Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết Ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến nồng độ CO trong quá trình hóa khí mùn cưa phân tích ảnh hưởng lưu lượng không khí cấp vào đến hàm lượng CO trong khí tạo thành trong quá trình hóa khí mùn cưa tầng sôi.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 55 ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG KHƠNG KHÍ CẤP VÀO ĐẾN NỒNG ĐỘ CO TRONG Q TRÌNH HĨA KHÍ MÙN CƯA IMPACT OF AIR FEED ON THE CO CONCENTRATION IN SAWDUST GASIFICATION PROCESS 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, 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 cấp vào đến hàm lượng CO khí tạo thành q trình hóa khí mùn cưa tầng 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 giữ cố định 40 kg/h lưu lượng khơng khí cấp vào thay đổi từ 16,8 m3/h ( =10%) đến 67,2 m3/h ( =40%) Kết thí nghiệm rằng, tăng lượng khí cấp vào từ 10% đến 40% nồng độ CO khí tạo thành tăng lên từ 12,8% đến 16,5% Ngoài ra, lửa tạo thành đốt khí tạo thành sáng xanh Abstract - Biomass in general and sawdust in particular is one of types of renewable energy which has potential in Vietnam and has been extensively researched It is one of the promising technologies that use biomass gasification process in this class to replace fossil fuel such as oil and natural gas used in industry applications This paper analyzes the influence of air feed on CO concentration in the sawdust gasification process Gasification equipment is designed with a maximum capacity of 40 kg of sawdust/h In these experiments, the air feed varies from 16.8 m3/h to 67.2 m3/h Experimental results indicate that when the air feed changes from 10% to 40%, the CO concentration will change from 12.8% to 16.5% In addtion, the syngas burned flame is brighter and bluer Từ khóa - mùn cưa; biomass; hóa khí; tầng sơi; nồng độ CO Key words - sawdust; biomass; gasification; fuidized bed; CO concentration Đặt vấn đề Nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nguyên 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 hơn, 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,… sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp cho lị cơng suất nhỏ trung bình khắp nước Tuy nhiên, với cơng 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 trình sản xuất Trong giá dầu khí ln dao động mức cao, 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 công 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, nghiên cứu mạnh [1, 2, 3, 4, 5] Một cơng 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, lò Tuy nhiên, ảnh hưởng thông số thiết kế, vận hành,… đến hiệu q trình hóa khí biomass tầng sơi chưa nghiên cứu 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 thơng số thiết kế lị, thông số vận hành loại biomass đến thành phần khí ra, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trị khí Trong báo này, ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến hàm lượng CO tạo khí tạo thành phân tích, đánh giá lưu lượng khối lượng mùn cưa cố định 40 kg/h Tính tốn thiết kế 2.1 Tính tốc độ gió cấp vào Tốc độ gây sơi tối thiểu ω0 xác định theo công thức [6, 7]: 1/2 𝜇 𝜌𝑘 (𝜌ℎ − 𝜌𝑘 )𝑔𝑑ℎ3 𝜔𝑜 = [(𝐶1 + 𝐶2 ) − 𝐶1 ] 𝑑ℎ 𝜌𝑘 𝜇2 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; ρk = 1,2 kg/m3 khối lượng riêng khơng khí; ρh = 250 kg/m3 khối 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 này, vận tốc gió lị hóa khí trì khoảng 0,2 ÷ m/s Trần Thanh Sơn 56 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 hoàn toàn mùn cưa Dựa vào thành phần mùn cưa sử dụng cho thí nghiệm Bảng viết phương trình phản ứng cháy hoàn toàn thành phần cháy nhiên liệu, ta xác định lượng khơng khí lý thuyết 4.197 Nm3/kg mùn cưa Theo nghiên cứu [5, 7, 8, 9, 10], lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí tối ưu nằm khoảng (=10%÷40%) lượng khơng khí lý thuyết, tương ứng (0,63÷1,68) m3tc/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 25,241 2.3 Xác định kích thước đáy lò 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 sơi hạt mùn cưa lớn hạt nhỏ sôi 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 tối đa hóa khí lị xác định 40 kg/h lưu lượng khơng khí cấp vào (=10%÷40%) tương ứng với lượng khơng khí cấp vào Q = 16,8÷67,2 m3/h, ta tính lượng tiết diện F từ xác định đường kính đáy đỉnh lị hóa khí sau: Dmax = 400 mm Dmin = 140 mm 2.4 Nguyên lý vận hành 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 Bơm hút khí Cyclon lọc bụi 10.Đường hồi 11.Quạt gió 12.Lưu lượng kế Hình Cấu tạo lị hóa khí thí nghiệm Lượng mùn cưa cấp liên tục vào lị hóa khí qua cấu cấp liệu kiểu vít tải cấp điều chỉnh biến tần Trong phạm vi báo này, lượng mùn cưa cấp vào giữ cố định 40 kg/h Lưu lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí qua quạt gió 11 điều khiển biến tần xác định đồng hồ đo lưu lượng 12 Nhiệt độ lị hóa khí vị trí đo khác đo đồng thời cặp nhiệt điện qua đầu gắn cảm biến đặt thân lò hóa khí Trên đường khí 7, bố trí ống đồng d=12 mm, dài 1,5 m để rút khí qua bơm hút để lấy mẫu khí mang phân tích nồng độ CO Từ kết thí nghiệm trình bày [1] thấy rằng, trình hóa khí diễn khoảng khơng gian hình nhiệt độ khí lị đoạn hình trụ phía gần không thay đổi nên thiết kế này, đoạn ống hình trụ cịn dài 400 mm so với 1.500 mm [1] Để tiến hành nghiên cứu, ta phải khởi động lị hóa khí Trước tiên, ta cho củi vào lị đốt cháy, lửa bén vào củi cho mùn cưa vào từ từ với tăng lượng gió cấp vào để đẩy mạnh q trình cháy hồn tồn nhiên liệu, nhiệt độ lị hóa khí đạt khoảng >400°C kết thúc q trình khởi động lị Lúc này, ta tiến hành điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào đạt giá trị mong muốn 40 kg/h Sau đó, điều chỉnh lượng khơng khí cấp vào với giá trị cần đo Tại giá trị lưu lượng khơng khí cấp vào lò hoạt động ổn định, ta tiến hành ghi giá trị nhiệt độ, phân bố nhiệt độ lấy mẫu khí phân tích Do sản phẩm 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 lấy mẫu khí mang phân tích Khí cịn lại đốt trực tiếp để tránh gây nhiễm môi trường Kết nghiên cứu bàn luận 3.1 Sự phân bố nhiệt độ lò theo lưu lượng khơng khí cấp vào Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lị ứng với lượng khơng khí cấp vào khác Hình thể kết thí nghiệm thay đổi lượng khơng khí cấp vào từ 10% đến 40% so với lượng khơng khí lý thuyết Ta nhận thấy phân bố nhiệt độ có dạng giảm dần theo chiều cao với khác Nhiệt độ lớn lò hóa khí đạt khoảng 500-630°C độ cao h = 300 mm tính từ miệng cấp gió vào, vùng xảy phản ứng oxy hóa nhiên liệu Sau đó, nhiệt độ giảm gần tuyến tính theo chiều cao lị Trong điều kiện thí nghiệm này, nhiệt độ phân bố nhiệt độ lò tỉ lệ với lượng khơng khí cấp vào Có nghĩa nhiệt độ, phân bố nhiệt độ lò đạt cao ứng với lượng khơng khí cấp vào 40% ngược lại nhiệt độ, phân bố nhiệt độ lị thấp ứng với lượng khơng khí cấp vào 10% Tuy nhiên, thay đổi nhiệt độ, phân bố nhiệt độ không lớn hai trường hợp với = 10% =20% Điều giải thích với hai giá trị lượng khơng khí ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển cấp vào bé nên trình oxy hóa xảy yếu nhiệt độ lị thấp Khi tăng lên 30% q trình oxy hóa mãnh liệt dẫn đến nhiệt độ lị nâng lên cao rõ rệt Điều tương tự xảy với = 40% a) 57 cấp vào Trong điều kiện thí nghiệm cụ thể báo lượng CO đạt giá trị cao 16,5% ứng với lượng khơng khí cấp vào 40% lượng khơng khí cần thiết cho q trình oxy hóa hồn tồn nhiên liệu b) Hình Quan hệ lượng khơng khí cấp vào hàm lượng CO khí tạo thành c) d) Hình Hình ảnh lửa với khác a (10%), b (20%), c30%) d (40%) Hình hình ảnh lửa đốt cháy trực tiếp khí đầu lị hóa khí Trong đó, Hình 3a lửa ứng với lượng khơng khí cấp vào 10%, Hình 3b 20%, Hình 3c 30% Hình 3d 40% Từ hình thấy rằng, tăng lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí lửa khí tạo thành cháy mạnh, lan rộng sáng Điều giải thích lượng khí cháy sinh nhiều tăng lượng khơng khí cấp vào từ 10% đến 40% 3.2 Sự ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến nồng độ CO tạo thành Trong nghiên cứu này, sản phẩm khí tạo sau qua cyclon hút phân qua bơm mang phân tích thành phần Do hạn chế thiết bị phân tích nên thí nghiệm thành phần CO phân tích, cịn thành phần khác H2 CxHy chưa phân tích Hình thể quan hệ nồng độ CO khí tạo thành với lượng khơng khí cấp vào lị khí hóa Có thể thấy rằng, tăng lượng khơng khí cấp vào từ 10% đến 20% hàm lượng CO tăng không lớn Tuy nhiên, tăng lượng khơng khí cấp vào đến 30% lượng CO tăng lên nhiều Khi tăng lượng khơng khí cấp vào đến 40%, lượng khơng khí cần thiết cho q trình cháy hồn tồn nhiên liệu lượng CO khí tạo thành tăng mạnh đạt giá trị cao 16,5% Do giá trị khơng khí cấp vào 40% tốc độ khơng khí lị đã đạt tới tốc độ lớn cho phép tạo sơi điều kiện thí nghiệm nên tác giả khơng thể tăng Các kết thí nghiệm với lượng khơng khí cấp vào lớn 40% trình bày báo sau với lượng nhiên liệu giảm xuống thấp 40 kg/h Từ kết thí nghiệm trên, thấy nồng độ CO khí tạo thành tỉ lệ với lượng khơng khí Kết luận Biomass nói chung mùn cưa 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 Từ kết nghiên cứu thấy nhiệt độ, phân bố nhiệt độ lị hóa khí tỉ lệ thuận với lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí Các kết nghiên cứu ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến nồng độ CO khí tạo thành lượng khí CO tăng từ 12,8% đến 16,5% lượng khơng khí cấp vào tăng từ 10% đến 40% Nếu xét riêng thành phần CO lượng khơng khí cấp vào tốt nên >30% Quan hệ lượng khơng khí cấp vào đến lượng CO khí tạo thành lượng khơng khí cấp vào lớn 40% quan hệ lượng khơng khí cấp vào đến thành phần cháy khác tác giả tiếp tục nghiên cứu trình bày báo sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu q trình hóa khí mùn cưa tầng sơi”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 9(106), 2016, trang 33-35 [2] X T Li, J.R Grace, C J Lim, A P Watkinson, H.P Chen, J R Kim, “Biomass gasification in a circulating fluidized bed”, Elsevier – Biomass and Bioenergy 26 (20014), pp 71-193 [3] F Vidian, H Basri, A Surjosatyo, “Experimental on sawdust gasification using open top downdraft gasifier incorparated with internal combustion engine”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol 12, No 4, 2017 [4] A P G Peres, B.H Lunelli, R.M Fllho, “Application of Biomass to hydrogen and syngas products”, Chemical Engineering Transactions, Vol 32, 2013 [5] F.Y Shake, Gasification of sawdust in a fluidized bed, Master Thesis, University of Canterbury, Canada, 1982 [6] Hoàng Ngọc Đồng, Lý thuyết cháy [7] Prabir Basu, Combustion and gasification in fluid beds, Taylor & Francis Group, LLC, 2006 [8] Christopher Higman, Maanrten Van der Burgt, Gasification, GP Press, 2007 [9] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lị hóa khí phục vụ nghiên cứu, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 5, 2014, trang 87-90 [10] Don J Stevens, Hot gas Conditioning: Recent progress with larger-Scale Biomass Gasification Systems, Pacific Northwest National Laboratory (BBT nhận bài: 31/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 08/09/2017) ... nồng độ CO khí tạo thành với lượng khơng khí cấp vào lị khí hóa Có thể thấy rằng, tăng lượng khơng khí cấp vào từ 10% đến 20% hàm lượng CO tăng khơng lớn Tuy nhiên, tăng lượng khơng khí cấp vào. .. hóa khí lửa khí tạo thành cháy mạnh, lan rộng sáng Điều giải thích lượng khí cháy sinh nhiều tăng lượng khơng khí cấp vào từ 10% đến 40% 3.2 Sự ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào đến nồng độ CO. .. cao hóa khí có hóa khí tầng sơi Từ kết nghiên cứu thấy nhiệt độ, phân bố nhiệt độ lị hóa khí tỉ lệ thuận với lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí Các kết nghiên cứu ảnh hưởng lượng khơng khí cấp vào