ĐỒ án CÔNG NGHỆ 1 NGÀNH kỹ THUẬT hóa học CHUYÊN NGÀNH POLYMER đề tài BIOFUEL GASIFICATION OF BIOMASS

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA ĐỒ ÁN CƠNG NGHỆ NGÀNH: KỸ THUẬT HĨA HỌC CHUYÊN NGÀNH: POLYMER ĐỀ TÀI: BIOFUEL GASIFICATION OF BIOMASS GVHD: TS.PHẠM NGỌC TÙNG SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM LƯƠNG HẠ VI LỚP: 18H4 Đà Nẵng, 2021 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2020 Giáo viên hướng dẫn SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG TÓM TẮT Trong thập kỷ gần đây, quan tâm đến q trình khí hóa sinh khối tăng lên việc sử dụng lượng bền vững ngày tăng Q trình khí hóa sinh khối đại diện cho phương pháp hiệu để sản xuất điện nhiệt sản xuất hydro nhiên liệu sinh học hệ thứ hai Bài viết đánh giá nhằm mục đích đề cập đến cơng nghệ khí hóa sinh khối đại, đánh giá ưu điểm nhược điểm, tiềm sử dụng khí tổng hợp ứng dụng khí hóa sinh khối SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu lượng người diện cách hàng trăm ngàn năm, người biết dùng lửa hoạt động hàng ngày Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích than đá, dầu hỏa khí đốt, người tăng tốc sử dụng loại lượng không tái tạo để chạy máy nổ, chủ yếu ngành điện điện Với tốc độ tiêu thụ lượng hóa thạch nhanh chóng cạn kiệt An ninh lượng vấn đề cấp thiết với tất nước giới bao gồm nước phát triển nước phát triển nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt trở nên đắt đỏ Vì việc tìm kiếm nguồn lượng sử dụng nguồn lượng tái tạo đặc biệt trọng Sinh khối nguồn lượng tái tạo có khả đáp ứng vấn đề Thế giới quan tâm tìm cách sử dụng lượng sinh khối cách có hiệu quả, cơng nghệ khí hóa sinh khối cơng nghệ mang lại hiểu cao Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối cịn mẻ Việc sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối dừng lại lĩnh vực cung cấp nhiệt cho công nghiệp quy mô nhỏ hộ gia đình bếp khí hóa sinh khối hộ gia đình doanh nghiệp chép mẫu nhập chủ yếu từ Trung Quốc sử dụng hiệu suất chưa cao, làm việc chưa ổn định Vì nhóm em chọn đề tài “Khí hóa sinh khối” với mục đích: - Làm chủ cơng nghệ khí hóa sinh khối - Phát triển, nâng cấp hệ thống khí hóa - Tận dụng tối đa hiệu nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn vùng nông thôn miền núi không sử dụng giá trị thực lãng phí để sản xuất khí tổng hợp, bên cạnh sản xuất điện quy mơ nhỏ nhờ nhiệt q trình khí hóa sinh khối - Bên cạnh cịn giải vấn đề xử lý môi trường nhiều nơi khơng sử dụng cách mà cịn thải xuống sơng ngịi đốt gây nhiểm khơng khí Khí hóa sinh khối góp phần bảo vệ mơi trường tốt đẹp SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, nhóm em xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn T.S Phạm Ngọc Tùng tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực đồ án Do điều kiện nghiên cứu hạn chế, kiến thức cịn chưa sâu, thời gian có hạn nên đồ án nhóm em khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót, nhóm em kính mong thầy góp ý giúp đỡ để đồ án hoàn thiện SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG LỜI CAM ĐOAN Nhóm em xin cam đoan đề tài “Khí hóa sinh khối” nhóm em tiến hành cách minh bạch, cơng khai cơng trình nghiên cứu nhóm em hướng dẫn thầy Phạm Ngọc Tùng Những nhận định nêu đồ án kết từ nghiên cứu trực tiếp, nghiêm túc nhóm em dựa vào sở tìm kiếm, hiểu biết nghiên cứu tài liệu khoa học hay dịch khác công bố Tất tài liệu giúp đỡ nhóm em xây dựng đồ án trích dẫn cách đầy đủ đồng thời ghi rõ ràng nguồn gốc, hồn tồn trung thực, khơng chép Nếu sai nhóm em xin chịu hồn tồn trách nhiệm chịu tất kỷ luật môn nhà trường đề SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TÓM TẮT LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG .9 DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .9 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 12 1.1 Khái niệm .12 1.2 Sinh khối 12 1.2.1 Năng lượng từ sinh khối 12 1.2.1.1 Vai trò nhiên liệu sinh khối 12 1.2.2 Nguyên liệu thành phần .14 1.2.2.1 Nguyên liệu 14 1.2.2.2 Thành Phần .15 1.2.3 Tiềm sinh khối Việt Nam .15 1.2.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối Việt Nam 16 CHƯƠNG II: Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI 18 2.1 KHÍ HĨA SINH KHỐI 18 2.1.1 Khái niệm .18 2.1.2 Q trình khí hóa sinh khối 18 2.1.2.1 Sấy 20 2.1.2.2 Nhiệt phân 20 2.1.2.3 Q trình oxy hóa .21 2.1.2.4 Sự khử .22 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa sinh khối 23 2.1.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 23 2.1.3.2 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu 23 2.1.3.3 Ảnh hưởng hắc ín 23 SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.1.3.4 Ảnh hưởng tro 24 2.1.3.5 Ảnh hưởng kích thước hạt sinh khối 24 2.1.4 Ưu nhược điểm cơng nghệ khí hóa sinh khối 24 2.1.4.1 Ưu điểm 24 2.1.4.2 Nhược điểm 25 2.2 CÔNG NGHỆ KHÍ HĨA TẦNG CỐ ĐỊNH 25 2.2.1 Phân loại khí hóa tầng cố định 25 2.2.1.1 Thiết bị khí hóa thuận chiều (downdraft) 26 2.2.1.2 Thiết bị khí hóa ngược chiều (updraft) .26 2.2.1.3 Thiết bị khí hóa dịng cắt ngang (crossdraft) 26 2.2.2 Đặc điểm cơng nghệ khí hóa tầng cố định 27 2.2.3 Ưu nhược điểm loại lị khí hóa tầng cố định 27 KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Nguồn NLSK so với nguồn lượng tái sinh khác .13 Bảng 1.2: Nguyên liệu khí hóa sinh khối .14 [4] Bảng 1.3: Sử dụng sinh khối theo lượng sử dụng cuối 16 Bảng 2.1 Một số ưu, nhược điểm loại lò KHSK tầng cố định 27 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tiềm sinh khối tỉnh miền Bắc 15 Hình 1.2: Tiềm sinh khối tỉnh miền Trung miền Nam 16 Hình 2.1: Các giai đoạn q trình khí hóa 20 Hình 2.2 Ảnh hưởng trình nhiệt độ đến đặc tính khí tổng hợp .23 Hình 2.4: Khí hóa ngược chiều (updraft) .26 Hình 2.3: Khí hóa thuận chiều (downdraft) 26 Hình 2.5: Khí hóa dịng cắt ngang (crossdraft) .26 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT NLSK: Năng lượng sinh khối LHV : Giá trị nhiệt thấp [kJ/kg kJ/kmol] S : Hàm lượng lưu huỳnh sinh khối (%wt) tổng entropy [kJ] e : exit SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG Đồ án nhóm em chia làm hai phần chính: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Giới thiệu cách tổng quan nguyên liệu sinh khối, lượng sinh khối, tiềm sinh khối trạng sử dụng sinh khối Việt Nam CHƯƠNG II: Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI Giới thiệu chung q trình khí hóa sinh khối, ưu nhược điểm q trình khí hóa sinh khối, giới thiệu chung cơng nghệ khí hóa tầng cố định, kiểu khí hóa tầng cố định, ưu nhược điểm công nghệ SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 10 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG Hình 1.2: Tiềm sinh khối tỉnh miền Trung miền Nam → Qua đồ thị hình 1.1 hình 1.2 ta thấy Việt Nam có tiềm sinh khối dồi 1.2.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối Việt Nam Hiện nay, qui mơ tồn cầu NLSK nguồn cung cấp lượng thứ 4, chiếm tới 14-15% tổng lượng tiêu thụ Ở nước phát triển, NLSK nguồn lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số lượng [6] Bảng 1.3: Sử dụng sinh khối theo lượng sử dụng cuối Năng lượng cuối Tổng tiêu thụ Tỷ lệ (%) Bếp đun 10667 76.2 Lò nung 903 6,5 Lò đốt 2053 14.7 Điện 377 2.7 Tổng 14000 100 Nhiệt SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 15 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG → Qua bảng 1.3 cho thấy ba phần tư sinh khối sử dụng đun nấu gia đình Một phần tư cịn lại sử dụng sản xuất như:  Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ  Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt điện  Sấy lúa nông sản, SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 16 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG CHƯƠNG II: Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI 2.1 KHÍ HĨA SINH KHỐI 2.1.1 Khái niệm Khí hóa sinh khối q trình dùng oxy (hoặc khơng khí, khơng khí giàu oxy oxy đơn thuần, nước hydro, nói chung gọi chất khí hóa) phản ứng với sinh khối nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Nhiên liệu gọi chung khí hóa sinh khối với thành phần cháy chủ yếu CO, H2, CH4,… dung làm nhiên liệu khí dân dụng, cơng nghiệp sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH 2.1.2 Q trình khí hóa sinh khối Q trình khí hóa sinh khối bao gồm q trình chuyển đổi hợp chất hữu rắn / lỏng pha khí pha rắn Pha khí, thường gọi "khí tổng hợp", có cơng suất đốt nóng cao sử dụng để phát điện sản xuất nhiên liệu sinh học Pha rắn, gọi "than", bao gồm phần hữu không chuyển đổi vật liệu trơ có sinh khối xử lý Sự chuyển đổi đại diện cho q trình oxy hóa phần carbon nguyên liệu đầu vào thường thực có chất mang khí hóa, chẳng hạn khơng khí, oxy, nước carbon dioxide + Khí tổng hợp tạo hỗn hợp khí carbon monoxide (CO), hydro (H2) , metan (CH4) carbon dioxide (CO2) hydrocacbon nhẹ, chẳng hạn etan propan, hydro-cacbon nặng hơn, chẳng hạn tars(dầu hắc) , ngưng tụ nhiệt độ từ 250 đến 300 ° C Các khí khơng mong muốn, chẳng hạn Hydro sulfide (H2S) axit clohydric (HCl), khí trơ, chẳng hạn nitơ (N2), có khí tổng hợp Sự diện chúng phụ thuộc vào sinh khối xử lý vào điều kiện hoạt động trình khí hóa Giá trị nhiệt thấp (LHV) khí tổng hợp nằm khoảng từ đến 13 MJ / Nm3, tùy thuộc vào nguyên liệu, công nghệ khí hóa điều kiện vận hành.[9–11] + Than tạo hỗn hợp phần hữu chưa chuyển hóa, phần lớn cacbon tro Hàm lượng phân hữu chưa chuyển hóa chủ yếu phụ thuộc vào cơng nghệ khí hóa điều kiện hoạt động Mặt khác, lượng tro phụ thuộc vào sinh khối xử lý LHV than nằm khoảng từ 25 đến 30 MJ / kg [12], tùy thuộc vào hàm lượng phần hữu chưa chuyển hóa Các phản ứng q trình khí hóa thu nhiệt lượng cần thiết cho tạo thành chúng, nói chung, cấp oxi hóa phần sinh khối, thông qua cấp nhiệt ngồi nội sinh Trong q trình nhiệt nội sinh, khí hóa SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 17 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG làm nóng từ bên thơng qua trình đốt cháy phần, trong q trình nhiệt hóa từ bên ngồi, lượng cần thiết cho q trình khí hóa cung cấp bên [13,14] Xem xét hệ thống nhiệt nội sinh, trình khí hóa coi chuỗi số bước gián đoạn Một biểu đồ đơn giản hóa q trình khí hóa cho thấy hình 2.1 Các bước q trình khí hóa là: (1) Sấy (giai đoạn thu nhiệt) (2) Nhiệt phân (giai đoạn thu nhiệt) (3) Khử (giai đoạn thu nhiệt) (4) Ơxy hóa (giai đoạn tỏa nhiệt) Có thể bổ sung thêm bước phân hủy hắc ín để giải thích hình thành hydrocacbon nhẹ phân hủy phân tử hắc ín lớn Hình 2.1: Các giai đoạn trình khí hóa SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 18 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.1.2.1 Sấy Sấy bao gồm bay hơi ẩm chứa nguyên liệu thô Lượng nhiệt cần thiết giai đoạn tỷ lệ thuận với độ ẩm nguyên liệu Nói chung, nhiệt lượng cần thiết có từ giai đoạn khác trình Q trình sấy coi hồn thành đạt nhiệt độ sinh khối 150°C, Hamelinck đồng nghiệp công bố [22] 2.1.2.2 Nhiệt phân Giai đoạn bao gồm trình phân hủy nhiệt hóa vật liệu có chứa cacbon; Đặc biệt, bẻ gãy liên kết hóa học diễn với hình thành phân tử có khối lượng phân tử nhỏ Bằng cách nhiệt phân, thu phần khác nhau: phần rắn, phần lỏng / ngưng tụ phần khí [15–18] Phần rắn, nằm khoảng từ 5–10% trọng lượng khí hóa tầng sơi đến 20–25% trọng lượng khí hóa tầng cố định [15–18], có hàm lượng cacbon cao đặc trưng giá trị gia nhiệt cao Phần bao gồm vật liệu trơ có sinh khối dạng tro phần có hàm lượng carbon cao, gọi “than” Phần chất lỏng, thường gọi "tars", thay đổi tùy theo loại thiết bị khí hóa, chẳng hạn thấp 1% trọng lượng khí hóa dịng hướng xuống, 1–5% trọng lượng khí hóa tầng sủi bọt, 10–20% trọng lượng khí hóa dịng hướng lên (tars) cấu thành chất hữu phức tạp, ngưng tụ nhiệt độ tương đối thấp [18,21,23,24] Phần thể khí thường chiếm 70–90% trọng lượng vật liệu nạp vào [18,23] hỗn hợp khí khơng ngưng tụ nhiệt độ mơi trường xung quanh Phần thể khí gọi "khí nhiệt phân" chủ yếu bao gồm hydro, carbon monoxide, carbon dioxide hydrocacbon nhẹ metan hydrocacbon C2, C3 khác; có phần nhỏ axit khí trơ Các phản ứng nhiệt phân diễn với nhiệt độ khoảng 250–700°C Chúng phản ứng thu nhiệt, bước làm khô, nhiệt cần thiết đến từ giai đoạn oxy hóa q trình Q trình nhiệt phân biểu thị phản ứng tổng thể sau[19] : Sinh khối ⇌ H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O (g) + Hắc ín + Than (Thu nhiệt) SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 19 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG Khi nguyên liệu thô làm từ sinh khối, xenlulo thành phần (thường 50% trọng lượng), phản ứng này, sinh khối đại diện cơng thức hóa học xenlulo[20] : C6H10O6 Một số tượng phức tạp liên quan đến trình nhiệt phân, chúng bao gồm truyền nhiệt, khuếch tán sản phẩm từ lỗ sinh khối sang khối pha khí phản ứng nối tiếp Ở nhiệt độ thấp, động học phản ứng bước giới hạn, nhiệt độ cao hơn, bước giới hạn trở thành truyền nhiệt khuếch tán sản phẩm Đối với xenlulozơ, phản ứng nhiệt phân xảy khoảng 600 đến 700 ° C 2.1.2.3 Quá trình oxy hóa Q trình oxy hóa phần sinh khối cần thiết để thu lượng nhiệt cần thiết cho trình thu nhiệt, để trì nhiệt độ hoạt động giá trị cần thiết Q trình oxy hóa thực điều kiện thiếu oxy theo tỷ lệ hịa khí tối ưu để oxy hóa phần nhiên liệu Mặc dù q trình oxy hóa phần liên quan đến tất chất chứa cacbon ( bao gồm hắc ín ) ta đơn giản hóa hệ thống giả định có than hydro có khí tổng hợp tham gia vào phản ứng oxy hóa phần Các phản ứng diễn giai đoạn oxy hóa là: C + O2 → CO2 C+ H2 + O → CO 2 ▲H= -394kJ/mol Đốt cháy than (1) ▲H= -111kJ/mol Oxy hóa phần (2) O → H2O ▲H= -242kJ/mol 2 Đốt chat hydro (3) Sản phẩm bước nhiệt cần thiết cho trình, cịn sản phẩm cháy hỗn hợp khí CO, CO2 nước Trong hỗn hợp có nitơ q trình oxy hóa sinh khối thực với khơng khí, khơng thực tế khơng có nitơ sử dụng oxy 2.1.2.4 Sự khử Bước khử liên quan đến tất sản phẩm giai đoạn trước q trình nhiệt phân oxy hóa; hỗn hợp khí than phản ứng với tạo khí tổng hợp cuối Các phản ứng xảy bước khử là: C + CO2 ↔ 2CO C + H2O ↔ CO + H2 CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = 172 kJ / mol phản ứng Boudouard [5] ΔH = 131 kJ / mol Sự biến đổi than [6] ΔH = -41 kJ / mol phản ứng chuyển dịch khí nước C + 2H2 ↔ CH4 ΔH = -75 kJ / mol Methanation [8] [7] SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 20 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG Phản ứng (5 6) thu nhiệt, Phản ứng (7 8) tỏa nhiệt; nhiên, đóng góp Phản ứng Boudouard (5) biến đổi char (6) làm cho bước khử thu nhiệt tổng thể, sau tồn bước cần lượng từ phản ứng oxy hóa Phản ứng (5–8) phản ứng cân hóa học sản phẩm chất phản ứng tồn trì tỷ lệ nồng độ chúng theo quy luật cân nhiệt động lực học Nói chung, nói phản ứng thu nhiệt (5 6) ưu tiên (điều kiện cân chuyển dịch theo hướng tạo thành sản phẩm) nhiệt độ tăng, phản ứng (7 8) ưu tiên nhiệt độ thấp Nhiệt độ mà bước khử thực có vai trị định thành phần khí tổng hợp, ảnh hưởng đến đặc tính (giá trị gia nhiệt thấp hơn, diện hắc ín) Nhiệt độ cao làm tăng q trình oxy hóa than (giảm cặn rắn trình) giảm hình thành hắc ín Mặt khác, chúng làm tăng nguy thiêu kết tro làm giảm hàm lượng lượng khí tổng hợp Nhiệt độ q trình thơng số quan trọng q trình tổng thể, xác định đặc tính cặn rắn đặc tính khí tổng hợp Các tác động tóm tắt Hình 2.2 Hình q độ đặc khí 2.2 Ảnh hưởng trình nhiệt đến tính tổng hợp Ảnh hưởng nhiệt độ đến toàn q trình khí hóa dẫn đến phát triển nhiều giải pháp công nghệ, giải pháp đặc trưng thành phần khí tổng hợp khác lượng cặn rắn khác Phạm vi nhiệt độ điển hình q trình khí hóa phát triển quy mơ đầy đủ 800–1100 ° C, trong trình sử dụng oxy cho bước khí hóa, nhiệt độ trình nằm khoảng 500–1600 ° C SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 21 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa sinh khối 2.1.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ trình khí hóa lựa chọn sở trạng thái tro (trạng thái điểm mềm tro điểm nóng chảy xỉ) Đối với sinh khới điểm nóng chảy tro cao, thuận lợi để thêm chất khí hóa vào sinh khới để giảm nhiệt độ nóng chảy tro xuống Khí hóa nhiệt độ cao làm tăng lượng oxy tiêu thụ q trình giảm tồn diện hiệu suất q trình hóa khí Vì q trình hóa khí ta ln đảm bảo nhiệt độ lị khơng vượt q giá trị cho phép 2.1.3.2 Ảnh hưởng độ ẩm nguyên liệu Độ ẩm nhiên liệu cao hiệu trình khí hóa sinh khối thấp 2.1.3.3 Ảnh hưởng hắc ín Hắc ín tồn dạng lỏng ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác Nếu dạng chất lượng khí tăng lên nhiều Trong trường hợp hắc ín dạng lỏng chất lượng khí giảm xuống q trình khí hóa gặp khó khăn hắc ín tách lị làm dính kết lớp nguyên liệu, cản trở lưu thông khí dịch chuyển nguyên liệu 2.1.3.4 Ảnh hưởng tro Nếu nhiêt độ chảy tro xỉ thấp, kết thành tảng xỉ lớn cản trở trình khí hóa lị bị bịt kín phần hay hầu hết Có thể dẫn đến tắt lị làm ngừng q trình khí hóa chất lượng khí giảm xuống nghiêm trọng Nếu nhiệt độ chảy mềm tro cao dẫn tới tốn nhiệt cấp cho trình đốt nóng tro gây giảm hiệu suất làm việc thiết bị 2.1.3.5 Ảnh hưởng kích thước hạt sinh khới Kích thước ngun liệu sinh khối có vai trị đáng kể q trình khí hóa Nếu kích thước hạt nhỏ tổng diện tích tiếp xúc hạt với tác nhân khí hóa tăng lên độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng q trình khí hóa tăng Tuy nhiên kích thước hạt nhỏ sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lị làm cản trở q trình khí hóa Nếu kích thước hạt q to q trình khí hố xảy khơng hồn tồn → Vì vậy, việc tạo kích thước hợp lý q trình khí hóa tiến hành thuận lợi có ý nghĩa định [7] SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 22 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.1.4 Ưu nhược điểm cơng nghệ khí hóa sinh khối 2.1.4.1 Ưu điểm Ưu điểm khí hóa sinh khối so với đốt trực tiếp: Nó sử dụng nguyên liệu có giá trị thấp chuyển đổi chúng không thành điện, mà làm nhiên liệu cho phương tiện vận tải Trong năm tới, phục vụ cơng nghệ để bổ sung nhu cầu lượng giới Sử dụng công nghệ tiên tiến tuabin khí pin nhiên liệu với khí tổng hợp tạo từ kết q trình khí hóa hiệu suất cao Để đốt cháy hồn tồn nhiên liệu rắn, khơng khí dư thừa cần thiết, nhiệt độ đốt cháy cao tạo SOx, NOx phát thải khác Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt – điện, chất gây ô nhiễm khói SOx, NOx loại bỏ hiệu quả, kết lượng khí thải nhiễm thấp nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo dễ ràng cho trình xử lý, vận chuyển, sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải [8] So với công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh khối khác khí hóa sinh khối cịn có ưu điểm sau: - Khí hố sinh khối có tính linh hoạt cao sử dụng nguyên liệu sinh khối làm nhiên liệu - Khí hố có hiệu chuyển đổi nhiệt - hóa phạm vi 70% đến 90% cao số công nghệ sử dụng sinh khối - Có thể thực quy mơ lớn - Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ đơn vị lượng - Việc điều khiển thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng so với công nghệ khác - Sản phẩm khí đầu phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết loại động đốt thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng khác [25] 2.1.4.2 Nhược điểm - Vấn đề loại bỏ hắc ín chưa triệt để, chưa đáp ứng toán kinh tế - kĩ thuật đề - Quá trình vận hành phức tạp địi hỏi phải có kĩ kinh nghiệm nên độ tin cậy công nghệ phụ thuộc nhiều vào trình vận hành người vận hành - Cơng nghệ q trình nghiên cứu, phát triển thương mại hóa giai đoạn đầu cần nghiên cứu sâu SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 23 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.2 CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA TẦNG CỐ ĐỊNH 2.2.1 Phân loại khí hóa tầng cố định Lị khí hóa sinh khối theo cơng nghệ khí hóa tấng cố định chia làm ba loại theo chiều di chuyển sản phẩm khí đầu ra: - Lị khí hóa ngược chiều (updraft): chiều di chuyển sản phẩm khí đầu ngược với chiều di chuyển nhiên liệu - Lị khí hóa thuận chiều (downdraft): chiều di chuyển sản phẩm khí đầu với chiều di chuyển nhiên liệu - Lị khí hóa dịng chéo (crossdraft): chiều di chuyển sản phẩm khí đầu cắt ngang vng góc với chiều di chuyển nhiên liệu [26] Hình 2.3: Khí hóa thuận chiều (downdraft) Hình 2.4: Khí hóa ngược chiều (updraft) Hình 2.5: Khí hóa dịng cắt ngang (crossdraft) 2.2.1.1 Thiết bị khí hóa thuận chiều (downdraft) Ngun lí lị khí hóa sinh khối downdraft trình bày hình 2.3, nhiên liệu rắn khơng khí cấp cho q trình khí hóa chuyển động từ phía xuống Khí sản phẩm tạo chuyển động xuống phía ngồi gần đáy thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào dịng nhiên liệu khí đầu chuyển động chiều thiết bị khí hóa.  SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 24 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 2.2.1.2 Thiết bị khí hóa ngược chiều (updraft) Ngun lí lị khí hóa sinh khối updraft trình bày hình 2.4 Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía đỉnh thiết bị xuống phía khơng khí cho q trình khí hóa cấp vào từ phía chuyển động lên phía thiết bị Khí sản phẩm tạo chuyển động lên phía gần đỉnh thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào dịng khí sản phẩm chuyển động ngược chiều thiết bị khí hóa.  2.2.1.3 Thiết bị khí hóa dịng cắt ngang (crossdraft) Ngun lí lị khí hóa sinh khối crossdraft trình bày hình 2.5 Khơng khí cần cho q trình khí hóa chuyển động theo phương vng góc với chuyển động nhiên liêu rắn thiết bị khí hóa Sản phẩm khí lấy gần vùng cấp khơng khí phía đối diện 2.2.2 Đặc điểm cơng nghệ khí hóa tầng cố định Thơng thường, khả khí hoá sinh khối theo tầng cố định phụ thuộc vào tính chất sinh khối kích thước, hình dạng sinh khối, khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, thành phần hóa học tro nhiệt trị sinh khối Khả lưu chuyển sinh khối bên thiết bị khí hóa phụ thuộc vào hình dạng khối lượng riêng chất đống sinh khối Tổn thất áp suất thiết bị khí hóa tăng giảm kích thước hạt nhiên liệu hạn chế tốc độ lưu động khơng khí bên thiết bị hóa khí Nói chung, hiệu suất khí hố giảm độ ẩm sinh khối tăng, độ ẩm sinh khối khơng nên vượt q 30% Sinh khối có hàm lượng chất bốc thấp nguồn nhiên liệu phù hợp cho thiết bị khí hóa, đặc biệt ứng dụng có sử dụng động đốt máy phát để sản xuất điện công suất nhỏ Sinh khối có độ tro cao gây nên hỏng hóc nghiêm trọng vận hành thiết bị khí hố kiểu cố định Việc thải tro xỉ phải tiến hành liên tục định kỳ 2.2.3 Ưu nhược điểm loại lò khí hóa tầng cố định Mỗi loại lị khí hóa sinh khối tầng cố định có ưu điểm nhược điểm riêng, sử dụng cần lựa chọn để phát huy ưu điểm hạn chế tối đa nhược điểm [26] SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 25 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG Bảng 2.1 Một số ưu, nhược điểm loại lò KHSK tầng cố định Loại thiết bị khí hóa Updraft Ưu điểm Nhược điểm - Đơn giản, hiệu suất cao - Tạo nhựa cao, nhạy với độ ẩm - Độ giảm áp nhỏ, tạo xỉ nguyên liệu - Thích hợp nhiều loại vật - Tốn thời gian khởi động liệu - Khả phản ứng khí giảm - Sản phẩm khí Downdraft - Hiệu suất gas thấp so với - Dễ điều chỉnh khí sản updraft phẩm - Hạn chế với nguyên liệu nhỏ - Chiều cao thiết bị lớn Crossdraft - Nạp liệu nhanh - Hiệu suất cao, gọn nhẹ - Dễ điều chỉnh khí sản phẩm SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI - Không phù hợp với nhiên liệu nhiều tro - Dễ tạo xỉ - Độ giảm áp cao Trang 26 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG KẾT LUẬN Cơng nghệ khí hóa giải pháp tốt để sản xuất lượng từ nguồn tái tạo, để loại bỏ nguyên nhân cản trở phát triển quy mơ lớn cần phải có nỗ lực khác Một số vấn đề cơng nghệ, trước hết tương thích động khí tổng hợp Hoạt động tối ưu động với nhà máy khí hóa địi hỏi nhiên liệu tiêu chuẩn chất lượng cao, nồng độ cao chất ô nhiễm, chẳng hạn hắc ín, amoniac axit sulphidric / chloridric, chất lượng khí tổng hợp thường khơng đủ Syngas khơng chất mang lượng để sản xuất điện mà sản phẩm trung gian để sản xuất nhiên liệu sinh học thể lỏng khí Nhiên liệu sinh học lỏng, chẳng hạn diesel sinh học cồn sinh học, lưu trữ sử dụng làm nhiên liệu vận tải; nhiên liệu sinh học dạng khí chẳng hạn biomethane Trong số nhà máy khí hóa, để tăng hiệu làm sạch, q trình khử khí tổng hợp thực điều kiện khí quyển, gây tổn thất hiệu q trình khí hóa sản xuất điện năng, đặc biệt khí hóa kết hợp với thiết bị chuyển đổi lượng cao địi hỏi khí tổng hợp mức cao Khí hóa sinh khối có số ưu điểm so với trình đốt truyền thống, sản xuất nhiệt điện bảo vệ mơi trường: • Q trình đốt khí tổng hợp hiệu trình đốt trực tiếp sinh khối giảm lượng khơng khí thừa thất nhiệt vào khí thải • Q trình đốt cháy giai đoạn đồng cho phép trình liên tục kiểm sốt dễ dàng • Tốc độ dịng thể tích khí nhiên liệu sản xuất giảm nhiều so với tốc độ dịng chảy khí thải trình đốt trực tiếp, dẫn đến chi phí q trình làm thấp • Ngay khí tổng hợp sản xuất đốt chỗ, có khả loại bỏ số tạp chất sau giai đoạn khí hóa trước đốt khí tổng hợp Q trình khí hóa giải pháp thay hợp lệ cho trình nhiệt hóa truyền thống để phát điện q trình sản xuất chất trung gian hóa học sử dụng để sản xuất hợp chất khác, chẳng hạn nhiên liệu sinh học hóa chất xanh, chẳng hạn metanol DME Do cần phải nghiên cứu thêm để tăng hiệu tổng thể q trình khí hóa Cần có cách tiếp cận mới, có khả định giá tất SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 27 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG sản phẩm khí hóa - nhiên liệu hóa chất nhiệt - phép trình phổ biến thị trường quốc tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Biomass Gasification: Fungamentals, Experiments, and Simulation by Yaning Zhang and Bingxi Li Văn Đình Sơn Thọ, Trần Quang Huy Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp lượng cho nông nghiệp nông thôn Đại học Bách Khoa Hà Nội 2011 Biomass Gasification: An Overview of Technological Barriers and SocioEnvironmental Impact By Xiang Luo, Tao Wu, Kaiqi Shi, Mingxuan Song and Yusen Rao Submitted: May 26th 2017Reviewed: January 18th 2018Published: July 11th 2018 Biomass gasification technology: The state of the art overview by Antonio Molino, Simeone Chianese, Dino Musmarra Trần Văn Quy Nghiên cứu đánh giá tiềm phương án công nghệ sử dụng lượng sinh khối nông nghiệp số tỉnh vùng đồng Bắc Đề tài NCKH, QG,08,17, ĐHKHTN Nguyễn Quang Khải Những vấn đề phát triển sinh khối Việt Nam T,B, Reed and A, Das Handbook of biomass downdraft gasifier engine system US Department of energy 1988 Ajay Kumar et al Thermochemical Biomass Gasification: A Review of the Current Status of the Technology Energies 2009 K Qian, A Kumar, K Patil, D Bellmer, D Wang, W Yuan, R.L Huhnke, Energies6 (2013) 3972–3986 10 Y Wu, W Yang, W Blasiak, Energies (2014) 2107–2122 11 B Liu, S Ji, J Energy Chem 22 (2013) 740–746 12 C Bulm ̆au, C M ̆arculescu, A Badea, U.P.B Sci Bull Ser C 72 (2010) 29–38 13 R Rauch, J Hrbek, H Hofbauer, Wiley Interdiscip Rev.: Energy Environ (2014)343–362 14 J Zhang, X Weng, Y Han, W Li, Z Gan, J Gu, J Energy Chem 22 (2013) 459–467 15 X.T Li, J.R Grace, C.J Lim, A.P Watkinson, H.P Chen, J.R Kim, Biomass Bioenergy26 (2004) 171–193 16 P.M Lv, Z.H Xiong, J Chang, C.Z Wu, Y Chen, J.X Zhu, Bioresour Technol 95(2004) 95–101 17 A Gomez-Barea, R Arjona, P Ollero, Energy Fuels 19 (2005) 598–605 SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 28 ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ GVHD: T.S PHẠM NGỌC TÙNG 18 C.J Roos, Clean Heat and Power Using Biomass Gasification for Industrial andAgricultural Projects, U.S Department of Energy, 2010 19 M Widyawati, T.L Church, N.H Florin, A.T Harris, Int J Hydrogen Energy 36(2011) 4800–4813 20 D Shen, R Xiao, S Gu, K Luo, RSC Adv (2011) 1641–1660 21 Edited by T.B Reed, Proceedings of the 3rd Biomass Conference of the Americas,Vol 1, August 24-29, 1997, pp 589–595 Edited by 22 C.N Hamelinck, A.P.C Faaij, H den Uil, H Boerrigter, Energy 29 (2004) 1743– 1771 23 .C Schmid, U Wolfesberger, S Koppatz, C Pfeifer, H Hofbauer, Environ Prog.Sustain Energy 31 (2012) 205–215 24 D.L Carpenter, S.P Deutch, R.J French, Energy Fuels 21 (2007) 3036–3043 25 Vinay Shrivastava Design and development of downdraft gasifier for operating CI engine on dual fuel mode 2012 26 http://khihoa.blogspot.com/2011/12/ung-dung-cong-nghe-khi-hoa-trau-e-khac SVTH: VÕ VY TỐ DIỄM-LƯƠNG HẠ VI Trang 29 ... LÝ THUYẾT 12 1. 1 Khái niệm .12 1. 2 Sinh khối 12 1. 2 .1 Năng lượng từ sinh khối 12 1. 2 .1. 1 Vai trò nhiên liệu sinh khối 12 1. 2.2 Nguyên liệu... Energy 36(2 011 ) 4800–4 813 20 D Shen, R Xiao, S Gu, K Luo, RSC Adv (2 011 ) 16 41? ? ?16 60 21 Edited by T.B Reed, Proceedings of the 3rd Biomass Conference of the Americas,Vol 1, August 24-29, 19 97, pp... 18 2 .1 KHÍ HĨA SINH KHỐI 18 2 .1. 1 Khái niệm .18 2 .1. 2 Q trình khí hóa sinh khối 18 2 .1. 2 .1 Sấy 20 2 .1. 2.2 Nhiệt phân 20 2 .1. 2.3