Tên hằng số Kí hiệu Giá trị
DENIGT/1 𝑎1𝑖 0,4397
DENIGT/2 𝑎2𝑖 0,1223
DENIGT/3 𝑎3𝑖 -0,01715
DENIGT/4 𝑎4𝑖 0,001077
4.1.1.3. Nguyên tắc tối thiểu năng lượng Gibbs trong Aspen Plus
Do thiếu các hệ số tỉ lượng trong cả quá trình nên trong phạm vi đồ án này, phương pháp tối thiểu hóa năng lượng tự do Gibbs hay cịn gọi là mơ hình cân bằng khơng hệ số tỉ lượng sẽ được sử dụng.
Trong mơ hình hóa khơng tỉ lượng, các phản ứng cụ thể không cần thiết lập để giải quyết bài toán. Trong hệ phản ứng, điều kiện cân bằng ổn định khi năng lượng tự do Gibbs đạt giá trị nhỏ nhất. Thông số duy nhất cần thiết là các phần tử thành phần của dòng nhập liệu, dựa vào phân tích thành phần cuối cùng nên đây là một trong những phương pháp phù hợp cho các ngun liệu như sinh khối, những chất khơng có cơng thức phân tử chính xác. Năng lượng tự do Gibbs (Gtotal) cho sản phẩm khí hóa bao gồm N chất (i = 1…N) được cho như sau
𝐺𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑𝑁𝑖=1𝑛𝑖∆𝐺𝑓,𝑖𝑜 + ∑ 𝑛𝑖𝑅𝑇𝑙𝑛( 𝑛𝑖
∑ 𝑛𝑖)
𝑁
𝑖=1 (1) ∆𝐺𝑓,𝑖𝑜 : năng lượng tự do Gibbs của cấu tử i ở áp suất tiêu chuẩn 1.01325 bar Phương trình (1) được giải để tìm giá trị chưa biết ni để tối thiểu hóa Gtotal thơng qua việc bảo tồn khối lượng tổng của các cấu tử đơn. Ví dụ như là lượng carbon được xác định bởi phân tích cuối cùng phải bằng với tổng lượng carbon trong hỗn hợp khí sản phẩm. Do đó ở mỗi phần tử thứ j:
∑𝑁𝑖=1𝑎𝑖,𝑗𝑛𝑖 = 𝐴𝑗 (2) aij: số lượng nguyên tử của thành phần thứ j trong cấu tử i
52 Aj: Tổng số nguyên tử của thành phần thứ j đưa vào thiết bị
Giá trị ni được tìm để Gtotal đạt giá trị nhỏ nhất. Phương pháp Lagrange được sử dụng để giải các phương trình này.
Hàm tốn Lagrange (L) được định nghĩa như sau: L = Gtotal - ∑𝐾 𝑗
𝑗=1 (∑𝑁𝑖=1𝑎𝑖𝑗𝑛𝑖− 𝐴𝑗) (kJ/mol) (3) : nhân tử Lagrangian cho phần tử thứ j
Để tìm điểm cực, chia phương trình (3) cho RT và lấy đạo hàm. Sau đó giải phương trình đạo hàm riêng bằng 0 để tìm điểm cực trị.
𝜕𝐿
𝜕𝑛𝑖 = 0
Thế giá trị Gtotal từ phương trình (1) vào (3) và sau đó lấy đạo hàm, và phương trình cuối cùng có dạng như sau:
(𝜕𝐿 𝜕𝑛𝑖) = ∆𝐺𝑓,𝑖 𝑜 𝑅𝑇 + ∑ ln ( 𝑛𝑖 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) 𝑁 𝑖=1 + 1 𝑅𝑇∑𝐾𝑗=1𝑗(∑𝑁𝑖=1𝑎𝑖𝑗𝑛𝑖)= 0
4.2. Mơ phỏng q trình hóa khí trên phần mềm Aspen Plus
4.2.1. Các giả định trong mô phỏng
Một số giả định được đưa ra khi phát triển mơ hình, bao gồm những điều sau: - Lị hóa khí vận hành đẳng nhiệt và ở trạng thái ổn định
- Áp suất vận hành là 1 atm (áp suất khí quyển) và bỏ qua tổn thất áp suất - Khơng có oxit nitơ và oxit lưu huỳnh được tạo thành
- Tổn thất nhiệt của lị hóa khí là khơng đáng kể
- Lượng hắc ín trong khí tổng hợp được cho là không đáng kể
- Bỏ qua sự phân bố kích thước hạt của viên nén vào trong thiết bị khí hóa - Chuyển hóa cacbon trong lị phản ứng đạt 100%.
53
4.2.2. Thông số đầu vào
4.2.2.1. Thông số viên nén RDF
Nhiên liệu sử dụng cho mơ phỏng hóa khí là viên nén RDF [40]. Viên nén có thơng số phân tích thành phần như sau:
Bảng 4.13. Phân tích thành phần viên nén RDF[40]
Phân tích cuối cùng C H O N S A
Viên nén RDF Pellet (db) 45.26 5.62 28.08 0.53 0.07 20.44 Viên nén RDF Pellet (daf) 56.89 7.08 35.29 0.66 0.08 -
Phân tích sơ bộ Fixed C Volatile Ash Moisture HHV (MJ/kg)
LHV (MJ/kg) Viên nén RDF Pellet (adb) 11.95 63.44 19.37 5.24 18.237 17.004
54
4.2.2.2. Thơng số tác nhân hóa khí
4.2.2.2.1. Hệ số đương lượng khơng khí ER
Hệ số đương lượng khơng khí (ER) là tỉ số giữa lượng khơng khí cấp vào cho q trình hóa khí 1kg nhiên liệu và lượng khơng khí lý thuyết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu: , , ER = kk hoakhi kk chay m m Trong đó:
mkk,hoakhi là lượng khơng khí cấp cho q trình hóa khí 1kg nhiên liệu (kgkk/kgf) mkk,chay là lương khơng khí lý thuyết để đốt cháy hoàn tồn 1kg nhiên liệu (kgkk/kgf), được tính theo công thức:
, 32 . 12 4 32 32 0.232 = + + − kk chay CHSO m
Trong đó: C, H, S, O lần lượt là thành phần khối lượng của C, H, S, O có trong 1 kg nhiên liệu (daf)
, 32 . 12 4 32 32 0.232 0.5689 0.0708 0.0008 0.3529 32 12 4 32 32 0.232 7.463 ( / ) = + + − = + + − = kk chay kkf CHSO m kgkg
Dựa vào công thức hệ số tỉ lượng đã nêu trên, ta có bảng Thơng số hệ số đương lượng khơng khí cho q trình hóa khí (ER):
Bảng 4.14. Thơng số hệ số đương lượng khơng khí cho q trình hóa khí (ER)
ER 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
mkk,hoakhi (kgkk/kgf)
55 Khơng khí đầu vào có thành phần thể tích: O2 chiếm 21%, N2 chiếm 71%, áp suất khí quyển 1.01325 bar, nhiệt độ khơng khí ngồi mơi trường xem như 25oC. Các trường hợp có gia nhiệt cho khơng khí thì khơng khí có nhiệt độ lần lượt là 50oC, 75oC và 100oC.
4.2.2.2.2. Hệ số đương lượng hơi nước SBR
Hệ số đương lượng hơi nước (SBR) được hiểu là tỉ lệ giữa lượng hơi nước cấp cho q trình hóa khí và lượng nhiên liệu hóa khí.
= hoinuoc nhienlieu m SBR m Trong đó:
mhoinuoc là lượng hơi nước cấp cho q trình hóa khí (kg) mnhienlieu là lượng nhiên liệu hóa khí (kg)
Ta có bảng Thơng số hệ số đương lượng hơi nước cấp cho q trình hóa khí (SBR):
Bảng 4.15. Thông số hệ số đương lượng hơi nước cấp cho q trình hóa khí (SBR)
SBR 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
mhoinuoc (kg) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Hơi nước được cấp vào là hơi nước có áp suất 1.01325 bar và nhiệt độ 100oC. Các trường hợp sử dụng tác nhân hơi nước kết hợp khơng khí cho q trình hóa khí thì lượng hơi nước cấp vào lần lượt là 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1 (kg) và lượng khơng khí được cấp vào như bảng 4.14.
4.2.3. Lựa chọn hệ nhiệt động
Đối với mơ hình hóa khí RDF, gói nhiệt động IDEAL được sử dụng vì những lí do:
‒ Mơ phỏng hệ hydrocarbon và khí nhẹ: do thành phần khí trong q trình khí hóa chủ yếu là: CO, H2, CH4, CO2, O2, N2, H2O
56
4.2.4. Lựa chọn thiết bị mô phỏng
Dựa trên các quá trình diễn ra trong q trình hóa khí và các thiết bị được hỗ trợ trong Aspen Plus, mơ hình mơ phỏng trong đồ án sử dụng các thiết bị sau: