Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 33, 2018 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƢỢC CHIỀU LÊ ĐÌNH NHẬT HỒI, BÙI TRUNG THÀNH Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp.HCM ledinhnhathoai@iuh.edu.vn;buitrungthanh@iuh.edu.vn Tóm tắt Hiệu suất nhiệt q trình khí hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tác nhân khí hóa yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt trị sản phẩm khí (syngas) Nghiên cứu tác giả thực phương pháp thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng tác nhân đến đến chất lượng nhiệt trị syngas Nghiên cứu thực thay đổi tỷ lệ oxy nước khơng khí cung cấp cho buồng phản ứng khí hóa Mơ hình thực nghiệm khí hóa ngun liệu trấu than đá kiểu lò phản ứng kiểu ngược chiều, mồi lửa (Top Lift Updraft – TLUD) Kết thực nghiệm cho thấy, dùng khơng khí làm tác nhân tỷ lệ ER = 0,25 sản phẩm khí syngas có nhiệt trị cao (3835 kJ/Nm3) Khi tăng nồng độ oxy tác nhân lên 70% chất lượng khí tăng lên đáng kể (nhiệt trị syngas 8646 kJ/Nm3), địi hỏi hệ thống phải có cụm cấp oxy bổ sung Việc bổ sung nước có làm tăng nhiệt trị sản phẩm khí, khơng đáng kể (tăng thêm 0,28% tỷ số S/A (steam/air) từ đến Thực nghiệm cho thấy, với tỷ số S/A = 0,5 chất lượng sản phẩm khí tốt Keywords: khí hóa, khí hóa than, khí hóa trấu, lị đốt khí hóa kiểu ngược, tác nhân khí hóa, thành phần khí tổng hợp EXPERIMENTAL RESEARCH TO DETERMINE THE AFFECT OF AGENT TO THE QUALITY OF SYNGAS ON UPDRAFT GASIFIER MODEL LE DINH NHAT HOAI, BUI TRUNG THANH Faculty Of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University Of Ho Chi Minh City ledinhnhathoai@iuh.edu.vn; buitrungthanh@iuh.edu.vn Abstract The thermal performance of the gasification process depends on many factors, in which gasification agent is one of the major factors affecting the quality and heat value of syngas This research uses the empirical method to determine the effect of the gasification agent on the quality and heat value of the syngas when changing the composition of oxygen and steam Experimental model of gasification using rice husk and coal materials with type of Top Lift UpDraft gasifier (TLUD) The results show that when using the air as an agent, at the equivalent ratio (ER) of about 0.25, the gas product produces the highest calorific value (3835 kJ/Nm3) As the oxygen concentration increases by 70% in the agent, the heat value increases considerably (8646 kJ/Nm3), but requires a pure oxygen supply The addition of steam increased the calorific value of the gas product, but was negligible (an increase of 0.28% as the S/A ratio went from to 7) The experiment also showed that with the ratio of S/A = 0.5, the quality of gas products is the best Keywords: coal gasification, rice husk gasification, gasification, gasification agents, synthesis gas, updraft gasifier, syngas © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 92 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU ĐẶT VẤN ĐỀ Cơng nghệ khí hóa ngun liệu sinh khối nghiên cứu ứng dụng nhiều nước giới từ kỷ 17 Tại Việt Nam, cơng nghệ khí hóa than gỗ ứng dụng để chạy máy phát điện, xe tải, xe khách điều kiện nhiên liệu xăng, dầu trở nên khan Việt Nam bị cấm vận Những năm gần đây, công nghệ lại tiếp tục nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu hơn, nhằm nâng cao hiệu suất khí hóa, nâng cao nhiệt trị mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ Phạm vi báo tác giả trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng loại tác nhân khí hóa gồm khơng khí, oxy, nước q trình khí hóa ngun liệu trấu than đá loại bituminous Nghiên cứu nhằm đánh giá thay đổi thành phần khí cháy nhiệt trị sản phẩm khí hóa thay đổi tỷ lệ thành phần tác nhân khí hóa Kết nghiên cứu tác giả nhằm bổ sung lý thuyết thực tiễn cơng nghệ khí hóa nhằm góp phần cải thiện hiệu sử dụng công nghệ, tiến tới phát triển hệ thống thiết bị khí hóa phục vụ cho sản xuất thực tiễn PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Ngun lý khí hóa Khí hóa q trình chuyển đổi vật liệu carbon hóa hữu dạng rắn sang dạng khí thành carbon monoxide, hydro carbon dioxide cịn gọi khí tổng hợp (gọi tắt Syngas) Trong tồn q trình khí hóa xảy giai đoạn nhiệt phân giai đoạn hồn ngun, kết sinh sản phẩm khí cháy Q trình khí hóa cháy hai q trình nhiệt hóa có liên quan chặt chẽ với nhau, có khác Trong khí khí hóa q trình chuyển hóa ngun liệu biomass thành hóa sản phẩm khí, từ làm nhiên liệu hóa học đốt sinh nhiệt; cịn Cháy q trình oxy hóa nhanh vật liệu trình tỏa nhiệt hóa học Các phản ứng xảy q trình khí hóa trình bày bảng [1].Trong q trình khí hóa, nước oxy thêm vào thiết bị khí hóa để nâng cao chất lượng sản phẩm khí Hơi nước đưa thêm vào để thúc đẩy phản ứng R2 tạo thêm khí CO H2 cho hỗn hợp sản phẩm khí q trình khí hóa Đây phản ứng thu nhiệt mạnh giảm nhiệt độ tồn vùng khí hóa Oxy đưa thêm vào thúc đẩy phản ứng oxy hóa R5, R6, R7 xảy mãnh liệu nhiệt độ thiết bị khí hóa tăng cao dẫn đến việc tăng tốc độ phản ứng hóa học thiết bị khí hóa Bảng Các phản ứng q trình khí hóa STT R1 (Phản ứng Boudouard) R2 (Phản ứng với nước) R3 (Phản ứng tạo metan) R4 R5 R6 R7 R8 Loại phản ứng Phản ứng với carbon Phản ứng oxy hóa Công thức phản ứng C + CO2 2CO C + H2O CO + H2 C + 2H2 CH4 C + 0.5O2 CO C + O2 CO2 CO + 0,5O2 CO2 CH4 + 2O2 CO2 +2H20 H2 + 0,5O2 H2O Phản ứng chuyển hóa nước CO + H2O CO2 + H2 R10 R11 R14 Phản ứng tạo methane 2CO + 2H2 CH4 + CO2 CO + 3H2 CH4 + H2O CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O R12 Phản ứng tái tạo với nước (định nghĩa lại có O2) R9 © 2018Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Nhiệt lƣợng (kJ/kmol) + 172 + 131 - 74,8 - 111 - 394 - 284 - 803 - 242 - 41,2 - 247 - 206 - 165 + 206 CH4 + H2O CO + 3H2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU 93 Kết q trình khí hóa tạo sản phẩm khí cháy gồm: CO, H CH4, thực đốt cháy khí sinh nhiệt phục vụ cho sấy, bảo quản nông sản, nung gốm…hoặc thể sử dụng khí (syngas) làm nguyên liệu để tổng hợp thành hợp chất hóa học phục vụ cho mục đích khác 2.2 Các phƣơng pháp khí hóa Về phương pháp khí hóa chia làm hai dạng khí hóa với ngun liệu trạng thái tĩnh (tầng cố định (fixed bed) khí hóa lớp nguyên liệu dạng di động (moving bed) q trình khí hóa Cụ thể gồm phương pháp chính: Phương pháp khí hóa với ngun liệu trạng thái tĩnh gồm có kiểu thuận chiều (downdraft); kiểu ngược chiều (updraft) kiểu thổi ngang (crossdraft) Phương pháp khí hóa với ngun liệu trạng thái di động gồm có kiểu tầng sơi (fluidized) kiểu khí động (entrained bed) Trong nghiên cứu này, tác giả thực mơ hình khí hóa kiểu ngược chiều (mồi lửa phía TLUD), nguyên liệu cấp từ xuống cịn dịng tác nhân cấp từ phía lên Sản phẩm dạng khí q trình khí hóa lấy khỏi buồng phản ứng đỉnh lị phản ứng Sản phẩm khí Tro phản ứng Vùng cháy Nhiên liệu chưa cháy Tro sau phản ứng Tác nhân Hình Ngun lý hoạt động mơ hình khí hóa kiểu ngược chiều TLUD 2.3 Tính tốn nhiệt trị nguyên liệu sản phẩm khí Quá trình thực nghiệm thực hai loại nguyên liệu khác trấu than đá (loại bituminous) Thành phần hóa học hai nguyên liệu bảng 2, trạng thái than trấu phân tích trạng thái khơng khí khơ (airdry) Bảng Thành phần hóa học trấu than bituminous (%), trạng thái khơng khí khơ [2], [3]: Thành phần Trấu Than bituminous C 37,1 80,0 H 4,1 5,54 O 31,6 6,0 N 0,36 1,0 S 0,05 0,58 A 17,7 3,88 W 9,09 3,0 Theo cơng thức D.I Menđêlêép, tính nhiệt trị cao nhiệt trị thấp trấu than đá trạng thái khơng khí khô sau [4] ( ) ( ) (1) ( ) ( ) ( ( ) ) ( ) (2) ( ) ( ) (3) ( ) (4) Thành phần syngas sinh phụ thuộc vào tác nhân, nguyên liệu khí hóa phụ gia hỗ trợ phản ứng có, chủ yếu khí H2, O2, N2, CO, CO2, CH4 Trong có H2, CO, CH4 khí cháy sinh nhiệt lượng tương ứng 10785, 12635, 35880 (kJ/m3) Công thức tính nhiệt © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 94 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU trị syngas tính theo [4]: [ ] [ ] [ ] ( ) (5) 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hệ thống thực nghiệm bố trí theo hình 2, tác nhân cung cấp cho thực nghiệm khí hóa gồm khơng khí, oxy tinh khiết nước (hơi bão hịa khơ áp suất bar, tương ứng với 151,8oC) Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm Hình Tác giả mơ hình thí nghiệm khí hóa Tiến trình phản ứng hình thành sản phẩm khí syngas biểu diễn hình Sản phẩm khí hóa sau buồng phản ứng qua thiết bị giải nhiệt; qua thiết bị lọc thô; qua thiết bị lọc tinh; sau qua quạt hút; thiết bị đo lưu lượng kế vào nhiệt lượng kế (hình 2) 2.5 Dụng cụ đo Các tác nhân cấp vào lị đốt khí hóa điều chỉnh kiểm sốt lưu lượng van thiết bị đo Sản phẩm khí sinh sau làm mát, tách bụi qua thiết bị lọc, sau đưa vào thiết bị đo lưu lượng gas vào nhiệt lượng kế (calorimeter) Junkers-Boys T136D Sản phẩm khí syngas cịn © 2018Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU 95 phân tích thành phần khí máy sắc ký (gas chromatograph) Agilent 7890A để xác định thành phần khí cháy sản phẩm khí sau làm thực nghiệm (a) (b) (c) Hình Một số thiết bị hỗ trợ thực nghiệm (a) Ống nghiệm chuyên dụng chứa syngas (b) Tác giả bên máy sắc ký Agilent 7890A (c) Nhiệt lượng kế T136D, thiết bị đo lưu lượng syngas Phƣơng pháp thực lấy mẫu phân tích Mẫu lấy phân tích thực theo trình tự sau: Thực cân nạp nguyên liệu trấu, than vào buồng phản ứng; khởi động buồng phản ứng; chờ đến có dấu hiệu xuất gas cửa thoát gas; tiến hành điều chỉnh lượng tác nhân cấp vào buồng đốt theo chế độ vận hành (đã xác định trước); thực lấy mẫu syngas vào ống nghiệm chuyên dụng gửi mẫu phân tích máy sắc ký (kết phân tích thực ngày) Thời điểm lấy mẫu sau kết thúc giai đoạn mồi lửa cho buồng phản ứng, khoảng từ ÷ 10 phút Vị trí lấy mẫu sản phẩm khí sau lọc tinh Trong q trình thực nghiệm, ln phải ghi chép số liệu thiết bị đo lưu lượng syngas nhiệt lượng kế 2.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thành phần (%) Hình biễu diễn ảnh hưởng lưu lượng khơng khí làm tác nhân khí hóa đến thành phần khí syngas, thực nghiệm đốt trấu khí hóa Thực nghiệm cho kết quả, sử dụng khơng khí làm tác nhân khí hóa nồng độ khí CO cao so với thành phần khí cháy khác syngas 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CO2 CO H2 CH4 O2 N2 ER = 0,25 15.3% 19.1% 4.2% 2.7% 0.1% 58.6% ER = 0,3 16.8% 14.7% 3.9% 2.5% 0.1% 62.0% ER = 0,35 17.9% 12.5% 3.6% 1.8% 0.15% 64.1% Hình Đồ thị ảnh hưởng lưu lượng khơng khí đến thành phần syngas thực nghiệm khí hóa trấu Kết thực nghiệm cho thấy, cấp khơng khí tỷ lệ cân ER (Equivalence Ratio) ER= 0,25 cho chất lượng syngas tốt phạm vi khảo sát (được thể qua giá trị nồng độ khí cháy cao nhiệt trị lên tới 3835 kJ/m3) Theo nghiên cứu tác giả [5], tỷ lệ lý tưởng thành phần sản phẩm khí, sử dụng khơng khí làm tác nhân 30% CO, 15% H2 55%N2 Nếu dùng oxy tinh khiết tỷ lệ 66% CO 34% © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 96 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU H2 (tính theo thể tích) Hình 6, biểu diễn quan hệ ảnh hưởng lưu lượng nước đến thành phần syngas khí thực nghiệm khí hóa than đá bituminous.Theo phản ứng khí – nước q trình khí hóa, lượng khí CO2 tăng lên thêm nước vào tác nhân khí hóa, nồng độ khí metan khơng đổi (~0,1%) Thí nghiệm bổ sung nước vào khí tươi làm tác nhân khí hóa thực với mức lưu lượng: lít/s, 14 líts 21 lít/s Trong thực nghiệm xác định tăng nồng độ nước vào tác nhân khí hóa làm suy giảm thành phần khí N2, điều giải thích nước làm tăng hàm lượng H2, dẫn đến làm giảm hàm lượng N2 sản phẩm khí THÀNH PHẦN (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CO2 CO H2 CH4 O2 N2 lit/s 3.0% 44.6% 46.0% 0.1% 0.4% 5.9% 14 lit/s 5.5% 39.5% 51.0% 0.1% 0.3% 3.6% 21/lit/s 8.2% 34.5% 53.0% 0.1% 0.1% 4.1% Hình Đồ thị ảnh hưởng lưu lượng nước đến thành phần syngas khí thực nghiệm khí hóa than đá Đồ thị hình biểu diễn kết thực nghiệm xác định ảnh hưởng nồng độ Oxy tác nhân khí cấp vào buồng phản ứng đến thành phần sản phẩm syngas thực nghiệm khí hóa than đá Kết thực nghiệm cho thấy, nồng độ oxy tác nhân cao làm giảm hàm lượng Nitơ tác nhân sản phẩm khí, dẫn đến làm nhiệt trị khí tổng hợp nâng cao Thành phần (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CO2 CO H2 CH4 N2 20% Oxi 6.4% 25.6% 13.2% 0.5% 54.3% 30% Oxi 13.0% 28.9% 24.1% 0.5% 33.5% 50% Oxi 15.1% 34.0% 31.9% 0.5% 18.5% 70% Oxi 17.7% 35.0% 37.5% 0.5% 9.3% Hình Đồ thị ảnh hưởng nồng độ oxy tác nhân đến thành phần syngas khí thực nghiệm khí hóa than đá Một vấn đề tác giả lưu ý, trình thực nghiệm, vận tốc tác nhân khí qua bề mặt ngun liệu trấu khơng nên lớn 0,3 m/s, với than đá 0,7 m/s Nếu vận tốc khí lớn làm tăng nhiệt độ buồng phản ứng khí hóa làm bay tro, lò phản ứng kiểu TLUD KẾT LUẬN Có thể nhận thấy rằng,thành phần syngas thay đổi nhiều thay đổi tỷ lệ (ER) cho trường hợp sử © 2018Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU 97 dụng khơng khí làm tác nhân khí hóa Trong điều kiện nghiên cứu, sử dụng nước bổ sung vào không khí làm tác nhân cung cấp cho buồng phản ứng khí hóa khơng gây ảnh hưởng nhiều đến nhiệt trị sản phẩm khí (chỉ tăng thêm 0,28%) tỷ số S/A (Steam/Air) từ 0÷ Thành phần sản phẩm khí hoá cấp nước bổ sung cấp oxy bổ sung vào khơng khí làm tác nhân khí hóa cao so với dùng khơng khí làm tác nhân, hệ thống khí hóa phải trang bị thêm thiết bị sản xuất nước thiết bị cung cấp oxy bổ sung Việc lựa chọn loại tác nhân cho q trình khí hóa phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm khí tổng hợp (syngas) mong muốn Nếu sử dụng hệ thống khí hóa sản xuất khí syngas ứng dụng để đốt tạo nhiệt, nên dùng khơng khí làm tác nhân Nếu nước có sẵn trộn lẫn nước với khơng khí để sản phẩm syngas cho nhiệt trị cao Nếu muốn thu khí tổng hợp làm nguyên liệu để tổng hợp hóa học nên dùng oxy làm tác nhân LỜI CẢM ƠN Tác giả cảm ơn Trường Đại học Cơng nghiệp TPHCM cấp kính phí thực đề tài IUH.KNL 09/15: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng tác nhân đến chất lượng sản phẩm khí mơ hình khí hóa kiểu ngược chiều” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prabir Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis-Practical Design and Theory, Elsevier, 2010 [2] Nguyễn Thanh Quang, Hồng An Quốc, Đặng Trung Thơng, Nghiên cứu khí hóa trấu lớp cố định nhằm sản xuất điện năng, Tạp chí Năng lượng Nhiệt, số 102 tháng 11/2011 [3] Nguyễn Thanh Quang, Đặng Thế Hùng, Nghiên cứu chế tạo hệ thống hóa khí than tầng cố định ngược chiều, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Nhiệt, số 77 tháng 9/2007 [4] Trần Gia Mỹ, Kỹ thuật cháy, Nhà XB Khoa học & Kỹ thuật, 2005 [5] Lê Cơng Cát, Nghiên cứu thử nghiệm khí hóa than antraxit để cung cấp nhiệt cho động cabuaretor xe tơ, Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 102, tháng 11/2011 [6] Le Duc Dung, Takayuki Takarada, Catalytic steam reforming tar in fluidized bed gasifier, Journal of Science and Technology Technical Universities, ISSN:0868- 3980 Vol 80 P.124- 128, 2011 Ngày nhận bài: 16/01/2018 Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2018 © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ... Minh NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU 97 dụng khơng khí làm tác nhân khí hóa Trong điều kiện nghiên cứu, ... 3H2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU 93 Kết q trình khí hóa tạo sản phẩm khí cháy gồm: CO, H CH4, thực. ..92 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ TRÊN MƠ HÌNH KHÍ HĨA KIỂU NGƯỢC CHIỀU ĐẶT VẤN ĐỀ Cơng nghệ khí hóa ngun liệu sinh khối nghiên cứu ứng