CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
5.2 Kết quả thực nghiệm
5.2.3. Kết quả đo nhiệt độ so sánh với mô phỏng
Hình 5.21. Hình ảnh khoang nhiệt khí hóa tại thời điểm t =15 phút
Hình 5.22. Hình ảnh khoang nhiệt khí hóa tại thời điểm t =30 phút
Đây là hình ảnh quét được từ camera nhiệt và đã được xử lí trên máy tính để được hình ảnh rõ nét và chính xác hơn. Ta thấy rằng sau khoảng thời gian khí hố khoảng 30 phút thì vùng cháy lan rộng khắp khối phản ứng và có xu hướng theo về lỗ thu khí. Nhiệt độ tại tâm phản ứng là cao nhất khoảng 345 oC.
Hình 5.23. so sánh kết quả khoang nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm
- So sánh với kết quả truyền nhiệt từ mô phỏng, ta thấy được sự tương đồng về hình dạng khoang truyền nhiệt và miền nhiệt độ. Điều đó chứng tỏ thực nghiệm và mô phỏng gần giống nhau.
5.2.4. Sản phẩm khí sinh ra có thể cháy được
- Khi đưa một que đóm sắp tàn vào ống thu khí sản phẩm, que đóm bùng cháy trở lại. Điều này chứng tỏ đã có khí cháy được sinh ra tại miệng ống. thí nghiệm này được tiến hành nhiều lần với nhiều phương pháp đốt cháy khác nhau như: đốt que đóm, đốt giấy và đốt trực tiếp khí cháy trên miệng ống thu khí cho ta được một ngọn lửa cháy mầu xanh nhạt trên miệng ống và duy trì sự cháy trong xuất khoảng thời gian khí hố đến hơn 30 phút.
Hình 5.24. Hình ảnh que đốm bùm cháy trở lại khi đưa vào miệng ống thu khí
5.2.5. Kết quả hổn hợp khí phân tích được sau khi dùng máy phân tích khí Testo 350-XL
Để xác định và đo được thành phần các khí sản phẩm cháy là CO, H2 tại miệng ống thu khí trên mơ hình thực nghiệm. sau khi lị vận hành ổn định ta xử dụng các đầu cảm biến của máy phân tích khí để xác định thành phần khí cháy theo từng thời điểm và ta được bảng kết quả như sau:
Bảng 5.2: Kết quả phân tích thành phần khí sản phẩm Thời điểm (phút) O2 (%) CO (mg/m3) CO2 (%) H2 (mg/m3) NO (mg/m3) NO2 (mg/m3) 5 0 1170 11,82 35 0 0 10 0 1425 11,76 52 6 0 15 0 2479 11,72 73 1 0 20 0 2988 13,84 96 2 0 25 0 3815 11,62 98 7 0 30 0 3758 11,61 106 1 0 35 0 4505 11,57 122 1 0 40 0 4873 11,55 126 0 0
- Nhận xét
+ Về cơ bản đã đo được nồng độ khá lớn của các chất khí cháy được như CO, H, NO, ... Riêng về khí CH4 do cảm biến của máy phân tích khí Testo 350XL bị hỏng nên khơng đo được nồng độ của CH4.
+ Việc nồng độ các chất đều tăng theo thời gian do nguyên nhân phản ứng xảy ra trên vùng thể tích lớn hơn. Điển hình như nồng độ CO ngày càng tăng do càng có nhiều Carbon tham gia phản ứng.
+ Nồng độ H2 thay đổi một phần do cảm biến của máy và một phần lượng nước trong than bốc hơi ra không liên tục, một phần tham gian phản ứng tạo khí metan. Để dễ đánh giá được nơng độ khí sản phẩm thu được ta đổi đơn vị qua mol/ m3 và được kết quả như bảng sau:
Bảng 5.3. Bảng quy đổi nồng độ các chất từ mg/m3 sang mol/m3. Thời điểm (phút) CO (mol/m3) H2 (mol/m3) 5 0,041786 0,0175 10 0,050893 0,026 15 0,088536 0,0365 20 0,106714 0,048 25 0,13625 0,049 30 0,134214 0,053 35 0,160893 0,061 40 0,174036 0,063
Với công thức quy đổi: n m(mol m/ 3)
M
+ m: khối lượng của chất (g/m3)
+ M : khối lượng mol của chất (g/mol) - So sánh với kết quả mơ phỏng
Hình 5.25. So sánh q trình truyền chất giữa mơ phỏng và thực nghiệm
+ Kết quả mô phỏng và thực nghiệm xấp xỉ bằng nhau với mức chênh lệch lớn
nhất 3
max 0,121 0,109 0,012(mol m/ )
,
sai số so với lý thuyết lớn nhất 0, 012 9, 6% 0,121
.
Bảng 5.4. Bảng tính nhiệt trị theo thể tích của sản phẩm khí. Thời điểm (phút) CO (mol/m3) H2 (mol/m3) Q (MJ/m3) 5 0,041786 0,0175 0,160 10 0,050893 0,026 0,206 15 0,088536 0,0365 0,338 20 0,106714 0,048 0,418 25 0,13625 0,049 0,504 30 0,134214 0,053 0,508 35 0,160893 0,061 0,602 40 0,174036 0,063 0,644 - Nhận xét
- Kết quả bảng 5.4 cho thấy nhiệt trị cháy của khí sản phẩm rất thấp do ta sử dụng máy đo và phân tích khí sản phẩm Testo 350xl. Kết quả này chưa đánh giá được nhiệt trị của tồn bộ q trình khí hố mà mới chỉ thể hiện được giá trị của từng thời điểm đo.
- Giá trị thu được sau mỗi lần đo cách nhau khoảng 5 phút, theo cơng suất của máy phân tích khí testo 350xl mỗi lần đo sẽ hút khoảng 1 lít khí sản phẩm để phân tích.
- Nhìn tổng quan Theo kết quả khí sản phẩm thu được và tính tốn nhiệt trị tại từng thời điểm là càng ngày càng thu được nhiều khí sản phẩm hơn. Thời gian khí hố bắt đầu sau 5 phút thu được 0.16 MJ/m3 sau khoảng thời gian 30 phút thì kết quả thu được là 0,602 MJ/m3 đã tăng gấp 5 lần điều này chứng tỏ quá trình diễn ra như ý muốn.
- Giá trị nhiệt trị tăng đều theo thời gian do nguyên nhân phản ứng xảy ra trên vùng thể tích lớn hơn do càng có nhiều Carbon tham gia phản ứng.
+ Phân tích và in mẫu:
Hình 5.26: kêt quả từ máy phân tích khí Testo 350-XL
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn: "nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm q trình khí hố than ngầm", Tác giả thực hiện song song việc nghiên cứu tài
liệu q trình khí hóa than ngầm, tìm hiểu, ứng dụng phần mềm mô phỏng Comsol Mutilphysics kết hợp với quá trình thực nghiệm khí hóa than.
Qua q trình nghiên cứu thực hiện luận văn, tác giả đạt được những kết quả sau: - Nắm bắt được cơ sở cơng nghệ khí hóa, vận dụng vào nghiên cứu thực nghiệm được thử nghiệm trên mơ hình thực nghiệm khí hóa tại xưởng Nhiệt cho ra sản phẩm khí cháy có thể cháy được.
- Tìm hiểu và sử dụng phần mềm mơ phỏng Comsol Mutilphysics để mơ phỏng q trình truyền nhiệt, q trình truyền chất xảy ra trong mơ hình khí hố. Đã khắc phục được các lỗi thường gặp trong q trình mơ phỏng.
- Mơ phỏng chậy được q trình truyền nhiệt và truyền chất của q trình khí hóa than. nhưng vẫn chưa đủ để đáp ứng yêu cầu và điều kiện để áp dụng q trình mơ phỏng này vào thực nghiệm.
- Nhờ kinh nghiệm thu được sau nhiều lần vận hành thử nghiệm, đã vận hành lò ở chế độ tạo ra sản phẩm khí có thể cháy được. Điển hình là lần đốt thử nghiệm cuối cùng vào ngày 24/07/2016, sau 20 phút vận hành đã cho ra hỗn hợp khí đốt ra ngọn lửa đầu màu xanh nhạt.
- Bên cạnh đó việc áp dụng phần mềm Comsol Multiphysics 5.2 vào q trình khí hóa than hỗ trợ rất nhiều trong điều kiện thiếu các thiết bị đo đạc đắt tiền và hiện tại chưa có nghiên cứu cụ thể nào về ứng dụng phần mềm này vào q trình khí hóa than.
Mặc dù vậy, kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu thực nghiệm cịn khá
hố, mà mới chỉ được xem như là sản phẩm q trình cháy thiếu Oxy. Tuy nhiên có thể coi đây là kết quả bước đầu trong lĩnh vực nghiên cứu hóa khí than ngầm tại Việt Nam.
- Yếu tố thời gian: thời gian thực hiện luận văn có giới hạn, trong khi quá trình thực hiện cần nhiều thời gian để nghiên cứu và tìm ra giải pháp thực hiện mơ phỏng một cách chính xác.
- Độ chính xác của thiết bị đo cịn chưa mang lại tính chính xác cao.
- Yếu tố kinh phí cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng luận văn do một lần thực hiện khí hóa tốn rất nhiều kinh phí mà em chưa đáp ứng được.
Kiến nghị hướng phát triển đề tài:
- Từ những bước đầu tìm hiểu tài liệu cũng như sử dụng phần mềm Comsol 5.2 đã phần nào mang lại kết quả có tính tương đối, nhưng để đạt được kết quả cao hơn và chính xác thì chúng ta cần thêm nhiều nỗ lực để nghiên cứu về phần mềm mô phỏng Comsol.
- Do điều kiện thực nghiệm khó khăn, kiến thức và kỹ thuật hạn chế nên mô hình thực nghiệm chưa thể đưa vào thực tế. Để đưa cơng nghệ khí hóa vào thực tế cần sự giúp đỡ từ chuyên gia, sử dụng công nghệ tiến tiến và cần hỗ trợ đầu tư từ các nguồn khác.
- Bên cạnh đó tiếp tục phát triển, nâng cấp mơ hình khí hóa than có sẵn để có thể tiếp tục tiến hành thí nghiệm, mang lại những số liệu thống kê tốt hơn, nâng cao hiệu suất khí hóa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt , NXB giáo dục, 2004. [2] Patankar S.V, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw Hill, 1980.
[3] Phạm Lê Dzần, Nguyễn Công Hân. Cơng nghệ lị hơi và mạng nhiệt. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội – 2008.
[4] PGS.TS Bùi Hải, PGS.TS Trần Thế Sơn, Bài Tập Truyền Nhiệt - Nhiệt Động Và Kỷ Thuật Lạnh, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 2001.
[5] Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Đinh Văn Huỳnh, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Văn Thơm, Phạm Xuân Toàn, Trần Xoa, Sổ Tay Quá Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – Tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 1999.
[6] Nguyễn Thanh Quang (ĐHBK - Đà Nẵng), Đặng Thế Hùng (Công ty TNHH Trường Quang II), “Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Thống Hóa Khí Than Tầng Cố Định Ngược Chiều”, Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ Nhiệt Số 77.
[7] Gasification Technology, Technical Issues in the Design of Gasifiers, 1999.
[8] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Experimental simulation of hard coal underground gasification for hydrogen production, Fuel, 2012.
[9] Krzysztof Stanczyk Hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe (HUGE)-Euro commission, 2009.
[10] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011.
[11] G. X. Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at Zhong- Liang-Shan coal mine, Curtin university technology, 2009.
[12] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012.
[13] Results of the tracer tests during the El-Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 2000.
[14] Review of Underground Coal Gasificationwith Reference to Alberta's Potential.
[15] Sateesh Daggupati - Laboratory studies on combustion cavity growth in lignite coal
blocks in the context of underground coal gasification, Elsevier, 2009.
[16] V. Prabu- Simulation of cavity formation in underground coal gasification using bore hole combustion experiments- Elsevier, 2009
[17] Lanhe Yang, Jie Liang, Li Yu, Clean coal technology - Study on the pilot project experiment of underground coal gasification, 2002.
[18] Lanhe Yang, Study of the model experiment of blinding - hole UCG, 2002. [19] Ahad Sarraf Shirazi - CFD Simulation of Underground Coal Gasification, 2013.
[20] PGS.TS Phạm Lê Dần - Cơng nghệ lị hơi và mạng nhiệt.Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội – 2005.
[21] Đồ án các anh chị khóa trước. [22] COMSOL Mutiphysics Library.
Review Of Underground Coal Gasification Technologies
Nguyen Le Hong Son Nguyen Hoang Anh
Ho Chi Minh City University of Technology and Education Ho Chi Minh city, Vietnam
Sonnlh@hcmute.edu.vn , hoanganhskill@gmail.com
Hoang Ngoc Dong
Da Nang University of Technology Da Nang city, Vietnam
Abstract—In thewake of increasingchallenges of highprices
of oil and gas and uncertaintiesaboutpoliticalstability in many oil and gas producingcountries, coalbecomesmore and more important in the comingyearsforitsvastreserves and widedistributionallover the world. The technology of Underground Coal Gasification (UCG), converting in-situ, unmined coal intocombustiblegases, hascontinued to attractworldwideinterestbecause of its ability to exploit coal whichisotherwiseunminablebyconventionalminingtechniquesdue to deepdepositdepths, thin seam thickness or low quality, in an economical, safe and environmentally friendly manner. We have recently reviewed the current status of UCG throughout the world and analyzed the criteria for selecting UCG in the Red River Delta (RRD)- Viet Nam. This article presents the main results of this work.
Keywords—underground coal gasification, ucg, syngas, coal seam, unmined coal seams.
INTRODUCTION
The quest for energy resources delineates the progress of mankind from the stone age to the modern era. For the sustainable development and raising the living standards, man has tried all possible energy resources offered by the nature and used them creatively, for the better quality of life. The conversion of available fossil fuel into useful heat energy has been an area of interest for long time. This rudimentary practice was encouraged by the abundant availability of the fossil fuels such as coal, natural gas and crude oil. The burgeoning energy demand was the main motivation behind the development of various technologies that converted fossil fuel into heat energy. The coal gasification is one of the important energy harnessing technologies, which converts coal into useful gaseous fuel
The Underground Coal Gasification technology (UCG) is a technology for recovering the energy content of coal reserves by gasifying it in-situ with the application of the skilful utilisation of operating conditions and the geological position of the coal seam. This process aims at converting coal into combustible fuel gas by the gasification of the coal seam in the presence of air, oxygen and steam. This technology has been proven to be very useful in situations where coal deposits can
not be exploited economically or technically by conventional mining processes.
The basic principles of UCG are similar to that of conventional surface gasification of coal. The UCG process is illustrated in Fig.1. The process of UCG involves the injection of steam and air or oxygen into a coal seam from an injectionwell and recovering combustible fuel gases from the production well. These bore wells are drilled into the coal seam from the surface and combustion is initiated at the bottom of one of the bore holes. Both bore wells are linked with various available linking techniques to enable gas flow
In recent years, people have applied many methods of burning and transfer coal fuel to other fuel types are very effective, it reduce emissions source pollute the environment, as well as transforming coal into liquid fuel, coal washing ... and especially the coal gasification. Coal gasification is a method to transfer coal to gas or used as raw materials for chemical synthesis.
Figure 1: Principle of underground coal gasification. REVIEW OF LITERATURE:
Gasification Process- Chemical reactions
The gasification process occurs in the coal of the gasifier was shown in Fig. 2. Based on the differences in major chemical reactions, the temperature, and the gas compositions, the gasification channel can be divided into three zones: oxidization zone, reduction zone and dry distillation zone.
Figure 2: The diagram of UCG.
In the oxidization zone, the multi-phase chemical reactions between oxygen contained in the gasification agent and the carbon in the coal seam occur, producing heat and making the coal seamfull-hot.
C + O2 → CO2 + 393,8 MJ/kmol (1)
2C + O2 → 2CO + 231,4 MJ/kmol (2)
2CO + O2 → 2CO2 + 571,2 MJ/kmol (3)
In the reduction zone, the major reactions are that H2O(g) and CO2 are reduced to H2 and CO under the effect of high temperature, when they meet with the incandescent coal seams.
C + CO2 → 2CO + 162,4 MJ/kmol (4)
C + H2O(g) → CO + H2 + 131,5 MJ/kmol (5) Additionally, under the catalytic action of coal ash and metallic oxides, a certain methanation reaction occurs.
C + 2H2 → CH4 + 74,9 MJ/kmol (6)
Heat Transfer and Species Transport Process- Thermodynamics
Model of the temperature field of the coal layer.
Considering the heat conduction within the coal layer, according to the law of conservation of energy, the temperature field equation of the coal layer is obtained as
1 s s s s s s s s s s s T T T T C K K K F T z z r r r r where
+ Cs is the specific heat of the solidphase, KJ/kg.K; + Fs is the heat losscoefficient of the solid phase, KJ/kg.s.K;
+ Ks is the heat conduction coefficient of solid
phase, KW/m.K;
+ Tsr0 is the temperature of the external coal layer, K;
+ and rs is the density of the solid phase, kg/m3.
Flow equation for the gas phase.
According to the law of conservation of momentum, for the conditions of UCG, the flow equation of fluid in the gasification channel can be explicitly expressed as
2 2 2 1 g g g g P P P RT r z r r r k
where, Pg is the fluid pressure, Pa; is the cohesiveness
coefficient, Pa.s; is a source or convergence item; R is the
gas constant, J/mol.K and k is the seepage rate, m2.