Tài liệu Luận án tiến sĩ nghiên cứu đặc trưng chuyển động và truyền nhiệt của lớp tầng sôi khi khí hóa trấu trong lò tầng sôi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------o0o------- TRẦN NGỌC TÂN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CHUYỂN ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT CỦA LỚP TẦNG SÔI KHI KHÍ HÓA TRẤU TRONG LÒ TẦNG SÔI TUẦN HOÀN CÁC HẠT TRƠ CHUYÊN NGÀNH: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC MÃ SỐ: 62.52.77.01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS KH NGUYỄN MINH TUYỂN 2. PGS.TS HÀ THỊ AN HÀ NỘI 2011 i LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện bồi dưỡng và đào tạo sau đại học đã đào tạo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành chương trình học tập nghiên cứu sinh 2004-2008. Đặc biệt xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TSKH. Nguyễn Minh Tuyển và PGS.TS. Hà Thị An đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin được cảm ơn các cán bộ của Bộ môn Máy và thiết bị công nghiệp hoá chất Trường Đại học Bách khoa Hà nội về những ý kiến đóng góp và giúp đỡ trong việc hoàn thành bản luận án này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình làm việc. TRẦN NGỌC TÂN Sđt: 0913100169 Email: [email protected] PHẠM NGỌC ANH ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TRẦN NGỌC TÂN Sđt: 0913100169 Email: [email protected] PHẠM NGỌC ANH iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN ÁN Các ký hiệu chữ la-tinh Đơn vị đo [ m2/s] a Hệ số dẫn nhiệt độ C Nhiệt dung riêng C’ Nồng độ chất phân tán bên trong pha rắn [kg/m 3] Cc’ Nồng độ chất phân tán bên ngòai pha rắn [kg/m 3] Cc,n’ Nồng độ chất phân tán trên bề mặt pha rắn [kg/m 3] D Hệ số dẫn khối [m 2/s] dh Đường kính hạt. [m] dtd Đường kính tương đương của hạt. [m] F Diện tích chuyển khối, truyền nhiệt. [m 2] FHH Bậc tự do hình học FNG Bậc tự do ngoại tại FCT Bậc tự do cấu trúc FĐH Bậc tự do động học. M Lưu lượng khối lượng pha rắn k Số cấu tử trong hệ l Chiều dài hệ Q Nhiệt trị thể tích r Số thứ nguyên cơ bản trong hệ T Nhiệt độ V Lưu lượng thể tích hệ Vlo Thể tích lò x Độ ẩm [kJ/kg.oK] [kg/s] [m] [kJ/m 3] [oK] [m 3/s] [m3] [kg/kg] iv Các ký hiệu chữ Hy-lap Đơn vị đo [W/(m2.oK)]  Hệ số truyền nhiệt c Hệ số chuyển khối trên bề mặt pha rắn [m/s] ν Độ nhớt động học. [m2/s]  Khối lượng riêng. [kg/m3] φ Số pha trong hệ c Vận tốc cuốn theo [m/s] th Vận tốc tới hạn [m/s]  Hệ số trở lực λ Hệ số dẫn nhiệt ε Độ xốp; độ đen ΔC ω  [W/(m.oK)] Chênh lệch nồng độ cấu tử chuyển [kg/m3] Diện tích tiếp xúc pha của một đơn vị thể tích [m2/m3] Diện tích tiếp xúc pha của một đơn vị khối lượng [m2/kg] v DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN Bảng số Tên bảng Trang Bảng 1-1: Thành phần khí nguyên liệu và sản phẩm của nó ......................... 7 Bảng 3-1: Ma trận thứ nguyên.................................................................... 35 Bảng 3-2: Ma trận nghiệm.......................................................................... 36 Bảng 7-1: Thành phần hóa học, nhiệt trị của trấu. (nguồn FAO THAILAN)... 64 Bảng 7-2: Thành phần hóa học của trấu. (nguồn FAO PHILIPIN) ............ 64 Bảng 7-3. Biến thực và biến mã ................................................................. 66 Bảng 7-4: Các thông số và đặc trưng cơ bản của trấu nguyên liệu . ............ 68 Bảng 7-5: Các thông số của hạt trơ............................................................. 69 Bảng 7-6. Kết quả thực nghiệm mô tả thống kê.......................................... 72 Bảng 7-7. Kết quả tính nhiệt trị từ thực nghiệm mô tả thống kê. ................ 73 Bảng 7-8 Kết quả tính giá trị bj................................................................... 74 Bảng 7-9 Kết quả tính giá trị bju ................................................................. 75 Bảng 7-10 Kết quả tính giá trị b juv .............................................................. 76 Bảng 7-11. Kết quả thí nghiệm lặp tại tâm kế hoạch .................................. 76 Bảng 7-12. Hệ số có nghĩa ......................................................................... 77 Bảng 7-13. Giá trị phương sai .................................................................... 78 Bảng 8-1. Các yếu tố tham gia vào bậc tự do: ............................................ 86 Bảng 8-2. Các đại lượng còn lại ................................................................. 87 Bảng 8-3. Ma trận thứ nguyên.................................................................... 88 Bảng 8-4. Ma trận nghiệm.......................................................................... 90 Bảng 8-5. Số liệu thực nghiệm ................................................................... 93 Bảng 8-6. Số liệu tra cứu............................................................................ 94 Bảng 8-7 Số liệu tính tóan từ số liệu thực nghiệm mô hình vật lý............... 95 Bảng 8-8. Các chuẩn số đồng dạng:............................................................ 97 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN Hình Tên hình Trang Hình 1.1: Lò khí hóa tĩnh ngược............................................................. 11 Hình 1.2: Lò khí hóa tĩnh áp suất............................................................ 14 Hình 1.3 : Lò khí hóa tầng sôi ................................................................ 16 Hình 1.4 Lò khí hóa xuôi dòng............................................................... 18 Hình 6.1. Sơ đồ thực nghiệm.................................................................. 54 Hình 7.1. Mô hình bài toán hộp đen. ...................................................... 62 Hình 7.2. Lưu đồ tìm giá trị cực trị của hàm bốn biến ............................ 84 vii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tầm quan trọng của năng lượng................................................................. 1 2. Phụ phẩm trong nông nghiệp và tình hình sử dụng ở nước ta ..................... 2 PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ, THIẾT BỊ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU KHÍ HÓA ................................................... 6 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ KHÍ HÓA.......................................................................................................... 6 1.1. Quá trình khí hóa .................................................................................... 6 1.2. Phân loại các quá trình khí hóa................................................................ 6 1.3. Thành phần khí sản phẩm khi sử dụng các loại khí nguyên liệu .............. 7 1.4. Các đặc trưng cơ bản của quá trình khí hóa nhiên liệu rắn....................... 7 1.5. Các lọai lò khí hóa .................................................................................. 9 1.5.1 Lò khí hóa tĩnh ngược ( hình 1.1)....................................................... 9 1.5.2. Lò khí hóa tĩnh xuôi........................................................................ 12 1.5.3. Lò khí hóa tĩnh áp suất (hình 1.2) ................................................... 13 1.5.4. Lò khí hóa tầng sôi.......................................................................... 15 1.5.5. Lò khí hóa xuôi dòng ...................................................................... 17 1.6. Các công trình nghiên cứu đốt nhiên liệu rắn dạng đa phân tán đã công bố. ....................................................................................................... 19 1.6.1. Công nghệ chu trình hỗn hợp .......................................................... 19 1.6.2. Kỹ thuật Plasco đốt phế liệu rắn qua hai giai đoạn.......................... 19 1.6.3. Lò tầng sôi tuần hoàn các hạt trơ..................................................... 20 1.7. Cơ sở lựa chọn thiết bị khí hóa tầng sôi tuần hoàn các hạt trơ ............... 20 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH THỐNG KÊ. ....................... 22 2.1.Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm................................ 22 2.1.1.Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào............................. 22 2.1.2.Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học...................................... 23 2.1.3.Nguyên tắc đối chứng nhiễu............................................................. 23 2.1.4. Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa (sử dụng tối ưu không gian các yếu tố) ............................................................................................................. 24 2.1.5. Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm................................ 25 2.2.Thiết lập các mô tả thống kê cho các quá trình hóa lý trong công nghệ .. 25 viii 2.2.1.Xác định các yếu tố ảnh hưởng: ....................................................... 25 2.2.2.Xác định cấu trúc của hệ thực hiện qúa trình hóa lý:........................ 26 2.2.3.Xác định các hàm toán mô tả qúa trình hóa lý.................................. 26 2.2.4.Xác định các tham số mô tả thống kê............................................... 27 2.2.5. Kiểm tra sự tương hợp của mô tả thống kê...................................... 28 2.3.Các kế hoạch thực nghiệm chủ yếu. ....................................................... 29 2.3.1. Kế hoạch bậc một hai mức tối ưu.................................................... 29 2.3.2.Kế hoạch bậc hai.............................................................................. 30 2.4.Xác định các giá trị tối ưu của hàm mục tiêu.......................................... 31 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH VẬT LÝ.............................. 32 3.1. Xác định hệ .......................................................................................... 32 3.2. Xác định cấu trúc hệ ............................................................................. 33 3.3. Xác định hàm toán mô tả của hệ........................................................... 33 3.4. Ứng dụng định lí π để xác định các đại lượng không thứ nguyên. ......... 34 3.5. Trình tự phân tích thứ nguyên: .............................................................. 35 3.6. Xác định tham số của mô hình. ............................................................. 36 PHẦN II. NGHIÊN CỨU, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QỦA.......................... 38 CHƯƠNG 4. CÁC PHẢN ỨNG, ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ VÀ HƯỚNG QUÁ TRÌNH XẢY RA KHI KHÍ HÓA TRẤU .............................................. 38 4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khí hóa trấu. .............................. 38 4.2. Các phản ứng và hiệu ứng nhiệt xảy ra trong quá trình khí hóa trấu .... 38 4.2.1. Nhiệt phân hợp chất hydro-............................................................. 39 4.2.2. Các phản ứng xảy ra trong pha khí rắn............................................ 39 4.2.3. Các phản ứng xảy ra trong pha khí.................................................. 39 4.3. Các phản ứng và hiệu ứng nhiệt xảy ra trong quá trình khí hóa phần than trấu bằng các lọai khí nguyên liệu ........................................................ 40 4.3.1. Khí than khô lý tưởng ..................................................................... 41 4.3.2. Khí than ẩm lý tưởng ...................................................................... 41 4.3.3. Khí than ướt lý tưởng...................................................................... 42 4.3.4. Khí than oxi ướt lý tưởng................................................................ 42 4.4. Tốc độ các phản ứng xảy ra trong quá trình khí hóa phần cacbon thiêu kết và hướng xảy ra của quá trình........................................................ 42 CHƯƠNG 5. CƠ SỞ THỦY ĐỘNG VÀ CHUYỂN NHIỆT CỦA LỚP ix SÔI CÓ CÁC HẠT TRƠ................................................................................. 47 5.1. Vận tốc tới hạn của lớp sôi trấu có các hạt trơ. ...................................... 47 5.2. Vận tốc cuốn theo ................................................................................. 47 5.3. Các quá trình chuyển nhiệt trong lớp sôi trấu có các hạt trơ. ................. 48 5.3.1. Chuyển nhiệt giữa khí và hạt........................................................... 48 5.3.2. Chuyển nhiệt giữa dòng hạt trơ và vật thể trong dòng. .................... 49 5.3.3. Đường kính hạt trong lớp và độ xốp của hạt trong lớp .................... 49 5.3.4. Chuyển nhiệt giữa những vật thể có kích thước nhỏ........................ 50 5.3.5. Ảnh hưởng của độ xốp tầng sôi đến chế độ trao đổi nhiệt ............... 51 CHƯƠNG 6. BỐ TRÍ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ........................................ 53 6.1. Yêu cầu về hệ thống thiết bị thí nghiệm ................................................ 53 6.2. Hệ thống thí nghiệm gồm có ................................................................. 55 6.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị thí nghiệm khí hoá trấu bằng không khí ẩm....................................................................................... 55 6.4. Mô tả hoạt động của hệ thống thí nghiệm............................................. 57 6.5. Tính tóan các thông số nguyên liệu và kích thước chi tiết thiết bị thí nghiệm ......................................................................................................... 58 CHƯƠNG 7. THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỐNG KÊ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA TRẤU BẰNG LỚP SÔI CÓ CÁC HẠT TRƠ................................ 61 7.1. Thiết lập mô tả thống kê:....................................................................... 61 7.2. Tiến hành thực nghiệm khí hoá trấu ...................................................... 68 7.2.1. Chuẩn bị mẫu.................................................................................. 68 7.2.2 Chuẩn bị hệ thống thí nghiệm .......................................................... 69 7.2.3 Tiến hành thực nghiệm ấy thông số cho mô hình thống kê............... 69 7.2.4. Kết quả thực nghiệm....................................................................... 70 7.3. Tính tóan các hệ số của mô tả thống kê .................................................... 71 7.4. Tìm giá trị tối ưu của quá trình khí hóa trấu trong lò tầng sôi tuần hoàn có hạt trơ ......................................................................................................... 78 7.5. Hiệu suất cao nhất của quá trình khí hóa: ................................................. 81 7.6. Thất thóat nhiệt và độ chính xác của công thức: ....................................... 81 CHƯƠNG 8. THIẾT LẬP MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA TRẤU BẰNG LỚP SÔI CÓ CÁC HẠT TRƠ. ...................................... 85 8.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển chất khi khí hóa trấu ở x lớp sôi các hạt trơ......................................................................................... 85 8.2. Thiết lập mô hình vật lý mô tả quá trình chuyển chất. ........................... 86 8.2.1.Thiết lập các chuẩn số đơn giản: ...................................................... 86 8.2.2.Thống kê các đại lượng còn lại và lập ma trận thứ nguyên............... 87 8.2.3.Thiết lập hệ phương trình thứ nguyên và giải................................... 88 8.2.4.Thống kê các chuẩn số và lập mô hình vật lý:.................................. 90 8.2.5. Xác định các tham số của mô hình.................................................. 91 KẾT LUẬN................................................................................................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 102 TIẾNG VIỆT ............................................................................................. 103 TIẾNG ANH ............................................................................................. 104 TIẾNG PHÁP............................................................................................ 106 TIẾNG ĐỨC ............................................................................................. 107 TIẾNG NGA ............................................................................................. 107 1 MỞ ĐẦU 1. Tầm quan trọng của năng lượng Năng lượng là vấn đề quan trọng trong phát triển kinh tế của một quốc gia. Từ nghiên cứu khoa học kỹ thuật đến triển khai dự án phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường v.v… đều cần thiết một lượng năng lượng lớn. Từ lâu người ta đã đánh giá tiềm năng kinh tế của một đất nước qua chỉ số năng lượng. Nhiều sản phẩm có chi phí năng lượng chiếm tỷ trọng cao trong giá thành. Con người luôn luôn tìm những nguồn năng lượng mới để không ngừng nâng cao sản lượng năng lượng của mình. Nhiên liệu cho sản lượng năng lượng đáng kể đầu tiên là than. Than dùng trong động cơ hơi nước đã đẩy công nghiệp Châu Âu lên một bước nhảy vọt trong những năm cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19. Tiếp theo là dầu lửa, nhờ kỹ thuật thăm dò và khai thác phát triển người ta đã khai thác được nguồn nhiên liệu quý giá này, cho đến nay nó vẫn là nhiên liệu chủ yếu cho các loại động cơ. Song trữ liệu những tài nguyên trên không phải là vô hạn, trong khi đó nhu cầu về năng lượng của con người tăng lên không ngừng. Việc khai thác các tài nguyên đó cũng ngày càng trở nên khó khăn hơn, chi phí tốn kém hơn. Lượng dầu của thế giới chỉ còn đủ sử dụng trong 30 năm tới, riêng Việt nam, lượng than đủ sử dụng trong 20 năm nữa. Giá dầu quốc tế luôn tăng: từ 30 USD/thùng trong năm 2003 đến 120 USD/thùng trong năm 2007. Đến năm 2008 do kinh tế thế giới suy thóai, giá dầu xuống còn 50 USD/thùng, đến tháng 10 năm 2009 giá dầu đã tăng trở lại ~80 USD/thùng. Các nguồn năng lượng khác như gió, thủy triều, năng lượng mặt trời… là những dạng năng lượng sạch, song giá đầu tư cao và kém ổn định, phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên và vị trí địa lý. Trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng, con người buộc phải tìm những nguồn năng lượng mới và song song với nó là sử dụng triệt để nguồn năng lượng tái tạo (tăng hiệu suất, giảm 2 thất thoát ra môi trường). Một trong những nguồn năng lượng đã được các nước trên thế giới quan tâm là phụ phẩm trong nông nghiệp. Các nước trên thế giới sử dụng vỏ và thân cây lúa mì, trấu, bã mía, mùn dừa làm nhiên liệu. Sử dụng phụ phẩm trong nông nghiệp, ngoài hiệu quả về năng lượng còn có hiệu quả tích cực là bảo vệ môi trường. 2. Phụ phẩm trong nông nghiệp và tình hình sử dụng ở nước ta Nước ta hiện nay có rất nhiều nguồn phụ phẩm nông nghiệp có thể sử dụng làm nhiên liệu phục vụ đời sống: rơm rạ, bã mía, lõi ngô, trấu, củi cành… song việc sử dụng còn manh mún, lãng phí, chưa mang tính công nghiệp nên hiệu quả thấp và ô nhiễm môi trường. Loại phụ phẩm mang tính tập trung cao là bã mía. Lượng bã mía sau khi ép được sử dụng cho nồi hơi kéo turbin hơi. Do được đầu tư với quy mô lớn và công nghệ sản xuất đường cần nhiều năng lượng nên bã mía trong nhà máy đường được sử dụng triệt để. Trong các loại phụ phẩm nông nghiệp trấu là lọai phụ phẩm đáng quan tâm nhất. Hiện nay năng suất tính trên cả nước là 22 triệu tấn thóc/năm, với tỷ lệ 20% so với thóc, trấu có sản lượng 4,5 triệu tấn/năm và có nhiệt lượng tương đương với 1,5 triệu tấn dầu FO. Với giá dầu FO hiện nay là 10.000 đồng/kg, sử dụng hết số trấu nói trên sẽ giảm được 15.000 tỷ đồng nhập nhiên liệu. Hiện nay, trấu chỉ dùng làm chất đốt và phân bón, một phần rất nhỏ cho công nghiệp hóa chất để sản xuất fufuron, than hoạt tính [20], silic. Trấu là phụ phẩm sau quá trình gia công nên có tính tập trung. Do có khối lượng riêng nhỏ [2], [21], [22], [23], chi phí vận chuyển cao, chóan nhiều thể tích khi tàng trữ, tốn hao nhiều công khi nén ép thành thanh nên trấu ít được dùng trong sinh hoạt gia đình. Việc sử dụng trấu ở quy mô lớn chưa phát triển, chủ yếu ở những vùng nông thôn có nghề phụ khác yêu cầu lượng nhiệt lớn như lò đường, lò gạch; bằng thiết bị và công nghệ lạc hậu 3 gây ô nhiễm môi trường như ở Sađec - Đồng tháp. Hiện nay do chính sách quản lý lương thực đã thay đổi và tác động của kinh tế thị trường, các nhà máy xay cỡ nhỏ và vừa (năng suất thấp hơn 2 tấn/giờ) phát triển mạnh, phân bố đều trong khu vực thâm canh lúa đáp ứng cho nhu cầu xay xát trong vùng. Từ năm 1989 đã có một số dự án về nhà máy xay khép kín, sử dụng trấu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong kéo máy xay, khí nóng thừa được sử dụng để sấy lúa [2], song giá đầu tư quá lớn và kỹ thuật nâng cao chất lượng khí để đảm bảo tuổi thọ của động cơ chưa phát triển nên dự án không thực hiện. Tháng 11 năm 1999 tại Long An khánh thành nhà máy điện liên doanh với Úc dùng trấu làm nhiên liệu để vận hành nồi hơi kéo turbin hơi. Năng suất tiêu thụ trấu là 75kg/h, giá đầu tư 80.000 USD và 2 tỉ đồng Việt nam [3]. Với giá đó chúng ta không thể có tiền đầu tư thiết bị để tiêu thụ hết lượng trấu, mặt khác khi tính khấu hao thiết bị, giá thành năng lượng không còn rẻ nữa. Điều quan trọng là sử dụng nguyên liệu rẻ tiền song giá thành nhiên liệu sản phẩm cũng phải rẻ. Về mặt sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu khí và lỏng có giá trị sử dụng cao hơn nhiên liệu rắn vì các nguyên nhân sau:  Khả năng vận chuyển bằng đường ống trên khoảng cách xa.  Dễ đốt, dễ điều khiển quá trình, không lãng phí nhiên liệu khi khởi động và khi dừng.  Sử dụng được cho động cơ sinh công.  Không có chất thải rắn.  Hạn chế độc tố, ít tác động tới môi trường.  Giá trị cao. Như vậy, quá trình khí hóa nhiên liệu rắn là công đoạn cần thiết để sử dụng hiệu quả loại nhiên liệu này. 4 Từ những yêu cầu sử dụng năng lượng, điều kiện an tòan của môi trường, mục đích của luận án này là:  Lựa chọn và cải tiến để có được mẫu thiết bị khí hóa đơn giản, dễ vận hành, phù hợp với đặc điểm riêng của trấu.  Xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế thiết bị khí hóa ở qui mô công nghiệp. Để đạt được mục đích đó, nội dung của luận án tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: 1) Tìm hiểu lý thuyết khí hóa nhiên liệu rắn, nghiên cứu các quy trình công nghệ, thiết bị khí hóa rắn, lựa chọn thiết bị khí hóa đơn giản, chế độ nhiệt độ không cao, dễ vận hành song cho ra sản phẩm khí có chất lượng cao. 2) Nghiên cứu các đặc trưng chuyển động, các phản ứng hóa học có thể xảy ra trong quá trình khí hoá trấu. Xác định hướng xảy ra quá trình khí hóa. 3) Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trị khí thành phẩm. Thiết lập mô hình thống kê mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trị của khí thành phẩm. 4) Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số chuyển khối. Thiết lập mô hình vật lý mô tả quan hệ giữa hệ số chuyển khối, chuyển nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng. 5) Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm có các dụng cụ chỉ thị và điều chỉnh yếu tố ảnh hưởng và chênh lệch nhiệt độ trước và sau khi cháy của khí sản phẩm. 6) Tiến hành thực nghiệm quá trình khí hóa trấu trong thiết bị với các biến đổi của yếu tố ảnh hưởng. 7) Nghiên cứu xử lý các số liệu thực nghiệm, tính tóan xác định nhiệt trị lớn nhất của khí sản phẩm, tính tóan xác định các tham số của 5 mô hình, thiết lập hàm số mô tả hệ số chuyển nhiệt, chuyển khối trong thiết bị khí hóa đã chọn. 6 PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ, THIẾT BỊ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU KHÍ HÓA CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ KHÍ HÓA 1.1. Quá trình khí hóa Khí hóa là một quá trình gia nhiệt tới nhiệt độ cao các hợp chất hữu cơ ở thể rắn hoặc lỏng với không khí, oxi, hơi nước, dioxit hay là hợp chất của chúng, do tác động đó phần hữu cơ của nhiên liệu trở thành nhiên liệu khí [52]. Trong quá trình khí hóa nhiên liệu rắn có một phần chất rắn không cháy được là tro. Than là nhiên liệu rắn đầu tiên được khí hóa [24],[ 24], [48] Ngoài việc khí hóa các hóa thạch, có thể khí hóa các phế thải hữu cơ khác trong thiết bị khí hóa sinh học [26], [53]. 1.2. Phân loại các quá trình khí hóa Các quá trình khí hóa được các tác giả phân loại trong [52] như sau: 1) Theo nhiệt trị của khí sản phẩm: Thấp: 4,186,70 MJ/m3 Trung bình: 6,7018,80 MJ/m3 Cao: 3140 MJ/m3 Rất cao: 3140 MJ/m3 2) Theo mục đích sử dụng:  Năng lượng: đốt trực tiếp và gián tiếp.  Công nghệ: tổng hợp, sản xuất hydro, sản xuất hydro- . 3) Theo kích thước hạt nhiên liệu sử dụng: hạt lớn, hạt nhỏ và hạt bụi (mịn). 4) Theo khí nguyên liệu: khô (không khí), ẩm (không khí và hơi nước), ướt (hơi nước), oxi ướt (oxi và hơi nước). 5) Theo phương pháp tách xỉ: ẩm, khô và lỏng. 7 6) Theo áp suất khí hóa:  Áp suất thường: từ 1 đến 1,3ata.  Áp suất trung bình: từ 20 đến 30ata.  Áp suất cao: lớn hơn 30ata. 7) Theo đặc trưng chuyển động của nhiên liệu:  Lớp tĩnh.  Tầng sôi.  Dòng chuyển động. 8) Theo nhiệt độ khí hóa:  Thấp: nhiệt độ thấp hơn 800oC.  Trung bình: nhiệt độ từ 800 đến 1300oC.  Cao : nhiệt độ cao hơn 1300oC. 9) Theo cân bằng nhiệt:  Tự sinh nhiệt: nhiệt độ ổn định nhờ duy trì nguồn nhiệt bên trong của hệ thống.  Có điều phối nhiệt: có chuyển nhiệt từ ngòai vào để duy trì quá trình khí hóa. 1.3. Thành phần khí sản phẩm khi sử dụng các loại khí nguyên liệu Bảng 1-1: Thành phần khí nguyên liệu và sản phẩm của nó Khí nguyên liệu Tên gọi khí thành phẩm Không khí khô Khí than khô Hỗn hợp không khí và hơi nước Khí than ẩm Hơi nước Khí than ướt Hỗn hợp oxi và hơi nước Khí than oxi ướt Thành phần khí sản phẩm phụ thuộc vào thành phần khí nguyên liệu. Tên gọi của khí sản phẩm ứng với mỗi loại khí nguyên liệu là khác nhau cho ở bảng 1-1 1.4. Các đặc trưng cơ bản của quá trình khí hóa nhiên liệu rắn 8 Khảo sát các quá trình khí hóa đã đưa ra ưu nhược điểm của từng loại và khả năng ứng dụng [52]: 1) Khí có nhiệt trị thấp (khí than khô, khí than ẩm) không có lợi khi vận chuyển đi xa. Khí than ướt cũng tiêu hao nhiều năng lượng khi vận chuyển. Vì thế sản xuất các khí trên chỉ để sử dụng ngay tại nơi sản xuất. Để dẫn đi xa nên sử dụng các khí có nhiệt trị không dưới 16MJ/m3. 2) Khí than khô và khí than ẩm và những khí nhiệt trị thấp khác nữa nên sử dụng cho trạm nhiệt điện. Trong sự phát triển của nhiệt năng trong tương lai, ưu tiên cho trạm khí hóa chu trình kín. Nhiên liệu rắn được cấp cho trung tâm nhiệt năng, ở đây thực hiện quá trình khí hóa, tách tro, làm sạch khí. Khí sạch được đốt trong turbin khí. Khí có SO 2 chỉ sử dụng cho trạm phát hơi. Khí than ướt là nguyên liệu cần thiết cho sản xuất khí hydro và các loại nhiên liệu khí, lỏng khác và những sản phẩm hóa chất. 3) Sử dụng nhiên liệu rắn có kích thước lớn gặp phải khó khăn do chi phí gia công cơ cao. Các loại nhiên liệu cỡ nhỏ, thậm chí dạng bụi thuận tiện khi nâng cao năng suất thiết bị song gặp trở ngại là tổn thất lớn. Quá trình khí hóa có thể thực hiện được với tất cả các nhiên liệu: từ vỏ bào, mùn cưa, than bùn đến than antraxit, than cốc. 4) Việc lựa chọn tác nhân khí hóa được quyết định bởi giá trị của khí thành phẩm. Nếu nhu cầu là khí than ướt để tổng hợp hữu cơ, hay là khí có nhiệt trị cao để vận chuyển xa thì sử dụng tác nhân khí hóa là oxi và hơi nước vì khi đó loại trừ được nitơ. Tuy nhiên vấn đề phải giải quyết lại là sản xuất oxi. Để có được 1m3 khí thô cần 0,35m3 oxi tinh khiết và 0,30,8 kg hơi. Không khí khô và không khí ẩm được sử dụng để sản xuất nhiên liệu khí để tiêu thụ gần như lò hơi, turbin khí. 5) Tùy thuộc vào bản chất của tro mà sử dụng các phương pháp tách tro khô, ẩm hay lỏng. 6) Áp suất khí hóa ảnh hưởng đến cường độ quá trình. Tăng áp suất khí hóa dẫn đến giảm thể tích khí thành phẩm (tạo thành metan), giảm kích 9 thước buồng khí hóa, giảm kích thước ống dẫn, song tăng áp suất khí hóa yêu cầu tiêu hao năng lượng (tăng áp suất tác nhân khí hóa). 7) Lựa chọn phương án chuyển động của nhiên liệu rắn trong buồng khí hóa đặc biệt quan trọng. 8) Tăng nhiệt độ khí hóa làm tăng tốc độ phản ứng và giảm sản phẩm phụ. Như chỉ ra ở trên, khí hóa nhiệt độ cao thường được thực hiện trong dòng chuyển động. 9) Do nhu cầu ngày càng tăng của khí than ướt để tổng hợp hữu cơ và hydro, đã nhận được nhiều quá trình nghiên cứu những vấn đề về cân đối nhiệt trong thiết bị khí hóa. Thiếu hụt nhiệt năng khi sản xuất khí than ướt trong trường hợp khí hóa nhiên liệu rắn bằng hơi nước được khắc phục bằng cách sử dụng tác nhân khí hóa là hơi nước và oxi. Nếu khó sản xuất oxi thì sử dụng phối hợp nguồn nhiệt rẻ (nhiệt trong các phản ứng hạt nhân…) để gia nhiệt tác nhân khí hóa trong thiết bị khác trước khi cho vào trong thiết bị khí hóa. Việc gia nhiệt tác nhân khí hóa có thể thực hiện bằng các phuơng pháp: thu hồi nhiệt qua tác nhân tải nhiệt là khí, rắn (các oxit kim loại hay gốm), lỏng (các kim loại nấu chảy)…sao cho tạo được hệ thống nung nóng tác nhân tải nhiệt và tuần hoàn nó. Giá trị kinh tế của các quá trình đó được xác định bằng cách so sánh chỉ tiêu xây dựng hệ thống đốt nhiên liệu rẻ đó với chỉ tiêu xây dựng và kinh doanh thiết bị sản xuất oxi. Khi tuần hoàn tác nhân tải nhiệt rắn hay khí thường sử dụng thiết bị khí hóa tầng sôi. Việc sử dụng tác nhân chuyển nhiệt lỏng liên quan tới việc sử dụng thiết bị có kết cấu đặc biệt. 1.5. Các lọai lò khí hóa 1.5.1 Lò khí hóa tĩnh ngược ( hình 1.1) Là tháp đứng bắng thép có lót lớp chịu lửa. Phần trên có cửa nạp liệu và van đóng kín. Phần dưới có ghi lò cho tác nhân khí lọt qua vào tháp phản ứng. Phía trên liên tục nạp nhiên liệu rắn, phía dưới liên tục nạp khí qua ghi lò. Hạt nhiên liệu rắn được khí hóa ở trạng thái gần như cố định.