Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại việt nam

TỔNG QUAN 6

1 1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và các khái niệm

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát Nó được hình thành từ hai phần của gié lúa, bao gồm vảy lá và mày hoa, liên kết với nhau bằng một nếp gấp Khi xay xát 1 kilogram lúa, khoảng 200g - 230g trấu sẽ được thu được, chiếm khoảng 20 - 23% tổng khối lượng hạt lúa.

77 – 80% là thành phần gạo, cám và mầm (Hình 1 1) Tỷ lệ này có khác biệt tùy theo thời vụ, vùng canh tác và giống lúa

Hình 1 1 Cấu tạo của hạt lúa Hình 1 2 Sản lượng lúa và trấu của cả nước giai đoạn 2015-2020 [19]

Lúa nước được trồng rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt là ở Châu Á, với sản lượng hàng năm đạt khoảng 700 triệu tấn theo FAO Trong quá trình xay xát, khoảng 150 triệu tấn trấu được sản xuất Tại Việt Nam, tổng cục thống kê cho biết sản lượng lúa thu hoạch hàng năm vượt quá 40 triệu tấn, như thể hiện trong hình 1 2 [19].

Riêng khu vực ĐBSCL, theo tổng cục thống kê sản lượng lúa trung bình từ năm

2015 – 2020 là 24,28 triệu tấn, trấu chiếm 20% thì có 4,8 triệu tấn trấu [19]

Trấu sau khi xay xát thường có độ ẩm từ 8 đến 12%, trong khi nguyên liệu sinh khối lý tưởng cho quá trình hóa khí cần có độ ẩm ≤ 20% Nguyên liệu có hàm lượng độ ẩm thấp sẽ tạo ra sản phẩm khí chất lượng tốt hơn Ngược lại, nếu độ ẩm cao, sự thất thoát nhiệt do bay hơi sẽ giảm nhiệt độ trong quá trình hóa khí, ảnh hưởng đến hiệu suất Do đó, việc áp dụng các phương pháp tiền xử lý để giảm độ ẩm của nhiên liệu là rất cần thiết.

Nhiệt trị là lượng nhiệt tạo ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu, được đo bằng kcal/kg hoặc kJ/kg Đối với trấu, nhiệt trị dao động từ 12,6 đến 16,5 MJ/kg, và giá trị này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, điều kiện canh tác, cũng như đặc điểm đất đai Để hoàn thành quá trình đốt cháy 1 kg trấu, cần khoảng 4,3 đến 4,7 kg không khí.

Hóa khí sinh khối là quá trình đốt cháy không hoàn toàn của sinh khối, tạo ra khí tổng hợp (Syngas) bao gồm Carbon Monoxide (CO), Hydro (H2) và khí methane (CH4) Khí tổng hợp này có thể được sử dụng để vận hành động cơ đốt trong, thay thế cho dầu đốt lò trong các ứng dụng nhiệt trực tiếp, và mang lại hiệu quả kinh tế trong sản xuất.

Quá trính hóa khí được chia làm bốn giai đoạn được biểu diễn như sau:

Hình 1 3 Bốn giai đoạn quá trình hóa khí [11] a Giai đoạn 1 (sấy sinh khối)

Sử dụng nhiệt (được cung cấp bằng cách đốt một lượng sinh khối nhỏ ban đầu) để bốc hơi nước từ bên trong sinh khối

Quá trình nhiệt phân của H2O diễn ra ở nhiệt độ trên 270oC, nơi nguồn nhiệt làm khô sinh khối và thay đổi cấu trúc hóa học của nó Nhiệt phân là một quá trình phức tạp, với các sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thời gian ổn định và mức độ thất thoát nhiệt Khi nhiệt độ tăng đến 200oC, chỉ có nước bốc hơi Trong khoảng nhiệt độ 200-280oC, carbon dioxide, axit axetic và nước được sinh ra, đánh dấu giai đoạn thực sự của quá trình nhiệt phân.

Khi nhiệt độ đạt 500°C, quá trình sản xuất tạo ra một lượng lớn hắc ín và khí carbon dioxide, cùng với một số rượu methyl nhẹ Từ 500-700°C, lượng khí sản xuất giảm đáng kể, chủ yếu bao gồm hydro.

C x H y O z → gas bốc hơi + Chất lỏng

Các chất dễ cháy trong nhiên liệu rắn chủ yếu bao gồm carbon, hydro và oxy Khi xảy ra quá trình đốt cháy hoàn toàn, carbon trong nhiên liệu tạo ra khí carbon dioxide, trong khi hydro sinh ra nước, thường dưới dạng hơi nước Phản ứng đốt cháy này tỏa nhiệt, với nhiệt độ có thể đạt tới 1.450 độ C do quá trình oxy hóa.

Sinh khối + Oxy → Nhiệt + Nước + Carbon dioxide

Trong quá trình khử, các phản ứng diễn ra cần một lượng nhiệt lớn Sau khi cháy, sản phẩm được tạo ra từ than nóng đỏ thông qua các phản ứng hóa học.

C + CO2 ⇋ 2CO + 172,6 kJ/mol (phản ứng Boudouard)

Dựa trên thiết kế của hệ thống hóa khí, quá trình di chuyển của nhiên liệu và sản phẩm khí được phân loại thành các loại công nghệ hóa khí khác nhau Tổng thể, các công nghệ này có thể được chia thành nhiều nhóm khác nhau.

Ba loại công nghệ hóa khí chính bao gồm hệ thống hóa khí cuốn theo dòng (Entrained flow), hệ thống hóa khí theo tầng (Moving bed) và hệ thống hóa khí tầng sôi (Fluidized bed) Mỗi công nghệ này có những đặc điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong quá trình chuyển đổi nhiên liệu thành khí Hệ thống hóa khí cuốn theo dòng thường được sử dụng để xử lý các nguyên liệu có kích thước nhỏ, trong khi hệ thống hóa khí theo tầng thích hợp cho các vật liệu lớn hơn Hệ thống hóa khí tầng sôi mang lại hiệu suất cao và khả năng kiểm soát tốt hơn trong quá trình hóa khí.

Hình 1 4 Phân loại hệ thống hóa khí theo tầng [37]

Với hệ thống hóa khí theo tầng chia thành 3 loại: Updraft, Downdraft và Crossdraft

Hệ thống Updraft là một loại khí hóa với "dòng khí đi lên", phù hợp cho sinh khối rắn có hàm lượng tro cao (trên 25%) và độ ẩm lớn (trên 20%), cũng như nguyên liệu dễ bay hơi như than Ưu điểm của hệ thống này bao gồm tổn thất áp suất thấp, hiệu suất nhiệt tương đối cao và ít khả năng tạo xỉ lỏng Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tạo ra nhiều keo - nhựa và khả năng thay đổi tải kém.

- Downdraft: là hệ thống hóa khí có “dòng khí đi xuống” xuyên qua vùng khử (Hình

Dòng khí đi qua vùng nhiệt độ cao dẫn đến việc nhựa trong khí bị vô hiệu hóa, do đó, các loại dòng khí đi xuống có hàm lượng nhựa rất thấp Ưu điểm của điều này là khả năng tạo ra dòng khí chứa ít keo nhựa, phù hợp làm nhiên liệu cho động cơ Tuy nhiên, nhược điểm là nhiệt trị của khí tổng hợp thấp và hàm lượng ẩm trong nhiên liệu đầu vào cần được kiểm soát.

Crossdraft là hệ thống hóa khí với dòng khí đi chéo xuyên qua vùng cháy và khử, có vùng phản ứng nhỏ và công suất nhiệt thấp, giúp thời gian hóa khí nhanh hơn so với các hệ thống khác Ưu điểm của hệ thống này bao gồm kích thước nhỏ gọn, lượng keo nhựa trong sản phẩm khí ít, và thời gian khởi động ngắn, cho phép tạo khí ga nhanh chóng và linh hoạt trong việc thay đổi tải Tuy nhiên, nhược điểm của nó là nhiệt độ làm việc cao, dễ tạo xỉ lỏng, khó khăn trong việc chọn vật liệu chế tạo, cùng với vận tốc khí ra lớn và yêu cầu nhiên liệu có chất lượng cao do khả năng chuyển đổi keo nhựa thấp.

Việt Nam có nguồn năng lượng sinh khối trấu rất lớn, đặc biệt tập trung ở khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long gần 5 triệu tấn/năm [19]

Hóa khí là quá trình chuyển đổi nhiệt của nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng khí Quá trình này xảy ra thông qua việc đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu trong thiết bị chuyên dụng gọi là thiết bị hóa khí.