Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm giới thiệu phương pháp mô phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics phiên bản 5.2.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm

50 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA THAN NGẦM APPLIED RESEARCH ON SIMULATION SOFTWARE OF HEAT AND MASS TRANSFER IN THE PROCESS OF UNDERGROUND COAL GASFICATION Nguyễn Lê Hồng Sơn1, Nguyễn Hoàng Anh2 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; hongsonnguyenle@gmail.com 2 Trường Cao đẳng Nghề Đồng Nai; hoanganhskill@gmail.com Tóm tắt - Khí hóa than ngầm là một quá trình chuyển than đá trực tiếp Abstract - Underground Coal Gasification (UCG) is a process in trong vỉa than thành khí đốt hoặc dùng để làm nguyên liệu tổng hợp which coal is converted to clean synthetic gas (syngas) in-situ. This hoá chất. Nghiên cứu này thực hiện mô phỏng chi tiết quá trình khí hoá study performs detailed simulations of UCG process inside coal than ngầm bên trong vỉa than để sản xuất khí tổng hợp (CO, CO2). Các seam to produce syngas (CO, CO2). The simulations are conducted mô phỏng được tiến hành bằng cách sử dụng phần mềm Comsol using the Comsol Multiphysics software to simulate the heat and Multiphysics phiên bản 5.2 để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và mass transfer during the underground coal gasification. Studies on truyền chất trong quá trình khí hoá than ngầm. Các nghiên cứu về sự the heat transfer and the growth of three-dimensional cavity truyền nhiệt và mô phỏng hình dạng khoang rỗng ba chiều (chiều dài, geometries in underground coal gasification are presented in chiều rộng và chiều sâu) sau quá trình khí hoá được thể hiện trong các underground coal seam. During the heat transfer, it should be noted vỉa than ngầm. Cần chú ý nhiệt độ bên trong vỉa than sẽ cao hơn nhiều that local temperature in the coal seam is higher than the outlet so với nhiệt độ đầu ra của khí sản phẩm, điều này là do tổn thất nhiệt temperature; this might be attributed to gas heat loss by the bởi môi trường xung quanh. Các khoang rỗng có hình giọt nước, và surrounding environment. The cavity has a tear-drop shape, which nó có thể được mô phỏng dựa trên chiều rộng, chiều cao, chiều dài could be characterized based on its width, height, forward and phía trước và phía sau của khoang. Điều chỉnh nồng độ O2 cấp vào backward lenght of the cavity. The effects of oxygen injection rate on quá trình khí hoá sẽ ảnh hưởng đến chất lượng khí tổng hợp cũng syngas quality are also studied. The best oxygen injection rate is được nghiên cứu. Tỷ lệ cấp O2 tốt nhất là khoảng 0,15 mol/s. about 0.15 mol/s. Từ khóa - khí hoá than ngầm; UCG; truyền nhiệt và truyền chất Key words - underground coal gasification; UCG; heat and mass UCG; comsol multiphysics; khí tổng hợp transfer; syngas; oxygen concentration; coal seam; comsol multiphysics 1. Đặt vấn đề phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics phiên bản 5.2. Quá trình khí hóa than ngầm thường diễn ra trong một Một mô hình toán học về truyền nhiệt và truyền chất của thời gian dài, với một khối lượng than lớn gấp nhiều lần so quá trình khí hóa than được xây dựng theo các phương với mô hình thực nghiệm. Do phải đầu tư một khoản chi phí pháp bảo toàn năng lượng và khối lượng của quá trình sản lớn cho quá trình xây dựng hệ thống khí hóa, nên phải nghiên xuất khí hóa than. Việc nghiên cứu các giá trị mô phỏng kết cứu kỹ về các loại than, dự đoán được các trường hợp có thể hợp với quá trình thực nghiệm khí hóa than sẽ cung cấp xảy ra. Trước yêu cầu đó, mô phỏng quá trình khí hóa than một cơ sở lý thuyết cần thiết cho các nghiên cứu tiếp theo ngầm được thiết kế và xây dựng gần giống với thực tế nhằm hay dự đoán các quy luật diễn ra trong quá trình khí hóa thử nghiệm trước khi xây dựng một hệ thống lớn hơn, khi than, như việc xác định các yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu biết chắc chắn điều đó sẽ mang lại lợi nhuận kinh tế cao. Dựa suất của khí hóa. trên những cơ sở lý thuyết chung của công nghệ khí hóa, mô 2. Cơ sở lý thuyết hình cho thấy quá trình khí hóa than diễn ra gần giống như dưới lòng đất với một đường ống dẫn hỗn hợp khí + hơi nước Các quá trình cháy và khí hóa dưới lòng đất trong các và một đường ống thu hồi khí tổng hợp. Qua đó, nghiên cứu lớp than rất phức tạp về mặt vật lý và các phản ứng hóa học, sẽ xác định được thành phần lý hoá học, chất lượng khí với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha thương phẩm từ các khí sản phẩm thu được. rắn-khí. Để dễ dàng trong quá trình tính toán, ta có các điều kiện sau: Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi 2.1. Các phản ứng hóa học trong khí hóa than lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như hoạt động của con Quá trình oxy hóa của than: người. Mô phỏng số mang đến cho con người những lợi ích C + O2 = CO2+ 399499kJ/mol (1) to lớn như tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, Phản ứng Boudouard: tránh được những rủi ro trong điều kiện thực tế, giảm tác động xấu tới môi trường. Các mô hình sẽ được xây dựng C + CO2 = 2CO + 167023kJ/mol (2) trên máy tính và mô phỏng quá trình trước khi mô hình Quá trình khí hóa của cacbon với hơi nước: thực nghiệm được xây dựng. C + H2O = CO + H2 – 125788kJ/mol (3) Ở đây, nhóm tác giả xin giới thiệu phương pháp mô Quá trình tạo metan: phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng C + 2H2 => CH4 (4)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 51 2.2. Phương trình bảo toàn thành phần các chất pha khí Tg  (Vg Tg )  2 ygi  C gi C pgi r   C pgi Cgi  z  Cg DTg z 2    R H   A(T i i g  Ts )  Qg Trong quá trình đốt và khí hoá của một lớp than, nhiều phản ứng vật lý và hoá học phức tạp xảy ra trong lò khí hoá (6) với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha Tg: Nhiệt độ pha khí (K); rắn-khí. Để dễ dàng trong quá trình tính toán, ta giả định các điều kiện sau: Cg: Tổng nồng độ mol của pha khí (mol/m3); 1. Kênh khí hóa làm việc ổn định, các thông số vật lý, Cpgi: Nhiệt dung riêng chất khí thứ i (kJ/mol.K); nhiệt động như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao Ri: Tốc độ phản ứng hóa học (mol/m3.s); đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian. Hi: Nhiệt lượng phản ứng hóa học (kJ/mol); 2. Bỏ qua quá trình khuếch tán nhiệt và áp suất. 𝛼: Hệ số trao đổi nhiệt giữa pha rắn và khí (kJ/m2); 3. Bỏ qua trở nhiệt và lực liên kết. A: Diện tích tiếp xúc giữa pha rắn và khí (m2/m3); 4. Lớp than trong khoang khí hóa là liên tục. Qg: Nhiệt lượng tổn thất ở pha khí (kJ); ygi: Thành phần phần trăm chất khí thứ i của pha khí. Điều kiện biên: z = 0, Tg = Tgz0 0 ≤ r ≤ r1 𝜏>0 𝜕𝑇𝑔 z = L, =0 0 ≤ r ≤ r1 𝜏>0 𝜕𝑧 𝜕𝑇𝑔 r = r1, Kλg = h(Ts - Tg), 0≤z≤L 𝜏>0 𝜕𝑟 r = 0, Tg = Tgr0 0 ≤ z ≤ L 𝜏>0 𝜏 = 0, Tg = Tg0 0 ≤ z ≤ L 0 ≤ r ≤ r1 Hình 1. Mô hình tính toán học kênh khí hóa Trong đó: C gi    C gi    C gi  1 C gi Tggz0, Tgr0: Nhiệt độ biên của pha khí (K);   (C gi .Vg )   D  D D  Si  z z  z  r  r  r r Tg0: Nhiệt độ ban đầu của pha khí (K); (5) Kλg: Hệ số dẫn nhiệt của pha khí (kW/mK); Trong đó: Ts: Nhiệt độ pha rắn (K); Cgi: Nồng độ mol của các thành phần i (mol/m3); h: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (kJ/m2K). Vg: Vận tốc của dòng khí dọc trục (m/s); D: Hệ số khuếch tán của dòng khí (trục và bán kính 2.4. Phương trình vùng nhiệt độ của lớp than khuếch tán là như nhau đối với các thành phần chất khí) Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, xét (m2/s); quá trình dẫn nhiệt trong lớp than, ta có: 𝜏: Thời gian (s); Ts   T    T  1 T s Cs  K s s    K s s   K s s  FsTs (7) Si: Tỷ lệ sản phẩm của thành phần thứ i trong phản ứng  z  z  r  r  r r hóa học (mol/m3s). Cs: Nhiệt dung riêng pha rắn (kJ/kg.K); Nếu chiều dài của kênh khí hóa dài hơn chiều dài bán Fs: Nhiệt lượng tổn thất của pha rắn (kJ/kg.s.K); kính thì phương trình được viết đơn giản như sau: K s : Hệ số dẫn nhiệt của pha rắn (kW/mK); C gi   C gi     C gi .Vg  D   Si  s : Khối lượng riêng chất rắn (kg/m3). r z  z  Điều kiện biên: Điều kiện biên: Z = 0, thì Cgi= Cgi0 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 𝜏 >0 r = r0, Ts = Tsr0 0 ≤ z ≤ L 𝜏>0 𝜕𝑇𝑠 Cgi0: Nồng độ mol của các thành phần i tại phía đầu z = L, =0 r1 < r < r 0 𝜏>0 𝜕𝑧 kênh khí hoá (mol/m3). z = 0, Ts = Tsz0 r1 < r < r0 𝜏>0 C gi Trong đó: Z = L, thì 0 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 𝜏>0 z Tsr0: Nhiệt độ bên ngoài lớp than (tại vị trí r0) là hằng L: chiều dài kênh khí hóa (m). số. Tại bề mặt giữa pha rắn và khí (r = r1), điều kiện biên là: ∂Ts Điều kiện ban đầu trước khi khí hóa: 𝐾λs = h(Ts – Tg) -∑𝑛𝑖 𝑚𝑖 𝛥𝐻𝑖 (8) ∂τ 𝜏 ≤ 0, Cgi= Cgi0, 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 0≤𝑧≤𝐿 Trong đó: 2.3. Phương trình bảo toàn năng lượng pha khí mi: Lưu lượng thể thích thành phần thứ i (kg/m3); Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, 𝛥𝐻𝑖 : Nhiệt phản ứng hóa học của chất thứ i (kJ/mol); phương trình bảo toàn năng lượng cho pha khí: N: tổng số các chất;
52 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh Điều kiện ban đầu: 𝜏 = 0, Ts = Ts0 0 ≤ z ≤ L 0 ≤ r ≤ r1 Ts0 : Nhiệt độ ban đầu của pha rắn (K). 2.5. Phương trình dòng chảy của pha khí Theo định luật bảo toàn động lượng, phương trình dòng chảy trong kênh khí hóa: Pg  2 Pg 1   Pg  2RTg    r    (9)  z 2 r r  r  k Trong đó: Pg  Cg RTg Pg: Áp suất dòng khí (Pa);  : Hệ số dính kết (Pa.s);  : Hệ số hiệu chỉnh; R: Hằng số chất khí (J/mol.K); k: Tỷ lệ rò rỉ chất khí ( m 2). 3. Mô hình mô phỏng Nhằm thử nghiệm trước khi đầu tư xây dựng một hệ Hình 2. Mô hình mô phỏng khí hóa than dạng 2D thống lớn với mức chi phí lớn cho quá trình xây dựng hệ thống khí hóa, nghiên cứu xây dựng một mô hình mô 3.3. Cài đặt điều kiện và các thông số đầu vào cho mô phỏng phỏng dự đoán các trường hợp có thể xảy ra để chắc chắn - Nhiệt độ mô phỏng: 750°C; nghiên cứu được ứng dụng trên thực tế và mang lại lợi - Áp suất mô phỏng từ 1 bar; nhuận kinh tế cao. Với mô hình này, quá trình khí hóa than - Vận tốc cấp O2 ban đầu từ 0,01 m/s. diễn ra gần giống như dưới lòng đất, dựa trên những cơ sở lý thuyết chung cho công nghệ khí hóa. Bảng 1. Thành phần than 3.1. Mục đích - Mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong khí hóa than; - Mô phỏng hình dạng lỗ rỗng ; - Xét sự ảnh hưởng hiệu suất của khí hóa phụ thuộc vào nồng độ O2. 3.2. Xây dựng mô hình Xét trên một khối than có kích thước 200x100x40 (cm) 4. Kết quả mô phỏng xây dựng trên phần mềm Comsol phiên bản 5.2 và được 4.1. Quá trình truyền nhiệt trong khí hóa than giả định các điều kiện: Nhiên liệu cấp vào lò được mô phỏng là một khối than - Kênh khí hóa làm việc ổn định, các thông số vật lý, tiếp xúc trực tiếp với oxy. Lúc đầu, than phản ứng ngay với nhiệt động như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao oxy tạo nhiệt độ cao, quá trình cháy diễn ra. Sau đó, nhờ có đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian. nhiệt độ cao và cháy yếm khí mà các phản ứng thu nhiệt - Bỏ qua quá trình khuếch tán nhiệt và áp suất. của quá trình khí hóa xảy ra (phản ứng chuyển hóa carbon thành CO). - Bỏ qua trở nhiệt và lực liên kết. Hình 3 mô phỏng véc-tơ vận tốc và quá trình truyền - Bỏ qua sự thay đổi khối lượng của dòng khí trong phản nhiệt trong khoang khí hóa. Ta có thể thấy rằng, nhiệt độ ứng hóa học vùng oxy hóa. tại tâm quá trình khí hóa là cao nhất, giảm dần hướng về lỗ - Lớp than trong khoang khí hóa là liên tục. thu khí. Từ đó, ta có thể dự đoán được nồng độ carbon thay - Trên khối than được xây dựng hai đường ống: Đường đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi tại các vị trí khác nhau ống dẫn khí hoặc hơi nước vào khối phản ứng có d = 21 cm trong vùng khí hóa. Phần mềm Comsol Multiphysics đã thể tại vị trí 50x50x20 (cm) trên khối than. Đường ống khí thải hiện được sự hình thành dòng chảy phức tạp thông qua các và sản phẩm ra khỏi khối khí hóa có d = 34 cm tại vị trí véc-tơ vận tốc trong khoang khí hóa và được thể hiện rõ 150x50x20 (cm) trên khối than. ràng qua hình, điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của S. Daggupati [7]. Để xác định ảnh hưởng của các thông số này đến quá trình khí hóa, tác giả đã tiến hành mô phỏng theo mô hình như sau:
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 53 Hình 6. Hình dạng khoang rỗng hình giọt nước được hình thành Hình 3. Kết quả mô phỏng quá trình truyền nhiệt lúc tâm phản ứng đạt 750°C và véc-tơ vận tốc Hình 7. Hình dạng của khoang rỗng 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ O2 đến thành phần sản phẩm khí Khi ta thay đổi nồng độ oxy cấp vào thì nồng độ sản phẩm khí cũng thay đổi theo [1] và [2]. Theo các điều trên, thành phần các chất khí CO, CO2 sẽ thay đổi theo nồng độ O2 như Hình 8-14. Kết quả từ Hình 8-14 cho thấy, khi thực hiện quá trình khí hóa, ta tăng nồng độ O2 từ 0,10 - 0,30 mol/s thì nồng độ sản phẩm khí sinh ra CO2 và CO bắt đầu tăng theo. Tại nồng độ O2 là 0,15 mol/s (Hình 9) thì nồng độ CO là cao nhất và CO2 là thấp nhất. Khi nồng độ O2 tăng từ 0,45 - 1,0 mol/s thì nồng độ CO2 bắt đầu tăng cao và CO giảm. Điều này phù hợp khi Hình 4. Phân bố nhiệt độ và véc-tơ vận tốc trong ta tăng lượng oxy lên quá cao thì lúc này quá trình cháy diễn khoang khí hóa dùng phần mềm CFD ra và lượng CO2 sinh ra nhiều hơn, lượng CO sẽ giảm đi. Quá trình này cũng phù hợp với nghiên cứu của Lanhe Yan [6]. Hình 5. Dạng hình học dự đoán của khoang rỗng khi dùng phần mềm CFD 4.2. Hình dạng khoang rỗng sau quá trình khí hóa than Kết quả mô phỏng hình dạng của lỗ rỗng sẽ hình thành khoang rỗng hình giọt nước. Điều này phù hợp với kết quả hình dạng khoang [3] và phù hợp với kết quả [5]. Quá trình mô phỏng này giúp ta có thể dễ dàng hơn trong việc hoàn Hình 8. Thành phần sản phẩm khí thu được thổ sau khi khai thác. khi cho nồng độ O2 là 0,10 mol/s
54 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh Hình 9. Thành phần sản phẩm khí thu được Hình 12. Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,15 mol/s khi cho nồng độ O2 là 0,60 mol/s Hình 13. Thành phần sản phẩm khí thu được Hình 10. Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,75 mol/s khi cho nồng độ O2 là 0,30 mol/s Hình 11. Thành phần sản phẩm khí thu được Hình 14. Thành phần sản phẩm khí thu được khi cho nồng độ O2 là 0,45 mol/s khi cho nồng độ O2 là 1,0 mol/s 5. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng [1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt, NXB quá trình khí hóa than ngầm có thể mô phỏng quá trình Giáo dục, 2004. truyền nhiệt, truyền chất. Qua đó, hiểu rõ được quá trình [2] Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Bài tập Truyền nhiệt – Nhiệt động và Kỹ thuật lạnh, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2001. truyền nhiệt diễn ra trong khoang khí hóa. Từ đó, dự đoán [3] Prabir Basu, Combusion and gasification, Taylor and Francis. được sự hình thành của khoang rỗng là hình giọt nước. Quá [4] G. X. Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal trình này giúp ích cho quá trình hoàn thổ sau này. gasiﬁcation at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin University Phương pháp mô phỏng khí hóa than ngầm cho phép Technology, 2009. cài đặt các thông số ban đầu để sản xuất khí than có chứa [5] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine các thành phần khí hóa mong muốn, vì vậy, có thể điều “Barbara”, Fuel, 2012. chỉnh các thông số ban đầu để kiểm soát được khí sản phẩm, [6] Lanhe Yang, Study on the model experiment and numerical rất có lợi khi dùng vào mục đích khí hóa than ngầm trên simulation for underground coal gasification, Elsevier, 2003. thực tế. Thành phần khí than phụ thuộc vào nồng độ O2 cấp [7] Sateesh Daggupati, Laboratory studies on combustion cavity growth vào. Sản phẩm có giá trị nhiệt lượng cao nhất tại nồng độ in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification, Elsevier, 2009. O2 từ khoảng 0,15 - 0,30 mol/s. (BBT nhận bài: 27/03/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 01/09/2017)