3.1 .Tổng quan phần mềm Comsol multiphysic
4.3. Thuyết minh các dụng cụ đo
4.3.1. Điện trở gia nhiệt cho khơng khí
80
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 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
81
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
82 + 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 thơng 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,…
83
- 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 4.3.6. Máy camera chụp ảnh nhiệt Flux
- Công dụng: dùng để đo nhiệt độ
84 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
85
- 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. Bước 2:Thử kín.
86 - 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 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 lò 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)
87
Hình 4.12: Kiểm tra các thơng số tín hiệu điều khiển trên hộp điện Bước 4: Mồi lửa. 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 còn 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.
88
- Khi có khói thốt ra trên đường khí tổng hợp nghĩa là đã mồi lửa thành công. 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 môi trường (25 - 300C). khi gia nhiệt lò đến khoảng 3000C sẽ bắt đầu phản ứng cháy mạnh hơn lên chú ý giai đoạn này để kiểm sốt nhiệt độ trong lị.
Hình 4.13: Quá 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.
89
- 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)
90
+ 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:
91 - 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.
92
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:
93
+ 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 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.
94
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].
95
5.1.3. Kết quả mơ phỏng vectơ vận tốc
Nhiên liệu cấp vào lị được mô phỏng là một khối than tiếp xúc trực tiếp với oxy. Lúc đầu, than phản ứng ngay với oxy tạo nhiệt độ cao, quá trình cháy diễn ra. Sau đó, nhờ có nhiệt độ cao và cháy yếm khí mà các phản ứng thu nhiệt của q trình khí hóa xảy ra (phản ứng chuyển hóa carbon thành CO).
Hình 5.6: Kết quả mơ phỏng q trình truyền nhiệt lúc tâm phản ứng và vecto vận tốc.
Nhìn vào hình 5.6 đa số các vécto vận tốc xuất phát điểm tại tâm phản ứng cháy có xu hướng chạy về lỗ thu khí. Nhưng vẫn thấy sự xuất hiện một vecto (vecto vận tốc to nhất) vận tốc chỉ hướng ngược lại về lỗ thu khí. Vecto vận tốc này xuất hiện là do trên tính tốn lí thuyết của phần mềm tạo ra ( là thành phần sai ) lên có thể bỏ qua và khơng xét tới nó.
96
Hình 5.7: Phân bố nhiệt độ và vecto vận tốc trong khoangkhíhóa dùng phần mềm CFD
Hình 5.8: Dạng hình học dự đốn của khoang rỗng khi dùng phần mềm CFD [16]
Comsol Multiphysics đã thể hiện được sự hình thành dịng chảy phức tạp trong khoang khí hóa và được thể hiện rõ ràng qua hình 5.6 điều này cũng phù hợp với kết
97
5.1.4. Kết quả mơ phỏng q trình truyền chất ( Điều kiện khí hố mơ phỏng chỉ thiết lập nồng độ oxy phản ứng)
Kết quả mơ phỏng q trình khí hố khơ:
Khi ta thay đổi nồng độ Oxy cấp vào thì nồng độ sản phẩm khí cũng thay đổi theo.
Hình 5.9: Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,10 mol/ m3
98
Hình 5.11: Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,30 mol/ m3
Kết quả từ hình 5.9 đến 5.11 cho thấy, khi thực hiện q trình khí hóa, ta tăng
nồng độ O2 từ 0,10- 0,30 mol/ m3 thì nồng độ sản phẩm khí sinh ra CO2 và CO bắt đầu thay đổi theo. Ta thấy tại nồng độ 0,1 mol/ m3 mức nồng độ khí CO thu được là 0,2 mol/ m3
tại nồng độ này sảy ra q trình cháy thiếu oxy ( cháy yếm khí) lên nồng độ khí thải CO2 gần như khơng đáng kể. ta tăng nồng độ O2 phản ứng lên 0,15 mol/ m3, nhận thấy nồng độ CO đạt mức cao hơn là 0,3 mol/ m3, ta thu được nhiều khí sản phẩm hơn nhưng để duy trì được chế độ này là rất khó vì khó kiểm sốt q trình cháy yếm khí sẽ làm lớp than nguội đi dẫn đến tắt lị kết thúc q trình khí hố.
99
Hình 5.12: Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,45 mol/ m3
100
Hình 5.14: Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,75 mol/ m3
101
Để duy trì cháy và nhiệt độ trong lò ta tăng nồng độ phản ứng lên từ 0,45 – 1,0 mol/ m3.Thấy rằng nồng độ CO không tăng nữa mà bắt đầu giảm và nồng độ khí CO2 tăng dần lên. Như vậy , tại nồng độ O2 là 0,15 mol/ m3 thì nồng độ CO là cao nhất và CO2 là thấp nhất, đây là kết quả tối ưu của mô phỏng này. Điều này phù hợp khi ta tăng lượng oxy lên quá cao thì lúc này quá trình cháy diễn ra và lượng CO2 sinh ra nhiều hơn, lượng CO sẽ giảm đi. Quá trình này cũng phủ hợp với nghiên cứu trước.
Nồng độ các khí sản phẩm phân bố trên các lớp than:
Hình 5.16. Nồng độ CO2 trong khoang khí hóa tại t = 1800s
Đây là hình ảnh mơ phỏng khí thải CO2 phân bố trên khối khí hố. Sau q trình khí hố tại t = 1800s sẽ hình thành một khoang rỗng như hình 5.4 và nồng độ CO2 phân bố trên
những lớp than tiếp theo xung quanh lỗ rỗng. nồng độ CO2 cao nhất trong quá trình này là 0,0065 mol/ m3. Quá nhỏ để duy trì được sự cháy của quá trình. Trong thực tế thường nồng độ CO2 cao hơn nhiều để duy trì nhiệt độ và khí hố suất q trình phản ứng.