Biomass nói chung và mùn cưa nói riêng là một trong những nguồn năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở Việt Nam và đã, đang được nghiên cứu mạnh. Bài viết Nghiên cứu quá trình hóa khí mùn cưa trong tầng sôi phân tích ảnh hưởng lưu lượng không khí, lượng mùn cưa cấp vào đến quá trình hóa khí mùn cưa trong lớp sôi.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 33 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HĨA KHÍ MÙN CƯA TRONG TẦNG SƠI RESEARCH ON SAWDUST GASIFICATION IN FLUIDIZED BED Trần Thanh Sơn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ttson@dut.udn.vn Tóm tắt - Biomass nói chung mùn cưa nói riêng nguồn lượng tái tạo có tiềm Việt Nam đã, nghiên cứu mạnh Một công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass q trình hóa khí lớp sơi nhằm thay dạng nhiên liệu hóa thạch khác dầu khí tự nhiên sử dụng cơng nghiệp Bài báo phân tích ảnh hưởng lưu lượng khơng khí, lượng mùn cưa cấp vào đến q trình hóa khí mùn cưa lớp sơi Thiết bị hóa khí thiết kế với cơng suất tối đa 40 kg mùn cưa/h Trong thí nghiệm này, lưu lượng mùn cưa cấp vào thay đổi từ 20 kg/h đến 40 kg/h lưu lượng khơng khí cấp vào thay đổi từ 7,65 m3/h đến 12,36 m3/h Kết thí nghiệm thay đổi lưu lượng khơng khí cấp vào ảnh hưởng lớn đến phân bố nhiệt độ lớp sôi nhiệt lượng khí tạo Các kết tương tự rút thay đổi lưu lượng mùn cưa cấp vào Abstract - Biomass in general and sawdust in particular is one of potential renewable energy forms in Vietnam and has been much studied One of the promising technologies that use biomass is gasification process in this class to replace fossil fuels such as oil and natural gas used in industry applications This paper analyzes the influence of air flow, volume level of sawdust on sawdust gasification process in this class Gasification equipment is designed with a maximum capacity of 40 kg of sawdust / h In these experiments, the flow inlet sawdust varies from 20 kg / h to 40 kg / h and the entering flow of air varies from 7.65 m3 / h to 12:36 m3 / h Experimental results indicate that the variation of air flow has great influence on the temperature distribution in this layer of the atmosphere and the heat generated Similar results are derived when traffic levels of sawdust vary Từ khóa - mùn cưa; biomass; hóa khí; tầng sơi; hóa khí tầng sôi Key words - sawdust; biomass; gasification; fuidized bed; fluidized bed gasification Đặt vấn đề Nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngun nhân gây hiệu ứng nhà kính ấm lên tồn cầu Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế, đặc biệt nguồn nhiên liệu tái tạo biomass nhu cầu vô cấp thiết Đặc biệt nước ta nước nơng nghiệp với diện tích gần 80% đồi núi nên phù hợp với việc đẩy mạnh sử dụng nhiên liệu biomass Trong năm gần đây, nguồn biomass trấu, mùn cưa, dăm bào, vỏ hạt điều,… làm nhiên liệu đốt trực tiếp cho lị cơng suất nhỏ trung binh khắp nước Tuy nhiên, với công nghệ đốt trực tiếp vấn để kiểm sốt phát thải CO khó khăn lớn mà nhiều nhà chế tạo lò gặp phải Một hướng hiệu để đẩy nhanh ứng dụng nhiên liệu biomass cơng nghiệp sử dụng lị hóa khí dễ dàng việc kiểm sốt nhiễm Hơn nữa, nhiều ngành cơng nghiệp nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch khí dầu lại yêu cầu bắt buộc cho trình sản xuất Trong đó, giá dầu khí ln dao động mức cao nên làm cho giá thành sản xuất cao, gây khó khăn cho doanh nghiệp việc xác định giá thành sản phẩm Một cách đơn giản hiệu để giảm giá nhiên liệu trường hợp sử dụng cơng nghệ hóa khí để biến nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí Biomass nói chung mùn cưa nói riêng loại lượng tái tạo có tiềm Việt Nam đã, nghiên cứu mạnh Một công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass q trình hóa khí lớp sơi Cơng nghệ đốt biomass tầng sôi ứng dụng nhiều Việt nam, đặc biệt tỉnh đồng phía Nam lị Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu hóa khí biomass tầng sơi cơng bố tạp chí khoa học nước chưa có lị hóa khí biomass tầng sôi sử dụng Việt Nam Hướng nghiên cứu chủ yếu hóa khí biomass tầng sơi nghiên cứu ảnh hưởng thông số thiết kế lị, thơng số vận hành loại biomass đến thành phần khí nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trị khí Tính tốn thiết kế 2.1 Tính tốc độ gió cấp vào Tốc độ gây sôi tối thiểu ω0 xác định theo công thức [1]: = + − − Trong đó: dh1= 0,001 m, dh2=0,004 m đường kính nhỏ lớn hạt mùn cưa; µ =0,000016 N.s/m2 hệ số nhớt động học; ρh=1,2 kg/m3khối lượng riêng khơng khí; ρh=250 kg/m3khối lượng riêng trung bình mùn cưa; C1=27,2,C2= 0,0408 hệ số động học; g=9,81 m/s2 gia tốc trọng trường Thay số vào cơng thức ta có: o11= 0,1 m/s o12= 0,5 m/s tương ứng với dh1 dh2 Vận tốc gió tối ưu thường lấy (2÷3)o1, thí nghiệm vận tốc gió lị hóa khí trì khoảng 0,2÷1 m/s 2.2 Tính lưu lượng cấp gió Để tính tốn lưu lượng gió cần cấp, trước hết cần xác định lượng gió cấp vào để đốt cháy hồn tồn mùn cưa Dựa vào thành phần mùn cưa sử dụng cho thí nghiệm Bảng viết phương trình phản ứng cháy hồn tồn thành phần cháy nhiên liệu, ta xác định lượng khơng khí lý thuyết 4,197 Nm3/kg mùn cưa 34 Trần Thanh Sơn Theo nghiên cứu [2, 3, 4], lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí tối ưu nằm khoảng (=15%÷40%) lượng khơng khí lý thuyết, tương ứng (0,63÷1,68) Nm3/kg mùn cưa Bảng Thành phần mùn cưa, % Clv Hlv Olv Nlv Alv Wlv Qtlv, kJ/kg 44,6 5,2 34,4 0,32 0,48 15 25241 2.3 Xác định kích thước đáy lị Để đảm bảo tất cỡ hạt 1÷4 mm sơi, buồng đốt lị hóa khí có cấu trúc hình Dưới đáy nhỏ xảy q trình sôi hạt mùn cưa lớn hạt nhỏ sơi lớp cao Từ lượng gió cấp vào tốc độ gió o1 tính phần từ phương trình liên tục: Q = F.v (m3/h); Trong đó, Q lưu lượng gió, F tiết diện mặt cắt lị hóa khí v vận tốc gió tiết diện F; Với cơng suất hóa khí lị xác định, ta tính tiết diện F từ xác định đường kính đáy đỉnh lị hóa khí sau: Dmax= 400 mm Dmin = 140 mm 2.4 Cấu tạo lị Lượng mùn cưa cấp liên tục vào lị hóa khí qua cấu cấp liệu kiểu vít tải cấp điều chỉnh biến tần Lưu lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí qua quạt gió 10 điều khiển biến tần xác định đồng hồ đo lưu lượng 11… Nhiệt độ lị hóa khí vị trí đo khác đo đồng thời cặp nhiệt điện qua đầu gắn cảm biến đặt thân lị hóa khí Cơ cấu thải xỉ Bộ cấp khơng khí Buồng hóa khí Đầu gắn cảm biến nhiệt độ Cơ cấu điều khiển cấp liệu Phễu chứa liệu Khí Cyclon lọc bụi 10 Quạt gió 11 Lưu lượng kế độ có dạng giảm dần theo chiều cao Nhiệt độ lớn lị hóa khí đạt khoảng 525 - 635oC độ cao 300 mm tính từ miệng cấp gió vào, vùng xảy phản ứng Oxy hóa nhiên liệu Sau nhiệt độ giảm tuyến tính từ khoảng ~600oC đến ~350oC tương ứng với độ cao 300 mm đến 750 mm tính từ miệng cấp gió Sau nhiệt độ giảm đến ~ 150-180oC 1150 mm sau nhiệt độ giảm chậm dần ổn định 110-140oC đầu lị hóa khí Điều giải thích phản ứng khử tạo thành CO (phản ứng thu nhiệt) xảy vùng có cao độ từ 300 mm đến 1150 mm từ cao độ 1150 mm trở lên phản ứng tạo CO không xảy ra, giảm nhiệt độ vùng từ cao độ 1150 mm đến đầu khí giải thích tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che lị Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 20 kg/h Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 30 kg/h Hình Cấu tạo lị hóa khí mùn cưa Do sản phẩm q trình hóa khí có chứa CO khí độc, nên q trình làm thí nghiệm, lị hóa khí đặt mơi trường thơng thống tốt Sau khởi động xong lị hóa khí đưa lị hoạt động ổn định chế độ vận hành định tiến hành ghi nhận thơng số thí nghiệm Kết nghiên cứu bàn luận 3.1 Sự phân bố nhiệt độ lò theo lưu lượng khơng khí cấp vào Khi thay đổi lượng khơng khí cấp vào tương ứng với lượng nhiên liệu khác nhau, ta nhận thấy phân bố nhiệt Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 40 kg/h Hình đồ thị phân bố nhiệt độ lò ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 20, 30 40 kg/h với lượng khơng khí cấp vào cố định 12,36 m3/h Ta nhận thấy rằng, nhiệt độ lớn (635oC) vùng Oxy hóa đạt trường hợp lượng nhiên liệu cấp vào 30 kg/h ( = 9,8%) Khi tăng hay giảm lượng nhiên liệu cấp vào, tương ứng với việc giảm tăng hệ số khơng khí cấp vào làm cho ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 35 nhiệt độ vùng Oxy hóa giảm Nhìn chung, nhiệt độ vùng Oxy hóa lớn dẫn đến phân bố nhiệt độ khí lò theo chiều cao lò lớn Ngược lại, nhiệt độ vùng Oxy hóa nhỏ (525oC) lượng nhiên liệu cấp vào lò 20 kg/h ( =15%) dẫn đến phân bố nhiệt độ lò trường hợp nhỏ Hình Hình ảnh lửa 30 kg mùn cưa/h; 12,36 m3/h Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng nhiên liệu cấp vào khác 3.2 Sự ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến q trình hóa khí Trong nghiên cứu này, sản phẩm khí tạo sau qua cyclon đốt cháy Các Hình 6, hình ảnh lửa tương ứng với chế độ hóa khí tương ứng Hình Có thể nhận thấy rằng, với lượng nhiên liệu cấp vào 20 kg/h, lửa có màu vàng thể tích lửa lớn Khi tăng lượng nhiên liệu cấp vào lên 30 kg/h, lửa có màu vàng thể tích lửa khơng khác với trường hợp Khi lượng nhiên liệu cấp vào đạt công suất thiết kế 40 kg/h, lửa chuyển sang màu trắng sáng chói thể tích lửa bị thu nhỏ lại đáng kể cháy khơng ổn định Điều giải thích lượng khơng khí cấp vào trường hợp bé (=7,5%) Để xác định cách tương đối nhiệt lượng khí tạo thành trường hợp thí nghiệm nêu trên, tác giả đặt kg nước chứa bình đặt trực tiếp lửa xác định độ tăng nhiệt độ nước phút thí nghiệm Trong tất thí nghiệm này, lưu lượng gió giữ mức 12,36 m3/h Từ xác định lượng nhiệt mà nước nhận thời gian Kết thí nghiệm cho Bảng Bảng Kết xác định lượng nhiệt nước nhận Trường hợp 20 kg/h 30 kg/h 40 kg/h Q, kJ 268,8 226,8 117,6 Hình Hình ảnh lửa 40 kg mùn cưa/h; 12,36 m3/h Từ kết thấy lị hóa khí hoạt động ổn định với lượng nhiên liệu cấp vào từ 20 đến 40 kg/h kết tính tốn Sự phân bố nhiệt độ khí lị, nhiệt lượng khí sinh phụ thuộc lớn vào hệ số khơng khí cấp vào () Kết luận Biomass nói chung mùn cưa nói riêng nguồn lượng tái tạo có tiềm giới Việt Nam Một cơng nghệ có tính ứng dụng cao hóa khí có hóa khí tầng sơi Các kết nghiên cứu ban đầu thể lị hóa khí hoạt động ổn định với lượng nhiên liệu cấp vào thay đổi từ 20 kg/h đến 40 kg/h với lượng khơng khí cấp vào từ 7,65 m3/h đến 12,36 m3/h Sự phân bố nhiệt độ lị hóa khí nhiệt lượng khí tạo thành phụ thuộc lớn vào hệ số khơng khí cấp vào Ngồi ra, với thông số vận hành thí nghiệm q trình tạo khí CO hình thành lị hóa khí cao độ thấp 1150 mm kể từ miệng cấp gió vào Để nghiên cứu sâu q trình hóa khí tầng sôi xác định hiệu suất lị hóa khí, cần thiết phải thay đổi hệ số khơng khí cấp vào khoảng rộng phải phân tích lưu lượng thành phần sản phẩm khí tạo thành Các nghiên cứu sâu tiếp tục nghiên cứu thời gian đến TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Hình ảnh lửa 20 kg mùn cưa/h; 12,36 m3/h [1] Hoàng Ngọc Đồng, Lý thuyết cháy, Đại học Đà Nẵng, 2003 [2] Christopher Higman, Maanrten Van der Burgt, Gasification, GP Press, 2007 [3] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò hóa khí phục vụ nghiên cứu”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 5.2014, p87-90 [4] Don J Stevens, Hot gas Conditioning: Recent progress with largerScale Biomass Gasification Systems, Pacific Northwest National Laboratory (BBT nhận bài: 17/08/2016, phản biện xong: 20/09/2016) ... Hình Cấu tạo lị hóa khí mùn cưa Do sản phẩm q trình hóa khí có chứa CO khí độc, nên q trình làm thí nghiệm, lị hóa khí đặt mơi trường thơng thống tốt Sau khởi động xong lị hóa khí đưa lị hoạt... khơng khí cấp vào Ngồi ra, với thông số vận hành thí nghiệm q trình tạo khí CO hình thành lị hóa khí cao độ thấp 1150 mm kể từ miệng cấp gió vào Để nghiên cứu sâu q trình hóa khí tầng sôi xác... Sự ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến q trình hóa khí Trong nghiên cứu này, sản phẩm khí tạo sau qua cyclon đốt cháy Các Hình 6, hình ảnh lửa tương ứng với chế độ hóa khí tương ứng Hình Có thể