Nghiên ứu chế tạo và vận hành mô hình thực nghiệm nhiệt phân than củi gỗ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐẶNG TRẦN ĐÔNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN THAN CỦI GỖ Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM HOÀNG LƯƠNG Hà Nội – năm 2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113890221000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐẶNG TRẦN ĐÔNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN THAN CỦI GỖ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội – năm 2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU x Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình sử dụng lượng 1.1.1 Tình hình sử dụng lượng giới 1.1.2 Tình hình sử dụng lượng Việt Nam 1.2 Sản phẩm than củi nhiệt phân ứng dụng 11 1.2.1 Đặc tính sản phẩm 13 1.2.2 Khả thay nguồn lượng truyền thống 14 1.3 Nguyên liệu sản xuất 16 1.3.1 Tiềm đa dạng tài nguyên gỗ 16 1.3.2 Tiềm sử dụng gỗ phế liệu 18 1.4 Mục đích nội dung nghiên cứu 22 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 2.1 Công nghệ nhiệt phân than củi gỗ giới Việt Nam 23 2.1.1 Phương pháp hầm lò sản xuất than 24 2.1.2 Phương pháp làm than gò đất 25 2.1.3 Lò gạch 25 2.1.4 Lò kim loại sản xuất than 27 2.1.5 Lò kiểu trống 200 lít 28 2.1.6 Hầm sản xuất liên tục 29 2.1.7 Phương pháp lò tầng sản xuất than 30 2.1.8 Một số phương pháp khác 31 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm nhiệt phân 34 2.2.1 Ảnh hưởng áp suất 34 2.2.2 Chất lượng nguyên liệu đầu vào 34 i 2.2.3 Nhiệt độ nhiệt phân 35 2.2.4 Thời gian nhiệt phân 38 2.2.5 Chất lượng nén ép sinh khối gỗ trước nhiệt phân 40 2.2.6 Ảnh hưởng tỷ lệ khơng khí cấp vào lò 40 2.3 Cơ sở tính tốn lị nhiệt phân 41 2.3.1 Tính cân vật chất 41 2.3.2 Xác định kích thước nội hình 42 2.3.3 Tính tốn chiều dày lớp thể xây 42 2.3.4 Tính tốn tổn thất nhiệt 43 2.3.5 Tính tốn cấp nhiệt cho lị 44 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46 3.1 u cầu mơ hình thực nghiệm 46 3.2 Lựa chọn kết cấu, thiết kế mơ hình thực nghiệm 46 3.3 Thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm 47 3.3.1 Tính tốn chiều dày lớp thể xây 47 3.3.2 Tính tốn tổn thất nhiệt 49 3.3.3 Tính tốn cấp nhiệt cho lò 49 3.3.4 Cấu trúc tổng thể lò 51 3.4 Mơ hình thực nghiệm 51 Chương VẬN HÀNH THỬ VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 54 4.1 Quy trình vận hành 54 4.2 Các chế độ vận hành 56 4.3 Vận hành thực nghiệm 57 4.3.1 Kết vận hành chế độ nhiệt phân 250oC 57 4.3.2 Kết vận hành chế độ nhiệt phân 350oC 59 4.3.3 Kết vận hành chế độ nhiệt phân 450oC 61 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian nhiệt phân 64 4.4.1 Tiêu chuẩn thiết bị phân tích thành phần sản phẩm nhiệt phân 64 4.4.2 Tổng hợp kết phân tích 64 4.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian nhiệt phân 65 Chương TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 ii 5.1 Tóm tắt 79 5.2 Kết luận 74 5.3 Kiến nghị 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 BẢN VẼ CHẾ TẠO LÒ NHIỆT PHÂN iii LỜI CẢM ƠN Mở đầu Luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo vận hành mơ hình thực nghiệm nhiệt phân than củi gỗ”, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo – PGS.TS Phạm Hoàng Lương, người thầy tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Với đặc thù đề tài nghiên cứu chế tạo vận hành mơ hình thực nghiệm nhiệt phân than củi gỗ, bên cạnh khối lượng kiến thức chuyên ngành, cần phải tiếp xúc với vấn đề khí chế tạo, vận hành thực nghiệm … sản phẩm than củi nhiệt phân khiến em gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, dự bảo tận tình đơn đốc thầy Phạm Hoàng Lương, em hiểu rõ vấn đề, xác định phương hướng bước giải khó khăn để hồn thành luận văn Thầy giúp đỡ em nhiều không kiến thức, mà phong cách tiếp cận vấn đề, cách thức làm việc chuyên nghiệp hiệu Qua em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô Viện KH & CN Nhiệt Lạnh, mà thầy truyền đạt cho chúng em không kiến thức chuyên ngành mà cịn kinh nghiệp sống q báu Đây hành trang, tiền đề quan trọng để chúng em vững đường nghiệp Một lần em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 Tác giả luận văn Đặng Trần Đông iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn nghiên cứu, tính tốn, thiết kế hướng dẫn thầy giáo: PGS.TS Phạm Hồng Lương Để hồn thành Luận văn tơi sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Tác giả luận văn Đặng Trần Đông v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT G: Khối lượng vật liệu, kg V: Thể tích vật liệu, m3  : Khối lượng riêng vật liệu, kg/ v: Thể tích chiếm chỗ vật liệu, m3 l: Chiều dài vật liệu, m d: Đường kính ngồi vật liệu, m n: Số vật liệu cho vào lò L: Chiều cao khối gỗ a: Khoảng cách từ sàn lò đến vật liệu b: Khoảng cách từ vật liệu đến nắp D1: Đường kính nội hình lị D: Đường kính khối vật liệu C: Khoảng cách từ vật liệu đến thành lò tw1: Nhiệt độ lò, oC tw2: Nhiệt độ lớp chịu lửa, oC tw3: Nhiệt độ lớp cách nhiệt, oC twf : Nhiệt độ môi trường, oC λ1 : Hệ số dẫn nhiệt lớp chịu lửa, W/mK λ2 : Hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt, W/mK Qc1: Nhiệt lượng cần cấp cho gạch chịu lửa, kJ Qc2: Nhiệt lượng cần cấp cho gạch chịu nhiệt, kJ Qc3: Nhiệt lượng cần cấp cho khối nhiên liệu, kJ q : Mật độ dòng nhiệt, W/m2 C p1: Nhiệt dung riêng gạch chịu lửa, kJ/kg.K C p2: Nhiệt dung riêng gạch chịu nhiệt, kJ/kg.K vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Trữ lượng lượng sơ cấp giới Bảng 1.2 Dự báo tiêu thụ lượng giới theo nhóm nước Bảng 1.3 Nhu cầu khả cung cấp lượng sơ cấp Việt Nam .8 Bảng 1.4 Tiềm năng, khả khai thác lượng tái tạo Việt Nam Bảng 1.5 Bảng so sánh đặc tính số loại nhiên liệu 15 Bảng 1.6 Diện tích rừng tồn quốc (tính đến ngày 31/12/2015) 17 Bảng 1.7 Tổng hợp diện tích độ che phủ tỉnh Bắc Trung Bộ (tính đến ngày 31/12/2015) 17 Bảng 1.8 Tổng kết sơ nguồn gỗ phế thải, khai thác Việt Nam 22 Bảng 3.1 Vật liệu chiều dày lớp thể xây lò 52 Bảng 3.2 Kích thước ngoại hình lị 52 Bảng 4.1 Các chế độ vận hành thực nghiệm 56 Bảng 4.2 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 250oC, 30 phút 57 Bảng 4.3 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 250oC, 60 phút 58 Bảng 4.4 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 250oC, 90 phút 58 Bảng 4.5 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 350oC, 30 phút 59 Bảng 4.6 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 350oC, 60 phút 60 Bảng 4.7 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 350oC, 90 phút 61 Bảng 4.8 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 450oC, 30 phút 61 Bảng 4.9 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 450oC, 60 phút 62 Bảng 4.10 Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian nhiệt độ 450 oC, 90 phút 63 Bảng 4.11 Tiêu chuẩn thiết bị phân tích thành phần sản phẩm nhiệt phân 64 Bảng 4.12 Bảng kết phân tích sản phẩm nhiệt phân than củi 65 Bảng 4.13 Bảng kết phân tích hàm lượng carbon sản phẩm nhiệt phân 65 Bảng 4.14 Bảng kết phân tích nhiệt trị sản phẩm nhiệt phân 67 Bảng 4.15 Bảng kết phân tích chất bốc sản phẩm nhiệt phân 69 Bảng 4.16 Bảng kết phân tích khối lượng sản phẩm nhiệt phân 70 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ trọng tiêu thụ lượng theo ngành Việt Nam 10 Hình 1.2 Than củi trước sau nhiệt phân 13 Hình 1.3 Mùn cưa dăm bào 19 Hình 2.1 Hầm than Ghana 24 Hình 2.2 Lị gạch sản xuất than Argentina 26 Hình 2.3 Lị than Brazil 26 Hình 2.4 Hệ thống lị Missouri 27 Hình 2.5 Lị nung than kim loại 27 Hình 2.6 Nạp nhiên liệu nhiệt phân lò kiểu trống 200 lít 28 Hình 2.7 Nén than bánh than bánh phơi khô 29 Hình 2.8 Hầm sản xuất than 30 Hình 2.9 Lị tầng sản xuất than 30 Hình 2.10 Than củi Ubame - Binchotan 31 Hình 2.11 Đo nhiệt độ lị nhiệt phân than 32 Hình 2.12 Dụng cụ, thiết bị dùng cho lị 32 Hình 2.13 Thu lượm nguyên liệu sản xuất 33 Hình 2.14 Than thành phẩm 33 Hình 2.15 Các thành phần sinh khối số loại nguyên liệu 35 Hình 2.16 Các ảnh hưởng nhiệt độ tới sản phẩm rắn tạo thành 36 Hình 2.17 Ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ gia nhiệt đến sản phẩm nhiệt phân 36 Hình 2.18 Hàm lượng carbon mẫu than mùn cưa khoảng nhiệt độ khác 37 Hình 2.19 Giá trị nhiệt trị mẫu than mùn cưa khoảng nhiệt độ khác 37 Hình 2.20 Hiệu suất thu hồi than 38 Hình 2.21 Hàm lượng carbon mẫu than mùn cưa khoảng thời gian khác 39 Hình 2.22 Giá trị nhiệt trị mẫu than mùn cưa khoảng thời gian khác 39 Hình 3.1 Mơ hình lị nhiệt phân 47 Hình 3.2 Kết cấu bao che lị 49 Hình 3.3 Bản vẽ thiết kế chế tạo lò 51 Hình 3.4 Các lớp cấu tạo lị 52 viii