Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B – CB180163 Chuyền ngành: Cơng nghệ Năng lượng Nhiệt điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Cương Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh HÀ NỘI, 08/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu nhiễm mơi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B – CB180163 Chuyền ngành: Công nghệ Năng lượng Nhiệt điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Cương Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh HÀ NỘI, 08/2020 GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Võ Hoàng Nam Đề tài luận văn: Chuyên ngành: Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Công nghệ Năng lượng Nhiệt điện Mã số SV: CB180163 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 27/07/2020 với nội dung sau: + Hiệu chỉnh hình ảnh, vẽ trích dẫn luận văn theo chuẩn; + Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo; + Hiệu chỉnh nội dung để đảm bảo tính logic luận văn; + Chỉnh sửa lỗi tả luận văn Hà Nội, ngày 27 tháng 08 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tiến Cương, người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức kinh nghiệm q báu để tơi hồn thiện chi tiết Luận văn Thạc sĩ Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô thuộc Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh tận tình giảng dạy cho tơi thời gian nghiên cứu Do giới hạn kiến thức khả lý luận thân nhiều thiếu sót hạn chế, kính mong dẫn đóng góp Thầy, Cơ để tơi hoàn thiện Luận văn Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực Võ Hoàng Nam Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH v Chương Nghiên cứu tổng quan 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Mục tiêu đề tài 1.1.3 Nội dung phạm vi nghiên cứu 1.2 Giới thiệu than sinh học 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại than sản xuất .3 1.2.3 Ứng dụng than sinh học đời sống sản xuất 1.3 Nguyên liệu để sản xuất than sinh học đặc tính nguyên liệu 1.3.1 Nguyên liệu để sản xuất than .6 1.3.2 Phân loại nguồn sinh khối 1.3.3 Các dạng thành phần sinh khối 1.4 Lý thuyết nhiệt phân 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Phân loại phương pháp nhiệt phân sản phẩm chúng 10 1.4.3 Các giai đoạn trình nhiệt phân .12 1.4.4 Các kiểu lò nhiệt phân 14 1.5 Các công nghệ sản xuất than sinh học .19 1.5.1 Công nghệ sản xuất than Thế giới .19 1.5.2 Công nghệ sản xuất than Việt Nam 24 1.5.3 Đề xuất công nghệ để sản xuất than sinh học phù hợp .26 Chương Tính tốn, thiết kế dây chuyền sản xuất than sinh học 27 2.1 Xác định cấu trúc .27 2.2 Tính tốn cân vật chất lò nhiệt phân 28 2.3 Tính tốn cân nhiệt lò nhiệt phân 30 2.4 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa 36 2.4.1 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn a: 36 2.4.2 Tính toán cân vật chất cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn b: 44 2.5 Tính tốn cân vật chất cân nhiệt buồng lửa tận dụng nhiệt khói thải 55 i Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh 2.6 Tính chọn thiết bị cho dây chuyền sản xuất than 62 2.6.1 Tính chọn buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân 62 2.6.2 Tính chọn buồng sấy nguyên liệu tận dụng khói thải 65 2.6.3 Tính chọn quạt hút khói thải đường ống khói 67 2.6.4 Tính chọn hệ thống Palang cầu trục 68 Chương Thực nghiệm mơ hình thí nghiệm hệ thống sản xuất than thực tế 76 3.1 Thực nghiệm mơ hình thí nghiệm 76 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu suất nhiệt phân 77 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất nhiệt phân 78 3.1.3 Đánh giá hiệu suất nhiệt phân 79 3.1.4 Kết luận mơ hình thực nghiệm 80 3.2 Thực nghiệm hệ thống sản xuất than thực tế 81 3.2.1 Quy trình vận hành dây chuyền sản xuất than 81 3.2.2 Thiết bị đo lường 85 3.3.3 Thu thập đánh giá số liệu thực nghiệm 85 Chương Đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật môi trường hệ thống sản xuất than sinh học 94 4.1 Đánh giá số tiêu kỹ thuật tiềm phát triển hệ thống sản xuất than 94 4.2 Đánh giá số tiêu kinh tế công nghệ sản xuất than 96 4.2.1 Tính toán tiêu kinh tế dự án đầu tư lị than thủ cơng 96 4.2.2 Tính tốn tiêu kinh tế dự án đầu tư dây chuyền sản xuất than 97 4.2.3 So sánh, đánh giá tiêu kỹ thuật dự án 102 4.3 Đánh giá số tiêu môi trường công nghệ sản xuất than 103 Chương Kết luận đề xuất 108 5.1 Kết luận 108 5.2 Đề xuất 109 Phụ lục 110 Tài liệu tham khảo 113 ii Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các biến thể nhiệt phân sinh khối 11 Bảng 1.2 Thành phần nguyên liệu sản phẩm phương pháp nhiệt phân sinh khối 12 Bảng 2.1 Thành phần công nghệ gỗ bạch đàn 28 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật ban đầu lò nhiệt phân 29 Bảng 2.3 Thành phần công nghệ than thành phẩm 29 Bảng 2.4 Tính tốn khối lượng loại thành phần công nghệ sau nhiệt phân .30 Bảng 2.5 Tính tốn cân nhiệt lò nhiệt phân 32 Bảng 2.6 Thành phần hóa học sinh khối 36 Bảng 2.7 Tính tốn thể tích, enthalpy khơng khí sản phẩm cháy – giai đoạn a 38 Bảng 2.8 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn a 42 Bảng 2.9 Thành phần khí sản phẩm q trình nhiệt phân 44 Bảng 2.10 Tính tốn thể tích khơng khí sản phẩm cháy đốt nhiên liệu khí 46 Bảng 2.11 Tính tốn thể tích khơng khí sản phẩm cháy đốt hỗn hợp nhiên liệu rắn - khí 47 Bảng 2.12 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa - giai đoạn b 53 Bảng 2.13 Tính tốn cân trao đổi nhiệt cân vật chất sấy nguyên liệu 55 Bảng 2.14 Tính tốn cân nhiệt lò nhiệt phân 56 Bảng 2.15 Tính tốn enthalpy khói thải đốt nhiên liệu rắn 58 Bảng 2.16 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa đốt nhiên liệu rắn (có tận dụng nhiệt khói thải) 59 Bảng 2.17 Tính tốn enthalpy khói thải đốt hỗn hợp nhiên liệu 60 Bảng 2.18 Tính tốn cân nhiệt buồng lửa đốt hỗn hợp nhiên liệu (có tận dụng nhiệt khói thải) 61 Bảng 2.19 Tính kiểm tra buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân 63 Bảng 2.20 Tính kiểm tra buồng sấy nguyên liệu tận dụng nhiệt khói thải .65 Bảng 2.21 Tính chọn quạt khói kích thước đường ống khói .68 Bảng 2.22 Tính chọn tải trọng hệ thống Palang cầu trục 69 Bảng 3.1 Thành phần cơng nghệ mẫu thí nghiệm 77 Bảng 3.2 Quy trình vận hành thực tế dây chuyền sản xuất than sinh học 82 Bảng 3.3 Bảng theo dõi q trình sản xuất than (khơng tận dụng nhiệt khói thải) 86 Bảng 3.4 Bảng theo dõi trình sản xuất than (tận dụng nhiệt khói thải để sấy nguyên liệu) 87 iii Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh Bảng 3.5 Bảng tổng kết trình sản xuất than (không tận dụng nhiệt) .89 Bảng 3.6 Bảng tổng kết trình sản xuất than (tận dụng nhiệt) 89 Bảng 4.1 Bảng so sánh ưu nhược điểm 94 Bảng 4.2 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) .96 Bảng 4.3 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư lị thủ cơng sản xuất than .97 Bảng 4.4 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) .99 Bảng 4.5 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than 100 Bảng 4.6 Bảng tính chi tiết phân tích tài đầu tư (trường hợp khơng vay vốn) 101 Bảng 4.7 Bảng tính chi tiết phân tích kinh tế đầu tư dây chuyền sản xuất than 102 Bảng 4.8 Bảng so sánh lợi đầu tư dự án 103 Bảng 4.9 Bảng tính phát thải CO đơn vị sản phẩm 105 iv Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Than sinh học (charcoal) Hình 1.2 Cấu trúc rỗng, xốp than hoạt tính Hình 1.3 Than cục (lump charcoal) Hình 1.4 Than đen than trắng .4 Hình 1.5 Than bánh hình gối Hình 1.6 Than bánh mùn cưa Hình 1.7 Ứng dụng than sinh học đời sống sản xuất Hình 1.8 Sự phân tách hydrocarbon phức tạp trình nhiệt phân 10 Hình 1.9 Mơ hình Broido-Shafizadeh biến đổi cellulose (có thể áp dụng hợp lý cho tồn sinh khối) 13 Hình 1.10 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu tầng sơi 15 Hình 1.11 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu tầng sơi tuần hồn .16 Hình 1.12 Thiết kế lị nhiệt phân nhanh 16 Hình 1.13 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu đĩa quay 17 Hình 1.14 Thiết kế lị nhiệt phân kiểu nón quay 18 Hình 1.15 Thiết kế lị nhiệt phân chân không .18 Hình 1.16 Lị hầm than kiểu tổ ong (FAO 1987) 20 Hình 1.17 Lị hầm than Missouri 20 Hình 1.18 Dây chuyền sản xuất than Carbo Twin 21 Hình 1.19 Dây chuyền sản xuất than Waggon 21 Hình 1.20 Dây chuyền sản xuất than Reichert 22 Hình 1.21 Dây chuyền sản xuất than Lambiotte 23 Hình 1.22 Dây chuyền sản xuất than eGenesis CR-2 23 Hình 2.1 Cấu trúc sơ module lò nhiệt phân 28 Hình 2.2 Kết cấu buồng lửa cấp nhiệt cho lò nhiệt phân 65 Hình 2.3 Kết cấu buồng sấy nhiên liệu tận dụng nhiệt khói thải 67 Hình 2.4 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than 70 Hình 2.5 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than (Tiếp) 71 Hình 2.6 Bản vẽ phân bổ mặt dây chuyền sản xuất than (Tiếp) 72 Hình 2.7 Bản vẽ thiết kế lò nhiệt phân (Tiếp) .74 Hình 2.8 Bản vẽ bố trị cụm Lò nhiệt phân - Buồng sấy (Tiếp) .75 v Luận văn Thạc sĩ Viện Khoa học Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình 3.1 Cấu tạo lò nhiệt phân gia nhiệt điện trở 76 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khối lượng sản phẩm 77 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng chất bốc carbon cố định sản phẩm .78 Hình 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ tới nhiệt trị sản phẩm 78 Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian tới khối lượng sản phẩm 79 Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian tới hàm lượng chất bốc carbon cố định sản phẩm 79 Hình 3.7 Hiệu suất lượng nhiệt độ 300ºC 80 Hình 3.8 Hiệu suất lượng khoảng thời gian .80 Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị đo nhiệt độ - can nhiệt kiểu K 85 Hình 3.10 Tốc độ gia nhiệt (khơng tận dụng nhiệt) 90 Hình 3.11 Tốc độ gia nhiệt (tận dụng nhiệt) 91 Hình 3.12 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian 91 Hình 3.13 Biểu đồ tiêu tổng lượng tiêu thụ 92 vi ... SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Võ Hoàng Nam Đề tài luận văn: Chuyên ngành: Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Công...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống sản xuất than sinh học hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường VÕ HỒNG NAM CH2018B... thống sản xuất than hiệu suất cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường để dần thay lị thủ cơng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, sử dụng hiệu nguồn tài nguyên sinh khối 1.1.2 Mục tiêu đề tài Phát triển