Nghiên cứu và mô phỏng quá trình khí hóa than trọng lò lớp chuyển động

- NGUYỄN CÔNG BẰNG NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN TRONG LÒ LỚP CHUYỂN ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN.
- 14 1.1.1 Khái niệm về khí hóa than.
- 14 1.1.2 Ứng dụng của khí hóa than trong công nghiệp.
- 14 1.1.3 Xu hướng phát triển của công nghệ khí hóa than.
- 15 1.2 Các công nghệ khí hóa than.
- 17 1.2.1 Khí hóa than lớp chuyển động.
- 17 1.2.1.1 Lò khí hóa than chuyển động xuôi chiều.
- 18 1.2.1.2 Lò khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
- 18 1.2.1.3 Công nghệ Sasol-Lugi chế tạo khí than sử dụng lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 22 1.2.2 Khí hóa than lớp tầng sôi.
- 23 1.2.2.1 Công nghệ HTW (the high-Temperature Winkler process.
- 26 1.2.2.2 Công nghệ HRL.
- 26 1.2.2.3 Công nghệ CFB (Circulating fluidized-bed.
- 27 - 1 - Mục lục 1.2.2.4 Công nghệ KBR (The KBR transport gasifier.
- 29 1.2.3 Khí hóa than phun (Entrained-flow processes.
- 30 1.2.3.1 Công nghệ SCGP (Shell Coal Gasification Process.
- 32 1.2.3.2 Công nghệ GE (The GE Energy process.
- 33 1.2.3.3 Công nghệ E-Gas (The E-Gas process.
- 35 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ CƠ CHẾ KHÍ HÓA THAN LỚP CHUYỂN ĐỘNG NGƯỢC CHIỀU.
- 38 2.2 Mô tả vùng sấy của lò khí hóa than.
- 39 2.2.1 Mô tả cân bằng chất, cân bằng nhiệt cho một hạt than 39 2.2.2 Cân bằng chất cho vùng sấy của lò khí hóa 41 2.2.3 Cân bằng nhiệt cho vùng sấy 42 2.3 Mô tả vùng nhiệt phân.
- 45 2.3.1 Cân bằng chất cho vùng nhiệt phân.
- 47 2.3.2 Cân bằng nhiệt cho vùng nhiệt phân.
- 51 2.4.1 Phương trình cân bằng chất cho cấu tử carbon.
- 53 2.4.2 Phương trình cân bằng chất cho cấu tử hơi nước.
- 55 2.4.3 Phương trình cân bằng chất cho cấu tử CO2, CO, H Phương trình cân bằng nhiệt cho pha rắn.
- 56 2.4.5 Phương trình cân bằng nhiệt cho pha khí.
- 60 2.5.1 Phương trình cân bằng chất cấu tử carbon.
- 60 - 2 - Mục lục 2.5.2 Phương trình cân bằng nhiệt cho pha rắn.
- 61 2.5.3 Phương trình cân bằng nhiệt cho pha khí.
- 63 2.7 Tính toán hệ số truyền nhiệt.
- 65 2.7.1 Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.
- 66 2.7.2 Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ.
- 66 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG LÒ KHÍ HÓA THAN LỚP CHUYỂN ĐỘNG LÀM VIỆC NGƯỢC CHIỀU.
- 68 3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho lò khí hóa.
- 68 3.3 Mô phỏng lò khí hóa than chuyển động ngược chiều.
- 71 3.3.2 Tính toán hệ số cấp nhiệt K.
- 71 3.3.3 Mô phỏng lò khí hóa.
- 72 3.3.3.1 Sơ đồ mô phỏng lò khí hóa.
- 77 3.3.3.2 Kết quả mô phỏng lò khí hóa.
- Vũ Đình Tiến, Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất đã hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài.
- Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, và các bạn cùng lớp Cao học Hóa kỹ thuật đã giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian học tập và quá trình làm luận văn.
- Hà Nội, ngày 04 tháng 04 năm 2011 -5- LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn thạc sỹ Ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình khí hóa than trong lò lớp chuyển động” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS.
- ]kJ kg− Hiệu ứng nhiệt của quá trình nhiệt phân 31H∆1[.
- ]K− Hệ số truyền nhiệt trong vùng sấy 2K-2 1[w.m .
- ]K− Hệ số truyền nhiệt trong vùng nhiệt phân 3K-2 1[w.m .
- ]K− Hệ số truyền nhiệt trong vùng khử 4K-2 1[w.m .
- ]K− Hệ số truyền nhiệt trong vùng cháy 5K-2 1[w.m .
- ]K− Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dlα -2 1[w.m .
- ]K− Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ β 1.ms.
- Hệ số cấp khối sω -1[m.s ] Vận tốc chuyển động của pha rắn gω -1[m.s ] Vận tốc chuyển động của pha khí sρ -3[kg.m ] Mật độ pha rắn gρ -3[kg.m ] Mật độ pha khí Cρ -3[kg.m ] Mật độ cấu tử carbon sλ-1 1[w.m ]K− Hệ số dẫn nhiệt của pha rắn gλ -1 1[w.m ]K− Hệ số dẫn nhiệt của pha khí ψ Độ xốp của lớp hạt ϕ Hệ số hình dạng asgε Hệ số bức xạ của pha khí soilε Hệ số bức xạ của pha rắn ν 21.ms.
- 0k50 Bảng 3.1: Kết quả bài toán cân bằng nhiệt lò khí hóa than.
- 73 Bảng 3.2: Các thông số hóa lý sử dụng trong mô hình mô phỏng lò khí hóa … 74 Bảng 3.3: Các thông số động học của các quá trình xảy ra trong lò khí hóa.
- 75 -9- Danh mục các hình vẽ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ thể hiện nguồn nguyên liệu và các sản phẩm của quá trình khí hóa.
- 14 Hình 1.2 Xu hướng phát triển của công nghiệp khí hóa than.
- 14 Hình 1.3 Biểu đồ thể hiện nhu cầu sử dụng khí than đối với một số ngành công nghiệp.
- 15 Hình 1.4 Lò khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
- 19 Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ Sasol-Lugi chế tạo khí than tháo xỉ dạng khô.
- 21 Hình 1.6 Lò khí hóa tháo xỉ ở dạng khô.
- 22 Hình 1.7 Lò khí hóa tháo xỉ ở dạng lỏng.
- 22 Hình 1.8 Trạng thái của lớp hạt phụ thuộc vào vận tốc dòng khí thổi qua.
- 22 Hình 1.9 Nguyên lý làm việc và profin nhiệt độ trong lò khí hóa tầng sôi … 24 Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ khí hóa than HTW.
- 25 Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ HRL.
- 26 Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ CFB.
- 27 Hình 1.13 Sơ đồ công nghệ KBR.
- 28 Hình 1.14: Mô hình lò khí hóa than kiểu phun.
- 30 Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ SCGP.
- 31 Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ GE (The GE Energy process.
- 33 Hình 1.16 Sơ đồ công nghệ E-Gas (The E-Gas process.
- 34 Hình 2.1 Các vùng trong lò khí hóa lớp chuyển động ngược chiều.
- 35 - 10 - Danh mục các hình vẽ Hình 3.1 Mô hình hóa cân bằng nhiệt lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 67 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn nhiêt cung cấp.
- CCQTHQ72 Hình 3.3 Profin nhiệt độ trong vung sấy của lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 78 Hình 3.4 Profin nhiệt độ trong vung nhiệt phân của lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 79 Hình 3.5 Profin nhiệt độ (a) và profin độ chuyển hóa carbon (b) trong vùng khử của lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 80 Hình 3.6 Profin nhiệt độ (a) và profin độ chuyển hóa carbon (b) trong vùng cháy của lò khí hóa than lớp chuyển động Hình 3.7 Profin nhiệt độ trong vùng khử của lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 82 Hình 3.8 Profin trường nhiệt độ của pha rắn và pha khí dọc theo chiều dài của lò khí hóa than lớp chuyển động.
- 83 - 11 - Mở đầu MỞ ĐẦU Khí hóa than là phương pháp toàn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới, hoặc các vật liệu có chứa cacbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất quan trọng như CO, H2, và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng.
- Khác với việc đốt than trực tiếp, công nghệ khí hóa chuyển hóa than - thực tế là nguyên liệu cacbon - thành các thành phần hoá chất cơ bản.
- Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với không khí (hoặc oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao được kiểm soát chặt chẽ.
- Công nghệ khí hóa than còn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ô nhiễm trong khí than.
- Tại Công ty phân đạm và hóa chất Hà Bắc có khoảng 10 lò khí hóa than lớp tĩnh theo công nghệ cũ của Trung Quốc, hoạt động theo chế độ gián đoạn (1 chu kỳ thổi oxy sinh nhiệt, một chu kỳ thổi hơi nước để khử carbon tạo H2 và CO), với sản lượng tiệu thụ than khoảng trên dưới 200.000 tấn/năm, hiệu suất chuyển hóa than đạt 70,7%.
- Trong những năm gần các công ty sản xuất gạch ốp lát của Việt Nam có sử dụng một số lò khí hóa than lớp tĩnh nhập từ Trung Quốc với lượng tiêu thu than từ 15 đến 60 tấn than/ ngày để thay thế cho việc sử dụng nhiên liệu LPG nhằm hạ giá - 12- Mở đầu thành sản phẩm.
- Trong quá trình vận hành, các lò khí hóa than nhập từ Trung Quốc cũng tồn tại nhiều vấn đề như lượng carbon cố định còn lại trong tro xỉ cao, phát sinh nước thải chứa sulfua và dầu nhiệt phân nhưng chưa được xử lý triệt để và một số vấn đề khác liên quan đến an toàn phòng chống cháy nổ.
- Nghiên cứu mô phỏng các quá trình xảy ra trong lò khí hóa than là một việc rất quan trọng và cần thiết trong quá trình tính toán thiết kế, chế taọ và tìm ra các thông số công nghệ tối ưu lò khí hóa than từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng than, hạn chế ôi nhiễm môi trường, phòng tránh tai nạn cháy nổ trong quá trình sử dụng vận hành lò khí hóa than.
- Bản luận văn thạc sỹ với đề tài là: “Nghiên cứu và mô phỏng quá trình khí hóa than trong lò lớp chuyển động” Trong đó gồm các phần chính sau.
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ khí hóa than.
- Chương 2: Xây dựng mô hình toán mô tả cơ chế khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
- Chương 3: Mô phỏng lò khí hóa than lớp chuyển động ngược chiều.
- 13 - Chương1-Tổng quan về công nghệ khí hóa than CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Khái niệm về khí hóa than Khí hóa than là quá trình dùng tác nhân khí hóa phản ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển hóa nhiên liệu từ dạng rắn sang nhiên liệu dạng khí được gọi chung là khí than với thành phần cháy được chủ yếu là H2, CO, CH4,…được dùng làm nhiên liệu, nguyên liệu trong công nghiệp và dân dụng.
- Tác nhân khí hóa ở đây có thể là không khí, hoặc oxy thuần, hoặc hỗn hợp không khí-hơi nước, hoặc hỗn hợp oxy-hơi nước, hoặc hydro.
- 1.1.2 Ứng dụng của khí hóa than trong công nghiệp Quá trình khí hóa các nguyên liệu chứa carbon nói chung và khí hóa than nói riêng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp như công nghiệp luyện kim, công nghiệp điện, công nghiệp gốm sứ…và đặc biệt quan trọng đó là công nghiệp hóa chất với bán sản phẩm là các hóa chất cơ bản quan trọng như amoniac (NH3), methanol (CH3OH), hydro (H2), carbonmonoxide (CO), oxoalcohols...Với tình hình hiện nay, trữ lượng dầu mỏ và khí thiên nhiên trên thế giới đang cạn kiệt dần, giá cả ngày càng cao và không ổn định thì các sản phẩm từ quá trình khí hóa như nhiên liệu tổng hợp (Synfuels), khí tổng hợp (Sng) có một vai trò to lớn đối với các quốc gia đang phát triển phụ thuộc phần lớn vào nguồn năng lượng từ nước ngoài như các quốc gia Đông Nam Á trong đó có Việt Nam.
- Hình 1.1 dưới đây cho thấy rằng nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình khí hóa rất đa dạng như từ than đá, cạn dầu của quá trình lọc dầu cho đến các phế thải nông nghiệp, phế thải thành phố.
- Từ sản phẩm khí thu được của quá trình khí hóa, qua các quá trình tinh chế, tổng hợp đã chế tạo được sản phẩm quan trọng phục vụ đời sống con người.
- -14- Chương1-Tổng quan về công nghệ khí hóa than Hình 1.1 Sơ đồ thể hiện nguồn nguyên liệu và các sản phẩm của quá trình khí hóa 1.1.3 Xu hướng phát triển của công nghệ khí hóa than Trong 10-15 năm trở lại đây công nghệ khí hóa than được phát triển trở lại một cách mạnh mẽ được thể hiện rõ trong hình 1.2 Hình 1.2 Xu hướng phát triển của công nghiệp khí hóa than -15-

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt