Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hoá khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM BỘ CƠNG THƯƠNG Tổng cơng ty máy Động lực máy Nông nghiệp VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012 “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ĐỀ TÀI: hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp” Mã Số: 38.12.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Cơng Thương Đơn vị chủ trì: Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Quốc Vũ 9676 Hà nội, tháng năm 2013 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM BỘ CƠNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động lực máy Nông nghiệp VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012 ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp.” Mã Số: 38.12.RD/HĐ-KHCN ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ VIỆN NC TK CT MÁY NÔNG NGHIỆP CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Nguyễn Quốc Vũ Hà nội, tháng năm 2013 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH TT Họ Tên Nguyễn Quốc Vũ Nguyễn Đình Tùng Học hàm học vị chuyên môn Kỹ sư Tiến sĩ Chức vụ Cơ quan Trưởng phòng nghiên cứu Viện NCTKCT Viện Trưởng máy NN Viện NCTKCT Nguyễn Thị Bích Thuận Thạc sĩ máy NN Viện NCTKCT Phạm Mạnh Tình Trung cấp máy NN Viện NCTKCT máy NN Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM MỤC LỤC BÁO CÁO NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HĨA KHÍ GA LIÊN TỤC TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NƠNG NGHIỆP …………………………………………5 1.1 Q trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass) 1.2 Những ưu điểm việc sử dụng cơng nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 10 1.3 Những tính chất nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến q trình, thiết bị hóa khí ga …………………………………………………………………………………….11 1.4 Cơng nghệ thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 13 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HĨA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT 10.000 KCAL/H 17 2.1 Lựa chọn kiểu thiết bị hóa khí ga từ phụ phế phẩm nông nghiệp phù hợp với khả ứng dụng nước 17 2.2 Thiết kế thiết bị hóa khí liên tục 22 2.3 Chế tạo thiết bị hóa khí liên tục 26 THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ HĨA KHÍ LIÊN TỤC CƠNG SUẤT 10.000 KCAL/H 28 3.1 Mục tiêu phương pháp khảo nghiệm 29 3.2 Kết khảo nghiệm 29 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35  Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HĨA KHÍ GA LIÊN TỤC TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NƠNG NGHIỆP Cơng nghệ thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối, nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gỗ, than củi, phụ phế phẩm nông lâm nghiệp, đưa vào ứng dụng từ kỷ XIX Châu Âu phát triển mạnh chiến tranh giới thứ II, thời điểm mà nhu cầu lượng tăng cao khả khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch khơng đủ đáp ứng Các thiết bị hóa khí ga thời điểm chủ yếu sử dụng than củi gỗ Tuy vậy, sau chiến tranh giá dầu mỏ giảm xuống, việc nghiên cứu, khai thác lượng từ việc hóa khí ga từ vật liệu sinh khối coi dừng lại ngoại trừ số quốc gia Thụy Điển Việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng quan tâm trở lại sau khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1970-1980 Đi đầu lĩnh vực nước phát triển Thụy Điển, Áo, Đức Năng lượng từ hóa khí ga sử dụng thay nguồn nhiên liệu hóa thạch (khí đốt, dầu mỏ, than đá) để cung cấp nhiệt cho hệ thống sưởi ấm, hệ thống chế biến có sử dụng nhiệt, sử dụng để chạy động cơ, máy phát điện Việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ hóa khí ga nước phát triển khác Brazin, Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Philipin, Thái Lan quan tâm Sự ấm lên toàn cầu (Global warming) với gia tăng phát thải khí CO2 thúc đẩy tồn giới tìm đến nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng từ sức gió, lượng sinh khối để sử dụng thay lượng hóa thạch Cũng mà việc nghiên cứu sử dụng lượng thơng qua hóa khí ga từ vật liệu sinh khối, phụ phế phẩm từ nơng nghiệp đẩy mạnh có bước tiến đáng kể từ năm 2000 trở lại Việt Nam nước có tiềm phát triển nông nghiệp Việc tận thu nguồn lượng từ phụ phế phẩm nơng nghiệp thơng qua q trình hóa khí ga để phục vụ q trình sơ chế, chế biến sản phẩm nông lâm nghiệp phục vụ nhu cầu lượng hàng ngày vấn đề cần thiết, đáng quan tâm Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM 1.1 Q trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass) Q trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối q trình mà nhiên liệu sinh khối thể rắn bị phá vỡ nhiệt điều kiện thiếu khí ơxy để tạo nhiên liệu thể khí (khí ga) Nhiệt sử dụng q trình hóa khí lấy từ việc đốt cháy phần nhiên liệu sinh khối Nhiên liệu sinh khối thể rắn bao gồm phần lớn hợp chất hữu cơ, nước, số chất vô biết đến hàm lượng tro Phần hợp chất hữu chủ yếu bao gồm các-bon, hydro, oxy số nitơ, lưu huỳnh (bảng 1) Gỗ thích Gỗ kim Vỏ kim Gỗ màu đỏ Phụ phẩm gỗ đỏ Bùn chất thải Rơm lúa Vỏ trấu Mùn cưa Giấy Phân động vật Hạt C (%) 50.6 52.3 56.2 53.5 H (%) 6.0 6.3 5.9 5.9 N (%) 0.3 9.1 0.1 S (%) 0 0 O (%) 41.7 40.5 36.7 40.3 Tro (%) 1.4 0.8 1.2 0.2 HHV (kJ/kg) 19,958 21,051 22,098 21,028 53.4 6.0 0.1 39.9 0.1 0.6 21,314 29.2 39.2 38.5 47.2 43.4 42.7 54.5 3.8 5.1 5.7 6.5 5.8 5.5 5.1 4.1 0.6 0.5 0.3 2.4 1.65 0.7 19.9 0.1 35.8 39.8 45.4 0.2 44.3 0.3 31.3 0.45 33.09 42.1 19.2 15.5 1.0 6.0 17.8 5.2 16,000 15,213 15,376 20,502 17,613 17,167 21,230 Nguồn Tillman, 1978 Tillman, 1978 Tillman, 1978 Tillman, 1978 Boley and Landers, 1969 Tillman, 1978 Tillman, 1978 Wen et al., 1974 Bowerman, 1969 Tillman, 1978 Bảng 1: Thành phần số vật liệu sinh khối [3] Trong điều kiện phù hợp nhiệt độ, áp suất, khí oxy/ khơng khí, xuất q trình biến đổi nhiệt-hóa học nhiên liệu sinh khối (bảng 2) Quá trình biến đổi nhiệt-hóa học phân làm loại: - Q trình đốt cháy/ oxy hóa hồn tồn; - Q trình nhiệt phân; Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM - Q trình hóa khí ga Q trình đốt cháy hồn tồn xảy nhiên liệu sinh khối cung cấp đầy đủ ơxy/khơng khí Sản phẩm q trình khí cácbơnic (CO2) nước đồng thời với lượng nhiệt lớn thoát Phương trình phản ứng nhiệt-hóa học q trình sau: C + O2 Ù CO2 (- 401,9 kJ/mol) (1-1) H + ½ O2 Ù H2O (- 241,1 kJ/mol) (1-2) Như vậy, q trình đốt cháy/ oxy hóa hồn tồn q trình sinh nhiệt Trong q trình mol (12 gram) C oxy hóa hồn tồn tỏa 401,9 kJ mol (2,016 gram) H sau oxy hóa hồn tồn giải phóng 241,4 kJ [1] Quá trình Nhiệt độ(°C) Nhiệt phân 380–530 Áp suất (MPa) 0.1–0.5 Cháy hồn tồn 700–1400 >0.1 Hóa khí ga 500–1300 >0.1 Sấy khô Cần thiết Không cần thiết, giúp cháy tốt Cần thiết Nguồn: Demirbas, 2009 Bảng 2: Bảng so sánh điều kiện xảy q trình nhiệt-hóa học [3] Trái ngược với q trình đốt cháy hồn tồn trên, q trình nhiệt phân xảy điều kiện vắng mặt khí oxy Đây trình nhiệt phân rã nhiên liệu sinh khối tạo thành phần khí, thành phần thể lỏng thể rắn Trong điều kiện nhiệt độ, áp suất thời gian khác nhau, trình nhiệt phân mức độ: - Nhiệt phân phần ( torrefaction); - Nhiệt phân chậm; - Nhiệt phân nhanh Trong trình nhiệt phân phân tử hydrocacbon lớn nhiên liệu sinh khối bị phá vỡ thành phân tử hydrocacbon nhỏ Sản phẩm trình nhiệt phân nhanh nhiên liệu sinh học dạng lỏng (bio-oil) Quá trình nhiệt phân chậm cho Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM số khí sản phẩm than củi Quá trình nhiệt phân phần xảy nung nhiên liệu sinh khối nhiệt độ 200 0C - 300 0C Quá trình làm biến đổi cấu trúc, gia tăng nhiệt trị nhiên liệu sinh khối, giúp cho nhiên liệu sinh khối trở nên nhẹ hơn, thuận tiện cho việc vận chuyển Quá trình nhiệt phân trình thu lượng Trong điều kiện lượng oxy cấp cho trình phản ứng nhiệt-hóa học khơng đủ, xảy q trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối Sản phẩm trình nhiên liệu thể khí chủ yếu gồm khí hydro (H2) carbon monoxide (CO) Q trình hóa khí diễn cách phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ, chất xúc tác ), phương trình phản ứng nhiệt-hóa học q trình sau [1]: a) C + CO2 (+164,9 kJ/mol) b) (+42,3 kJ/mol) Ù CO + H2 (1-4) CO2 + H2 c) 2CO (1-3) C + H2O (+122,6 kJ/mol) Ù Ù CO + H2O (1-5) CO + 3H2 Ù CH4 + H2O d) (-205,9 kJ/mol) (1-6) Phản ứng (a), (b) hai phản ứng chủ yếu trình hóa khí ga, hai phản ứng thu nhiệt Phản ứng (c) mơ tả trạng thái cân nước-khí Về lý thuyết, tỷ số sản phẩm tạo CO nước với CO2 H2 không đổi, gọi số trạng thái cân nước-khí (KWE = ) [1] Trong thực tế thành phần khí trạng thái cân đạt điều kiện áp suất, tốc độ phản ứng, thời gian phản ứng phù hợp Tốc độ phản ứng hóa khí ga giảm theo nhiệt độ phản ứng, đặc biệt nhiệt độ phản ứng giảm xuống 7000C Hằng số trạng thái cân nước-khí KWE thay đổi Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM theo nhiệt độ phản ứng (bảng 3) Từ bảng thấy trình hóa khí ga xảy vùng nhiệt độ phản ứng 7000C - 10000C Nhiệt độ phản ứng (0C) 600 700 800 900 1000 KWE 0,38 0,62 0,92 1,27 1,60 Bảng 3: Hằng số trạng thái cân nước-khí KWE theo nhiệt độ phản ứng [1] Nhiệt độ phản ứng, trình phản ứng phụ thuộc vào lượng oxy/ khơng khí tham gia Tỷ lệ khối lượng oxy khối lượng nhiên liệu sinh khối cho việc đốt cháy hồn tồn 1,476 (đối với khơng khí tỉ số tương ứng 6,36) Hệ số quy đổi Ф, tỉ lệ khối lượng lượng oxy/ khơng khí tham gia phản ứng lượng oxy/ khơng khí cần thiết để đốt cháy hồn tồn nhiên liệu sinh khối, định sản phẩm nhiệt độ trình phản ứng (đồ thị 1) [2] Với lượng oxy/ khơng khí đưa vào q ít, q trình chuyển hóa khí xảy ra, ngược lại thừa oxy/khơng khí dẫn đến phần khí bị đốt cháy, thể tăng nhiệt độ đột ngột Q trình hóa khí thực hiệu ứng với lượng oxy/ khơng khí hệ số quy đổi Ф= 0,25 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM Đồ thị 1: Đồ thị nhiệt độ phản ứng theo hệ số quy đổi Ф nhiên liệu sinh khối [2] Trong thực tế, q trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối đồng thời xảy trình phản ứng nhiệt-hóa học nêu Q trình nhiệt phân hóa khí ga phản ứng thu nhiệt Do vậy, nhiên liệu sinh khối đốt cháy phần để cung cấp nhiệt cho thực trình nhiệt phân hóa khí ga Hiệu suất q trình hóa khí với loại nhiên liệu sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ lượng oxy tham gia phản ứng lượng nhiên liệu sinh khối, nhiệt độ, thời gian q trình phản ứng Điều khiển q trình hóa khí việc điều khiển tốc độ cấp vật liệu, điều khiển lượng oxy/khơng khí phù hợp để đạt nhiệt độ phản ứng cần thiết tương ứng với loại nhiên liệu sinh khối 1.2 Những ưu điểm việc sử dụng cơng nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối Trong q trình hóa khí ga, phần lượng nhiên liệu sinh khối (khoảng 8-10%) sử dụng để thực trình Như hiệu suất việc sử dụng lượng nhiên liệu sinh khối thơng qua hóa khí ga lý thuyết thấp so với đốt trực tiếp Tuy vậy, q trình hóa khí phần lớn tạp chất có nhiên liệu sinh 10 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM động thiết bị liên tục, ổn định theo yêu cầu cấp nhiệt sử dụng Có thể kể đến như: - Việc cấp nhiên liệu sinh khối để đảm bảo bề dày lớp vật liệu ghi lò ổn định; - Việc cấp khí sơ cấp để đảm bảo nhiệt độ công nghệ phù hợp cho trình hóa khí; việc cấp khí thứ cấp để đảm bảo đốt cháy hồn tồn lượng khí ga hắc ín sinh q trình hóa khí sơ cấp; - Việc tháo xỉ phù hợp để đảm bảo q trình hóa khí triệt để, cho hiệu suất hóa khí cao thiết bị Tại Việt Nam, có nhiều quan tiến hành nghiên cứu thiết bị hóa khí từ nhiên liệu sinh khối nhằm đưa vào ứng dụng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện lượng Một số sở nghiên cứu tư nhân tiến hành nhập số thiết bị hóa khí từ Trung Quốc, Ấn Độ để đưa vào ứng dụng nhân rộng Tuy vậy, chưa có thiết bị đưa Việt Nam theo ngun lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược kể quy mơ cơng nghiệp Qua phân tích trên, nhóm thực đề tài lựa chọn kiểu thiết bị theo ngun lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược cho nội dung thực Thiết bị thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị hóa khí liên tục hai cấp, theo ngun lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược 2.2 Thiết kế thiết bị hóa khí liên tục Như nêu thiết bị hóa khí liên tục thiết kế theo nguyên lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược Thiết bị hóa khí bao gồm phận thực chức công nghệ sơ đồ Nhiên liệu cấp vào buồng hóa khí Tại nhiên liệu hóa khí sơ cấp nhiệt Khí ga hóa khí sơ cấp làm thơng qua q trình đốt thứ cấp Tro/xỉ sinh q trình hóa khí sơ cấp tháo khỏi buồng hóa khí 22 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM Cấp liệu Hóa khí sơ cấp Làm khí (Đốt thứ cấp) Tháo tro/ xỉ Sơ Đồ 8: Sơ đồ cơng nghệ thiết bị hóa khí liên tục Tương ứng với chức cơng nghệ, cụm thiết bị (Sơ đồ 9) bao gồm: phận cấp liệu, vít cấp liệu; Buồng hóa khí sơ cấp; Bộ phận đốt làm khí thứ cấp; Bộ phận tháo tro, xỉ Sơ Đồ 9: Sơ đồ ngun lý thiết bị hóa khí liên tục Quạt cấp khí sơ cấp Bộ phận tháo tro/ xỉ Quạt cấp khí thứ cấp Bộ phận cấp nhiên liệu Bộ phận làm khí ga Phễu cấp nhiên liệu 23 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM Buồng hóa khí (sơ cấp) Nhiên liệu, phụ phế phẩm nông nghiệp, cấp vào phễu cấp nhiên liệu (7) Bộ phận cấp nhiên liệu (7) cấp nhiên liệu vào buồng hóa khí (4) với lớp tương đối dày Nguồn khí sơ cấp cấp vào buồng hóa khí thơng qua quạt cấp khí sơ cấp (1) Nhiên liệu hóa khí buồng hóa khí thời gian đủ dài, khỏi buồng hóa khí qua phận làm khí ga (3) Quạt khí thứ cấp (2) cung cấp nguồn khí thứ cấp làm khí ga thơng qua q trình đốt cháy triệt để khí ga phận làm khí Khí ga làm sạch, đốt cháy triệt để dùng làm nguồn cung cấp nhiệt cho ứng dụng thiết bị sấy, sưởi ấm, nồi … Theo nguyên lý nêu trên, nhóm thực đề tài tiến hành thiết kế, xác định thông số thiết bị hóa khí liên tục dựa tham khảo thông số thực nghiệm nghiên cứu công bố Theo nhiệm vụ đăng ký, thiết bị hóa khí liên tục có cơng suất 10.000 Kcal/h Nhiệt lượng Nm3 khí ga từ nhiên liệu sinh khối vào khoảng 1050-1100 Kcal/Nm3 [2], nên thiết bị hóa khí tương ứng cần tạo lượng khí khoảng 10 Nm3/h Lượng khí ga sinh từ q trình hóa khí nhiên liệu sinh khối khoảng Nm3/kg [2] Như vậy, thiết bị hóa khí có cơng suất 10.000 Kcal/h có khả hóa khí lượng nhiên liệu sinh khối tương đương khoảng 5-6 kg/h Thiết bị theo nhiệm vụ đề với công suất hóa khí 10.000 Kcal/h thiết kế theo ngun lý lựa chọn, ngun lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược có kích thước thiết bị nhỏ khơng thể hết đặc tính thiết bị phù hợp với ứng dụng quy mô công nghiệp Để có thiết bị có khả ứng dụng quy mơ cơng nghiệp, nhóm thực đề tài nhận thấy cần thiết phải thiết kế thử nghiệm với thiết bị có cơng suất lớn hơn, kích thước lớn hơn, phù hợp với việc thiết kế nâng công suất thiết bị đáp ứng nhu cầu sử dụng cơng nghiệp Cơng suất hóa khí thiết bị phụ thuộc vào lưu lượng tác nhân hóa khí/ khơng khí hay thiết diện buồng hóa khí Để phù hợp cho việc đồng dạng hóa thiết kế thiết bị 24 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM hóa khí theo ngun lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược theo dải cơng suất khác nhau, nhóm thực đề tài lựa chọn modul hóa thiết bị theo thiết diện buồng hóa khí Theo đó, thiết bị modul hóa có hệ số cơng suất hóa khí 1, thiết bị có cơng suất hóa khí lớn lần cần có thiết diện buồng hóa khí tương ứng theo hệ số cơng suất hóa khí Để modul hóa thiết bị hóa khí, nhóm đề tài chọn modul buồng hóa khí có thiết diện buồng S ~ 0,5m2, kích thước chiều tương ứng 600 x 800 (mm) Cơng suất hóa khí lưu lượng quạt cần thiết cho cấp khí sơ cấp modul 0,5 m2 tính sơ dựa theo kết nghiên cứu thực nghiệm sau: Theo kết nghiên cứu S Varunkumar công bố, vận tốc khơng khí tham gia vào q trình hóa khí sơ cấp (Vs) nằm khoảng 3-5 cm/s lị đốt gia đình từ 15-30 cm/s lị hóa khí cơng nghiệp [4] Lượng khí sơ cấp (Vsc) tham gia q trình hóa khí cần thiết với buồng hóa khí 0,5 m2 tạm tính theo cơng thức: Vsc (m3/s) = Vs (m/s) x 0,5 (m2) (2-1) Theo đó, lượng khơng khí cần thiết cho q trình hóa khí sơ cấp nằm khoảng 0,015 - 0,15 (m3/s) hay 54 - 540 (m3/h) S Dasappa P J Paul nghiên cứu thực nghiệm rằng: để lượng khơng khí tham gia q trình hóa khí ổn định, lượng khơng khí nằm khoảng 0,05 - 0,15 kg/m2s hiệu lưu lượng 0,1 kg/m2s [5] Theo đó, modul hóa khí có thiết diện buồng hóa khí 0,5m2, lưu lượng khơng khí cần thiết cấp cho q trình hóa khí sơ cấp tương ứng từ 0,025 - 0,075 kg/s (90 -270 kg/h) hay tương đương 0,025 - 0,075 m3/s (90 - 270 m3/h) Với tỷ lệ thông thường khối lượng khơng khí nhiên liệu sinh khối 1,5 [4], modul thiết bị hóa khí với thiết diện buồng hóa khí 0,5 m2 có khả hóa khí lượng nhiên liệu sinh khối khoảng: * (90 ÷ 270 kg khơng khí): 1,5 = 60 ÷ 180 kg/h (tính theo S Dasappa P J Paul) 25 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM * (54 ÷ 540 kg khơng khí): 1,5 = 36 ÷ 360 kg/h (tính theo S Varunkumar) Như vậy, lý thuyết modul thiết bị hóa khí liên tục với thiết diện buồng hóa khí 0,5 m2 có cơng suất hóa khí theo nhiên liệu khoảng 36 đến 180 kg/h Lưu lượng khí sơ cấp cần thiết cho q trình hóa khí sơ cấp từ 54 đến 270 m3/h Thông số cần xác định cho modul buồng hóa khí chiều cao buồng Theo Patent US20090301364, thời gian cần thiết cho việc hóa khí hiệu nên lớn 10 phút Theo nghiên cứu công bố, than củi trình sụt giảm chiều cao lớp vật liệu q trình hóa khí 0,3 mm/s hay 18 mm/phút [5] Như than củi chiều cao lớp vật liệu để đảm bảo hiệu suất thiết bị hạn chế cháy bề mặt gi, chiều cao lớp than củi cần lớn 18 (mm) x 10 = 180 mm Để phù hợp với nhiên liệu sinh khối có hàm lượng tro cao trấu, chiều cao cần tăng thêm Thêm vào nữa, chiều cao buồng hóa khí cịn cần khoảng khơng cần thiết cho việc hóa khí tiếp tục thành phần dễ bay nhiên liệu sinh khối Dựa phân tích nhóm thực đề tài chọn kích thước chiều cao buồng hóa khí 900 mm cho modul hóa khí với thiết diện buồng hóa khí 0,5m2 Như vậy, thiết bị hóa khí liên tục chế tạo có kích thước buồng hóa khí 600x800x900 mm (dài x rộng x cao) Các thiết bị cấp nhiên liệu sinh khối tháo tro, xỉ có cơng suất 36 - 180 kg/h Quạt sơ cấp cung cấp lượng khí cấp cho q trình hóa khí sơ cấp tương ứng 54 - 270 m3/h 2.3 Chế tạo thiết bị hóa khí liên tục Dựa lựa chọn thiết kế cho thiết bị nêu trên, nhóm thực đề tài chế tạo thiết bị hóa khí tiến hành khảo nghiệm Bên số hình ảnh thiết bị chế tạo Để phục vụ nghiên cứu, vật liệu sử dụng cho chế tạo thiết bị thép không gỉ Ở quy mô lớn hơn, hay ứng dụng vào sở sản xuất, thiết bị chế tạo lò xây chịu nhiệt để giảm giá thành sản xuất tăng độ bền 26 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM Các quạt cấp khí sơ cấp thứ cấp điều khiển thơng qua biến tần để thay đổi lưu lượng khơng khí tham gia q trình hóa khí cho phù hợp Các can nhiệt chịu nhiệt độ cao (đến 13000C) lắp đặt vị trí khác buồng hóa khí nhằm theo dõi nhiệt độ q trình hóa khí đồng thời sử dụng tín hiệu dùng điều khiển trình cấp nhiên liệu, lưu lượng quạt cung cấp tác nhân hóa khí Hình 1: Hình ảnh lắp đặt thiết bị 27 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp – RIAM Hình 2: Hình ảnh lắp đặt thiết bị Hình 3: Hình ảnh khảo nghiệm thiết bị THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ HĨA KHÍ LIÊN TỤC CƠNG SUẤT 10.000 KCAL/H Sau chế tạo lắp đặt thiết bị, nhóm thực đề tài tiến hành chạy thử khảo nghiệm thiết bị 28 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM 3.1 Mục tiêu phương pháp khảo nghiệm Mục tiêu trình khảo nghiệm thiết bị xác định nguyên lý hoạt động thiết bị phù hợp với ứng dụng cho nhiên liệu sinh khối phụ phế phẩm nông nghiệp trấu, lõi ngô, mùn cưa…; Xác định mức nhiên liệu, chiều cao lớp nhiên liệu chứa ghi lị phù hợp cần cấp q trình hóa khí; Xác định lưu lượng khơng khí cần thiết tham gia vào q trình hóa khí sơ cấp tương ứng với loại nhiên liệu, sơ cơng suất hóa khí modul 0,5 m2; Để xác định nguyên lý hoạt động thiết bị, tiến hành hóa khí nhiên liệu sinh khối Đánh giá khả hóa khí ga từ nhiên liệu thơng qua hệ thống sensor đo nhiệt lắp đặt thiết bị Điều chỉnh lưu lượng khí tham gia vào q trình hóa khí Kiểm tra khả hoạt động liên tục thiết bị Cân mẻ nhiên liệu xác định thời gian hóa khí mẻ nhiên liệu này, từ xác định cơng suất hóa khí thiết bị 3.2 Kết khảo nghiệm Nhóm thực đề tài tiến hành khảo nghiệm thiết bị thu kết sau: - Nhóm thực đề tài tiến hành kiểm tra hoạt động riêng biệt cụm thiết bị trước tiến hành hóa khí cụm thiết bị cấp liệu, cụm thiết bị tháo tro, xỉ Kết cho thấy cụm thiết bị đáp ứng chức công nghệ cần thiết Riêng thiết bị cấp liệu chạy với vật liệu trấu có tượng bị kẹt vật liệu có độ ma sát cao, cụm thiết bị kịp thời hiệu chỉnh đáp ứng u cầu cơng nghệ - Nhóm thực đề tài tiến hành hóa khí với nhiên liệu vỏ trấu với độ ẩm 10% Q trình hóa khí tốt Bộ phận cấp nhiên liệu xả tro hoạt động phù hợp với yêu cầu công nghệ Nhiên liệu vỏ trấu hóa khí tương đối triệt để (hình 4) khơng có tượng tạo xỉ Nhiệt độ hóa khí điểm đo 29 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM trình bày bảng sơ đồ 10 Thời gian bắt đầu sinh ga nhiên liệu đạt sau 10 phút - Công suất hóa khí xác định 15 kg/20 phút, tương ứng 45 kg/h Hình 4: Hình ảnh tro khỏi thiết bị Bảng 7: Kết Khảo Nghiệm Ghi khảo nghiệm Ngày Khảo Ngh: 5/1/2013 Nguyên liệu: vỏ trấu Độ ẩm trấu: 10% Nhiệt độ môi trường C Các can nhiệt 1; 2; 3; cách sàn ghi lần lượt: + can nhiệt 1: 100 mm + Can nhiệt 2: 300 mm + Can nhiệt 3: 500 mm + Can nhiệt 4: 700 mm TT/ thời gian T5 (0C) T2 (0C) T1 (0C) T3 (0C) T4 (0C) T6 (0C) Tần số ĐKĐC (Hz) Ghi 30 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM 9:35 9:40 9:45 9:50 9:55 10:00 10:05 10:10 10:15 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25 11:30 12 13 14 246 535 373 486 672 635 605 632 650 447 499 453 401 420 375 382 446 364 333 415 8 831 685 567 414 493 430 496 208 333 869 1159 1117 917 995 1165 1130 1023 1059 898 947 1032 925 8 869 887 1007 1046 1023 980 919 886 844 804 780 768 693 635 596 554 548 521 488 499 524 696 577 548 481 375 446 533 504 483 230 236 151 128 109 218 410 474 236 170 159 397 332 442 534 537 541 560 471 489 563 583 570 511 472 398 350 339 400 459 430 436 403 394 458 429 12/35 12/35 19,3/35 17,62/35 11,9/34 10,7/34 8,8/38 9,5/40 10,2/40 10,66/40 10,7/40 10,7/40 10,7/40 7/42 10,1/42 10,5/42 8,4/42 9,7/42 9,8/42 9,5/42 10,4/42 10,4/42 10,4/42 12,2/48 11:35 356 997 474 265 431 15/48 11:40 11:45 11:50 11:55 12:00 12:05 381 388 326 328 306 343 946 1026 1158 967 849 978 450 487 539 615 617 659 247 315 389 533 365 236 435 399 450 448 438 456 15/48 15/48 11/48 11/48 12,7/48 12/48 12:10 321 965 703 333 370 13/48 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 301 311 296 281 253 922 728 847 923 951 707 773 811 817 843 364 337 390 379 441 398 351 336 275 352 12,8/48 15,2/48 16,1/48 13,1/48 11,8/48 Bắt đầu nhóm lị Lên ga mạnh, lửa vàng ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga nhiều, mạnh đều, cấp liệu ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, ga nhiều, mạnh đều, xả tro, ga đều, cấp liệu ga đều, cấp liệu ga yếu có khói ga mạnh, có khói, xả tro ga 31 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 243 236 225 209 202 205 232 234 470 456 947 971 997 991 965 976 1054 1051 1006 968 862 857 855 859 863 861 867 865 870 860 460 573 682 730 746 715 725 785 832 885 332 313 337 372 413 400 434 488 554 633 11,9/48 11,9/48 11,96/48 11,96/48 11,96/48 11,96/48 13,9/48 15,4/48 15,4/48 11,4/48 13:30 569 877 1048 900 640 0/48 ga ga ga ga ga ga ga ga ga ga xanh, xả không ga, dập lò dừng khảo nghiệm 13:35 32 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM Sơ Đồ 10: Sơ đồ theo dõi nhiệt độ buồng hóa khí theo thời gian Nhận xét: Thiết bị thiết kế chế tạo theo nguyên lý sàn tĩnh xi dịng đốt ngược hoạt động có khả hóa khí phụ phế phẩm nơng nghiệp trấu Thiết bị hoạt động trình khảo nghiệm cho thấy có khả hoạt động liên tục Chất lượng ga sinh q trình hóa khí tương đối tốt Các can nhiệt đặt buồng hóa khí nhằm mục đích theo dõi q trình hóa khí Các can nhiệt T1, T2, T3, T4 đặt gi lò chiều cao 33 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu cơng thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM 100mm, 300mm, 500mm, 700mm thực chức theo dõi nhiệt độ phản ứng nhiên liệu buồng hóa khí Can nhiệt T5 đo nhiệt độ vùng lấy tro Theo bố trí can nhiệt T1 theo dõi nhiệt độ bề mặt ghi, T2 theo dõi nhiệt độ vùng hóa khí, T3, T4 theo dõi nhiệt độ phía vùng hóa khí Trong T3 đồng thời sử dụng tín hiệu mức nhiên liệu buồng Trong thời gian hóa khí ổn định, nhiệt độ đo vùng hóa khí T2 đạt 800 - 11000C, cho thấy thiết bị có khả hóa khí tốt, lượng khí cấp tương ứng cho cơng đoạn hóa khí sơ cấp nằm dải 50 - 75 m3/h (tương ứng chế độ quạt cấp khí sơ cấp 10 -15 Hz) Vùng nhiên liệu hóa khí nằm vị trí can nhiệt T2 T3 (tương ứng mức 300 - 500 mm bề mặt gi) thể chỗ nhiệt độ vùng T3 thấp nhiên liệu đưa vào sấy khô trước tham gia vào phản ứng hóa khí vùng can nhiệt T2 Nhiệt độ phần vùng hóa khí đo T4 cho thấy nhiệt độ khí ga sinh khoảng 300-400 0C Nhiệt độ đo gi lò T1 sau thời gian phả ứng ban đầu giảm xuống 500-600 0C cho thấy phần gi lị bảo vệ q trình hóa khí Tóm lại, thấy buồng hóa khí thực chức hóa khí theo ngun lý thiết kế Tuy vậy, thời gian không cho phép nên nhóm thực đề tài chưa có điều kiện tiến hành thử nghiệm loại nhiên liệu khác Kết cơng suất hóa khí 45 kg/h nhiên liệu vỏ trấu có tính chất tham khảo Nhóm thực đề tài tiếp tục khảo nghiệm kết thực tế 34 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nơng nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nhóm thực đề tài hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ nghiên cứu đề ra, bao gồm nghiên cứu cơng nghệ thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối phụ phế phẩm nông nghiệp; thực thiết kế chế tạo thiết bị, modul hóa khí liên tục với thiết diện buồng hóa khí; thực khảo nghiệm thiết bị Modul hóa khí 0,5 m2 tạo theo ngun lý hóa khí sàn tĩnh xi dịng đốt ngược hoạt động theo ngun lý có khả hoạt động liên tục, cấp nhiên liệu, hóa khí xả tro Cơng suất hóa khí modul khoảng 45 kg/h (tương đương khoảng 95.000 Kcal/h) Việc lựa chọn, tìm hiểu, nghiên cứu nguyên lý thiết bị chiếm thời gian dài việc thực đề tài, dẫn tới việc chế tạo khảo nghiệm không theo kịp tiến độ đề Kết khảo nghiệm thực cho nhiên liệu vỏ trấu Thông số cơng suất hóa khí thiết bị 45 kg/h có tính chất tham khảo Theo chủ quan nhóm thực đề tài cơng suất modul cịn cao Nhóm thực đề tài kiến nghị tiếp tục khảo nghiệm thiết bị, tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cơng nghệ hóa khí modul thiết bị - thiết bị có nhiều ưu điểm nêu Việc điều khiển q trình hóa khí cách tự động cần thiết cho việc đưa ứng dụng thiết bị vào sản xuất Nhóm thực đề tài đề nghị tiếp tục nghiên cứu theo hướng 35 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM Tài liệu tham khảo   [1] Wood gas as engine fuel," FAO - Forestry paper 72, 1986 [2] Thomas B Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine System, The Biomass Energy Foundation Press, 1988 [3] P Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis - Practical design and theory, Elsevier, 2010 [4] S Varunkumar, "Packed bed gasification-combustion in biomass based domestic stoves and combustion systems," Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore – 560 012 (INDIA), 2012 [5] S D a P J Paul, "Gasi"cation of char particles in packed beds: analysis and results," 2001 [6] H Hunsinger, "Method for improving the slag quality of grate firing systems" Patent US 2009/0301364 A1, 10 De 2009 36 Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp