- Mô hình hóa quá trình sản xuất hydrogen theo chu trình tuần hoàn oxy hóa khử của chất mang oxy từ nguồn nguyên liệu khí mêtan và hơi nước. - quá trình. - TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH TUẦN HOÀN HÓA HỌC . - Năng lượng tái tạo. - Khái niệm về chu trình tuần hoàn hóa học. - TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ TUẦN HOÀN HÓA HỌC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYĐRÔ . - Các công nghệ tuần hoàn hóa học. - Các phương pháp sản xuất Hyđrô. - MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H2 BẰNG CHU TRÌNH TUẦN HOÀN ÔXY HÓA KHỬ . - Đặc điểm các loại vật liệu tuần hoàn. - Giới thiệu quá trình sản xuất H2 bằng chu trình tuần hoàn ôxy hóa khử. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị 1 A Diện tích mặt cắt ngang thiết bị chuyển hóa nhiên liệu và thiết bị chuyển hóa hơi nước m2 2 Ap Diện tích bề mặt của một hạt m2 3 bi Hệ số tỷ lượng cho phản ứng i 4 C Nồng độ pha khí mol/m3 5 Cgf Nồng độ mêtan trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu mol/m3 6 Cgo,fuel Nồng độ mêtan trong dòng cấp đến thiết bị chuyển hóa nhiên liêu mol/m3 7 Cgo,steam Nồng độ hơi nước trong dòng cấp đến thiết bị chuyển hóa hơi nước mol/m3 8 Cgs Nồng độ hơi nước trong thiết bị chuyển hóa hơi nước mol/m3 9 2HC Nồng độ Hyđrô trong thiết bị chuyển hóa hơi nước mol/m3 10 Cp,i Nhiệt dung riêng của cấu tử i J/mol.K 11 dp Kích thước hạt mang ôxy m 12 Ea Năng lượng hoạt hóa của phản ứng J/mol 13 Eaf Năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu J/mol 14 Eas Năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong thiết bị chuyển hóa hơi nước J/mol 15 Fgo,fuel Lưu lượng mêtan cấp vào thiết bị chuyển hóa nhiên liệu mol/s 16 Fgo,steam Lưu lượng hơi cấp vào thiết bị chuyển hóa hơi nước mol/s 17 Fso,fuel Lưu lượng Fe2O3 cấp vào thiết bị chuyển hóa nhiên liệu mol/s 18 Fso,steam Lưu lượng Fe3O4 cấp vào thiết bị chuyển hóa hơi nước mol/s 19 2ZrOF Lưu lượng cấp ZrO2 trong chất mang ôxy mol/s. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 3 STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị 20 h Hệ số trao đổi nhiệt W/m2.K 21 k Hằng số tốc độ phản ứng 1/s 22 k* Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến mol-n m3n s-1 23 KE Hằng số cân bằng của phản ứng: 3FeO + H2O = Fe3O4 + H2 24 kf Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu mol-n m3n s-1 25 kg Hệ số dẫn nhiệt của khí W/m.K 26 ko Hệ số va chạm hữu ích 1/s 27 *ok Hệ số va chạm hữu ích trong tính toán hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến mol-n m3n s-1 28 kof Hệ số va chạm hữu ích trong tính toán hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu mol-n m3n s-1 29 kos Hệ số va chạm hữu ích trong tính toán hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến trong thiết bị chuyển hóa hơi nước mol-n m3n s-1 30 ks Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến trong thiết bị chuyển hóa hơi nước mol-n m3n s-1 31 ksurface Hằng số tốc độ phản ứng bề mặt mol1-n m3n-2 s-1 32 L Chiều dày lớp chất rắn phản ứng m 33 L* Chiều cao lớp đệm m 34 mp Khối lượng của một hạt kg 35 n Bậc phản ứng 36 Np Số lượng hạt trên một đơn vị thể tích m-3 37 R Hằng số khí m3barK-1mol-1 38 Sm Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trên một đơn vị thể tích của chất mang ôxy m2 m-3 39 t Thời gian phản ứng s 40 T Nhiệt độ tuyệt đối K 41 Tgf Nhiệt độ khí trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu K. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 4 STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị 42 Tgs Nhiệt độ khí trong thiết bị chuyển hóa hơi nước K 43 Tgo,fuel Nhiệt độ mêtan ban đầu K 44 Tgo,steam Nhiệt độ hơi ban đầu K 45 Tsf Nhiệt độ chất rắn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu K 46 Tss Nhiệt độ chất rắn trong thiết bị chuyển hóa hơi nước K 47 Vp Thể tích của một hạt m3 48 V Vận tốc dòng khí m/s 49 X, Xs Độ chuyển hóa chất rắn 50 Xgf Độ chuyển hóa mêtan trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu 51 Xgs Độ chuyển hóa hơi nước trong thiết bị chuyển hóa hơi nước 52 Xsf Độ chuyển hóa chất rắn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu 53 Xss Độ chuyển hóa chất rắn trong thiết bị chuyển hóa hơi nước 54 z Chiều dài lớp chất rắn trong thiết bị m 55. - Hệ số giãn nở khí 56 g Độ nhớt của khí kg m-1 s-1 57 particle Khối lượng riêng chất mang ôxy kg/m3 58 bulk Khối lượng riêng đổ đống của chất rắn trong thiết bị chuyển hóa kg/m3 59 g Khối lượng riêng chất khí kg/m3 60 m Hàm lượng mol của chất hoạt động trong chất mang ôxy mol/m3 61 s Hàm lượng mol của chất mang ôxy trong thiết bị chuyển hóa mol/m3 62 Thời gian chuyển hóa hoàn toàn của chất mang ôxy s 63 Hrxn1 Nhiệt của phản ứng: 4Fe2O3 + CH4 = 8FeO + CO2 + 2H2O J/mol. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 5 STT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị 64 Hrxn2 Nhiệt của phản ứng: 3FeO + H2O = Fe3O4 + H2 J/mol 65 AR Air Reactor 66 CFB Circulating Fluidized Bed 67 CLC Chemical Looping Combustion 68 CLP Calcium Looping Process 69 FR Fuel Reactor 70 IGCC Integrated gasification combined cycle 71 SCL Syngas Chemical Looping 72 SR Steam Reactor 73 TRCL Three-Reactors Chemical Looping 74 WGS Water-Gas Shift. - Tổng hợp các phản ứng hóa học để sản xuất H2 đồng thời thu hồi khí thải CO2 sử dụng phản ứng khử và ôxy hóa của sắt và oxit sắt [8. - Dự kiến năng lượng toàn cầu [18. - Sơ đồ thu hồi năng lượng hữu ích của hệ thống khí hóa cacbon/ tuabin khí. - Sơ đồ thu hồi năng lượng hữu ích của quá trình chuyển dịch khí-hơi nước - khí hóa. - Hệ thống tuần hoàn hóa chất trong kiểu tầng sôi tuần hoàn để sản xuất Maleic Anhydride. - Công nghệ sắt – hơi nước đầu tiên sử dụng đệm cố định. - Sơ đồ tuần hoàn hóa học tầng sôi sản xuất CO2 từ nhiên liệu rắn. - Sơ đồ công nghệ chu trình đôt cháy tuần hoàn hóa học CLC. - Sơ đồ chu trình tuần hoàn hóa học khí tổng hợp SCL. - Sơ đồ chu trình tuần hoán hóa học OSU’s. - Sơ đồ chu trình tuần hoàn canxi CLP [23. - Sơ đồ công nghệ sử dụng linh hoạt các loại nhiên liệu của GE [86. - 41 Hình 2.10. - Sơ đồ nguyên lý chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng sản xuất Hyđrô. - Sơ đồ nguyên lý chu trình tuần hoàn hóa học 3 thiết bị phản ứng để sản xuất Hyđrô. - (a) Hình dạng thiết bị chuyển hóa nhiên liệu (b) Hình dạng thiết bị chuyển hóa hơi nước. - 60 Hình 4.1a. - Sự thay đổi nhiệt độ và độ chuyển hóa của pha rắn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu dưới các điều kiện Fe2O3 wt. - 66 Hình 4.1b. - Sự thay đổi nhiệt độ và độ chuyển hóa của pha khí trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu dưới các điều kiện Fe2O3 wt. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 8 Hình 4.2a. - Sự thay đổi nhiệt độ và độ chuyển hóa của pha rắn trong thiết bị chuyển hóa hơi nước dưới các điều kiện Fe2O3 wt. - 67 Hình 4.2b. - Sự thay đổi nhiệt độ và độ chuyển hóa của pha khí trong thiết bị chuyển hóa hơi nước dưới các điều kiện Fe2O3 wt. - Lượng chất rắn tuần hoàn và độ giảm nhiệt theo độ chuyển hóa chất rắn trọng thiết bị chuyển hóa nhiên liệu (Fe2O3 10 wt. - nhiệt độ chất rắn vào 1173K. - Thay đổi lượng chất rắn tuần hoàn với nhiệt độ chất rắn vào thiết bị chuyển hóa nhiên liệu (Fe2O3 10 wt. - độ chuyển hóa chất rắn trong thiết bị chyển hóa nhiên liệu Xsf = 0,9. - Thay đổi lượng chất rắn tuần hoàn với Fe2O3 wt.% trong chất mang oxy và nhiệt độ chất rắn vào trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu khi độ chuyển hóa trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu là 0,9. - Thay đổi lượng chất rắn tuần hoàn là một hàm của nhiệt độ chất rắn từ thiết bị chuyển hóa nhiên liệu dưới các điều kiện lưu lượng hơi nước = 9,188 mol/s, độ chuyển hóa chất rắn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu = 0,9 và hàm lượng Fe2O3 = 10 wt.% và 20 wt. - Lượng chất rắn tuần hoàn trong thiết bị chuyển hóa hơi nước thay đổi với lưu lượng cấp hơi nước dưới các điều kiện nhiệt độ chất rắn vào thiết bị chuyển hóa hơi nước = 1100 K, độ chuyển hóa chất rắn trong thiết bị chuyển hóa nhiên liệu = 0,9 và hàm lượng Fe2O3 = 10 wt. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 9 CHƢƠNG 1. - TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH TUẦN HOÀN HÓA HỌC 1.1. - Khái quát chung Năng lượng là xương sống của xã hội hiện đại. - Một nguồn cung cấp năng lượng sạch, rẻ và phong phú là điều kiện tiên quyết cho sự thịnh vượng kinh tế và môi trường bền vững của mỗi quốc gia. - Với sự tăng trưởng kinh tế đáng kể tại khu vực Châu Á Thái bình dương và sự phát triển được dự kiến ở Châu phi, tổng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới được dự báo sẽ tăng từ 462,4 triệu tỷ BTU trong năm 2005 lên hơn 690 triệu tỷ BTU vào năm như được thể hiện trong Hình 1.1. - Dự kiến đến năm 2030 năng lượng sẽ được cung cấp từ dầu mỏ, than, khí thiên nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân. - Hình 1.1 cho thấy nhiên liệu hóa thạch chiếm hơn 86% nguồn cung cấp năng lượng của toàn thế giới [18]. - Các tác động ấm lên toàn cầu gây ra bởi sự phát thải CO2 từ quá trình chuyển đổi năng lượng hóa thạch là một vấn đề quan tâm quốc tế. - Một giải pháp năng lượng được thúc đẩy bởi sự kết hợp của tăng tiêu thụ năng lượng và tăng mối quan tâm về môi trường, đòi hỏi sự xem xét khớp nối các hệ thống chuyển đổi năng lượng hóa thạch với tiết kiệm, sự vận chuyển và các dây chuyền cô lập CO2. - Về chiến lược năng lượng trong dài hạn, các công nghệ phát thải CO2 thấp hoặc không phát thải CO2 sẽ bao gồm năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo. - Năng lượng hạt nhân có khả năng tạo ra điện với chi phí có thể so sánh với điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch [69]. - Khác với điện, nhiệt tạo ra từ các nhà máy hạt nhân có thể sử dụng cho quá trình tạo ra H2 trong quá trình nhiệt hóa hoặc điện phân nhiệt độ cao [110]. - Các vấn đề về chính trị, xã hội cũng như hoạt động an toàn và xử lý chất thải vĩnh viễn sẽ hạn chế việc sử dụng rộng rãi năng lượng hạt nhân trong sản xuất năng lượng tổng thể [19, 69. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 11 1.2. - Năng lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo (ví dự như Hyđrô, gió, mặt trời, sinh khối và địa nhiệt) là nguồn năng lượng rất hấp dẫn bởi vì nó có khả năng tái sinh và thân thiện với môi trường. - Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng từ thủy điện cung cấp phần lớn trong tổng số nguồn cung cấp năng lượng tái tạo [68]. - Trong năm 2005, tổng công suất thủy điện trên toàn thế giới là 750 GW chiếm 63% tổng nguồn cung từ năng lượng tái tạo và chiếm 19% tổng nguồn cung năng lượng toàn thế giới [68]. - Tại Mỹ, nguồn điện từ thủy điện khoảng 95.000 MW chiếm 7% tổng nguồn điện, cung cấp nguồn năng lượng cho khoảng 28 triệu hộ gia đình [101]. - Thủy điện có giá rẻ hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. - Ngoài ra, khi xem xét chu kỳ sống năng lượng tổng thể, các nhà máy thủy điện phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính ít hơn so với các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. - Đây là các nguồn năng lượng tái tạo đa dạng và nó có thể chuyển đổi thành điện, H2 và nhiên liệu sinh học. - Vật liệu sinh khối có thể trực tiếp đốt cháy sinh ra nhiệt hoặc điện, nó cũng có thể được khí hóa sinh ra khí tổng hợp dùng để phát điện hoặc tổng hợp nhiên liệu lỏng. - Khác với đốt cháy trực tiếp và khí hóa, nhiên liệu sinh học gốc rượu như etanol sinh học, butanol sinh học có thể được sản xuất từ đường hoặc tinh bột thông qua quá trình lên men, diesel sinh học được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật thông quá quá trình transester hóa, khí sinh học có thể được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí chất thải hoặc các vật liệu hữu cơ khác [20]. - Vật liệu sinh khối thường được xem là một nguồn năng lượng cân bằng cacbon bởi vì vật liệu thực vật được sản xuất từ CO2 trong khí quyển thông qua quá trình quang hợp. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 12 Phân tích chu kỳ sống chỉ ra rằng tiêu thụ năng lượng trong trồng trọt, vận chuyển và chuyển đổi sinh khối trong etanol sinh học có thể lớn hơn năng lượng có trong nhiên liệu thu được [79, 80]. - Gió cũng được xem là một nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng chủ yếu để phát điện thông qua tuabin trên cánh đồng gió. - Năng lượng gió có thể phát điện với giá 5-6 cent/kWh [19]. - Các nhược điểm chính của năng lượng gió là gián đoạn và rất biến động do đó đặt ra thách thức lớn trong việc quản lý lưới điện. - Tổng năng lượng mặt trời thu được trên bề mặt trái đất ước tính khoảng hơn 5000 lần nhu cầu năng lượng hiện tại của toàn thế giới và năng lượng điện mặt trời có mật độ năng lượng trung bình cao hơn so với bất kỳ nguồn năng lượng hóa thạch nào [91]. - Năng lượng mặt trời thường được sử dụng sinh ra điện bằng pin quang điện (pin mặt trời) hoặc động cơ nhiệt (động cơ hơi nước hoặc động cơ stirling). - Ngoài việc sản xuất ra điện, năng lượng mặt trời cũng có thể chuyển đổi thành năng lượng hóa học như Hyđrô và khí tổng hợp thông qua năng lượng mặt trời [59]. - Nhược điểm chính của nguồn năng lượng mặt trời là giá của pin quang điện cao dẫn đến giá thành điện sản xuất từ năng lượng mặt trời cao hơn điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch khoảng 4 lần. - Đứng trên quan điểm môi trường các nguồn năng lượng tái tạo có rất nhiều lợi thế tuy nhiên chúng gặp một số khó khăn, phức tạp khi ứng dụng với quy mô lớn. - Ngay cả khi giảm giá của năng lượng tái tạo đồng thời tăng giá của năng lượng hóa thạch thì chỉ có khoảng 8,5% tổng nhu cầu năng lượng dự báo đến năm 2030 được cung cấp từ nguồn năng lượng tái tạo. - Tuy nhiên, vì những lý do kinh tế, các loại nhiên liệu hóa thạch bao gồm cả dầu thô, khí thiên nhiên và than sẽ tiếp tục giữ vài trò chủ đạo trong việc cung cấp năng lượng cho thế giới trong tương lai gần. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 13 1.3. - Khái niệm về chu trình tuần hoàn hóa học Một phản ứng hóa học có thể diễn ra qua nhiều phản ứng phụ trong một dây chuyền phản ứng khi sử dụng các chất hóa học trung gian mà các chất này tham gia phản ứng và được tái sinh thông qua các phản ứng phụ. - Quá trình thực hiện phản ứng với sự tham gia của chất hóa học trung gian gọi là chu trình tuần hoàn hóa học. - Một sơ đồ chu trình tuần hoàn lý tưởng là thiết kế các phản ứng phụ theo cách thức tổn thất năng lượng hữu ích từ các quá trình có thể giảm tối thiểu trong khi cho phép phân riêng các sản phẩm hoặc các chất ô nhiễm được sinh ra từ các phản ứng được thực hiện một cách dễ dàng. - Quá trình chuyển hóa năng lượng hữu ích đạt hiệu suất cao để sản xuất các sản phẩm như: điện, H2 và các nhiên liệu lỏng trong khi duy trì lượng phát thải các khí ô nhiễm thấp là một thách thức cho bất kỳ hệ thống chuyển hóa nhiên liệu hóa thạch nào. - Để đạt được hiệu suất quá trình cao, một chiến lược quản lý năng lượng thích hợp là cần thiết. - Năng lượng hữu ích của một hệ thống được định nghĩa là tổng năng lượng lớn nhất sử dụng sử dụng cho quá trình biến đổi để đưa hệ thống về trạng thái cân bằng cơ bản. - Nhiệt độ môi trường thường được sử dụng như là trạng thái cân bằng cơ bản [57]. - Chỉ tiêu năng lượng hữu ích là tỉ số giữa năng lượng hữu ích trên tổng năng lượng tiêu hao. - Định luật nhiệt động thứ hai đã chỉ ra rằng sự suy giảm năng lượng trong tất cả các quá trình một chiều tương đương với sự thất thoát năng lượng xảy ra trong bất kỳ quá trình không lý tưởng nào. - Mặc dù sự thất thoát năng lượng là không thể loại bỏ nhưng có thể giảm thiểu sự thất thoát năng lượng hữu ích thông qua chiến lược quản lý năng lượng. - Một phương pháp hiệu quả để cải tiến một hệ thống hiện có là phải tìm ra nơi xảy ra thất thoát năng lượng lớn nhất để tìm cách giảm thiểu nó. - Một hệ thống với chỉ số năng lượng hữu ích cao có thể được tích hợp trong một hệ thống có chỉ số năng lượng hữu ích thấp để cải tiến hiệu suất năng lượng tổng thể. - HVTH: Hoàng Trung Kiên Trang 14 của quá trình [98]. - Hai ví dụ sau đây sẽ minh họa cách tích hợp năng lượng để giảm thiểu tổn thất năng lượng, kết quả được tính toán với các giả định sau. - Các nguyên liệu bên ngoài phản ứng tuần hoàn là tại trạng thái môi trường. - Sơ đồ thu hồi năng lượng hữu ích của hệ thống khí hóa cacbon/ tuabin khí Sơ đồ A trong Hình 1.2 thể hiện hai bước chính của công nghệ truyền thống IGCC. - Trong bước thứ nhất than sẽ phản ứng với ôxy và hơi nước sinh ra khí tổng
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt