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.
88
- 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 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 lò 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 lò 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 mô 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 mô phỏng vectơ vận tốc
Nhiên liệu cấp vào lị được mơ 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 quá 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 quá trình cháy thiếu oxy ( cháy yếm khí) lên nồng độ khí thải CO2 gần như không 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.
102
Hình 5.17. Nồng độ CO trong khoang khí hóa tại t = 1800s
Nồng độ khí CO là lớn nhất khi ta điều chỉnh tỉ lện phản ứng giũa Cacbon là 0,045 mol/ m3 và nồng độ O2 là 0,15 mol/ m3. Ta thấy một lượng khá lớn vùng khí CO hình thành trên lỗ rỗng. trong q trình này, nồng độ khí CO thu được cao nhất là 0,08 mol/ m3 và tồn bộ q trình là 0,3 mol/ m3.
103
5.2. Kết quả thực nghiệm
5.2.1. Than sau q trình khí hóa: để dễ dàng quan sát, ta chọn những viên than to nhất trong lị khí hố.
Hình 5.19: Than sau khi đã khí hố
Quan sát viên than ta thấy sự xuất hiện của tro và xỉ trên viên than, điều này có thể thấy rằng với nhiệt độ khí hố từ 350 oC đến 700 oC trong điều kiện cháy yếm khí thì than chỉ mất nồng độ cacbon và một số thành phần hố học nhưng vẫn giữ ngun hình dạng ban đầu của nó.
Hình 5.20. Hình ảnh so sánh than trước và sau khi khí hố
Ta có thể thấy được sự thay đổi về mầu sắc của than truóc mầu đen đậm và sau khi khí hố có mầu nâu nhạt .Sau đó đem lượng than khí hóa cân lại, thấy hao hụt khoảng 15 kg. Sự tổn hao này từ các nguyên nhân:
104 - Hơi nước bốc ra khỏi than.
- Một số nguyên nhân nhỏ khác.
5.2.2. Bảng kết quả đo nhiệt độ
Bảng 5.1: Kết quả đo nhiệt độ q trình khí hóa theo thời gian
+ Nhận xét.
- nhìn vào kết quả đo ta có thể thấy nhiệt độ lúc đầu tại can nhiệt một là 200 oC điều này là do ta sấy khơng khí trrước khi đưa vào lị. Nhiệt độ can 2 bằng nhiệt độ môi trường lúc khoảng 27 oC.
- Nhiệt độ than tăng dần , mức tăng tối đa sau 30 phút là từ 200 oC đến hơn 345 oC tại điểm đo cách tâm cháy là 5 cm. Từ lúc t2700C, nhiệt độ tăng nhanh.
- Khi cấp oxi vào, nhiệt độ lò sẽ tăng dần do phản ứng cháy tỏa nhiệt giữa O2 với C, than cháy lan rộng dần ra ngoài tâm mồi lửa.
5.2.3. Kết quả đo nhiệt độ so sánh với mơ phỏng
105
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.
106
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.
107
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
108 - 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 không 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.