Bài viết Nghiên cứu quá trình hóa khí trấu trong tầng sôi và ứng dụng thay thế gas dầu trong các lò đốt công nghiệp trình bày quá trình chạy thử nghiệm lò hóa khí trấu để thay thế cho đầu đốt gas LPG hiện tại của lò mạ kẽm.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 10.2, 2022 25 NGHIÊN CỨU Q TRÌNH HĨA KHÍ TRẤU TRONG TẦNG SƠI VÀ ỨNG DỤNG THAY THẾ GAS/DẦU TRONG CÁC LỊ ĐỐT CÔNG NGHIỆP RESEARCH OF THE RICE HUSK GASIFICATION IN THE FLUIDIZED BED AND ITS APPLICATION FOR INDUSTRIAL GAS/OIL BURNER REPLACEMENT Trần Thanh Sơn*, Lê Thị Châu Duyên Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng1 *Tác giả liên hệ: ttson@dut.udn.vn (Nhận bài: 05/7/2022; Chấp nhận đăng: 25/8/2022) Tóm tắt - Biomass nói chung trấu nói riêng loại lượng tái tạo có tiềm Việt Nam, nghiên cứu mạnh Một công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass q trình hóa khí lớp sơi Bài báo trình bày q trình chạy thử nghiệm lị hóa khí trấu để thay cho đầu đốt gas LPG lò mạ kẽm Thiết bị hóa khí thiết kế với cơng suất tối đa 200 kg trấu/h Trong thí nghiệm này, lượng trấu cấp vào thay đổi từ 100 kg trấu/h đến 200 kg trấu/h lưu lượng khơng khí cấp vào thay đổi từ 64 Nm3/h đến 222 Nm3/h, tương ứng với hệ số khơng khí cấp vào từ 0,2 đến 0,35 so với lượng khơng khí lý thuyết Kết thử nghiệm rằng, cơng nghệ lị khí hóa trấu tầng sơi để thay cho đầu đốt gas, dầu hoàn toàn khả thi trường hợp cụ thể giúp doanh nghiệp giảm chi phí nhiên liệu đến 55% so với đốt LPG, ngồi cịn giúp giảm phát thải chất nhiễm Abstract - Biomass in general and rice husk in particular is one of the types of renewable energy that has potential in Vietnam and has been extensively researched One of the promising technologies using biomass is the gasification process in the fluidized bed This paper presents the testing process of rice husk gasifier to replace the current LPG gas burner of a galvanizing furnace The gasifier is designed with a maximum capacity of 200 kg of rice husk per hour In these experiments, the rice husk rate varied from 100 kg/h to 200 kg/h and the inlet air flow varied from 64 Nm3/h to 222 Nm3/h, corresponding to the air coefficient input from 0.2 to 0.35 comparing to the theorically required air Experimental results indicate that the fluidized bed rice husk gasifier to replace gas and oil burners is completely feasible and helps businesses reduce fuel costs by 55% compared to LPG use, in addition to helping reduce pollutants emission Từ khóa - Trấu; biomass; hóa khí; tầng sơi; hóa khí tầng sơi Key words - Rice husk; biomass; gasification; fluidized bed; fluidized bed gasification 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 Đặc biệt chi phí dầu, gas cao biến động lớn gây ảnh hưởng đến hiệu doanh nghiệp 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 bình khắp nước Tuy nhiên, với công nghệ đốt trực tiếp vấn đề 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 để thay cho đầu đốt dầu, gas tại, việc vừa giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa giúp doanh nghiệp gia tăng sức cạnh tranh 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 giá dầu khí ln dao động mức cao làm cho chi phí sản xuất tăng cao, gây khó khăn cho doanh nghiệp việc xác định giá thành sản phẩm Phương pháp hiệu để giảm giá nhiên liệu sử dụng cơng nghệ hóa khí để biến nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí Trấu dạng biomass có tiềm Việt Nam, nghiên cứu phát triển mạnh mẽ thời gian gần Công nghệ đốt biomass tầng sôi ứng dụng nhiều Việt Nam, đặc biệt lò sử dụng tỉnh đồng phía Nam Tuy nhiên, nghiên cứu hóa khí biomass tầng sơi sử dụng lị hóa khí biomass tầng sơi mẻ Việt Nam Trấu lựa chọn để sử dụng nghiên cứu thành phần độ ẩm ổn định Ngoài ra, với cơng suất lị hóa khí khơng lớn dẫn đến lượng trấu sử dụng không nhiều nên khả đáp ứng khu vực dễ thuận tiện Hướng nghiên cứu chủ yếu q trình hóa khí biomass tầng sơi tập trung vào cấu tạo lị hóa khí - đặc biệt cấu thải tro, phân bố nhiên liệu không khí lị, nghiên cứu ảnh hưởng 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 sơi tối thiểu ωo xác định theo công thức [1]: 𝜌𝑔 (𝜌ℎ − 𝜌𝑔 ) 𝜇 𝜔𝑜 = [(𝐶1 + 𝐶2 ) − 𝐶1 ] 𝑑ℎ 𝜌𝑘 𝜇2 The University of Danang - University of Science and Technology (Tran Thanh Sơn, Le Thi Chau Duyen) Trần Thanh Sơn, Lê Thị Châu Duyên 26 Trong đó: dh1 = 0,001 m, dh2 = 0,004 m đường kính nhỏ lớn hạt trấu; µ = 0,000016 N.s/m2 hệ số nhớt động học; ρk = 1,2 kg/m3 khối lượng riêng khơng khí; ρh = 130 kg/m3 khối lượng riêng trung bình trấu; C1 = 27,2, C2 = 0,0408 hệ số động học; g = 9,81 m/s2 gia tốc trọng trường; Thay số vào công thức ta có: van xoay để thải tro tách ngồi Khí sau khỏi cyclon quạt tăng áp thổi vào đường ống cấp vào lò mạ kẽm để đốt 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 ÷ 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 hoàn toàn trấu Dựa vào thành phần trấu 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 trấu Theo nghiên cứu [2, 3, 4, 5], lượng khơng khí cấp vào lị hóa khí tối ưu nằm khoảng (=15%÷40%) lượng khơng khí lý thuyết, tương ứng (0,48÷1,27) Nm3/kg trấu Bảng Thành phần trấu, % Clv Hlv Olv Nlv Alv Slv Wlv 34,42 4,25 30,41 0,22 21,1 0,05 9,55 Qtlv, kJ/kg 14.200 2.3 Xác định kích thước lị Để đảm bảo tất cỡ hạt 1÷4 mm sơi, buồng đốt lị hóa khí có cấu trúc hình thang Dưới đáy có mặt cắt ngang nhỏ xảy q trình sơi hạt trấu lớn hạt nhỏ sôi phía cao có diện tích mặt cắt ngang lớn 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 (200 kg trấu/h), ta tính tiết diện F từ xác định kích thước đáy thân lị hóa khí 2.4 Cấu tạo lị Lượng trấu cấp liên tục vào lị hóa khí qua cấu cấp liệu kiểu băng tải 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 theo chiều cao lò đo đồng thời đầu đo Pt100 đặt thân lị hóa khí Phía đáy lị bố trí nấm thổi gió gang xung quanh có miệng thải tro xỉ nằm Khơng khí cấp vào lị hóa khí gia nhiệt qua sấy khơng khí nhằm tăng nhiệt độ khơng khí cấp vào lị Tro xỉ hình thành thải qua vít thải tro phía đáy buồng hóa khí Khí hóa sau khỏi lị hóa khí đưa qua cyclon đơn để tách phần tro bay ngồi Phía cyclon bố trí Hình Cấu tạo lị hóa khí trấu Miệng cấp liệu; Khơng khí thổi liệu; Buồng hóa khí; Nấm thổi gió; Bộ xả tro xỉ; Vít thải xỉ cyclon; Quạt gió; Quạt hút; Bộ lọc thứ cấp; 10 Cyclon; 11 Các vị trí gắn đầu đo nhiệt độ Kết nghiên cứu bàn luận Trong nghiên cứu ảnh hưởng thông số vận hành đến q trình hóa khí, sản phẩm khí tạo sau qua cyclon dẫn đường ống Dn150 đến quạt hút đưa đến vòi đốt trực tiếp Một cảm biến độ chênh áp suất sử dụng để điều khiển quạt hút trì áp suất lị với chế độ thí nghiệm khác 3.1 Sự phân bố nhiệt độ lị theo lưu lượng khơng khí cấp vào Hình thể phân bố nhiệt độ lị hóa khí thay đổi lượng khơng khí cấp vào từ 0,2-0,35 so với lượng khơng khí lý thuyết tương ứng với lượng liệu cấp vào 200 kg/h, ta nhận thấy phân bố nhiệt độ theo chiều cao có dạng tương tự Nhiệt độ tăng dần từ miệng vòi phun khoảng cao độ 450mm so với miệng vịi phun sau nhiệt độ giảm dần cửa Lượng khơng khí cấp vào nhiều nhiệt độ lị cao Với lị hóa khí nhiệt độ cao đạt 734oC tương ứng với lượng khơng khí cấp vào 0,35 Nhiệt độ lớn lị hóa khí đạt khoảng 606 oC-734oC độ cao 450 mm tính từ nấm thổi gió tương ứng với hệ số khơng khí cấp vào khác nhau, độ cao vùng xảy phản ứng Oxy hóa nhiên liệu Sau đó, nhiệt độ giảm gần tuyến tính theo độ cao lị, hiểu xảy phản ứng khử thu nhiệt để tạo chất cháy CO H2 Tại gần miệng lị tốc độ giảm nhiệt độ giảm dần tốc độ phản ứng khử giảm nhiệt độ hỗn hợp khí hóa thay đổi khoảng 180-220oC đầu lị hóa khí Ngồi ra, đốt trực tiếp syngas thu sau quạt hút màu sắc lửa hệ số khơng khí cấp vào khác khác Ở hệ số khơng khí cấp vào 0,2 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 10.2, 2022 800 t, oC 0.35 0.3 0.25 0.2 700 600 500 lượng khơng khí lý thuyết Ta nhận thấy, phân bố nhiệt độ lò trường hợp giống không thay đổi nhiều Hay nhận xét rằng, giữ nguyên hệ số khơng khí cấp vào lị phân bố nhiệt độ lị phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cấp vào 800 t, oC lửa có màu vàng nhạt (Hình 3) cháy khơng ổn định trường hợp lượng khơng khí cấp vào bé lượng khí cháy tạo thành Khi tăng lượng không khí cấp vào lên 0,25 0,3 lửa cháy có màu sáng pha lẫn sắc xanh cháy ổn định Tuy nhiên với lượng khơng khí cấp vào mức 0,35 lửa cháy yếu có màu chuyển qua vàng nhạt Hình ảnh chụp lửa cháy với hệ số khơng khí cấp vào 0,3 27 700 100 kg/h 150 kg/h 600 200 kg/h 500 400 300 200 h, mm 100 400 200 300 500 800 1100 1400 1700 2000 Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào 200 h, mm 100 200 500 800 1100 1400 1700 2000 Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lị hệ số khơng khí cấp vào khác ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 200 kg/h Hình Ngọn lửa với hệ số khơng khí cấp vào 0,2 lượng nhiên liệu 200 kg/h Hình Ngọn lửa với hệ số khơng khí cấp vào 0,3 lượng nhiên liệu 200 kg/h 3.2 Ảnh hưởng lượng nhiên liệu cấp vào đến phân bố nhiệt độ lị Hình đồ thị phân bố nhiệt độ lò theo chiều cao ứng với lượng nhiên liệu cấp vào 100, 150 200 kg/h với lượng khơng khí cấp vào cố định 0,3 so với 3.3 So sánh chi phí vận hành sử dụng gas LPG syngas từ hóa khí trấu Sau hồn thành thí nghiệm xác định chế độ vận hành tối ưu, nhóm tác giả kết nối ống dẫn khí syngas vào lò mạ kẽm đốt nhằm thay vòi đốt gas LPG Kết chạy tháng từ tháng 1/2022 đến tháng 4/2022 rút kết luận chủ yếu sau: - Lượng khơng khí cấp vào lị trường hợp từ 0.25-0.3 so với lượng khơng khí lý thuyết tiêu hao nhiên liệu bé (hiệu suất cao nhất) - Vì hàm lượng tro trấu lớn nên cần có hệ thống thải tro phù hợp để thải hết lượng tro khỏi lị hóa khí Nếu hệ thống khơng thiết kế tốt dễ gây tắc lị Sau nhiều lần cải tiến, hệ thống thải tro hoàn thiện lị vận hành liên tục mà không bị tắc - Cần tăng hiệu suất hệ thống tách bụi sau khoảng 7-10 ngày vận hành hệ thống đường ống dẫn syngas đến lò mạ kẽm bị tắc tro bám thành ống phải dừng lò để làm vệ sinh đường ống - Lị hóa khí trấu kiểu tầng sơi thay hồn tồn cho đầu đốt khí LPG/ dầu DO - Với cơng suất thiết kế lị 200 kg trấu/h hồn tồn đảm bảo thay cho vịi đốt gas có cơng suất đốt 25 kg PLG/h - So sánh vận hành gas LPG trấu hệ thống hệ thống lị hóa khí giảm từ 45-55% chi phí nhiên liệu cho doang nghiệp - Ngồi ra, việc sử dụng khí hóa trấu thay cho đốt LPG cịn góp phần giảm phát thải sử dụng nhiên liệu hóa thạch (LPG) Kết luận Biomass nói chung trấu nói riêng dạng 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 thử nghiệm thể lị hóa khí hoạt động ổn định với lượng nhiên liệu cấp vào thay đổi từ 100 kg/h đến 200 kg/h Sự phân bố nhiệt độ lị hóa khí nhiệt 28 lượng khí tạo thành phụ thuộc lớn vào hệ số khơng khí cấp vào Q trình chạy thử nghiệm hệ thống rõ lợi ích mang lại sử dụng lị hóa khí để thay cho gas PLG Sau tháng chạy thử điều chỉnh hệ thống, đến việc giúp giảm phát thải khí gây nhiễm sử dụng nhiên liệu hóa thạch (LPG), hệ thống giúp giảm chi phí nhiên liệu cho doanh nghiệp đến 55%, tương đương với số tiền 600 triệu đồng, qua giúp gia tăng lợi nhuận sức cạnh tranh cho doanh nghiệp Đây bước khởi đầu quan trọng để nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu sâu nhằm khắc phục tồn nâng cao hiệu suất lị khí hóa Vẫn cịn số vấn đề cần tiếp tục phải giải để tăng độ ổn định, hiệu suất lị hóa khí thay đổi công suất Hiện nay, biến tần cấp liệu cấp gió điều chỉnh tay nên phụ thuộc nhiều vào công nhân vận hành hiệu suất hóa khí chưa đồng Trong thời gian đến nhóm tác giả nghiên cứu cải tiến hiệu suất lọc bụi Trần Thanh Sơn, Lê Thị Châu Duyên để không gây tắc đường ống dẫn syngas sau thời gian vận hành đầu tư thêm cảm biến nhiệt độ, CO, O2 nghiên cứu điều chỉnh tự động việc cấp gió, cấp liệu qua lập trình PLC nhằm nâng cao hiệu suất độ ổn định lị hóa khí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christopher Higman Maanrten Van der Burgt, “Gasification”, GP Press, 2007 [2] 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(78).2014, p87-90 [3] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu q trình hóa khí than cám tầng sơi”, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, Số 11(108).2016, 2, p188-191 [4] Don J Stevens, “Hot gas Conditioning: Recent progress with larger-scale Biomass Gasification Systems”, Pacific Northwest National Laboratory, 8/2001 [5] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu trình hóa khí mùn cưa tầng sơi”, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, Số 09(106).2016, p33-37 ... ứng dụng cao hóa khí có hóa khí tầng sơi Các kết nghiên cứu thử nghiệm thể lị hóa khí hoạt động ổn định với lượng nhiên liệu cấp vào thay đổi từ 100 kg/h đến 200 kg/h Sự phân bố nhiệt độ lị hóa. .. syngas đến lò mạ kẽm bị tắc tro bám thành ống phải dừng lò để làm vệ sinh đường ống - Lị hóa khí trấu kiểu tầng sơi thay hồn tồn cho đầu đốt khí LPG/ dầu DO - Với cơng suất thiết kế lị 200 kg trấu/ h... phản ứng khử giảm nhiệt độ hỗn hợp khí hóa thay đổi khoảng 180-220oC đầu lị hóa khí Ngồi ra, đốt trực tiếp syngas thu sau quạt hút màu sắc lửa hệ số không khí cấp vào khác khác Ở hệ số khơng khí