CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
5.1 Kết quả mô phỏng
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, q 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 lị 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 mơi 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 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 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
109 + 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
. - Tính nhiệt trị theo thể tích
110
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.
111
+ Phân tích và in mẫu:
Hình 5.26: kêt quả từ máy phân tích khí Testo 350-XL
115
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn: "nghiên cứu mô 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 q trình thực nghiệm khí hóa than.
Qua quá 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
116
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 q 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 mơ 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.
117
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