CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.2. Cơ sở lý thuyết về mơ phỏng hóa khí
3.2.2. Các mơ hình mơ phỏng hóa khí
3.2.2.1. Mơ hình cân bằng nhiệt động lực học
Trong mơ hình cân bằng cho q trình hóa khí, thành phần của syngas được dự đốn thơng qua giả thiết rằng các chất phản ứng hoàn toàn trộn lẫn với nhau và phản ứng
34 ở điều kiện trạng thái ổn định. Mơ hình này tính tốn cân bằng khối lượng, nhiệt và năng lượng trong tồn bộ lị hóa khí hoặc trong một số phần nhất định của lị hóa khí để xác định gần đúng thành phần khí đầu ra. Mơ hình này được tiếp cận bằng 2 phương pháp: stoichiometric và non-stoichiometric.
Trong phương pháp stoichiometric, hằng số cân bằng được sử dụng để xác định một tập hợp các phản ứng hóa học xảy ra trong lị phản ứng. Các phản ứng quan trọng nhất được xem xét và các phản ứng khác bị bỏ qua có thể dẫn đến sai số nhỏ. Trong phương pháp non-stoichiometric, không cần cơ chế phản ứng để giải quyết vấn đề thông qua việc sử dụng tối thiểu hóa năng lượng tự do Gibbs. Phương pháp này phức tạp hơn một chút nhưng có lợi vì khơng cần phải có kiến thức phức tạp về các phản ứng hóa học. Nó rất thích hợp cho khí hóa sinh khối và RDF, vì thành phần nguyên tố của nguyên liệu là tất cả những gì cần thiết để có được cơng thức hóa học thơng qua phân tích cuối cùng.
Các mơ hình cân bằng có thể đơn giản, nhưng chúng có thể mơ tả các thơng số khí hóa khác nhau và thành phần của khí sản xuất khá chính xác. Điều này đặc biệt đúng đối với lị khí hóa downdraft vì nó thường hoạt động gần với các điều kiện cân bằng [22]. Tuy nhiên, phương pháp cân bằng có những hạn chế. Vì cân bằng nhiệt động lực học khơng xuất hiện khi nhiệt độ hoạt động thấp, nên phương pháp cân bằng không phải là phương pháp dự đốn chính xác cho lị hóa khí trong điều kiện này. Tuy nhiên, phương pháp cân bằng đã được sử dụng thành cơng trong việc mơ hình hóa q trình khí hóa trong lị hóa khí downdraft trong nhiều nghiên cứu.
3.2.2.2. Mơ hình động học
Mơ hình động học có khả năng dự đốn nhiệt độ và cấu hình thành phần khí bên trong bộ khí hóa. Nó cũng có thể dự đốn hiệu suất tổng thể của bộ khí hóa khi các điều kiện hoạt động nhất định của bộ khí hóa được đưa ra làm đầu vào. Mơ hình động học xem xét cả phản ứng thủy động lực học và động học bên trong lò phản ứng, điều này rất quan trọng nếu thời gian lưu trú cần thiết để chuyển đổi hoàn toàn là đủ lâu. Do đó, nhiệt độ vận hành thấp có xu hướng phù hợp hơn ,nhiệt độ thấp hơn khi so với mơ hình cân bằng. Mơ hình động học có xu hướng chun sâu về mặt tính tốn và độ phức tạp của chúng sẽ tăng lên khi cần biết nhiều biến đầu ra của mơ hình.
35 Khi động học phản ứng được xem xét bên trong lị hóa khí, cân bằng thủy động lực học, khối lượng và năng lượng được sử dụng để xác định lượng hắc ín, than non và khí ở các điều kiện vận hành được sử dụng làm đầu vào. Mơ hình động học nhạy cảm với hỗn hợp khí và rắn trong lị hóa khí, do đó mơ hình động học có thể được chia thành các loại tầng cố định, tầng sôi và cuốn. Mặt khác, thủy động lực học xem xét các thơng số từ q trình hịa trộn trong lị phản ứng. Các mơ hình sau có thể được phát triển từ thủy động lực học của lị phản ứng: khơng chiều, một chiều, hai chiều và ba chiều.
3.2.2.3. Mơ hình CFD
Mơ hình CFD giải quyết các phương trình bảo tồn khối lượng, năng lượng, động lượng và chất bên trong các vùng cụ thể của lị hóa khí. Mơ hình này kết hợp cả mơ hình động học và cân bằng để mang lại những lợi thế của cả hai mơ hình. Đối với lị hóa khí , các mơ hình CFD dự đốn nhiệt độ và lượng syngas rất chính xác khi thủy động lực học khí hóa được biết đến và được sử dụng làm đầu vào. Nó kết hợp phản ứng hóa học và dịng hạt trong bộ khí hóa. Đây là thách thức và tính tốn nặng nề trong CFD vì sự phức tạp của mơ hình. Các mơ hình CFD đã được sử dụng với tần suất ngày càng tăng để nghiên cứu hiệu suất của các lị hóa khí khác nhau với các thông số, nguyên liệu và thông số kỹ thuật thiết kế khác nhau [22].
Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) sử dụng tích hợp các phương trình chủ đạo điều chỉnh q trình truyền nhiệt và dịng chất lỏng để mơ tả quá trình vận chuyển của sự khuếch tán trong dòng chảy ở trạng thái ổn định. Bước đầu tiên của quá trình này là tách miền hình học thành các khối hữu hạn. Khi đó mỗi phần tử rời rạc có các phương trình vi phân từng phần được tích hợp trên chúng thành các phương trình đại số. Các phương trình này được giải một cách hệ thống để tính tốn các giá trị cho các biến mong muốn.
FVM biến các số hạng trong phương trình bảo tồn thành các thơng lượng mặt và đánh giá chúng và các mặt của các thể tích hữu hạn. Thơng lượng thực bằng 0 vì từ thơng đi vào một thể tích nhất định bằng với thơng lượng rời khỏi thể tích tiếp theo. Trong FVM, việc thực hiện các điều kiện biên rất dễ dàng vì các biến chưa biết được đánh giá ở trung tâm của các khối riêng lẻ chứ không phải ở mặt biên của chúng. Điều này làm cho FVM được bảo toàn nghiêm ngặt và trở thành một phương pháp tối ưu cho CFD [23]. Các ứng dụng liên quan đến dòng lưu chất, truyền nhiệt và truyền khối rất thích hợp để sử dụng với
36 FVM và do đó FVM đã phát triển đồng thời và chặt chẽ với công nghệ CFD. Các ứng dụng phức tạp hiện có thể được giải quyết với sự trợ giúp của CFD và FVM.
3.2.2.4. Mơ hình ANN
ANN là mạng nơron sử dụng dữ liệu thí nghiệm bắt chước hoạt động của não người để giải quyết các mơ hình theo cách giống con người và để tự học. Phương pháp này cho một kết quả số mà khơng cần một giải pháp phân tích chính xác. Tuy nhiên, nếu dữ liệu đầu vào khác nhiều so với dữ liệu gốc mà nó được lập mơ hình thì nó có thể trả về kết quả khơng chính xác. Do đó, ANN khơng thể được sử dụng nếu khơng có đủ dữ liệu và cần phải có sự siêng năng để hiệu chỉnh và đánh giá các hằng số trong mơ hình. ANN đã được sử dụng với mức độ thành công hạn chế nhưng đang tiến triển để dự đốn thành phần và sản lượng khí trong thiết bị khí hóa. CFD đơi khi được phân loại là ANN [22].
37