3.1 .Tổng quan phần mềm Comsol multiphysic
4.1. Mục đích và ý nghĩa
- Nghiên cứu, thử nghiệm về q trình khí hóa than ngầm.
- Phải thu được sản phẩm khí là hỗn hợp khí đốt cơng nghiệp gồm CO, H2,… - Nắm được các phản ứng hóa học, tính chất lý hóa trong q trình khí hóa than. - Hiểu rõ nguyên lý và cách thức vận hành lị.
4.2. Mơ tả hệ thống
Hình 4.1: Mơ hình thử nghiệm UCG
1. Bình Nitơ 2. Oxy 3. Buồng cấp nước 4.Thiết bị gia nhiệt 5. Giá đỡ 6. Lớp gỗ 7. Bông gốm ceramic cách nhiệt và vỏ bọc 8. Khung sắt 9. Bông cách nhiệt 10. Gạch chịu nhiệt 11. Ống thu hồi khí 12. Điện trở gia nhiệt 13. Bê tông chịu lực 14. Ống cấp hơi 15. Ống chứa can nhiệt 16. Tấm thép chịu lực 17. Cơ cấu nén.
Nhiệm vụ của mơ hình dùng để thí nghiệm q trình truyền nhiệt của mẫu than trong q trình khí hóa.
Kích thước của mơ hình 2000 x 1000 x 400 chứa được lượng than tối đa khoảng 100 - 200 kg. Để đảm bảo độ cách nhiệt cho lò, ta sử dụng gạch chịu nhiệt (10) có chiều dày 114 mm, bơng thủy tinh (7) chiều dày 25mm và bông cách nhiệt (9) chiều dày 25mm. Lò làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao nên cần phải bọc bởi hộp thép bảo vệ (8) có chiều dày 8mm. Đồng thời để bảo vệ lớp bông thủy tinh bên ngồi, ta sử dụng lớp tơn bao bên ngoài (0.8 mm). Tấm thép chịu lực (16) và cơ cấu nén (17) có nhiệm vụ giữ kín cho lị và bảo đảm an tồn cho q trình thực nghiệm. Mơ hình thực nghiệm thực tế có 3 chế độ thực nghiệm tùy thuộc yếu tố đầu vào: khơng khí, oxy. Bình Nitơ (1), bình oxy (2) dùng để cấp khơng khí cho q trình cháy và q trình khí hóa. Thiết bị gia nhiệt (4): gia nhiệt cho khí hoặc oxy đầu vào. Trường hợp có sử dụng nước để khí hóa, ta sử dụng bình chứa nước (3) cấp nước. Thiết bị mồi lửa (12) là một điện trở có nhiệm vụ mồi lửa cho khối than. Đường ống dẫn khí và hơi cấp vào (14) và ống thu hồi khí (11) có đường kính Φ50. Ống cấp khí và hơi cấp vào được khoan các lỗ nhỏ để phân bố oxy đều cho quá trình cháy. Can nhiệt (13) dùng để lấy tín hiệu nhiệt độ.
4.2.1. Ý nghĩa của mơ hình khí hóa thực nghiệm
Q trình khí hóa than ngầm thường diễn ra trong một thời gian dài, với một khối lượng than lớn gấp nhiều lần so với mơ hình thực nghiệm. Do phải đầu tư một khoản chi phí rất lớn cho q trình xây dựng hệ thống khí hóa vì vậy phải nghiên cứu kỷ về các loại than, dự đoán được các trường hợp có thể xảy ra. Trước u cầu đó, mơ hình khí hóa than ngầm được thiết kế và xây dựng gần giống với thực tế nhằm thử nghiệm trước khi xây dựng một hệ thống lớn hơn khi biết chắc chắn điều đó sẽ mang lại lợi nhuận kinh tế cao. Với mơ hình này, q trình khí hóa than diễn ra gần giống như dưới lòng đất đều dựa trên những cơ sở lý thuyết chung cho cơng nghệ khí hóa. Với một đường ống dẫn hỗn hợp khí + hơi nước và một đường ống thu hồi khí tổng hợp. Qua đó, nghiên cứu về các quá trình lý hóa thành phần, chất lượng khí thương phẩm.
So sánh kết quả tính tốn thiết kế với kết quả thực tế khi thử nghiệm cho ta thấy được ý nghĩa và sự cần thiết của việc khí hóa than ngầm trên mơ hình thực nghiệm. Tùy từng loại than, môi trường xung quanh và cách thức vận hành mà thành phần các khí trong hỗn hợp khí sản phẩm tạo ra là khác nhau. Do đó, có thể tính tốn, thiết kế và xây dựng hệ thống khí hóa than ngầm trên thực tế phù hợp với mục đích sử dụng, tối ưu hóa q trình khí hóa mang lại hiệu quả cao nhất.
Bên cạnh đó, qua q trình thực nghiệm, nghiên cứu, đánh giá kết quả thu được, ta sẽ có những cái nhìn tổng thể và chắc chắn hơn về ngành công nghiệp khai thác than bằng phương pháp mới này. Từ đó, đưa ra những nhận xét và dự đốn kết quả có thể xảy ra trong q trình khí hóa than ngầm dưới lịng đất với những điều kiện khắc nghiệt hơn. Giảm thiểu tối đa những tổn thất có thể xảy ra để đem lại lợi ích kinh tế lớn nhất.
4.2.2. Nguyên liệu than để khí hóa
- Than đá có kích thước 1 x 2 cm.
Hình 4.3. Hình ảnh than đá dùng để khí hóa
- Thành phần hóa học có trong than
Bảng 4.1.Thành phần các chất có trong than khi chưa đốt cháy
Các thành phần có trong than Clv Hlv lv c
S Nlv Olv Alv Wlv
Phần trăm (%) than 55,5 3,72 0,99 0,98 10,38 18,43 10
4.3. Thuyết minh các dụng cụ đo
4.3.1. Điện trở gia nhiệt cho khơng khí
Nhiệm vụ: sấy nóng khơng khí, làm bốc hơi nước.
4.3.2. Điện trở mồi lửa
Nhiệm vụ: mồi lửa ban đầu cho than.
Hình 4.5. Điện trở sấy khơng khí 4.3.3. Can nhiệt
Nhiệm vụ: nhận nhiệt trong mơi trường khí hóa để đưa tín hiệu nhiệt độ về thiết bị hiển thị nhiệt độ.
Hình 4.6. Hình ảnh thực tế can nhiệt
Giới hạn đo:
- Loại 1: 0 - 10000C - Loại 2: 0 - 12000C
4.3.4. Bình Oxy
Hình 4.7. Bình Oxy
Nhiệm vụ: cung cấp oxi mồi than và duy trì q trình phản ứng cháy trong lị phản ứng.
4.3.5. Thiết bị phân tích khí testo 350-XL
Thơng số kỷ thuật của thiết bị:
- Thiết bị đo đồng thời được 6 loại khí : O2 và 5 trong các khí cịn lại. - Các loại khí sử dụng cho máy Testo 350 (Tùy chọn)
+ O2 : 0 đến 25 Vol. %; ± 0,8%; 0,01 Vol.% + CO : 0 đến 10,000 ppm; ±10ppm; 1ppm
+ CO2 : 0 đến 50 Vol %; ± 0,3Vol.%; 0,01 Vol.% + COlow : 0 đến 500 ppm; ± 2 ppm; ; 0.1 ppm
+ NO : 0 đến 3,000 ppm; ± 2 ppm; 0.1 ppm + NO2 : 0 đến 500 ppm; ± 10 ppm; 0.1 ppm + SO2 : 0 đến 5,000 ppm; ± 10 ppm; 1ppm + H2S : 0 đến 300 ppm; ± 2 ppm; 0,1 ppm + CxHy : 0 đến 4 Vol%; ± 2 ppm; ; 0,001% + CxHy (hydrocarbon) bao gồm : CH4, C3H8
+ CxHy (hydrocarbon) bao gồm: CH4, C3H8, C4H10 (mặc định là CH4) - Hệ số pha loãng 5 lần cho tất cả các cảm biến (trừ O2 và CxHy).
- Đơn vị hiển thị: ppm, mg/m3, %
- Nhiệt độ: -40 đến 1200°C; ± 0,5°C; 0,1°C
- Áp suất chênh lệch: -200 đến 200 hPa; ± 0,03 hPa; 0,01 hPa - Áp suất tuyệt đối: 600 đến 1,150 hPa; ± 10 hPa; 1 hPa - Vận tốc khí: 0 đến 40 m/s (tính ra lưu lượng khí thải) - Hiệu suất đốt: 0 đến 120%; ± 0,1%
- Hệ số suy hao khí: 0 đến 99% (flue gas loss); ± 0,1% - Tính tốn hệ số khí dư (Air surplus index λ)
- Nhiệt độ điểm sương: 0 đến 99,9°C
- Các thông số khác: lưu lượng lấy mẫu khí, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ mơi trường, nhiệt độ thiết bị, nhiệt độ điểm sương, tình trạng sensor,…
- Các chức năng khác: lưu trữ dữ liệu, in dữ liệu.
Cơng dụng: phân tích thành phần hóa học có trong khí gas sau khi hóa khí than.
Hình 4.8. Thiết bị phân tích khí Testo 350XL 4.3.6. Máy camera chụp ảnh nhiệt Flux
- Công dụng: dùng để đo nhiệt độ
Thông số kỷ thuật: - Nhiệt độ:
+ Khoảng đo nhiệt độ (chưa được điều chỉnh dưới -100C): - 200C đến 2500C
+ Độ chính xác: ± 50C hoặc 5% (tùy theo số nào lớn hơn)
- Hiệu suất hình ảnh:
+ Lĩnh vực xem: 230 x 170
+ Độ phân giải không gian (IFOV): 2,5 mrad
+ Tập trung khoảng cách tối thiểu Nhiệt ống kính: 15 cm (6 in) + Tần số hình ảnh: 9 Hz tốc độ làm tươi
+ Loại máy dò: 160 x120 mảng mặt phẳng tiêu cự, Microbolometer làm mát + Loại ống kính hồng ngoại: 20 mm, F = 0,8 ống kính.
+ Nhạy cảm nhiệt (NETD): ≤ 0,20C ở 300C (200 mK) + Dải quang phổ hồng ngoại: 7,5 mm đến 14 mm
4.4. Q trình thí nghiệm Bước 1: Chuẩn bị lò đốt.
- Quét dọn vệ sinh buồng đốt. - Tháo lắp lò và cơ cấu nén - Lắp ráp điện trở mồi than. - Gắn ống dẫn khí
- Lắp đặt can nhiệt vào 2 điểm tâm cháy và trên đường ống khí ra - Cho than vào buồng đốt (200 kg)
- Bọc cách nhiệt cho lớp than trên cùng bằng bông thủy tinh và gạch chịu lửa. - Đậy nắp buồng đốt
- Lắp cơ cấu nén than
- Gắn 3 thanh chụi lực trên cơ cấu nén than
- Nén than bằng tay quay trên cơ cấu với lực vừa đủ chặt
Chú ý: Ln kiểm tra độ kín khít trong từng bước. - Kiểm tra lượng Oxi trong bình chứa và lượng nước trong phễu. - Gắn các dây tín hiệu vào bộ hiển thị nhiệt độ.
Hình 4.10: Q trình chuẩn bị mơ hình thực nghiệm Bước 2:Thử kín.
- Khóa van lấy khí sản phẩm lại.
- Dùng que đốm/que nhang hay bất cứ gì có thể tạo khói dị xung quanh những điểm khả nghi có thể rị rỉ.
- Nếu thấy có khí thốt ra, xác định vị trí rị rỉ và làm kín chỗ đó lại.
- Sử dụng silcon, xi măng đen, trắng, băng keo bạc, giấy cách nhiệt… để làm kín chỗ xì hở.
Hình 4.11: Q trình thử kín mơ hình thực nghiệm sử dụng khí Nitơ Bước 3: Lắp hệ thống điện
- Lắp hộp điện vào vị trí trên bộ gia nhiệt và đảm bảo không bị ảnh hưởng từ nhiệt sinh ra của bộ gia nhiệt khơng khí và lị đốt.
- Lắp Mạch điện động lực cho điện trở mồi và bộ gia nhiệt khơng khí - Kết nối các dây tín hiệu nhiệt độ từ các can nhiệt về hộp điện điều khiển - Cấp nguồn cho hộp điện điều khiển (220V – 50Hz)
Hình 4.12: Kiểm tra các thơng số tín hiệu điều khiển trên hộp điện Bước 4: Mồi lửa.
- Cấp điện cho điện trở mồi lửa bên trong khối than. - Cấp Oxi vào khối than theo đường dẫn khí+hơi.
+ Gắn ống dẫn khí từ thiết bị gia nhiệt vào bình oxi, kiểm tra rò rỉ trên đường dẫn.
+ Mở van chặn trên bình, mở van giảm áp, kiểm tra lượng oxi cịn trong bình.
+ Mở các van chặn trước và sau thiết bị gia nhiệt, điều chỉnh lượng oxi cấp vào lò bằng cách điều chỉnh van giảm áp.
- Khi có khói thốt ra trên đường khí tổng hợp nghĩa là đã mồi lửa thành cơng. Tăt điện trở mồi lửa.
Thời gian mồi lửa khoảng từ 10 - 30 phút tùy theo chất lượng than (độ ẩm, độ tro, kích thước, loại than…).
Lưu ý:
Thường xuyên theo dõi nhiệt độ trong lò, tăng dần theo thời gian. Nhiệt độ ban đầu bằng nhiệt độ mơi trường (25 - 300C). khi gia nhiệt lị đến khoảng 3000C sẽ bắt đầu phản ứng cháy mạnh hơn lên chú ý giai đoạn này để kiểm soát nhiệt độ trong lị.
Hình 4.13: Q trình mồi lửa và gia nhiệt khí Oxy Bước 4: Gia nhiệt khí Oxy.
- Cấp điện cho bình gia nhiệt bằng điện trở sấy. - Gia nhiệt khí Oxy đến nhiệt độ ban đầu t 2000C.
- Theo dõi nhiệt độ khí sau khi qua bộ gia nhiệt trước khi cấp vào lò.
Bước 5: Cấp Oxy
- Điều chỉnh lượng Oxy với vận tốc phù hợp. - Tính tốn lượng Oxy bơm vào:
Nồng độ Oxy cấp vào có thể tính bằng phương trình trạng thái khí lý tưởng.
. . .
p V n R T
Xét trong 1s, ta có :
+ p là áp suất tại đầu ra của bình Oxy (Pa),
với pdu là áp suất tại đồng đồ áppdu 0,25atm p 1,25atm1,27.105Pa
+ V là thể tích (m3)
+ n là nồng độ mol (mol/m3), n0,1mol
+ R là hằng số khí, R8,314( · ·m Pa3 mo Kl1· 1) + T là nhiệt độ (K), T 300K 3 5 . . 0,1.8,314.300 0,002( ) 1, 27.10 n R T V m p
Lưu lượng Oxy cấp vào được tính bằng cơng thức:
.
Q v S
Trong đó:
+ Q: lưu lượng (m3/s)
+ v: vận tốc khí trong đường ống (m/s), v0,1 /m s
+ S: tiết diện ống khí vào (m2) Xét trong nhiều giây, QiV
+ Với i là số giây Ta có: 2 2 4 3 0,05 . 0,13,14. 2.10 ( / ) 2 2 d S v m s 0,002 10( ) 0,0002 V i s Q
- Cấp Oxy: vậy ta mở chai Oxy ở áp 0,25atm với vận tốc khí khoảng 5 m/s trong vòng 10s rồi ngắt. Cứ thế lặp lại, thời gian nghỉ giữa mỗi lần ngắt khoảng từ 2- 3 phút.
Bước 6: Ngừng cấp Oxy.
- Lặp lại bước cấp Oxy cho đến khi nhiệt độ đạt khoảng 3000C. - Khi nhiệt độ tăng vọt, dừng cấp Oxy.
- Nếu nhiệt xuống dưới 3000C, tiếp tục thực hiện bước cấp Oxy như cũ
Bước 7: Tiến hành lặp đi lặp lại bước 5 và 6.
Trong suốt q trình khí hóa, chúng ta cứ lặp đi lặp lại bước 5 và 6 xen kẽ nhau. Thực hiện đến khi q trình khí hóa kết thúc hay đến khi ta muốn dừng. Lưu ý đo thông số từng thời điểm để theo dõi q trình khí hóa.
Bước 8:Ngừng lị.
Q trình khí hóa than diễn ra liên tục trong một thời gian dài, vì vậy, khi muốn dừng lị để giữ lại số than còn lại bên trong ta thực hiện như sau:
- Ngừng cung cấp oxi cho lò.
- Cấp hơi nước vào lò một thời gian ngắn để nhiệt độ lị giảm xuống. - Ngắt điện bình gia nhiệt.
- Ngắt điện bộ hiển thị nhiệt độ. - Khóa các van cấp và xả.
- Khóa kín các khe hở, khơng cho than tiếp xúc với khơng khí.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
5.1. Kết quả mơ phỏng
5.1.1. Kết quả hình khoang nhiệt
+ Tại tâm nhiệt phản ứng 3500C: - Tại thời điểm t = 30 min.
Hình 5.1. Hình ảnh mơ phỏng khoang nhiệt khí hóa tại tâm phản ứng đạt 3500C
+ Tại tâm nhiệt phản ứng 5000C:
+ Tại tâm nhiệt phản ứng 7500C:
Hình 5.3. Kết quả mơ phỏng q trình truyền nhiệt lúc tâm phản ứng đạt 7500C Phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics được tác giả nghiên cứu ứng dụng. Từ
Hình 5.1, 5.2, 5.3 mơ phỏng q trình truyền nhiệt trong khí hóa, ta có thể thấy rằng, nhiệt
độ tại tâm q trình khí hóa là cao nhất, giảm dần hướng về lỗ thu khí.
Nhiên liệu cấp vào lị được mơ phỏng là một khối cácbon tiếp xúc trực tiếp với oxy và hơi nước do vậy ban đầu than phản ứng ngay với oxy tạo nhiệt độ cao. Nhờ có nhiệt độ cao mà các phản ứng thu nhiệt của q trình khí hóa xảy ra (chủ yếu là phản ứng chuyển hóa cabon và hơi nước thành CO và hyđro). Cần phải giữ nhiệt độ ở mức cực đại, sao cho nhiên liệu cháy mạnh trong vài giây, tạo điều kiện cho các phản ứng tạo khí sản phẩm tiếp theo, a[ps dụng vào thực tế nhiệt độ đó cần phải lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của tro xỉ để có thể tháo xỉ dạng lỏng.
So sánh hình 5.1, 5.2, 5.3 ta thấy kết quả là nếu tăng cao nhiệt độ của lớp than bằng
cách tăng cường q trình cháy khi thổi gió vào lị thì đồng thời với phản ứng oxy hóa tăng nhanh lại kèm theo phản ứng khử CO2 thành CO cũng tăng nhanh, kết quả là làm nhiệt độ của lớp than nguội đi và đồng thời cũng gây tổn thất cacbon. Hiệu suất tổng cộng của q trình khí hóa đạt đến một giá trị cực đại chỉ trong những điều kiện nhiệt độ thích hợp nào đó chứ khơng phải nhiệt độ càng cao càng tốt.
5.1.2. Kết quả hình dạng khoang rỗng hình thành tại t = 30 min
Hình 5.4. Hình dạng khoang rỗng hình giọt nước được hình thành
Kết quả mơ phỏng hình dạng của lỗ rỗng sẽ hình thành khoang hình giọt nước. Điều này phù hợp với kết quả hình dạng khoang ở Hanna II [19] và phù hợp với kết quả của V.Prabu [16].