- Thành phần than chọn tương đương trong mô phỏng
Bảng 3.2. Thành phần đặc tính có trong than mơ phỏng
- Thành phần oxygen chọn tương đương trong mơ phỏng
63
3.3. Mơ phỏng q trình truyền nhiệt và truyền chất 3.3.1. Lựa chọn lời giải và nhập hình học
- Lựa chọn lời giải:
Khởi động COMSOL MULTIPHYSICS 5.0 mục Select Space Dimention lựa chọn 0D cho mơ hình hình học 0D > Next > Mục Add Physics chọn Reaction Engineering > Next > Mục Select Study Type chọn Time Dependent > Finish.
Trong phần Reaction Engineering > Generate Space_Dependent Model 1 chọn điều kiện tại các phương trình cân bằng khối lượng là Transport of Diluted Species in Prous Media(tds) và chọn điều kiện tại các phương trình cân bằng năng lượng là Heat Tranfer in Porous Media.
64
Hình 3.13. Hình chọn Comsol Multiphysics Study
- Nhập các phương trình hóa học có thể xảy ra trong q trình khí hóa như đã đề cập ở chương 2 kèm theo các điều kiện biên như hình dưới và Reaction Engineering.
65
Hình 3.15. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (2)
66
Hình 3.17. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (4)
67
Hình 3.19. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (6)
68
Hình 3.21. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (8)
69
Hình 3.23. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (10).
70
Hình 3.25. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (12)
71
Hình 3.27. Thiết lập điều kiện biên cho Reaction Engineering (14)
- Nhập vật liệu cho mơ hình: Trong phần Component 2 => Material. Chọn loại vật liệu cho Domain 1.
72
3.3.2. Thiết lập các thông số và điều kiện phương trình
- Trong phần Component 2, nhập thêm Physic Brinkman Equations. - Thiết lập các điều kiện biên như hình.
+ Phương trình Brinkman
Hình 3.29. Thiết lập điều kiện biên cho Brinkman Equations (1)
73 + Phương trình truyền nhiệt
Hình 3.31. Thiết lập điều kiện biên cho Heat Tranfer in Porous Media (1)
74 + Phương trình truyền chất
Hình 3.33. Thiết lập điều kiện biên cho Transport of Diluted in Porous Media (1)
75
3.3.3. Tạo lưới mơ hình và giải mơ hình
- Tạo lưới mơ hình như hình
Hình 3.35. Tạo lưới cho mơ hình
- Tạo Study như hình
Hình 3.36. Thiết lập Study cho giải thuật
76
CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM Q TRÌNH KHÍ HỐ THAN NGẦM
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 ngun 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.
77
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 q trình cháy. Can nhiệt (13) dùng để lấy tín hiệu nhiệt độ.
78
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 đốn 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 lịng 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 q 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 quá 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.
79
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
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
Thông 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 lị 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: Luôn 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 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)
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 rị 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.
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: 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.
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.