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 hoàn toàn xác định được chiều dài các vung của lò khí hóa, từ đó xác định
được chiều dài tổng công của lòkhi biết năng suất, đường kính, độ chuyển hóa carbon yêu cầu.
• Trong trường hợp của luân văn này với năng suất làm việc là 2000kgthan/h,
đường kính lò là 2,5(m), độ chuyển hóa carbon tổng cộng là 0,9, nhiệt độ
thải của xỉ là khoảng 0 thì chiều dài cần thiết của lò là 8,5(m). 850 C
Kết luận
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu, xây dựng mô hình toán mô tả các quá trình xảy ra trong lò khí hóa than lớp chuyển động, tiến hành mô phỏng lò khí hóa than có thể rút ra một số kết luân sau:
1. Dựa trên cơ sở phương trình cân bằng chất và cân bằng nhiệt tổng quát đã tiến hành xây dựng mô hình toán mô tả các quá trình xảy ra trong các vùng của lò khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
2. Giải bài toán cân bằng nhiệt cho toàn bộ lò khí hóa than có năng suất là 2000kg/h với yêu cầu độ chuyển hóa carbon tổng cộng đã tính được độ chuyển hóa carbon trong vùng khử và vùng cháy tương ứng là , , lượng hơi nước và lượng không khí cần thiết tương
ứng là , . 0,9 C U = 3 0, 46 C U = UC4 =0, 78 =451,5(kg/h) hoi m mkk=1529,8(kg/h)
3. Trên cơ sở mô hình toán đã thiết lập cho các vùng, sử dụng phần mềm Matlab tiến hành mô phỏng lò khí hóa than có năng suất 2000(kg/h), đường kính lò D=2,5(m), độ chuyển hóa carbon tổng cộng là UC =0,9đã thu được kết quả sau đây:
Profin trường nhiệt độ của pha rắn, pha khí và độ chuyển hóa carbon trong từng vùng của lò khí hóa và xác định được chiều dài các vùng là:Lsay =2( )m , LNphan =2,5( )m , LKhu =3( )m , LChay =1( )m , LXi =0,5( )m
Từ các profin nhiệt độ và độ chuyển carbon của từng vùng đã xây dựng được profin nhiệt độ và độ chuyển hóa carbon cho toàn bộ lò khí hóa, xác định được chiều dài tổng cộng của lò là 8,5(m)
4. Từ kết quả trên có thể áp dụng để tính toán thiết kế lò khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
nguyên liệu khác nhau như: các loại than đá, các phế thải công nghiệp, các vật liệu có nguồn gốc thực vật như trấu, tre, gỗ...
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Huỳnh Thu Cúc, Hóa học than, Đại học Tại chức Bách Khoa Hà Nội 1975. 2. PGS., TS Mai Xuân Kỳ, Thiết bị phản ứng trong công nghiệp hóa học Tâp1,2 (2006), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
3. PGS., TSKH. Đặng Quốc Phú, PGS. TS. Trần Thế Sơn,
GS. TSKH. Trần Văn Phú, Truyền nhiệt, (2007), Nhà xuất bản giáo dục.
4. VũĐình Tiến, Nghiên cứu và mô hình hóa quá trình truyền nhiệt và chuyển khối trong tiến trình của hệ phản ứng dị thể Khí-Rắn, (1999), Trường Đai học Bách Khoa Hà Nôi
Tiếng Anh
5. Amundson, N, R., and L. E. Arri, “Char Gasification in a Coun-tercurrent Reactor,” AIChE J., 24, 87 (1978).
6. Arthur, J. A. Reactions between Carbon and Oxygen. Trans. Frans-day Soc. 1951, 47, 164.
7. Battacharya, A.; Salam, L.; Dudukovic, M. P.; Babu, J. Experimental and Modeling Studies in Fixed-Bed Char Gasification. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1986, 25, 988-996.
8. Biba, V.; Macak, J.; Malecha, J. Mathematical Model for the Gasification of Coal under Pressure. Ind. Eng. Chem. Prosses Des. Dev. 1978, 17, 92-98 9. Caram, H. S.; Fuentes, C. Simplified Model for a Counterrent Char Gasifier. Ind. Eng. Chem. Fundam. 1982, 21, 464-472.
10.Denn, M. M.; Shinnar, R. Coal Gasification Reactors. In Chemical Reaction and Reactor Engineering; Carberry, J. J., Varma, A.,Eds.; Marcel Dekker: New York, 1987.
Tài liệu tham khảo
Ind. Eng. Chem. Processes Des. Dev. 1980, 19, 586-592.
12. McIntosh, M. J. Mathematical Model of Drying in a Brown Coal Mill System. 1. Formulation of Model. Fuel 1976, 55, 47
13. O. Levenspiel; John Wiley & Sons Chichester; Chemical Reaction Engineering, Inc.NY.1999.
14. Sergent, G.; Smith, J. Combustion Rate of Bituminous Coal Char in the Temperature Range 800 to 1700 K. Fuel 1973, 52, 52.
15.Thimsen, D.; Mouser, R. E.; Lin, B. Y. H.; Pui, D.; Kittelson, D. Fixed-Bed Gasification Research usingU.S. Coal; DOE; Washington, DC 1985; Vol 19, Executive Summary, DOE/ET/10205-Tl.
PHỤ LỤC 1
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB MÔ PHỎNG LÒ KHÍ HÓA THAN LỚP CHUYỂN ĐỘNG
%Chuong trinh con mo ta vung say function dy = vsay(t,y) vtocs=1.5*10^-4;vtocg=3.8;r1=0.0475;h1=2259;A=78.6; K1=125; cps=1134;cpg=1239; dy = zeros(4,1); dy(1) = -r1/vtocs; dy(2) = -r1/vtocg; dy(3) = (y(3)/y(1))*(r1/vtocs)+(K1*A/(vtocs*y(1)*cps))*(y(4)-y(3)) -r1*h1/(vtocs*y(1)*cps); dy(4) = (y(4)/y(2))*(r1/vtocg)+(K1*A/(vtocg*y(2)*cpg))*(y(4)-y(3)); end
%Chuong trinh con mo ta vung nhiet phan function dy = vnp(t,y) vtocs=1.5*10^-4;vtocg=4.0;r2=0.052;h2=300;A=78.6; K2=150;cps=2520;cpg=1290; dy = zeros(4,1); dy(1) = -r2/vtocs; dy(2) = -r2/vtocg; dy(3) = (y(3)/y(1))*(r2/vtocs)+(K2*A/(vtocs*y(1)*cps))*(y(4)-y(3))- r2*h2/(vtocs*y(1)*cps); dy(4) = (y(4)/y(2))*(r2/vtocg)+(K2*A/(vtocg*y(2)*cpg))*(y(4)-y(3)); end
%Chuong trinh con mo ta vung khu function dy = vkhu(t,y); k1=9.5*10^-4;k2=9.5*10^-5;K3=225;vtocg=4.5;vtocs=2.7*10^- 4;klrtb=0.3;klr0=762; Mc=12;Mco=28;Mco2=44;Mh2=2;Mh20=18;A=78.6;cps=2.520;cpg=1.264; h1=1130.34;h2=14037.83; dy = zeros(7,1); dy(1) = klr0*(1-y(5))*Mc*k1*y(1)/(vtocg*Mh20^2); dy(2) = klr0*(1-y(5))*Mc*k2*y(2)/(vtocg*Mco2^2); dy(3) = -klr0*(1-y(5))*Mc*(k1*y(1)+2*k2*y(2))/(vtocg*Mco^2); dy(4) = -klr0*(1-y(5))*Mc*k1*y(1)/(vtocg*Mh2^2); dy(5) = (1-y(5))*(k1*y(1)+k2*y(2))/vtocs; dy(6) = y(6)*(k1*y(1)+k2*y(2))/vtocs+K3*A*(y(7)-y(6))/(vtocs*klr0* (1-y(5))*cps)-(k1*y(1)*h1+k2*y(2)*h2)/(vtocs*cps); dy(7) = y(7)*klr0*(1-y(5))*Mc*(k1*y(1)*(1/Mco+1/Mh2-1/Mh20)+k2*y(2)* (0.5/Mco-1/Mco2))/(klrtb*vtocg)+K3*A*(y(7)-y(6))/(vtocg*cpg*klrtb); end
%Chuong trinh con mo ta vung chay function dy = vchay(t,y);
r4=0.06;h4=3427.6;vtocs=3.9*10^-4;vtocg=4.5;K4=260; klrg=0.24;klrs=362;cps=0.75;cpg=1.34;A=78.6;
dy = zeros(3,1);
%Chuong trinh con mo ta vung xi function dy = vxi(t,y); vtocs=4.5*10^-4;vtocg=2.5;K5=75; klrg=0.34;klrs=493;cps=0.75;cpg=1.264;A=78.6; dy = zeros(2,1); dy(1) = -K5*A*(y(1)-y(2))/(vtocs*cps*klrs); dy(2) = -K5*A*(y(1)-y(2))/(vtocg*cpg*klrg); end
%Chuong trinh chinh mo phong lo khi hoa
[z,Y] = ode45(@vsay,[0 2],[786 0.363 25 750]); plot(z,Y(:,3),'.',z,Y(:,4),'*'); hold on; [z,Y] = ode45(@vnp,[2 3.92],[786 0.330 120.4 805.5]); plot(z,Y(:,3),'.',z,Y(:,4),'*'); [z,Y] = ode45(@vkhu,[3.92 7],[0.028 0.0028 4.43 0.85 0 788 875.3]); plot(z,Y(:,6),'b');hold on; plot(z,Y(:,7),'r');hold on; [z,Y] = ode45(@vchay,[7 8],[0.46 1092 1092]); plot(z,Y(:,1),'b');hold on; plot(z,Y(:,2),'b');hold on; plot(z,Y(:,3),'r');hold on; [z,Y] = ode45(@vxi,[8 8.5],[1137 917]); plot(z,Y(:,1),'b');hold on; plot(z,Y(:,1),'b');hold on; plot(z,Y(:,2),'r');hold on;
%Chuong trinh tinh toan can bang nhiet lo khi hoa %can bang nhiet lo khi hoa
%muc dich: tinh ra luong cacbon chay, luong cacbon khu ms0=input('nhap nang suat cua lo, ms0=');
w=input('do an cua than nguyen lieu, w='); a=input('do tro cua than nguyen lieu, a='); v=input('ham luong chat bo trong than, v='); u=input('do chuyen hoa yeu cau, u=');
%an dinh cac nhiet do cho tung vung
ts0=input('nhiet do than nguyen lieu vao, ts0='); ts1=input('nhiet do than cuoi vung say, ts1=');
ts2=input('nhiet do than cuoi vung nhiet phan, ts2='); ts3=input('nhiet do than cuoi vung khu, ts3=');
ts4=input('nhiet do than cuoi vung chay (< nhiet do chay mem cua xi), ts4=');
ts5=input('nhiet do ra cua xi than, ts5=');
tg0=input('nhiet do khong khi vao vung xi, tg0='); tg5=input('nhiet do ra cua khi than, tg5=');
d=input('nhap do chua hoi cua khong khi am bao hoa, d='); etp=input('nhap entanpi cua khong khi am, etp=');
n=input('nhap ty so nuoc du so voi luong can thiet, n='); %cac thong so hoa ly
cps=input('nhiet dung rieng cua than, cps='); cpx=input('nhiet dung rieng cua xi than, cpx=');
cpg5=input('nhiet dung rieng cua khi than am ra lo, cpg5=');
h1=34276/12;%h1=input('hieu ung nhiet phan ung C+O2, h1(kJ/kmolc)='); h2=7537.2/12;%h2=input('hieu ung nhiet phan ung C+H20, h2=');
h3=14037.8/12;%h3=input('hieu ung nhiet phan ung C+CO2, h3='); rd=input('hieu ung nhiet khi nhiet phan than, rd=');
rn=2259.3;%rn=input('nhiet hoa hoi cua nuoc, rn='); ncchay=input('so kmol cacbon chay xuat phat,ncchay='); %Luong nhiet tieu hoa
ms1=ms0-w*ms0;ms2=ms1-v*ms0; Qsay=cps*(ms1*ts1-ms0*ts0)+rn*w*ms0; Qnp=cps*(ms2*ts2-ms1*ts1)+rd*v*ms0; Qkhu=7.672*ncchay*d*h2+(u*nctong-ncchay-7.672*ncchay*d)*h3; Qhhoi=rn*n*d*138*ncchay; Qxi=(ms0*a+(1-u)*nctong*12)*cpx*ts5; Qg5=mg5*cpg5*tg5; Qth=Qsay+Qnp+Qkhu+Qhhoi+Qxi+Qg5; %Luong nhiet cung cap
Qg0=138*ncchay*etp; Qs0=ms0*ts0*cps; Qchay=ncchay*h1; Qthx=(ms0*a+(1-u)*nctong*12)*cpx*(ts4-ts5); Qcc=Qg0+Qs0+Qchay+Qthx; Plot(nchay,Qcc);hold on; Plot(nchay,Qth);