 632,0
4 3
C
U Độ chuyển hóa carbon trong vùng
khử 0,46
5 UC Độ chuyển hóa carbon tổng cộng 0,9
6 mhoi[kg.h ]-1 Lượng hơi nước câp vào lò 451,5
7 mkk[kg.h ]-1 Lượng không khí cấp vào lò 1529,8
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Tài liệu
1 Độẩm w[%] 3,0
2 Hàm lượng chất bốc f[%] 6,0
3 Hàm lượng tro ash[%] 4,0
4 Độ xốp của lớp hạt ψ 0,476
5 Diện tích bề mặt riêng A m m[ .2 −3] 78,6 6 Khối lượng riêng than đổđống ρs0[kg.m ]-3
786 7 Khối lượng riêng xỉ than đổ
đống 5[kg.m ]- s ρ 3 470 8 Độ dẫn nhiệt của than λs[w.m .-2 K−1] 0.186 9 Nhiệt dung riêng của than c0ps[kJ.kg .-1K−1] 1,134 10 Nhiệt dung riêng của xỉ than c5ps[kJ.kg .-1K−1] 0,75
[1]
11 Nhiệt hóa hơi của nước -1 1
H [kJ.kg ]
∆ 2259,3
12 Nhiệt dung riêng của không khí cpg[kJ.kg .-1K−1]
1,156 13 Khối lượng riêng của khí than e[kg.m ]-3
g ρ 0,363 [3] 14 Hiệu ứng nhiệt của quá trình nhiệt phân chất bốc -1 2[kJ.kg ] H ∆ 0,3 15 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 2 2 C H O+ ↔CO H+ -1 31[kJ.kgC ] H ∆ 7537,2 16 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 2 2 C CO+ ↔ CO -1 32[kJ.kgC ] H ∆ 14037,8 17 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 2 2 C O+ →CO 1 4[ . ] H kJ kgC− ∆ 34276,0 [6]
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Tài liệu
1 Tốc độ thoát ẩm 3 1 1[ . . r kg m h− − ] 171,5 2 Tốc độ thoát chất bốc 3 1 2[ . . ] r kg m h− − 187,5 [7],[12] 3 Động học phản ứng 2 2 C H O+ ↔CO H+ 1 1 31[ . . r kgC kgthan h− − ] 2 2, 22.CH O 4 Động học phản ứng 2 2 C CO+ ↔ CO 1 1 32[ . . r kgC kgthan h− − ] 2 0, 28.CCO 5 Động học phản ứng 2 2 C O+ →CO 2 1 4[ . . r kgC m h− − ] 1200000 [14] 6 Hệ số truyền nhiệt trong vùng sấy 2 1 1[ . . ] K w m K− − 125 7 Hệ số truyền nhiệt trong vùng nhiệt phân
2 1 2[ . . ] K w m K− − 150 8 Hệ số truyền nhiệt trong vùng khử 2 1 3[ . . ] K w m K− − 225 9 Hệ số truyền nhiệt trong vùng cháy 2 1 4[ . . ] K w m K− − 260 10 Hệ số truyền nhiệt trong vùng xỉ 2 1 5[ . . ] K w m K− − 75
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
3.3.3.1 Sơ đồ mô phỏng lò khí hóa
Mô phỏng lò khí hóa than có nghĩa là ta phải đi giải lần lượt 5 hệ phương trình
đã thiết lập cho 5 vùng của lò khí hóa lần lượt theo thứ tự: vùng sấy vùng nhiệt phân vùng khử vùng cháy vùng xỉ với nguyên tắc là các thông sốở cuối vùng này sẽ lấy làm thông sốđầu vào của vùng tiếp theo.
→
→ → →
Các thông số đầu vào của vùng sấy sẽ được nhập trực tiếp vào chương trình mô phỏng.
Điều kiện kết thúc các vùng như sau:
• Vùng sấy sẽ kết thúc khi nhiệt độ của lớp than đạt 120OC • Vùng nhiệt phân sẽ kết thúc khi nhiệt độ lớp than đạt 800OC • Vùng khử sẽ kết thúc khi độ chuyển hóa carbon đạt giá trị 3
C
U
• Vùng cháy sẽ kết thúc khi độ chuyển hóa carbon đạt giá trị 4
C
U
• Vùng xỉ kết thúc khi nhiệt độ của pha khí ở cuối vùng xỉ bằng nhiệt độ của tác nhân khí hóa đưa vào lò.
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
Sơđồ mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển động INPUT
Năng suất 0
s
m ; kích thước hạt dS; độ chuyển hóa than tổng cộng ; nhiệt độ và khối lượng riêng đổ đống của than vào lò
C
U Ts0,ρs0;
nhiệt độ và khối lượng riêng của khí than ra khỏi lò e, e
g g
T ρ ; động học của các phản ứng, nhiệt dung riêng cps,cpg
Vùng sấy input: 0, e, 0, e
s g s g
T T ρ ρ , tốc độ thoát ẩm r1
output: profin nhiệt độ; 1 1 1 1
1 , , , , s g L s g T T ρ ρ Vùng nhiệt phân input: 1 1 1 1 1 , , , , s g L s g T T ρ ρ , vận tốc nhiệt phân r2
output: profin nhiệt độ, 2 2 2 2
2 , , , , s g L s g T T ρ ρ Vùng khử input: 2 2 2 2, 2, 2, 2, , , , s g ρ ρs g CH O CCO CH CCO T T
output: profin nhiệt độ, profin nồng độ, profin độ chuyển hóa carbon chiều dài vùng nhiệt phân L3,T Ts3, g3,ρ ρs3, g3,CH O32 ,CCO3 2,CH32,CCO3 ,UC3
Vùng cháy
input: T Ts3, g3,ρ ρs3, g3,CH O32 ,CCO3 2,CH32,CCO3 ,C UO32, C3,
output: profin nhiệt độ, profin nồng độ, profin độ chuyên hóa carbon, chiều dài vùng cháy L4, T Ts4, g4,ρ ρs4, g4
Vùng xỉ
input: 4, 4, 4, 4, 5
s g s g g
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
3.3.3.2 Kết quả mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển động
Sử dụng phần mềm Matlap đã mô phỏng được profin nhiệt độ của pha rắn và pha khí, độ chuyển hóa carbon trong năm vùng của lò khí hóa than lớp chuyển động thể hiện trong các hình 3.1 đến hình 3.4
Hình 3.3: Profin nhiệt độ trong vung sấy của lò khí hóa than lớp chuyển động
Trong hình 3.1 biểu diễn profin nhiệt độ của pha rắn và pha khí trong vùng sấy từđồ thị này có thể rút ra một số nhận xét sau:
• Trục tung của đồ thị biểu diễn giá trị nhiệt độ, trục hoành biểu diễn chiều dài của vùng sấy.
• Đường màu đỏ thể hiện profin nhiệt độ của pha khí, còn đường màu xanh thể
hiện profin của pha rắn.
• Nhiệt độ của pha khí trong vùng sấy gần như không thay đổi giảm từ
xuống , còn nhiệt độ của pha rắn (than) thì tăng từ nhiệt độ môi
0
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
trường lên đến . Sở dĩ nhiệt độ của pha khí giảm chậm như
vậy là do pha khí trong lò chuyển động với vận tốc lớn dẫn đến thời gian lưu pha khí trong vùng sấy là nhỏ, còn pha rắn dịch chuyển chậm dẫn đến thời gian lưu trong vùng sấy lớn nên nhiệt độ của pha rắn tăng đáng kê so độ
giảm nhiệt độ của pha khí.
0
25 C 128,70C
• Nhiệt độ của pha rắn tăng lên đến khoảng là nhiệt độ đảm bảo rằng
ẩm trong vật liệu (than) đã được giải phóng hết và trong pha khí. Chiều dài vùng sấy của lò là 2(m)
0
120 C
Hình 3.4: Profin nhiệt độ trong vung nhiệt phân của lò khí hóa than lớp chuyển động
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
• Trong khoảng chiều dài lò là 2,5(m) nhưng nhiệt độ pha rắn (than) tăng rất nhanh từ lên đến là do hiệu ứng nhiệt của phản ứng nhiệt phân là nhỏ hơn nhiều so với nhiệt hóa hơi của ẩm trong than cho lên nhiệt lượng trao đổi với pha khí chủ yếu làm tăng nhiệt độ của pha rắn.
0
128,7 C 796, 40C
• Nhiệt độ pha khí giảm chậm từ 870,80C xuống 805,50C
• Chiều dài cần thiết của vùng nhiệt phân là 2,5m
(a) (b) Hình 3.5: Profin nhiệt độ (a) và profin độ chuyển hóa carbon (b)
trong vùng khử của lò khí hóa than lớp chuyển động
Hình 3.3 thể hiện profin nhiệt độ (hình 3.3a) và profin độ chuyển hóa (hình 3.3b), từđồ thịđó có một số nhận xét như sau:
• Nhiệt độ của pha rắn và pha khí biến thiên rất mạnh do hệ số trao đổi nhiệt giữa pha rắn và pha khí là rất lớn (trao đổi nhiệt bức xạ và trao đổi nhiệt đối lưu)
• Độ chênh nhiệt độ giữa pha rắn và pha khí là không nhiều, ở cuối vùng khử
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
• Độ chuyển hóa carbon tăng theo chiều dài vùng khử gần như theo hàm tuyến tính.
• Chiều dài vùng khử cần thiết để đạt độ chuyển hóa UC3 =0, 46 là 3m
(a) (b)
Hình 3.6: Profin nhiệt độ (a) và profin độ chuyển hóa carbon (b) trong vùng cháy của lò khí hóa than lớp chuyển động
Hình 3.4a và hình 3.4b biểu diễn profin nhiệt độ pha rắn, pha khí và độ chuyển hóa carbon dọc theo chiều dài vùng cháy của lò khí hóa. Từ các đồ thị nay rút ra một vài nhận xét sau:
• Trong vùng cháy xảy ra phản ứng oxy hóa than hoàn toàn, đây là phản ứng tỏa nhiệt rất mãnh liệt nên nhiệt độ của pha rắn lớn hơn nhiều so với nhiệt độ
pha khí. Nhiệt độ pha rắn tăng từ đến nhiệt độ cực đại đạt tại vị trí cách đỉnh lò 7,15 m, sau đó giảm xuống tại vị trí cuối vùng cháy cách đỉnh lò một khoảng là 8 m. 0 1092 C 0 1300 C 0 1137 C
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
• Nhiệt độ cực đại trong vùng khử đạt khoảng , nhiệt độ này nhỏ hơn nhiệt độ chảy lỏng của xỉ than (khoảng ) đảm bảo xỉ than không bị
chảy mềm, tránh hiện tượng kết dính, đóng tảng gây tắc lò.
0
1300 C
0
1400 C
• Nhiệt độ pha khí tăng từ 915,30C lên đến 10920C
• Độ chuyển hóa than tăng tuyến tính dọc theo chiều dài của vùng cháy từ
0,46 cho đến độ chuyển hóa tổng cộng của lò là 0,9
C
U
• Chiều dài vùng cháy cần thiết là 1 (m).
Hình 3.7: Profin nhiệt độ trong vùng khử của lò khí hóa than lớp chuyển động
Hình 3.4 biểu diễn profin nhiệt độ của pha rắn và pha khí tỏng vùng xỉ của lò khí hóa. Từ profin nhiệt độ này rút ra một số nhận xét sau đây:
• Nhiệt độ pha rắn giảm mạnh từ xuống đến trong khoảng chiều dài là 0,5 (m)
0
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
• Hỗn hợp tác nhân khí hóa trước khi đưa vào lò phải được gia nhiệt đến sau khi đi qua vùng xỉ, nhiệt độ pha khí sẽ tăng lên đến
0
848,3 C 0
917 C
• Đường cong thể hiện nhiệt độ pha rắn có xu hướng tiện cận với đường cong nhiệt độ của pha khí do đó phải chọn chiều dài của vùng xỉ sao cho độ chênh nhiệt độ giữa hai pha phải đủ lớn để đảm bảo hiệu quả của quá trình truyền nhiệt. Nếu chọn độ chênh nhiệt độ này quá thấp dẫn đến chiều dài lò tăng nhanh nhưng nhiệt lượng thu hồi từ xỉ nóng lại tăng không nhiều do đó sẽ
không mang lại hiệu quả kinh tế. Ởđây đã khống chếđộ chênh nhiệt độ giữa hai pha là khoảng 0 , khi đó chiều dài vùng xỉ sẽ là 0,5(m).
30 C
Hình 3.8: Profin trường nhiệt độ của pha rắn và pha khí dọc theo chiều dài của lò khí hóa than lớp chuyển động
Chương3- Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển làm việc ngược chiều
Hình 3.5 thể hiện profin nhiệt độ của pha rắn và pha khí dọc theo chiều dài của lò khí hóa than, từ các đường cong nay cũng rút ra một vài nhận xét sau:
• .Đường màu đỏ biểu diễn profin nhiệt độ của pha rắn, đường màu xanh biểu diễn profin nhiệt độ của pha khí. Các đường này bị gấp khúc tại các mặt cắt của mỗi vùng là do khi thiết lập mô hình toán mô tả các vùng trong lò ta đã
đạt ra các giả thiết bỏ qua sự liên tục nhiệt độ giữa các vùng, nhưng điều này cũng ảnh hưởng không nhiều đến kết quả mô phỏng.
• Trong vùng sấy, vùng nhiệt phân và vùng khử nhiệt độ pha khí luôn luôn lớn hơn nhiệt độ pha rắn, còn trong vùng cháy và vùng xỉ nhiệt độ pha rắn luôn luôn lớn hơn nhiệt độ pha khí điều này là hoàn toàn phù hợp với thực tế làm việc của một lò khí hóa than.
• Qua việc mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển động làm việc ngược chiều ta