Mô phỏng tính cho 1kg nhiên liệu cùng các thông số tác nhân hóa khí ở phần trên để biết thành phần syngas, nhiệt trị của syngas và hiệu suất hóa khí. Các bước thiết lập mô phỏng được tiến hành như sau:
- Bước 1: Khởi chạy phần mềm và chọn hệ mô phỏng
• Chạy chương trình , cửa sổ Start Using xuất hiện • Chọn hệ Solids/Solids with English Units
57
Hình 4.5. Khởi chạy phần mềm Aspen Plus và chọn hệ mô phỏng
- Bước 2: Khai báo cấu tử : Trong mục Components - Specifications | Selection, tiến
hành khai báo cấu tử như trong ảnh bên dưới.
Hình 4.6. Khai báo các cấu tử trong phần mềm Aspen Plus
- Trong đó:
+ RDF và ASH được định nghĩa ở dạng Nonconventional
+ C ở dạng Solid
58
- Bước 3: Chọn hệ nhiệt động
• Trong mục Methods - Specifications | Global, chọn gói nhiệt động IDEAL:
Hình 4.7. Lựa chọn gói nhiệt đông IDEAL
- Bước 4: Khai báo tính chất cấu tử RDF và ASH
• Trong mục Methods - NC Props | Property Methods, tiến hành khai báo các thông số cho các cấu tử dạng Nonconventional
• Vì đây là các cấu tử không thông thường - Nonconventional nên sử dụng mô hình HCOALGEN và DCOALIGT để tính giá trị enthalpy và khối lượng riêng với các giá trị được nhập như sau:
59
Hình 4.8.1. Thiết lập mô hình enthalpy cho RDF
60 - Cho cấu tử ASH:
Hình 4.9. Thiết lập mô hình enthalpy cho RDF
• Sau đó bấm Next, cửa sổ Required Properties Input Complete xuất hiện, chọn Go to Simulation environment để bắt đầu mô phỏng.
- Bước 5: Xây dựng sơ đồ mô phỏng quá trình
• Trong thanh công cụ Model Palette, nhập các dòng và thiết bị mô phỏng như sau:
61 • Trong mục Setup | Global, tiến hành khai báo các thông tin sau:
Hình 4.11. Thiết lập tổng quát cho mô phỏng
- Trong đó:
+ Title: đặt tên cho quá trình được mô phỏng.
+ Global unit set: METSOLID tương ứng với lựa chọn mô phỏng cho hệ rắn với hệ đo MET.
+ Stream class: MCINCPSD tương ứng với các dòng có sự trộn lẫn giữa chất rắn thông thường và chất rắn không thông thường với sự phân bố kích thước hạt.
- Flow basis: chọn lưu lượng khối lượng cho tất cả các dòng.
- Bước 6: Nhập dữ liệu các dòng
62
Hình 4.12. Thiết lập dòng vật liệu không khí
• Dòng nguyên liệu RDF:
Hình 4.13.1. Thiết lập dòng vật liệu viên nén RDF
63
Hình 4.13.3. Thiết lập dòng vật liệu viên nén RDF
- Bước 7: Khai báo cho các thiết bị
- Thiết bị DECOMP:
64
Hình 4.14.2. Thiết lập khối Ryield (2)
Hình 4.14.3. Thiết lập khối Ryield (3)
- Thiết bị GASIFIER
65
Hình 4.15.2. Thiết lập khối RGibbs (2)
- Thiết bị SAPARATE:
Hình 4.16. Thiết lập khối SAPARATE
- Bước 8: Tạo khối CALCULATOR
Chọn Flowsheeting Options | Calculator.
66 Thiết lập các biến như hình bên dưới:
67
- Bước 9: Chạy mô phỏng, ta thu được kết quả
Hình 4.18. Kết quả thành phần mol của syngas
Đối với mô phỏng với tác nhân không khí kết hợp hơi nước: *Bổ sung thêm dòng STEAM vào Main Flowsheet
Hình 4.19. Vẽ flowsheet cho mô phỏng với tác nhân là không khí kết hợp hơi nước
68
Hình 4.20. Thiết lập dòng vật liệu hơi nước
69
Bảng 4.17. Tóm tắt mô phỏng bằng ASPEN
Thiết bị Dòng vào Dòng ra Mô tả
TB DECOMP
(RYield)
RDF INGASIFI RDF được định nghĩa là cấu tử giả định trong được tách ra thành các cấu tử tạo thành có sẵn trong thư viện như: cacbon, hydro, oxy… dựa vào số liệu khai báo ở phần Ultimate.
Thành phần rắn không thông thường không thể tham gia phản ứng vì thế ta cần phân hủy chất rắn không thông thường này thành các cấu tử tham gia phản ứng như C, H2, O2, N2, S… TB phản ứng GASIFIER (RGibbs) INGASIFI AIR
PRODUCTS Xảy ra các phản ứng sinh khí trong lò hóa khí, thành phần sản phẩm được xác định dựa trên tính toán tối thiểu năng lượng Gibbs TB tách SEPARETE (SSplit) PRODUCTS SYNGAS ASH
Tách dòng sản phẩm sau quá trình hóa khí thành hai phần khí syngas và ash.
Mô tả quá trình mô phỏng: Dòng RDF được định nghĩa trong ASPEN PLUS là cấu tử không thông thường và khối Rgibbs không thể tính toán cho cấu tử không thông thường nên cần phải đưa vào khối DECOMP (Ryield) để phân hũy RDF không thông thường thành
70 các cấu tử cơ bản có sẵn trong thư viện của ASPEN PLUS. Khối Ryield thực hiện dựa trên phân tích cuối cùng của viên nén RDF mà phân tích cuối cùng phần mềm yêu cầu khi nhập vào không có thành phần ẩm. Để đảm bảo cân bằng khối lượng, ta cần tạo thêm một khối tính toán (GASIFI CALCULATOR) để tính thành phần RDF có thêm ẩm sau đó khối DECOMP tính toán các cấu tử cơ bản dựa vào thành phần của RDF. Nhiệt dùng cho quá trình phân hũy trên được lấy từ nhiệt tỏa ra từ khối RGibbs . Các cấu tử cơ bản được tách ra thành dòng INGASIFI sẽ được đưa vào khối GASIFIER (RGibbs). Cùng lúc đó, tác nhân khí hóa là dòng AIR cũng được thêm vào khối GASIFIER. Tại khối GASIFIER, quá trình cân bằng hóa học được diễn ra theo nguyên tắc tối thiểu năng lượng Gibbs với các thành phần đã được cài đặt ở đầu ra là sản phẩm của quá trình khí hóa. Sau cùng dòng sản phẩm ra khỏi khối GASIFIER được đưa vào SEPARETE để tách thành phần rắn và khí ra khỏi hỗn hợp.
71
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1. Kết quả mô phỏng
Mô phỏng quá trình hóa khí viên nén RDF đã được xây dựng dựa trên nguyên tắc tối thiểu năng lượng Gibbs để tìm ra thành phần syngas của quá trình hóa khí với tác nhân hóa khí là không khí, không khí đã được gia nhiệt và không khí kết hợp hơi nước nhằm đưa ra phương án thiết kế và tìm điều kiện vận hành hiệu quả cho quá trình hóa khí viên nén RDF.
5.1.1. Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là không khí
Viên nén RDF với phân tích thành phần sơ bộ và phân tích thành phần cuối cùng như bảng 4.13 đã được mô phỏng tính toán với các hệ số ER từ 0.2 đến 0.5.
Hình 5.1. Sự thay đổi các thành phần thể tích syngas theo hệ số ER
Theo hình 5.1, nồng độ khí CO và H2 có xu hướng giảm đi khi tăng cường cấp không khí cho lò hóa khí. Khí CO có thành phần thể tích cao nhất đạt 25.01% tại ER = 0.25 và giảm dần còn 11.88% tại ER = 0.5. Khí H2 có thành phần thể tích cao nhất đạt 23.73% tại ER = 0.2 và giảm dần về 4.16% tại ER = 0.5. Cùng với sự giảm của CO và H2 thì CO2 và H2O có xu hướng tăng. Khí CO2 có thành phần thể tích thấp nhất là 5.66% tại ER = 0.25 và tăng lên đến 9.46% tại ER = 0.5. Sự có mặt của CH4 trong syngas là rất ít (dưới 1%) và bằng 0 khi đạt ER = 0.3 trở đi. Nguyên nhân là do sự có mặt của oxi làm tăng cường các phản ứng oxi (phản ứng cháy). Nồng độ khí N2 chiếm thể thích rất lớn và tăng
0 10 20 30 40 50 60 70 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 % Thể tích ER CO CO2 H2 H2O CH4 N2
72 khi ta tăng cường cung cấp không khí vì N2 chiếm rất nhiều trong thành phần không khí, việc cấp không khí nhiều hơn sẽ làm cho sự có mặt của N2 càng nhiều. Điều này phù hợp với nghiên cứu của Rukshan Jayathilake và Rudra [32].
Hình 5.2. Đồ thị sự thay đổi của nhiệt trị và thể tích của syngas theo hệ số ER
Hình 5.2 cho thấy rằng, nhiệt trị của syngas giảm từ 5.782 (MJ/Nm3) về 1.947 (MJ/Nm3) khi hệ số ER tăng từ 0.2 đến 0.5. Nguyên nhân là thành phần CO2, H2O, N2 tăng khi tăng hệ số ER, làm giảm nhiệt trị của syngas. Lưu lượng syngas tăng từ 2.447 (Nm3/kgf) đến 4.095(Nm3/kgf) khi hệ số ER tăng từ 0.2 đến 0.5 do sự không khí cấp vào nhiều sẽ làm tăng lưu lượng khí đầu ra. Điều này phù hợp với nghiên cứu của Ramin Khezri và cộng sự [33].
Hình 5.3. Đồ thị sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt theo hệ số ER
0 1 2 3 4 5 6 7 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 G iá trị ER LHV (MJ/Nm3) Thể tích sinh khí (Nm3/kgf) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 H iệ u suấ t ch u yể n đ ổ i n h iệ t(% ) ER
73 Hình 5.3 cho thấy rằng, hiệu suất của quá trình hóa khí có xu hướng giảm khi tăng cường cấp không khí cho quá trình hóa khí. Hiệu suất cao nhất đạt 85.88% tại ER = 0.2 và giảm mạnh về 44.12% tại ER = 0.5. Theo hình 5.2, nhiệt trị thấp của syngas tại ER = 0.2 là 5.782 (MJ/m3) cao hơn nhiệt trị của syngas tại ER = 0.25 là 5.464(MJ/m3) nhưng hiệu suất chuyển đổi nhiệt tại ER = 0.2 có giá trị 78.26% thấp hơn 85.88% tại ER = 0.25.
5.1.2. Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là hơi nước kết hợp không khí
Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tác nhân hóa khí không khí kết hợp với hơi nước cũng đã được mô phỏng tính toán với các hệ số SBR: 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1 tương ứng với mỗi hệ số SBR là các hệ số ER: 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5.
Hình 5.4. Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO với các đương lượng không khí – hơi nước khác nhau 0 5 10 15 20 25 30 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Th àn h p h ần % ER SBR 0 SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR 1
74
Hình 5.5. Sự thay đổi thành phần thể tích khí H2 với các đương lượng không khí – hơi nước khác nhau
Qua hình 5.4 và 5.5, ta thấy rằng thành phần của khí CO sẽ giảm và thành phần khí H2 sẽ tăng khi có mặt của hơi nước trong quá trình hóa khí. Tại SBR = 0 (không cấp hơi nước), ta thấy rằng, thành phần khí CO cao nhất đạt 25.01% tai ER = 0.25 và thấp nhất đạt 11.88% tại ER = 0.5. Khi cho hơi nước tham gia vào quá trình hóa khí tại SBR = 0.4, thành phần khí CO cao nhất đạt 14.44% tai ER = 0.25 và thấp nhất đạt 8.69% tại ER = 0.5. Tiếp tục tăng lượng hơi nước đầu vào đến SBR = 1, thành phần khí CO cao nhất chỉ đạt 7.56% tại ER = 0.35 và thấp nhất đạt 5.14% tại ER = 0.2. Trong trạng thái không cấp hơi nước, SBR = 0, thành phần khí H2 cao nhất đạt 23.73% tại ER = 0.2 và thấp nhất đạt 4.16% tại ER = 0.5. Nếu cấp hơi nước đến SBR = 0.6, ta thấy rằng thành phần thể tích của khí H2 cao nhất đạt 26.88% tại ER = 0.2 và thấp nhất đạt 5.89% tại ER = 0.5. Khi tiếp tục tăng hệ số đương lượng hơi nước đến SBR = 0.8 và SBR = 1 thì thành phần khí H2 thay đổi không đáng kể so với SBR = 0.6. 0 5 10 15 20 25 30 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Th àn h p h ần (% ) ER SBR 0 SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR 1
75
Hình 5.6. Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO2 với các đương lượng không khí – hơi nước
Theo hình 5.6, ta thấy rằng phần phần khí CO2 sẽ tăng khi hơi nước tham gia vào quá trình hóa khí. Tại SBR = 0, thành phần khí CO2 cao nhất đạt 9.46% tại ER = 0.5 và thấp nhất đạt 5.66% tại ER = 0.25. Khi SBR = 0.6, thành phần khí CO2 cao nhất đạt 15.03% tại ER = 0.2 và thấp nhất đạt 9.83% tại ER = 0.4. Tiếp tục tăng SBR = 1, thành phần khí CO2 cao nhất đạt 15.94% tại ER = 0.2 và thấp nhất đạt 10.32% tại ER = 0.45.
Sự tăng lên của thành phần các khí H2 , CO2 và sự suy giảm của khí CO khi có sự tham gia của hơi nước vào quá trình hóa khí là phù hợp với lý thuyết. Vì phản ứng “Water Gas Shift” CO + H2O -> CO2 + H2 (R3.7) là phản ứng thuận nghịch nên khi tăng nồng độ hơi nước trong quá trình hóa khí thì sẽ thúc đẩy chuyển dịch phản ứng Water Gas Shift theo chiều thuận.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Th àn h p h ần (% ) ER SBR 0 SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR 1
76
Hình 5.7. Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí với các đương lượng không khí – hơi nước
Hình 5.7 cho ta thấy rằng, nhiệt độ của quá trình hóa khí sẽ giảm khi có mặt của hơi nước trong quá trình hóa khí. Khi hóa khí không sử dụng hơi nước (SBR = 0), nhiệt độ hóa khí sẽ tăng theo hệ số đương lượng ER, cao nhất đạt 1569oC tại ER = 0.5 và thấp nhất đạt 693.94oC tại ER = 0.2. Khi cấp hơi nước vào với đương lượng SBR = 0.6 thì nhiệt độ hóa khí cao nhất đạt 1365.56oC tại ER = 0.5 và thấp nhất đạt 604.38oC tại ER = 0.2. Nếu tiếp tục cấp hơi nước đến SBR = 1, nhiệt độ hóa khí cao nhất đạt được là 1251.61oC tại ER = 0.5 và thấp nhất đạt 572.56oC tại ER = 0.2. Nguyên nhân của việc này là do sự có mặt của hơi nước, thúc đẩy các phản ứng thu nhiệt diễn ra làm giảm nhiệt độ hóa khí. Phản ứng thu nhiệt chủ yếu: C + H2O -> CO + H2 (R3.9).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 N h iệ t độ (o C) ER SBR 0 SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR 1
77
Hình 5.8. Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với các đương lượng không khí – hơi nước
Nhìn chung, hình 5.8 cho thấy rằng giữa việc hóa khí sử dụng tác nhân không khí có phẩn nhỉnh hơn tác phân hóa khí là không khí kết hợp hơi nước. Tại ER = 0.25, khi không sử dụng hơi nước (SBR=0) thì hiệu suất chuyển đổi nhiệt đạt 85.55% trong khi hiệu suất lần lượt của các trường hợp SBR = 0.2, SBR = 0.4, SBR = 0.6, SBR = 0,8 và SBR = 1 là 84.66% , 83.59%, 82.78%, 82.1% và 81.44%. Chênh lệch giữa việc không sử dụng hơi nước và sử dụng với đương lượng SBR = 1 là 4.11%.
5.1.3. Kết quả mô phỏng đối với tác nhân hóa khí là không khí có gia nhiệt sơ bộ
Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đầu vào đến quá trình hóa khí cũng đã được thực hiện với từng nhiệt độ như sau 25oC, 100oC, 200oC, 300oC, 400oC, 500oC.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 H iệ u s u ất ch u yể n đ ổ i n h iệ t (% ) ER SBR 0 SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR 1
78
Hình 5.9. Sự thay đổi thành phần khí CO theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER
Hình 5.9 cho ta thấy rằng, thành phần khí CO có xu hướng tăng khi ta tăng nhiệt độ không khí cấp cho quá trình hóa khí. Khi không có gia nhiệt sơ bộ cho không khí, thành phần khí CO đạt lớn nhất là 25.01% tại ER=0.25. Khi nhiệt độ không khí được gia nhiệt đến 500oC thì thành phần khí CO lớn nhất đạt đến 28.45%. Đồ thị còn cho thấy rằng, khi có gia nhiệt sơ bộ cho không khí càng nhiều thì thành phần khí CO càng được cải thiện.
Hình 5.10. Sự thay đổi thành phần khí CO2 theo nhiệt độ không khí đầu vào và hệ số ER
0 5 10 15 20 25 30 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Th àn h p h ần % ER
Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC