MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .1 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu mơ hóa khí 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Mục tiêu đồ án 1.5 Cấu trúc đồ án .6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HĨA KHÍ RDF 2.1 Tổng quan cơng nghệ hóa khí 2.1.1 Khái niệm hóa khí .7 2.1.2 Sản phầm hóa khí 2.1.3 Lịch sử phát triển hóa khí .8 2.1.4 Xu hướng phát triển 2.2 Tổng quan nhiên liệu Refuse-derived fuel (RDF) 10 2.2.1 Định nghĩa chất thải rắn 10 2.2.2 Thực trạng chất thải rắn Việt Nam .11 2.2.3 Cơng nghệ chuyển hóa rác thải thành lượng 15 2.2.4 RDF (Refuse-derived fuel) 16 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 3.1 Giới thiệu hóa khí .20 3.1.1 Cơ chế q trình hóa khí 20 3.1.2 Phân loại lị hóa khí 23 3.1.3 Tác nhân hóa khí .26 3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hóa khí 27 3.1.5 Quy trình thiết kế hệ thống hóa khí 30 3.2 Cơ sở lý thuyết mơ hóa khí 31 viii 3.2.1 Tổng quan mơ hình hóa hóa khí 31 3.2.2 Các mô hình mơ hóa khí 33 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HĨA KHÍ VIÊN NÉN RDF 37 4.1 Xây dựng mơ hình mơ phần mềm Aspen Plus 37 4.1.1 Giới thiệu phần mềm ASPEN PLUS v11 37 4.1.2 Các mơ hình ASPEN PLUS sử dụng cho tốn hóa khí 39 4.2 Mơ q trình hóa khí phần mềm Aspen Plus 52 4.2.1 Các giả định mô 52 4.2.2 Thông số đầu vào 53 4.2.3 Lựa chọn hệ nhiệt động .55 4.2.4 Lựa chọn thiết bị mô 56 4.2.5 Thiết lập mô 56 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .71 5.1 Kết mô 71 5.1.1 Kết mơ tác nhân hóa khí khơng khí 71 5.1.2 Kết mơ tác nhân hóa khí nước kết hợp khơng khí 73 5.1.3 Kết mơ tác nhân hóa khí khơng khí có gia nhiệt sơ 77 5.2 Bàn luận 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .83 6.1 Kết luận 83 6.2 Kiến nghị 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn nhu cầu khả đáp ứng lượng Việt Nam[27] Hình 2.1 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm q trình hóa khí [8] .8 Hình 2.2 Lượng CTR sinh hoạt phát sinh ngày khu vực đô thị nông thôn (theo vùng, 2019), BTNMT[9] 12 Hình 2.3 Lượng CTR cơng nghiệp phát sinh số địa phương (tấn) năm 2015[28]13 Hình 2.4 Tỷ lệ xử lý CTR công nghệ TP Hồ Chí Minh[28] .15 Hình 3.1 Cơ chế hóa khí lị updraft[8] 22 Hình 3.2 Cơ chế hóa khí lị downdraft[8] 23 Hình 3.3 Mơ tả hai loại lị khí hóa theo cách cấp nhiệt[16] 24 Hình 3.4 Hình ảnh loại lị hóa khí[17] 25 Hình 3.5 Quy trình thiết kế lị hóa khí đúc kết 30 Hình 3.6 Quy trình thiết kế lị hóa khí đề xuất 31 Hình 4.1 Phần mềm Aspen Plus V11 38 Hình 4.2 Giao diện phần mềm Aspen Plus V11 .39 Hình 4.3 Flowsheet mơ nhà máy nhiệt điện tua bin khí chu trình kết hợp Aspen Plus[38] 39 Hình 4.4 Hình ảnh viên nén RDF[40] .53 Hình 4.5 Khởi chạy phần mềm Aspen Plus chọn hệ mô 57 Hình 4.6 Khai báo cấu tử phần mềm Aspen Plus .57 Hình 4.7 Lựa chọn gói nhiệt đơng IDEAL .58 Hình 4.8.1 Thiết lập mơ hình enthalpy cho RDF 59 Hình 4.8.2 Thiết lập mơ hình enthalpy cho RDF 59 Hình 4.9 Thiết lập mơ hình enthalpy cho RDF .60 Hình 4.10 Vẽ flowsheet cho mơ với tác nhân khơng khí 60 Hình 4.11 Thiết lập tổng quát cho mô 61 Hình 4.12 Thiết lập dịng vật liệu khơng khí 62 Hình 4.13.1 Thiết lập dịng vật liệu viên nén RDF 62 Hình 4.13.2 Thiết lập dịng vật liệu viên nén RDF 62 Hình 4.13.3 Thiết lập dịng vật liệu viên nén RDF 63 Hình 4.14.1 Thiết lập khối Ryield (1) .63 Hình 4.14.2 Thiết lập khối Ryield (2) .64 Hình 4.14.3 Thiết lập khối Ryield (3) .64 x Hình 4.15.1 Thiết lập khối Gibbs (1) 64 Hình 4.15.2 Thiết lập khối RGibbs (2) .65 Hình 4.16 Thiết lập khối SAPARATE .65 Hình 4.17 Thiết lập khối CALCULATOR .66 Hình 4.18 Kết thành phần mol syngas .67 Hình 4.19 Vẽ flowsheet cho mơ với tác nhân khơng khí kết hợp nước 67 Hình 4.20 Thiết lập dịng vật liệu nước 68 Hình 4.21 Mơ tả thành phần dịng vật chất mơ 70 Hình 5.1 Sự thay đổi thành phần thể tích syngas theo hệ số ER 71 Hình 5.2 Đồ thị thay đổi nhiệt trị thể tích syngas theo hệ số ER .72 Hình 5.3 Đồ thị thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt theo hệ số ER 72 Hình 5.4 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO với đương lượng khơng khí – nước khác 73 Hình 5.5 Sự thay đổi thành phần thể tích khí H2 với đương lượng khơng khí – nước khác 74 Hình 5.6 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO2 với đương lượng khơng khí – nước 75 Hình 5.7 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí với đương lượng khơng khí – nước 76 Hình 5.8 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với đương lượng khơng khí – nước 77 Hình 5.9 Sự thay đổi thành phần khí CO theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 78 Hình 5.10 Sự thay đổi thành phần khí CO2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 78 Hình 5.11 Sự thay đổi thành phần khí H2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 79 Hình 5.12 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 80 Hình 5.13 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER .80 xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhu cầu lượng khả đáp ứng Việt Nam[27] Bảng 2.1 Nguồn phát sinh phân loại rác [10] 11 Bảng 2.2 Các cơng nghệ chuyển hóa rác thải theo Kaltschmitt and Reinhardt[13] 16 Bảng 2.3 Phân loại RDF theo ATSM classification of RDFs[39] 17 Bảng 3.1 Bốn q trình diễn lị hóa khí[8] 21 Bảng 4.1 Thống kê mơ hình tính tốn Enthalpy khối lượng riêng cho chất rắn không thông thường: .41 Bảng 4.2 Mã giá trị lựa chọn phương pháp tính tốn mơ hình HCOALGEN 42 Bảng 4.3 Giá trị số Hiệu chỉnh Boie .44 Bảng 4.4 Giá trị số Hiệu chỉnh Dulong 44 Bảng 4.5 Giá trị số Hiệu chỉnh Grummel Davis 45 Bảng 4.6 Giá trị số Hiệu chỉnh Mott Spooner 45 Bảng 4.7 Giá trị số Hiệu chỉnh IGT 46 Bảng 4.8 Giá trị số Hiệu chỉnh IGT sửa đổi 46 Bảng 4.9 Giá trị số Hiệu chỉnh trực tiếp 47 Bảng 4.10 Giá trị số Quan hệ Kirov .49 Bảng 4.11 Giá trị số Phương trình bậc ba 50 Bảng 4.12 Giá trị số mơ hình DCOALIGT 51 Bảng 4.13 Phân tích thành phần viên nén RDF[40] 53 Bảng 4.14 Thông số hệ số đương lượng khơng khí cho q trình hóa khí (ER) 54 Bảng 4.15 Thơng số hệ số đương lượng nước cấp cho q trình hóa khí (SBR): 55 Bảng 4.16 Các thiết bị mơ sử dụng mô 56 Bảng 4.17 Tóm tắt mơ ASPEN .69 Bảng 5.1 Thành phần thể tích syngas hệ số ER khoảng 0.3 đến 0.4 81 Bảng 5.2 Thành phần syngas hệ số ER=0.2 SBR = 0.6 82 xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RDF Refuse-derived fuel Nhiên liệu tái chế từ rác thải CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học lưu chất tính tốn ANN Artificial neural network Mạng thần kinh nhân tạo IGCC Integrated gasification combined cycle Chu trình hỗn hợp hóa khí tích hợp VBHN – BTNMT Văn hợp - Bộ Tài nguyên Môi trường VLXD Vật liệu xây dựng CTR Chất thải rắn CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt KCN Khu công nghiệp WtE Waste to energy Chuyển đổi rác thải thành lượng FVM The finite volume method Phương pháp thể tích hữu hạn NIST National Institute of Standards and Technology Viện Tiêu chuẩn Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ CNHH Công nghệ hóa học IGT Institute of Gas Technology Học viên Cơng nghệ Khí ER Equivalence Ratio Hệ số đương lượng khơng khí SBR Steam to Biomass Ratio Hệ số đương lượng nước xiii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Năng lượng lĩnh vực quan trọng quốc gia Ngành lượng động lực cho hầu hết ngành kinh tế xem phận quan trọng hệ thống sở hạ tầng sản xuất, sản xuất đại người phát triển nhờ phát triển lượng Công nghiệp lượng đại hệ thống gồm đa dạng ngành phục vụ cho sản xuất đời sống Tài nguyên lượng giới phong phú đa dạng, gồm: lượng truyền thống củi, gỗ, than, dầu mỏ, khí đốt, đá cháy,… ngồi cịn có dạng lượng mới, hiệu lượng hạt nhân, lượng mặt trời, lượng gió, lượng thủy triều, sinh khối hay lượng từ rác thải sử dụng với nhiều hình thức khác Tuy nhiên, người đứng trước thách thức nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Việc sử dụng hiệu nguồn lượng, tìm nguồn lượng bảo vệ môi trường yêu cầu cấp thiết Năng lượng sử dụng Việt Nam chủ yếu có nguồn gốc từ lượng hóa thạch: than, dầu mỏ, khí thiên nhiên Theo ước tính, Việt Nam có trữ lượng khoảng 15 triệu dầu thơ 20 tỷ m3 khí thiên nhiên, lượng dầu khí thiên nhiên dự đốn cạn kiệt vịng 25 năm tới [27] Ngồi ra, Việt Nam có tiềm lớn thủy điện, nhiên nguồn lượng không bền vững, khai thác mùa mưa, bị ảnh hưởng mạnh thời tiết, đặc biệt tượng ấm lên toàn cầu Do đó, mùa khơ thường xảy tượng điện Trong đó, lượng gió mặt trời khó có khả đáp ứng tương lai gần Theo dự đoán, gia tăng dân số tăng trưởng kinh tế Việt Nam đẫn đến nhu cầu lượng tăng liên tục qua năm Từ năm 1990 đến năm 2007, tổng nhu cầu lượng tăng khoảng 5% năm, từ 24,3 triệu dầu tương đương năm 1990 tăng lên 55,6 triệu dầu tương đương năm 2007 Hiện nay, nhu cầu lượng dự đoán tăng 5,5% năm mở rộng phát triển kinh tế Bảng 1.1 Nhu cầu lượng khả đáp ứng Việt Nam[27] Dạng lượng (triệu dầu 1900 tương Nhu 2007 2025 Khả Nhu Khả Nhu Khả cầu cầu đương) cầu Năng lượng thương mại 5.4 5.8 đáp ứng 31 49.4 đáp ứng 135.4 88.7 đáp ứng Than 2.2 2.6 9.9 24.3 64.2 45 Dầu 2.7 2.7 13 16.5 43.7 19.9 Khí thiên nhiên 0 5.5 5.9 16.3 16.2 Hydro 0.5 0.5 2.6 2.6 6.8 5.4 Hạt nhân 0 0 2 Năng lượng tái tạo 0 0 Điện nhập 0 0 18.9 24.5 24.5 10.6 18.6 24.7 55.6 73.9 146 107.3 Năng lượng phi thương 18.9 mại Tổng cộng 24.3 Với nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng khả đáp ứng nội địa lại không đáp ứng kịp, Việt Nam trở thành quốc gia nhập lượng năm tới Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn nhu cầu khả đáp ứng lượng Việt Nam[27] Hơn nữa, với phát triển kinh tế - xã hội, trình thị hóa gia tăng dân số diễn mạnh mẽ Việt Nam tạo áp lực lớn tới môi trường, lượng chất thải rắn nói chung, chất thải rắn sinh hoạt chất thải rắn cơng nghiệp nói riêng năm phát sinh nhiều Trong đó, việc kiểm sốt, quản lý chặt chẽ chất thải rắn hạn chế, dẫn đến nhiều nguy gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trường sức khỏe người Trong ngững năm gần đây, ô nhiễm môi trường từ chất thải rắn, đặc biệt từ bãi chôn lắp vấn đề báo động [9] Rác từ lâu xem phế thải khơng có giá trị, bị thải mơi trường cách bừa bãi Tuy nhiên, giới đứng trước khủng hoảng lượng môi trường, nên tính cấp thiết để đẩy mạnh nghiên cứu loại hình lượng từ rác vấn đề quan tâm Ngày nay, có nhiều cơng nghệ để chuyển hóa rác thải thành lượng, cơng nghệ nhiệt: hóa khí, phân hủy nhiệt polymer, nhiệt phân, hóa khí plasma; cơng nghệ khơng nhiệt: phân hủy yếm khí, ủ lên men… Trong công nghệ chuyển đổi rác thải thành lượng, cơng nghệ hóa khí giải pháp tiềm việc tận dụng phế phẩm để tạo nguồn lượng sạch, phục vụ cung cấp nhiệt sử dụng cho đồng phát lượng (sản xuất điện nhiệt), mà cịn góp phần giảm phát thải khí nhà kính; phù hợp với xu hướng sử dụng lượng tiết kiệm, hiệu phát triển lượng bền vững 1.2 Tình hình nghiên cứu mơ hóa khí Tình hình nghiên cứu giới: Trên giới, cơng nghệ hóa khí công nghệ phát minh ứng dụng từ từ kỷ XIX Nhiều nghiên cứu tiến hành để cải tiến, nâng cao chất lượng ứng dụng rộng rãi cơng nghệ hóa khí: Tapas Kumar Patra Pratik N.Seth (2015), công bố báo “Biomass gasification models for downdraft gasifier: A state-of-the-art review”, báo thảo luận mơ hình thiết bị hóa khí kiểu downdraft nghiên cứu, mơ hình cân nhiệt động, động học, CFD, ANN ASPEN Plus Các phân tích so sánh mơ hình đầu thực Một phân tích quan trọng ảnh hưởng tham số mô hình hóa khác cuối ưu điểm, nhược điểm mơ hình phác thảo [1] M.S.N Atikah Razif Harun (2019), công bố nghiên cứu “Simulation and Optimization of Chlorella vulgaris Gasification Using Aspen Plus”, nghiên cứu mơ hình hóa q trình hóa khí vi tảo tối ưu hóa điều kiện q trình hóa khí Mơ hình hóa thực phần mềm Aspen Plus V8.8, phương pháp tiến cận cân nhiệt động động học sử dụng q trình tính tốn Mơ hình phát triển cách sử dụng liệu phân tích sơ phân tích cuối Chlorella Vulgaris (một loại tảo) [2] María Pilar Gonzalez-Vazquez cộng (2020), công bố báo “Thermodynamic Analysis of Biomass Gasification Using Aspen Plus: Comparison of Stoichiometric and Non-Stoichiometric Models”, báo đánh giá hai mơ hình cân nhiệt động lực học phát triển phần mềm Aspen Plus: mơ hình khơng cân dựa thành phần nguyên liệu dựa hợp chất có khả xảy cao q trình hóa khí cách sử dụng tối thiểu hóa lượng tự Gibbs mơ hình cân dựa tập hợp phản ứng hóa học có liên quan đến q trình hóa khí Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, tỉ lệ khơng khí nước nhiên liệu kết luận dự đốn thành phần khí, hiệu suất hóa khí cho kết phù hợp với thí nghiệm Tác giả tầm quan trọng việc mơ tả xác thành phần khí sản phẩm q trình hóa khí sinh khối [3] Hình 5.3 cho thấy rằng, hiệu suất q trình hóa khí có xu hướng giảm tăng cường cấp khơng khí cho q trình hóa khí Hiệu suất cao đạt 85.88% ER = 0.2 giảm mạnh 44.12% ER = 0.5 Theo hình 5.2, nhiệt trị thấp syngas ER = 0.2 5.782 (MJ/m3) cao nhiệt trị syngas ER = 0.25 5.464(MJ/m3) hiệu suất chuyển đổi nhiệt ER = 0.2 có giá trị 78.26% thấp 85.88% ER = 0.25 5.1.2 Kết mô tác nhân hóa khí nước kết hợp khơng khí Mơ đánh giá ảnh hưởng tác nhân hóa khí khơng khí kết hợp với nước mơ tính tốn với hệ số SBR: 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, tương ứng với hệ số SBR hệ số ER: 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5 30 25 Thành phần % 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.4 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO với đương lượng khơng khí – nước khác 73 30 Thành phần (%) 25 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.5 Sự thay đổi thành phần thể tích khí H2 với đương lượng khơng khí – nước khác Qua hình 5.4 5.5, ta thấy thành phần khí CO giảm thành phần khí H2 tăng có mặt nước trình hóa khí Tại SBR = (khơng cấp nước), ta thấy rằng, thành phần khí CO cao đạt 25.01% tai ER = 0.25 thấp đạt 11.88% ER = 0.5 Khi cho nước tham gia vào q trình hóa khí SBR = 0.4, thành phần khí CO cao đạt 14.44% tai ER = 0.25 thấp đạt 8.69% ER = 0.5 Tiếp tục tăng lượng nước đầu vào đến SBR = 1, thành phần khí CO cao đạt 7.56% ER = 0.35 thấp đạt 5.14% ER = 0.2 Trong trạng thái không cấp nước, SBR = 0, thành phần khí H2 cao đạt 23.73% ER = 0.2 thấp đạt 4.16% ER = 0.5 Nếu cấp nước đến SBR = 0.6, ta thấy thành phần thể tích khí H2 cao đạt 26.88% ER = 0.2 thấp đạt 5.89% ER = 0.5 Khi tiếp tục tăng hệ số đương lượng nước đến SBR = 0.8 SBR = thành phần khí H2 thay đổi khơng đáng kể so với SBR = 0.6 74 18 16 Thành phần (%) 14 12 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.6 Sự thay đổi thành phần thể tích khí CO2 với đương lượng khơng khí – nước Theo hình 5.6, ta thấy phần phần khí CO2 tăng nước tham gia vào q trình hóa khí Tại SBR = 0, thành phần khí CO2 cao đạt 9.46% ER = 0.5 thấp đạt 5.66% ER = 0.25 Khi SBR = 0.6, thành phần khí CO2 cao đạt 15.03% ER = 0.2 thấp đạt 9.83% ER = 0.4 Tiếp tục tăng SBR = 1, thành phần khí CO2 cao đạt 15.94% ER = 0.2 thấp đạt 10.32% ER = 0.45 Sự tăng lên thành phần khí H2 , CO2 suy giảm khí CO có tham gia nước vào q trình hóa khí phù hợp với lý thuyết Vì phản ứng “Water Gas Shift” CO + H2O -> CO2 + H2 (R3.7) phản ứng thuận nghịch nên tăng nồng độ nước q trình hóa khí thúc đẩy chuyển dịch phản ứng Water Gas Shift theo chiều thuận 75 1800 1600 Nhiệt độ (oC) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.7 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí với đương lượng khơng khí – nước Hình 5.7 cho ta thấy rằng, nhiệt độ q trình hóa khí giảm có mặt nước q trình hóa khí Khi hóa khí không sử dụng nước (SBR = 0), nhiệt độ hóa khí tăng theo hệ số đương lượng ER, cao đạt 1569oC ER = 0.5 thấp đạt 693.94oC ER = 0.2 Khi cấp nước vào với đương lượng SBR = 0.6 nhiệt độ hóa khí cao đạt 1365.56oC ER = 0.5 thấp đạt 604.38oC ER = 0.2 Nếu tiếp tục cấp nước đến SBR = 1, nhiệt độ hóa khí cao đạt 1251.61oC ER = 0.5 thấp đạt 572.56oC ER = 0.2 Nguyên nhân việc có mặt nước, thúc đẩy phản ứng thu nhiệt diễn làm giảm nhiệt độ hóa khí Phản ứng thu nhiệt chủ yếu: C + H2O -> CO + H2 (R3.9) 76 100 Hiệu suất chuyển đổi nhiệt (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER SBR SBR 0.2 SBR 0.4 SBR 0.6 SBR 0.8 SBR Hình 5.8 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với đương lượng khơng khí – nước Nhìn chung, hình 5.8 cho thấy việc hóa khí sử dụng tác nhân khơng khí có phẩn nhỉnh tác phân hóa khí khơng khí kết hợp nước Tại ER = 0.25, không sử dụng nước (SBR=0) hiệu suất chuyển đổi nhiệt đạt 85.55% hiệu suất trường hợp SBR = 0.2, SBR = 0.4, SBR = 0.6, SBR = 0,8 SBR = 84.66% , 83.59%, 82.78%, 82.1% 81.44% Chênh lệch việc không sử dụng nước sử dụng với đương lượng SBR = 4.11% 5.1.3 Kết mơ tác nhân hóa khí khơng khí có gia nhiệt sơ Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí đầu vào đến q trình hóa khí thực với nhiệt độ sau 25oC, 100oC, 200oC, 300oC, 400oC, 500oC 77 30 Thành phần % 25 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.9 Sự thay đổi thành phần khí CO theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER Hình 5.9 cho ta thấy rằng, thành phần khí CO có xu hướng tăng ta tăng nhiệt độ khơng khí cấp cho q trình hóa khí Khi khơng có gia nhiệt sơ cho khơng khí, thành phần khí CO đạt lớn 25.01% ER=0.25 Khi nhiệt độ khơng khí gia nhiệt đến 500oC thành phần khí CO lớn đạt đến 28.45% Đồ thị cịn cho thấy rằng, có gia nhiệt sơ cho khơng khí nhiều thành phần khí CO cải thiện 10 Thành phần % 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.10 Sự thay đổi thành phần khí CO2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 78 Theo hình 5.10, nồng độ khí CO2 có xu hướng giảm ta gia nhiệt sơ khơng khí đầu vào Khi khơng gia nhiệt khơng khí sơ bộ, thành phần CO2 chiếm từ 5.66% đến 9.46% thành phần syngas Khi gia nhiệt sơ cho khơng khí đạt 500oC thành phần khí CO2 thấp đạt 4.32% ER=0.2 cao đạt 9.05% ER = 0.5 Đồ thị rằng, việc gia nhiệt sơ cho khơng khí làm giảm thành phần khí CO2 syngas 30 Thành phần % 25 20 15 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.11 Sự thay đổi thành phần khí H2 theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER Theo hình 5.11, thành phần khí H2 khơng có thay đổi đáng kể có gia nhiệt khơng khí sơ Ở hệ số ER thấp ER = 0.2, thành phần khí H2 có gia nhiệt sơ khơng khí đạt cao 24.56% khơng khí có 500oC thấp 23.73% khơng khí có 25oC Khi tăng dần hệ số ER, nồng độ H2 dường khơng có biến động q lớn 1% Ngun nhân việc tăng nhiệt độ khơng khí đầu vào làm tăng nồng độ khí CO giảm nồng độ khí CO2 syngas tăng nhiệt độ khơng khí đầu vào làm tăng nhiệt độ q trình hóa khí thúc đẩy phản ứng thu nhiệt C + CO2 -> 2CO (R3.10) diễn mạnh hơn, thể hình 5.13 Điều phù hợp với nghiên cứu Wayne Doherty cộng [34] 79 Nhiệt độ 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.12 Sự thay đổi nhiệt độ hóa khí theo nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER 100 90 80 Hiệu suất 70 60 50 40 30 20 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 ER Tair 25oC Tair 100oC Tair 200oC Tair 300oC Tair 400oC Tair 500oC Hình 5.13 Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi nhiệt với nhiệt độ khơng khí đầu vào hệ số ER Ảnh hưởng trình gia nhiệt sơ khơng khí đến hiệu suất chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí thể hình 5.13 Nó cho thấy gia nhiệt sơ khơng khí có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí ER thấp ảnh hưởng khí hệ số ER ngày cao Đối với ER = 0.2, hiệu suất cải thiện từ 78.22% đến 90.19% ER = 0.4, hiệu suất xấp xỉ 61.4% khơng có thay đổi đáng kể tăng nhiệt độ hóa khí Điều phù hợp với nghiên cứu Wayne Doherty cộng sự[34] 80 5.2 Bàn luận Thông qua kết mô phỏng, ta thấy hóa khí tác nhân khơng khí hiệu suất chuyển đổi nhiệt giảm cấp q nhiều khơng khí lượng khí đốt thu chủ yếu CO, H2 lượng CH4 Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiệt cách tăng nồng độ CO H2, xử dụng phương án thu hồi nhiệt syngas để nâng nhiệt độ khơng khí cấp vào lị Việc làm có ích syngas tạo với mục đích hóa học sản xuất CH4 qua nhiều khâu phía sau Nếu mục đích sử dụng syngas đốt để tạo nhiệt việc thu hồi nhiệt syngas cần tính tồn kỹ lưỡng để hiệu tốt Để lựa chọn thơng số vận hành lị hóa khí thơng số để thiết kế lị hóa khí viên nén RDF với tác nhân khí hóa khơng khí, nhóm đề xuất chọn hệ số ER = 0.3 – 0.4 để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi nhiệt bên cạnh cịn đảm bảo hiệu suất chuyển hóa carbon cao Việc cung cấp nước vào q trình khí hóa thúc đẩy phản ứng Water gas shift theo chiều thuận làm tăng nồng độ H2 syngas, qua kết mô cho thấy việc thêm nước vào lị hóa khí chưa cho hiệu mặt chuyển đổi nhiệt q trình hóa khí Tuy nhiên, giàu có H2 syngas điểm mạnh việc tiếp thêm nước vào q trình hóa khí hướng tới việc tạo nhiều hydrogen, tương lai mạnh sản xuất nhiên liệu Để thu hiệu việc lấy khí H2, nhóm đề xuất thơng số vận hành q trình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí kết hợp nước ER = 0.2 SBR = 0.6 để đảm bảo tính kinh tế hiệu Bảng 5.1 Thành phần thể tích syngas hệ số ER khoảng 0.3 đến 0.4 ER CO (%) 0.3 0.35 0.4 22.24 19.59 17 CO2 (%) H2 (%) H2 O (%) 5.98 16.16 7.01 6.53 11.98 9.46 7.3 8.69 11.27 CH4 (%) N2 (%) 48.61 52.44 55.74 LHV (MJ/Nm3) Nhiệt độ hóa khí (oC) Hiệu suất (%) 4.546 3.761 3.08 994 1183 1342 77.85 69.59 61.28 81 Bảng 5.2 Thành phần syngas hệ số ER=0.2 SBR = 0.6 ER CO (%) CO2 (%) H2 (%) 0.2 7.05 15.74 26.5 H2 O (%) CH4 (%) 20.56 1.86 N2 (%) LHV (MJ/N m3) Nhiệt độ hóa khí (oC) Hiệu suất (%) 28.29 4.41 604 86.61 82 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Cơng nghệ hóa khí cơng nghệ có nhiều tiềm việc tạo khí đốt cho q trình sản xuất nhiệt, điện Bên cạnh đó, sử dụng nhiên liệu viên nén RDF giải pháp góp phần tận dụng tối đa nguồn chất thải rắn để tạo lượng, giúp giải tình trạng rác thải ngày nhiều Phần mềm Aspen Plus cơng cụ hữu ích mơ q trình hóa khí, giúp đánh giá chất lượng syngas, góp phần tối ưu thiết kế lị hóa khí Thơng qua thực đồ án, nhóm chúng em tìm hiểu chế hóa khí mơ hình tốn cho q trình hóa khí đồng thời xây dựng mơ hình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí, khơng khí kết hợp nước phần mềm Aspen Plus Các kết mô cho thấy thay đổi thành phần khí syngas, nhiệt trị syngas theo giá trị Hệ số đương lượng không khí (ER), Hệ số đượng lượng nước (SBR) nhiệt độ gia nhiệt cho khơng khí cấp khác để điều kiện vận hành tốt cho lị hóa khí Nhóm đưa đánh giá sau: Để thu hiệu việc lấy khí H2, nhóm đề xuất thơng số vận hành q trình hóa khí viên nén RDF với tác nhân hóa khí khơng khí kết hợp nước ER = 0.2 SBR = 0.6 để đảm bảo tính kinh tế hiệu Để lựa chọn thông số vận hành lị hóa khí thơng số để thiết kế lị hóa khí viên nén RDF với tác nhân khí hóa khơng khí, nhóm đề xuất chọn hệ số ER = 0.3 – 0.4 để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi nhiệt bên cạnh cịn đảm bảo hiệu suất chuyển hóa carbon cao 6.2 Kiến nghị Sau hồn thành mơ phỏng, nhóm chúng em có số kiến nghị sau: - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hóa khí viên nén RDF để kiểm nghiệm tính xác mơ hình Gibbs hóa khí - Mơ hình tốn học sử dụng đồ án dựa phương pháp tối ưu hóa lượng Gibbs dựa vào cân pha cân hóa học Kiến nghị áp dụng 83 mơ hình động học hóa học để đánh giá điểm khác mơ hình tính xác mơ hình - Xây dựng mơ hình CFD hóa khí viên nén để biết q trình diễn bên lị hóa khí 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Patra, T K., & Sheth, P N (2015) Biomass gasification models for downdraft Gasifier: A state-of-the-art review Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 583593 [2] Atikah, M S N., & Harun, R (2019) Simulation and optimization of Chlorella vulgaris gasification using Aspen Plus Process Integration and Optimization for Sustainability, 3(3), 349-357 [3] Pilar González-Vázquez, M., Rubiera, F., Pevida, C., Pio, D T., & Tarelho, L A (2021) Thermodynamic Analysis of Biomass Gasification Using Aspen Plus: Comparison of Stoichiometric and Non-Stoichiometric Models Energies, 14(1), 189 [4] Bùi Trung Thành cộng (2012) Nghiên cứu tính tốn thiết kế buồng đốt trấu hóa khí quy mơ nhỏ sử dụng cho hộ gia đình nơng thơn, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, tập 7, tr 3544 [5] LE, Q M., TRAN, T N., PHAM, V V., NGUYEN, K N., TRAN, V T., LE, P T K., & LE, K A (2017, December) Process Simulation of Rice Husk Gasitication in Updraft Gasifier Using Aspen Plus In The 3rd ASEAN Smart Grid Congress The 5th International Conference on Sustainable Energy (p 36) [6] Chiến, L C., Tâm, N T., & Huy, T Q (2018) Nghiên cứu đánh giá khả khí hóa chất thải rắn sinh hoạt làm nhiên liệu thay Bản B Tạp Chí Khoa học Và Công nghệ Việt Nam, 60(6) [7] Jared P.Ciferno & John J.Marano (2002) Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels Chemicals and Hydrogen Production [8] Basu, P (2010) Biomass gasification and pyrolysis: practical design and theory Academic press [9] Bộ Tài nguyên Môi trường(2019), Nghị định 09/VBHN-BTNMT ngày 25/10/2019 ban hành Về quản lí chất thải phế liệu [10] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2012, Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 - Chất thải rắn [11] Nguyễn Văn Phước (2008), Giáo trình Quản lý xử lý Chất thải rắn, Hà Nội, NXB Xây dựng [12] Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2020, Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019, Chuyên đề Quản lý chất thải rắn sinh hoạt [13] Bosmans, A., Vanderreydt, I., Geysen, D., & Helsen, L (2013) The crucial role of Waste-to-Energy technologies in enhanced landfill mining: a technology review Journal of Cleaner Production, 55, 10-23 [14] Lê Đức Trung (2014) Kỹ thuật xử lý chất thải công nghiệp chất thải nguy hại, TP Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia TP HCM 85 [15] Nguyễn Văn Mạnh (2009) Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy ép viên phụ phế liệu nông nghiệp rác thải thải để làm phân bón, Mã số: 255-08RD/HĐ-KHCN [16] Scheithauer, M., Soliz, P E M., Lee, R P., Keller, F., Meyer, B., Bui, X N., & Huong, T T T (2021) Assessment of Feasible and Effective Technologies for the Chemical Utilization of Domestic Coal for Value-Added Production in Vietnam In Proceedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining (pp 364-384) Springer, Cham [17] http://www.fledged.eu/nhiên liệu-to-dme-process/gasification-2/ [18] Gil, J., Corella, J., Aznar, M P., & Caballero, M A (1999) Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: effect of the type of gasifying agent on the product distribution Biomass and bioenergy, 17(5), 389-403 [19] Kirsanovs, V., & Žandeckis, A (2015) Investigation of fuel effect on biomass gasification process using equilibrium model Agronomy research, 13(2), 500-510 [20] Duman, G., Uddin, M A., & Yanik, J (2014) The effect of char properties on gasification reactivity Fuel processing technology, 118, 75-81 [21] Guo, B., Shen, Y., Li, D., & Zhao, F (1997) Modelling coal gasification with a hybrid neural network Fuel, 76(12), 1159-1164 [22] Baruah, D., & Baruah, D C (2014) Modeling of biomass gasification: A review Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, 806-815 [23] Moukalled, F., Mangani, L., & Darwish, M (2016) The finite volume method in computational fluid dynamics (Vol 113, pp 10-1007) Berlin, Germany:: Springer [24] Tech, A (2001) Aspen physical property system 11.1 Aspen Technology, Inc., Cambridge, MA, USA [25] Aspen Tech, Getting Started Modeling Processes with Solids , Version Number: V8.4, November 2013 [26] Li, Y., Zou, K., Yang, T., Li, R., & Chi, Y (2013) Combustible solid waste gasification gas characteristics simulation based on Aspen plus Journal of Renewable and Sustainable Energy, 5(5), 053113 [27] Do, T M., & Sharma, D (2011) Vietnam's energy sector: A review of current energy policies and strategies Energy Policy, 39(10), 5770-5777 [28] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017, Báo cáo mơi trường quốc gia năm 2017 – Quản lí Chất thải rắn [29] Patil, K., Bhoi, P., Huhnke, R., & Bellmer, D (2011) Biomass downdraft gasifier with internal cyclonic combustion chamber: design, construction, and experimental results Bioresource technology, 102(10), 6286-6290 [30] Rowland, S (2010) Design and testing of a small-scale updraft gasifier for gasification of eastern redcedar Oklahoma State University 86 [31] Nguyễn Tô Hạc (2015) Nghiên cứu phát triển lị đốt cơng nghiệp sử dụng nhiên liệu sinh khối (trấu) phục vụ nung gạch (Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh) [32] Jayathilake, R., & Rudra, S (2017) Numerical and experimental investigation of Equivalence Ratio (ER) and feedstock particle size on birchwood gasification Energies, 10(8), 1232 [33] Khezri, R., Wan Ab Karim Ghani, W A., Awang Biak, D R., Yunus, R., & Silas, K (2019) Experimental evaluation of napier grass gasification in an autothermal bubbling fluidized bed reactor Energies, 12(8), 1517 [34] Doherty, W., Reynolds, A., & Kennedy, D (2009) The effect of air preheating in a biomass CFB gasifier using ASPEN Plus simulation Biomass and bioenergy, 33(9), 11581167 [35] Li, X., Grace, J R., Watkinson, A P., Lim, C J., & Ergüdenler, A (2001) Equilibrium modeling of gasification: a free energy minimization approach and its application to a circulating fluidized bed coal gasifier Fuel, 80(2), 195-207 [36] Nikoo, M B., & Mahinpey, N (2008) Simulation of biomass gasification in fluidized bed reactor using ASPEN PLUS Biomass and bioenergy, 32(12), 1245-1254 [37] Aspen Plus IGCC Model [Internet] Aspen Technology, Inc 2008 [38] Zhai, R., Yang, Y., Duan, L., & Yan, Q (2009) Modelling and simulating of GTCC system with CO2 removal plant using Aspen Plus International Journal of Modelling, Identification and Control, 7(4), 365-370 [39] Kerdsuwan, S., Meenaroch, P., & Chalermcharoenrat, T (2016) The Novel Design and Manufacturing Technology of Densified RDF from Reclaimed Landfill without a Mixing Binding Agent Using a Hydraulic Hot Pressing Machine In MATEC Web of Conferences (Vol 70, p 11003) EDP Sciences [40] Công ty TNHH Phúc Trường Hải 87 ... cứu - Q trình: Q trình hóa khí viên nén RDF - Vật liệu nghiên cứu: Viên nén RDF từ rác thải không nguy hại - Phương pháp: Mơ hình cân nhiệt động q trình hóa khí viên nén RDF - Chương trình mơ... Mục tiêu đồ án - Xây dựng mơ hình tốn học q trình hóa khí - Mơ q trình hóa khí RDF lị hóa khí với tác nhân hóa khí khơng khí khơng khí kết hợp nước - Đánh giá điều kiện vận hành lị hóa khí 1.5... cơng nghệ để chuyển hóa rác thải thành lượng, cơng nghệ nhiệt: hóa khí, phân hủy nhiệt polymer, nhiệt phân, hóa khí plasma; cơng nghệ khơng nhiệt: phân hủy yếm khí, ủ lên men… Trong công nghệ