CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
3.2.1.Cân bằng khối lượng
3.2. Cân bằng trong lị hóa khí
3.2.1.Cân bằng khối lượng
3.2.1.1. Lưu lượng syngas.
Nhiệt lượng đầu ra của syngas cần phục vụ cho quá trình sản xuất hơi nước có áp suất của lị hơi Q = 50 kW. Dựa trên cơ sở này người thiết kế sẽ đưa ra ước đoán cho lượng nguyên liệu được cấp cho lị hóa khí phản ứng trong chế độ hoạt động bình thường.
𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 𝑄
34 Nhiệt trị thấp của syngas được trính tốn dựa trên thành phần khí ra. Thành phần thường được dự đốn bằng cách tính tốn dựa trên các phương trình cân bằng được mô tả ở bảng 5. Ở đây với LHVg = 4.546 MJ/N.m3 ta có thể tính được lưu lượng syngas được sản sinh trong 1 giờ như sau:
𝑉𝑔 = 𝑄 𝐿𝐻𝑉𝑔 =
65 𝑥 3600
4,546 𝑥 1000 = 50,39 𝑁. 𝑚
3/ℎ
3.2.1.2. Lượng nhiên liệu đầu vào.
Để tính tốn được lượng nhiên liệu cấp Mf đầu vào thì chúng ta sẽ tính tốn dựa theo cơng thức sau [17]:
𝑀𝑓 = 𝑄
𝐿𝐻𝑉𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 𝜂 Trong đó:
Q: Cơng suất lị hóa khí, (kJ/kg).
Mf : Khối lượng nhiên liệu tiêu hao, (kg/h)
LHVf : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (MJ/kg) 𝜂: Hiệu suất hóa khí , chọn 𝜂 = 0,7785
Mà LHVf được tính tốn theo công thức sau [38]:
𝐿𝐻𝑉𝑓 = 𝐻𝐻𝑉𝑑𝑎𝑓− 20,3. 𝐻𝑑𝑎𝑓 − 2,26. 𝑀
Trong đó:
HHVdaf: Nhiệt trị của nguyên liệu khi đã tách ẩm và tro, MJ/kg. Hdaf: Hàm lượng hydro của mẫu cháy, %.
M: Phần trăm khối lượng ẩm trong nhiên liệu, %.
𝐻𝐻𝑉𝑑𝑎𝑓 = 𝐻𝐻𝑉𝑑 . ( 1−𝑀
1−𝐴𝑠ℎ−𝑀) [38] Trong đó
35 HHVf: nhiệt trị cao của nhiên liệu khô, MJ/kg)
→ HHVdaf = 18,237 (MJ/kg).
Với các giá trị trên chúng ta tính tốn được: Lượng tiêu hao nhiên liệu
𝑀𝑓 = 𝑄 𝐿𝐻𝑉𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 𝜂 = 65 𝑥 3600 17,004 𝑥 1000 𝑥 0,7785= 17.87 ( 𝑘𝑔 ℎ )
3.2.1.3. Hệ số lượng khơng khí và tính tốn lượng khơng khí cấp.
Tỷ lệ tương đương (ER) là một thông số thiết kế quan trọng đối với bộ hóa khí. Nó là tỷ số giữa tỷ lệ khơng khí-nhiên liệu thực tế và tỷ lệ khơng khí-nhiên liệu lý thuyết. Định nghĩa này được sử dụng cho các trường hợp thiếu khơng khí.
Việc sử dụng tác nhân hóa khí là hơi nước mang lại lượng hidro cao hơn trong sản phẩm khí và một số lợi ích khác. Nhưng trong khn khổ cơng nghiệp thì hơi nước yêu cầu ở trạng thái ra phải là trạng thái hơi bão hòa hoặc quá nhiệt. Phương án sử dụng hơi nước trong lị hóa khí thuận chiều dẫn tới tăng lượng hắc ín và giảm lượng cacbon cố định được hóa khí dẫn tới việc hiệu quả năng lượng bên trong lị hóa khí phản ứng sụt giảm. Bên cạnh đó việc hóa khí diễn ra ở áp suất khí quyển làm mất đi phần lớn năng lượng của hơi nước. Với nguồn nhiên liệu hóa khí có độ ẩm cao điều đó dẫn tới một lượng lớn năng lượng bị tiêu thụ để làm hơi nước có trong nguồn năng lượng bay hơi (~2242 kJ/kg ẩm) [7]. Trong mơ hình hóa khí thuận chiều với cơng suất 65kW thì phương án tác nhân hóa khí khơng mang lại tính kinh tế trong thực tiễn vì sẽ phải sử dụng tới những vật liệu có sức bền cao và các phương án bảo đảm sự tổn thất xảy ra trong quá trình. Cho nên sử dụng tác nhân là hơi nước trong hệ thống này không khả thi.
Trong thành phần ngun liệu hóa khí hàm lượng cacbon cố định. Xét về khía cạnh hóa học tất cả các phản ứng cháy đều đưa cacbon về trạng thái bão hòa cao nhất là CO2 trong khi đó mục đích của việc hóa khí là biến các bon ở trạng thái giữ được mức năng lượng cao nhất [7]. Bên cạnh đó với việc sử dung oxi cho q trình hóa khí sử dụng rất nhiều oxi đơn chất và
36 các thiết bị điều chỉnh lưu lượng áp suất cao điều đó khơng mang lại tính kinh tế trong đồ án này. Trong mục tiêu mơ hình 65kW việc sử dụng oxi là không khả thi.
Trong bộ hóa khí, lượng khơng khí cung cấp chỉ là một phần nhỏ của lượng khí lý thuyết. Lượng khơng khí có thể được tính tốn dựa trên phân tích cuối cùng của nhiên liệu.
Chất lượng khí thu được từ bộ hóa khí phụ thuộc mạnh mẽ vào giá trị ER, giá trị này phải nhỏ hơn đáng kể 1 để đảm bảo rằng nhiên liệu được hóa khí chứ khơng bị đốt cháy. Tuy nhiên, giá trị ER quá thấp (<0,2) dẫn đến một số vấn đề, bao gồm hóa khí khơng hồn tồn, tạo than quá mức và giá trị gia nhiệt của khí sản phẩm thấp. Mặt khác, ER quá cao (> 0,4) dẫn đến việc hình thành quá nhiều sản phẩm của quá trình đốt cháy hồn tồn, chẳng hạn như CO2 và H2O, gây thiệt hại cho các sản phẩm mong muốn, chẳng hạn như CO và H2. Điều này làm giảm giá trị cấp nhiệt của khí [7].
Để đảm bảo hiệu quả chuyển đổi cacbon ở thực tế và hiệu suất chuyển đổi nhiệt được đảm bảo. Do cơng suất của hệ thống nhỏ và mục đích của việc hóa khí nhằm mang sản phẩm khí đi đốt làm nhiên liệu cho lị hơi
Với lượng mol phản ứng như trên ta tính tốn lần lượt được lượng oxy cần dùng cho quá trình đốt cháy, lượng khơng khí cần dùng cho q trình đốt cháy và lượng khơng khí lý thuyết khi sử dụng hệ số ER = 0,3 để cung cấp cho q trình hóa khí lần lượt được tính tốn theo cơng thức sau:
Lưu lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy 1kg viên nén: 𝑚𝑎 = (𝐶 12+ 𝐻 4 + 𝑆 32− 𝑂 32) × 32 0,232 = ( 0,5689 12 + 0,0708 4 + 0,0008 32 − 0,3529 32 ) × 32 0,232 = 7,463 (𝐾𝑔𝑘𝑘/𝑘𝑔𝑓 )
Vậy lượng khơng khí cần trong 1 giờ hóa khí:
𝑉𝑎𝑖𝑟 = 𝐸𝑅 × 𝑚𝑎
𝜌𝑎 × 𝑀𝑓 = 0,3 ×
7,463
1,225 × 17.87 = 32,66 𝑚
3/ℎ
Với đương lượng khơng khí lý thuyết theo cách tính trên nhóm lựa chon kết quả với Va = 32,66 m3/h làm kết quả tính tốn trong tồn bộ quá trình này.
37