Đồ Án Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối theo công nghệ downdraft

- Tận dụng tối đa và hiệu quả nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn ở các vùngnông thôn và miền núi đang không được sử dụng đúng giá trị thực và lãng phí đểsản xuất khí tổng hợp cung cấ

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâusắc tới thầy hướng dẫn: PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ người đã tận tình giúp đỡ vàtạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ hữu

cơ hóa dầu-Viện kỹ thuật Hóa học-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bịcho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu để hoànthành tốt đồ án này

Em cũng xin chân trọng cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Cương và các anh chịtrong xưởng Thiết Bị Áp Lực trường Đại học BKHN đã giúp đỡ và tạo điều kiệncho em trong quá trình thực hiện đồ án

Cuối cùng em xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân,nhóm đề tài khí hóa, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoànthành đồ án này

Do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu, thời gian cóhạn nên đồ án này không tránh khỏi nhiều thiếu sót, em kính mong thầy cô góp ýgiúp đỡ để bản đồ án được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 03 tháng 07 năm 2013

SVTH: Lê Tuấn Linh

M C L C Ụ Ụ

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

PHẦN 1: TỔNG QUAN 7

I Tổng quan về nhiên liệu sinh khối 7

I.1 Nhiên liệu sinh khối [1] 7

I.1.1 Năng lượng từ sinh khối 7

I.1.2 Vai trò của nhiên liệu sinh khối 8

I.2 Thành phần và tính chất hóa học của nguyên liệu sinh khối [12] 9

I.2.1 Thành phần hoá học 9

I.2.2 Thành phần nguyên tố hóa học 11

I.3 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam [10] 13

I.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam [8] 14

II Tổng quan về công nghệ khí hóa 16

II.1 Lý thuyết về quá trình 16

II.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối 17

II.3 Công nghệ khí hóa tầng cố định 19

II.3.1 Phân loại khí hóa tầng cố định [9] 19

II.3.2 Ưu nhược điểm và những tồn tại của công nghệ khí hóa sinh khối 21

II.4 Hiện trạng sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam [9] 22

PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 8 kg/h 24

I Hệ thống khí hóa 24

I.1 Sơ đồ hệ thống 24

I.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 29

II Quá trình thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 31

II.1 Trình tự thí nghiệm 31

II.1.1 Chuẩn bị nhiên liệu 31

II.1.2 Thông gió và kiểm tra hệ thống 32

II.1.3 Khởi động hệ thống 32

II.1.4 Vận hành hệ thống và thu thập số liệu 32

II.1.5 Ngừng thí nghiệm 33

II.2 Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích 33

II.2.1 Đo áp suất 33

II.2.2 Đo nhiệt độ 34

II.2.3 Đo lưu lượng không khí 34

II.2.4 Phân tích thành phần sản phẩm khí 35

II.2.5 Đo tar 35

II.3 Phương pháp phân tích tính toán và xử lí số liệu 37

II.3.1 Công thức tính toán 37

I.3.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 40

III Kết quả thí nghiệm và thảo luận 41

III.1 Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa 41

III.1.1 Trường hợp khí hóa 1 cấp 41

III.1.2 Trường hợp khí hóa 2 cấp 44

III.1.3 Trường hợp khí hóa 3 cấp 49

III.2 Kết quả thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa 58

III.2.1 Thí nghiệm 7 58

III.2.2 Thí nghiệm 8 61

III 3 Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm 64

PHẦN III: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 30kg/h 66

I Hệ thống khí hóa 66

I.1 Sơ đồ hệ thống 66

I.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 68

II Kết quả và thảo luận 69

II.1 Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa 69

II.1.1 Thí nghiệm 9 69

II.1.2 Thí nghiệm 10 72

II.1.3 Thí nghiệm 11 74

II.2 Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa 78

II.2.1 Thí nghiệm 12 78

II.2 Thí nghiệm 13 81

II.3 Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu vỏ trấu 84

II.4 Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm của hệ thống 30kg/h 87

II.5 Kết quả tính toán cho một số mô hình khí hóa downdraft 88

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH M C CÁC B NG Ụ Ả Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác 8

Bảng 1.2: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng 14

Bảng 1.3: Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp chặt 21

Bảng 1.4: Các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay 23

Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối 31

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của các mẫu sinh khối 32

Bảng 2.3: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 8 kg/h 64

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 30kg/h 87

Bảng 3.2: Kết quả tính toán với SV = 0,7 m/s 88

Bảng 3.3: Kết quả tính toán khi SV = 0,6 m/s 88

Bảng 3.4: Sự phụ công suất thiết bị vào SV khi D t không đổi 90

Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi D t =500mm 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- ad: Các số liệu phân tích trên lượng khô nhận được

- W: Hàm ẩm của sinh khối

- A: Hàm lượng tro của sinh khối

- V: Hàm lượng chất bốc của sinh khối

- FC: Hàm lượng cacbon cố định của sinh khối

LỜI NÓI ĐẦU

An ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nước trên thế giớibao gồm cả những nước phát triển và nước đang phát triển do các nguồn nănglượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ Vì vậy việc tìm kiếm cácnguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc biệtchú trọng Sinh khối là một nguồn năng lượng tái tạo có khả năng đáp ứng đượcnhững vấn đề thời sự trên Thế giới đang quan tâm tìm cách sử dụng năng lượngsinh khối một cách có hiệu quả, trong đó công nghệ khí hóa sinh khối là một côngnghệ mang lại hiệu quả cao

Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ Việc sử dụngcông nghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại ở lĩnh vực cung cấp nhiệt chocông nghiệp quy mô nhỏ và các hộ gia đình như: Thiết bị khí hóa trấu để cung cấpnhiệt cho nung gốm sứ ở Đồng Tháp, An Giang và bếp khí hóa sinh khối hộ giađình do các doanh nghiệp chép mẫu hoặc nhập khẩu chủ yếu từ Trung Quốc vì vậykhi sử dụng hiệu suất chưa cao, làm việc chưa ổn định

Vì vậy em chọn đồ án “Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khốitheo công nghệ downdraft” với mục đích:

- Làm chủ được công nghệ khí hóa sinh khối

- Xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố: Chế độ vận hành, nhiên liệu

- Phát triển, nâng cấp công suất hệ thống khí hóa

- Tận dụng tối đa và hiệu quả nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn ở các vùngnông thôn và miền núi đang không được sử dụng đúng giá trị thực và lãng phí đểsản xuất khí tổng hợp cung cấp cho Tổng hợp Hữu cơ - Hóa dầu, bên cạnh đó là sảnxuất điện năng quy mô nhỏ nhờ nhiệt của của quá trình khí hóa sinh khối

- Cung cấp điện năng tại chỗ cho một thôn, một xã, một khu vực, dựa vào trữ lượngsinh khối sẵn có tại nơi đó Giải quyết vấn đề thiếu điện năng vào cho những nơinày, đảm bảo điện năng cả về nhu cầu lẫn kinh tế đem lại

- Bên cạnh đó còn giải quyết vấn đề xử lý môi trường do nhiều nơi không sử dụngđúng cách mà còn thải xuống sông ngòi hoặc đốt gây ô nhiểm không khí Khí hóasinh khối góp phần bảo vệ môi trường tốt đẹp hơn

Đồ án của em được chia làm 3 phần chính:

PHẦN 1: TỔNG QUAN

Giới thiệu một cách tổng quan về nguyên liệu sinh khối, năng lượng sinhkhối, tiềm năng sinh khối và hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam Giới thiệuchung về khí hóa sinh khối tầng cố định, các kiểu khí hóa tầng cố định, ưu nhượcđiểm của từng công nghệ, hiện trạng sử dụng công nghệ khí hóa ở Việt Nam

PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 8 kg/h

Giới thiệu về sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc của hệ thống Trình bàyphương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm Đánh giá một số kết quả đãđạt được

PHẦN 3: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 30 kg/h

Giới thiệu về sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc Đánh giá kết quả thínghiệm, tính toán nâng công suất thiết bị, xây dựng mối quan hệ giữa hệ số SV,đường kính thoát với công suất thiết bị

PHẦN 1: TỔNG QUAN

I Tổng quan về nhiên liệu sinh khối

I.1 Nhiên liệu sinh khối [1]

Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo Trongsản xuất năng lượng và công nghiệp, sinh khối được đề cập đến ở đây là nguyênliệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sảnxuất công nghiệp Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụngnhư là nhiên liệu sinh học bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng đểsản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ

Trong thời kì sơ khai, sinh khối nguồn nguyên liệu chính cho con người mãi đếntận thế kỉ 19 Sang thế kỉ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu vàthan đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử Câu trả lời cho lý do hiện naynăng lượng sinh khối đang được quan tâm là đặc tính của sinh khối: Có khả năng táitạo, dự trữ trong nhiều nguồn có sẵn, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu

I.1.1 Năng lượng từ sinh khối

Năng lượng sinh khối ( hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ ) có thể sản xuấttại chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và nguyên liệu tài nguyên tái tạo Năng lượngsinh khối ( NLSK ) khác các dạng năng lượng tái tạo khác Một là: Không giốngnăng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được Hai là: Cùngmột lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng

Sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông nghiệp củangành lương thực thí dụ: Trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ, …v.v Thứ hai:Sinh khối gỗ: Có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ: Gỗ cây cao su, câyđiều, cây keo, bạch đàn …v.v

NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thànhnhiệt và năng lượng Ngoài ra, năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vàomục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn

so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định

CO2 ngắn Ngoài ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô,đồng nhất và chất lượng ổn định

I.1.2 Vai trò của nhiên liệu sinh khối

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếmtới 14-15 % tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, sinh khối thường lànguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng Từ sinhkhối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt haynhiên liệu cho động cơ Vì vậy, lợi ích của nguồn năng lượng sinh khối là rất to lớnnhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó khăn khi sử dụngNLSK

 Lợi ích

 Lợi ích kinh tế

Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượngsinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…).Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bịchuyển hóa năng lượng, …v.v

Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu

Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông quabảng sau:

Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái

sinh khác

Công suất điện phát hàng năm(Mkw/h) 1.100 17.500 6.300

 Lợi ích môi trường: Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi

to lớn cho môi trường

- Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

- Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó, nó vừa làm giảmlượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích Đốt sinh khối cũng thải ra

CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum Ta cũng cóthể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng Vìvậy, NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng khônglàm tăng CO2 trong khí quyển

Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượngmưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp …v.v

 Khó khăn

 So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp

 Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm

 Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp

 Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi trường,phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác

Có thể thấy, so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thìnguồn NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao NLSK có nhiều dạng, vànhững lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính táisinh, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp

Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưađược khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn

về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhànước…v.v

I.2 Thành phần và tính chất hóa học của nguyên liệu sinh khối [12]

Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ,trấu, ngô, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinh hoạt…

Các polyme trong SK chủ yếu là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin Xenlulozo,lignin và hemixenlulozo thường liên kết với nhau hình thành nên polymerlignoxenlulozo.

Xenlulozo:

 Xenlulozo là một dạng polysaccarit có trong hầu hết các loại thực vật Tuỳ thuộcvào môi trường sống, tuổi của cây, mỗi loài thực vật có hàm lượng xenlulozo khácnhau, thường chiếm xấp xỉ 40- 50% khối lượng biomass

 Xenlulozo có cấu trúc mạch thẳng, không phân nhánh được tạo thành từ các mắtxích cơ bản vòng sáu cạnh β-D-glucopyzanozo

 Các dị vòng được nối với nhau bằng liên kết β-1,4 glucozit Công thức phân tửcủa xenlulozo là: (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trongkhoảng từ 5000- 14000

 Lượng phân tử của xenlulozo nằm trong khoảng 300.000-500.000

 Xenlulozo có cấu trúc tinh thể nên bền nhiệt

 Phản ứng nhiệt phân xenlulozo xảy ra ở khoảng 240-350 0C

Hình 1.1 Công thức hóa học của xenlulozo

Hemixenlulozo:

 Hemixenlulozo chiếm khoảng 10-30% thành phần trong SK, nó là một polymecủa 5 loại đường khác nhau: đường 5 cacbon (xylozo và arabinozo), đường 6cacbon (galactonzo, glucozo, mannozo)

 Hầu hết các đơn vị cấu trúc của hemixenlulozo là xylan (polyme của xylo)

 Hemixenlulozo có khối lượng phân tử nhỏ hơn xenlulozo

 Đối lập với xelulozo có cấu trúc tinh thể và bền thuỷ nhiệt, hemixenlulozo ởdạng vô định hình kém bền Nó dễ dàng bị thuỷ phân trong dung dich axit hoặcbazơ

 Sự phân hủy hemixenlulozo xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với xenlulozo.Hemixenlulozo bị nhiệt phân ở 200-2600C

 So với xenlulozo, khi nhiệt phân hemixenlulozo tạo nhiều khí, ít nhựa đường, ítthan hơn Trong suốt quá trình nhiệt phân SK, hemixenlulozo bị deaxetyl tạo ra mộtlượng lớn axit axetic

Lignin:

 Lignin là polyme hữu cơ chủ yếu trên trái đất chỉ sau xenlulozo, chiếm khoảng16-25% khối lượng SK

 Lignin là nhựa liên kết ngang vô định hình nên không có cấu trúc xác định

 Thông thường, lignin sẽ bị nhiệt phân trong khoảng nhiệt độ từ 280-5500C

 Nhiệt phân lignin thường tạo ra phenol và thu được nhiều than hơn so với nhiệtphân xenlulozo

p – Coumaryl Coniferyl SinapylHình 1.2 Các monome của Lignin

Các hợp chất trích ly là các hợp chất hữu cơ không có cấu trúc mạch như chất béo,sáp, ankaloit, protein, phenolic, đường đơn giản, pectin, chất nhầy, chất gôm, nhựathông, tepen, glicozit, tinh bột, saponin, dầu Nó có thể được tách ra nhờ một sốdung môi phân cực (như nước, metylen clorua hoặc rượu), hoặc các dung môikhông phân cực (như toluene hoặc hexan)

Ngoài các thành phần chính, nguyên liệu sinh khối vẫn còn phần nhỏ các khác nhưkhoáng ( là thành phần tạo nên tro của nó) Các hợp chất vô cơ chủ yếu là các hợpchất của Si, Na, K, Mg … chúng tồn tại trong than nhiệt phân

I.2.2 Thành phần nguyên tố hóa học

Trong SK, C và O là hai nguyên tố chiếm đa phần khoảng trên 35% cho mỗinguyên tố Hàm lượng của chúng phụ thuộc vào bản chất SK được sử dụng Ngoài

ra, hàm lượng O còn phụ thuộc vào hàm lượng ẩm trong SK Tiếp theo là H chỉ

chiếm 5- 7%, các nguyên tố N, S, Cl chiếm nhỏ hơn 1% Các nguyên tố vi lượngchiếm hàm nhỏ.

Thành phần C chiếm chủ yếu trong SK, số liệu này chứng tỏ SK được hìnhthành chủ yếu từ các hợp chất hữu cơ Hàm lượng N không đáng kể nên trong thànhphần khí sinh ra sẽ ít hợp chất NxOy, là các khí độc hại gây ô nhiễm môi trường.Đặc biệt, trong SK đều không tìm thấy lưu huỳnh Đó là một ưu điểm của SK khiđược sử dụng làm nguyên liệu Do đó, thành phần khí sau phản ứng không chứa cáckhí SOx gây ô nhiễm môi trường

I.3 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam [10]

Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đadạng từ lúa, ngô, mía, sắn, lạc, bã cà phê, võ hạt điều

Hình 1.3: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Bắc

Hình 1.4: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam

Qua đồ thị hình 1.4 và 1.5 ta thấy Việt Nam có tiềm năng sinh khối rất dồi dào Cáctỉnh dồi dào về phụ phẩm lạc như: Bắc Giang, Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An Cáctỉnh dồi dào về phụ phẩm sắn như: Sơn La, Thanh Hóa, Tây Ninh, Gia Lai Các tỉnhdồi dào về phụ phẩm mía như: Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An, Sóc Trăng Cáctỉnh dồi dào về phụ phẩm ngô như: Hà Tây, Thanh Hóa, Đắc Lắc Các tỉnh dồi dào

về phụ phẩm lúa như: Thái Bình, Bắc Giang, Thanh Hóa, An Giang, Đồng Tháp,Long An

I.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam [8]

Hiện nay, trên quy mô toàn cầu NLSK là nguồn cung cấp năng lượng thứ tư,chiếm tới 14-15 % tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, NLSK là nguồnnăng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng

Bảng 1.2: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng

Nhiệt

Điện Đồng phát 377 2,7

Bảng 1.2 cho thấy trên ba phần tư sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu giađình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp Bếp cải tiến tuy đã được nghiên cứuthành công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ ở một

số địa phương Một phần tư còn lại được sử dụng trong sản xuất:

 Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo kinhnghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu, chủ yếu ở phía Nam

 Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43 nhà máyđường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài

 Sấy lúa và các nông sản: Các nhà máy sấy do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và

có thể dùng trấu làm nhiên liệu

 Công nghệ cacbon hóa sinh khối sản xuất than củi được ứng dụng ở một số địaphương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp

 Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hóa trấu hiện ở giai đoạnnghiên cứu, thử nghiệm

Việt Nam là nước nông nghiệp, nguồn nguyên liệu sinh khối từ phế phẩmtrong sản xuất nông nghiệp rất dồi dào Tuy nhiên, hiện nay phế phẩm nông nghiệpkhông còn được sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hướng sử dụng thức ăn chănnuôi công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ Hơn nữa, việc sử dụng phụ phẩm theocách thức truyền thống cho việc đun nấu không còn nữa Do vậy, người dân sau khithu hoạch sản phẩm chính, phần còn lại ( phụ phẩm ) được thải bỏ tại đồng ruộng,chất đống rồi đốt Việc đốt phụ phẩm này không những gây ô nhiễm môi trường dophát thải vào không khí nhiều khí độc hại mà còn lãng phí tài nguyên

II Tổng quan về công nghệ khí hóa

II.1 Lý thuyết về quá trình

Khí hóa sinh khối là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy,hoặc oxy đơn thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứngvới sinh khối ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí.Nhiên liệu này được gọi chung là khí sinh khối với thành phần cháy được chủ yếu

là CO, H2, CH4… dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công nghiệp hoặc sửdụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH [1]

Phương trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối như sau: [9]

CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí)+ H2O (hơi nước có thể có) → CH4 + CO + CO2 + O2 + N2 + H2 + H2O (Hơi nước không phản ứng) + C (char) + tar

Dưới đây là các phản ứng hoá học chủ yếu xảy ra trong quá trình khí hoá.Trong vùng nhiệt phân:

CxHyOzNt (sinh khối) → char + tar + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm) (1)Phản ứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy (oxi hóa) giữa ôxy trong không khí cấp với cácbon ở nhiệt độ cao:

C + O2 ↔ CO2 + 393,80 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2)

2C + O2 ↔ 2CO + 246 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (3)Không khí đưa vào có chứa ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và agon Các khí trơ nói chung có thể coi như không phản ứng với các thành phần của nhiên liệu

Trong vùng khử, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản ứnghoàn nguyên ở nhiệt độ trên 9000C:

C + CO2 ↔ 2CO - 172,60 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (4)

Trong vùng khử còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 theo phản ứng:

C + 2H2 ↔ CH4 + 75,00 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (8) Các phản ứng đồng thể 6 và dị thể (2÷5) xảy ra kèm theo sự thay đổi mạnh nănglượng của hệ thống Các số liệu về hằng số cân bằng và entanpi của hệ thống cácphản ứng quan trọng thường được dẫn ra trong các sổ tay hóa lý

II.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ của quá trình khí hóa được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro (trạngthái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ) Đối với sinh khốiđiểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí hóa vào sinhkhối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống Khí hóa ở nhiệt độ cao sẽ làmtăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàn diện hiệu suất của quá trìnhhóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò khôngđược vượt quá giá trị cho phép

Ảnh hưởng độ ẩm của nguyên liệu:

Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp vì vậysấy sinh khối thu thập từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một phạm vi độ

ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa Sấy là một quá trình tốn kém năng lượng

mà có thể làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của quá trình Tuy nhiên,trong trường hợp khí hóa, nhiệt thải có thể được sử dụng để làm giảm độ ẩm củasinh khối do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này Tuy nhiên, đối vớisinh khối nguyên khai có độ ẩm thấp (dưới 10%) giai đoạn sấy có thể không cầnthiết [12]

Ảnh hưởng của tar:

Tar có thể đạt tới 20 - 30% nếu ta khí hóa củi gỗ, bạch đàn, than non, thanbùn… Với các nhiên liệu rắn khác tar có hàm lượng thấp hơn Tar có thể tồn tại ởdạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau Nhiệtsinh của tar khá cao (tới 31.400kJ/kg), vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chấtlượng khí tăng lên nhiều

Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó (độ ẩm nguyên liệu hoặc chiều cao lớpnguyên liệu sắp xếp không hợp lý) thì tar tách ra ở dạng lỏng Trong trường hợp

này chất lượng của khí giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do tar tách

ra ở trong lò làm dính kết các lớp nguyên liệu, cản trở sự lưu thông khí và sự dịchchuyển nguyên liệu Nếu tar tách ra trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí các van trênđường dẫn sẽ gây tắc tại các vị trí trên đường dẫn

Ảnh hưởng của tro:

Nếu nhiêt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quátrình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết Khi hiện tượng kết tảng xỉxảy ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bốgió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm cho tác nhân khíhóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí sẽ tăng lên.Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tại đây sẽ tăngnhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp tục bị dính kếtlại dẫn tới sự tắt lò làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng khí giảm xuốngnghiêm trọng

Nếu nhiệt độ chảy mềm của tro quá cao dẫn tới tốn nhiệt cấp cho quá trìnhđốt nóng tro gây giảm hiệu suất làm việc của thiết bị

Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối:

Kích thước nguyên liệu biomass có vai trò đáng kể trong quá trình khí hóa.Nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc của các hạt với tác nhân khíhóa tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong quá trình khí hóatăng Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá nhỏ thì sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lòlàm cản trở quá trình khí hóa Nếu kích thước hạt quá to thì quá trình khí hoá có thểxảy ra không hoàn toàn Vì vậy, việc tạo ra kích thước hợp lý để cho quá trình khíhóa tiến hành thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định

Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí và tốc độ khí trên mặt cắt ngang của lò:

Với sự gia tăng của hệ số không khí thừa sẽ làm quá trình cháy tốt hơn, nhiệt

độ vùng cháy cao hơn dẫn đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối tốt hơn, tuynhiên đến một giá trị nào đó sự gia tăng của hệ số không khí thừa sẽ làm cho quátrình cháy hoàn toàn xảy ra và giảm thời gian lưu của không khí trong lò, kết quả làhiệu quả quá trình khí hóa lại giảm đi Wang nhận thấy rằng với mức tăng hệ sốkhông khí thừa từ 0,16 đến 0,26, nhiệt độ vùng cháy tăng dẫn đến tăng hiệu quả khí

hóa từ 57% đến 74%, tăng hàm lượng H2 từ 8,5% đến 13,9%, và sự gia tăng khí CO

từ 12,3% đến 14%

Tốc độ tác nhân khí hóa trên mặt cắt ngang (SV) cũng ảnh hưởng đến hiệu quảquá trình khí hóa sinh khối, Yamazaki cho rằng đối với lò khí hóa thuận chiều ởcùng điều kiện như nhau nếu SV bằng 0,7m/s thì lượng tar sẽ nhiều hơn so với SVbằng 0,4m/s [11] Tốc độ không khí trên mặt cắt ngang tối ưu được xác định trongkhoảng từ 0,4 đến 0,6 m/s [12]

II.3 Công nghệ khí hóa tầng cố định

II.3.1 Phân loại khí hóa tầng cố định [9]

Lò khí hóa sinh khối theo công nghệ khí hóa tấng cố định được chia làm ba loạitheo chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra:

- Lò khí hóa ngược chiều (updraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra ngượcvới chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa thuận chiều (downdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu racùng với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa dòng chéo nhau (crossdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu racắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu

Hình 1.4: Khí hóa thuận

chiều (downdraft) Hình 1.5: Khí hóa ngượcchiều (updraft) Hình 1.6: Khí hóa dòng cắtngang (crossdraft)

a) Thiết bị khí hóa kiểu downdraft

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối downdraft được trình bày trên hình 1.4, cảnhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trênxuống Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động xuống phía dưới và thoát ra ngoài

ở gần đáy của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng nhiênliệu khí đầu ra chuyển động cùng chiều trong thiết bị khí hóa. 

b) Thiết bị khí hóa kiểu updraft

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối updraft được trình bày trên hình 1.5 Nhiên liệu rắnchuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dưới trong khi đó không khícho quá trình khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên củathiết bị Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ởgần đỉnh của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng khí sảnphẩm chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa. 

c) Thiết bị khí hóa kiểu Crossdraft

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối crossdraft được trình bày trên hình 1.6 Khôngkhí cần cho quá trình khí hóa chuyển động theo phương vuông góc với chuyển độngcủa nhiên liêu rắn trong thiết bị khí hóa Sản phẩm khí lấy ra gần vùng cấp khôngkhí ở phía đối diện

d) Đặc điểm khí hoá sinh khối theo lớp chặt

Thông thường, khả năng khí hoá sinh khối theo lớp cố định phụ thuộc vào tínhchất của sinh khối như kích thước, hình dạng sinh khối, khối lượng riêng, độ ẩm,hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, thành phần hóa học của tro và nhiệt trị của sinhkhối

Khả năng lưu chuyển của sinh khối bên trong thiết bị khí hóa phụ thuộc vàohình dạng và khối lượng riêng chất đống của sinh khối

Tổn thất áp suất trong thiết bị khí hóa sẽ tăng khi giảm kích thước hạt nhiênliệu và do vậy có thể hạn chế tốc độ lưu động của không khí bên trong thiết bị hóakhí

Nói chung, hiệu suất khí hoá sẽ giảm khi độ ẩm của sinh khối tăng, độ ẩm củasinh khối vì thế không nên vượt quá 30%

Sinh khối có hàm lượng chất bốc thấp là nguồn nhiên liệu phù hợp cho cácthiết bị khí hóa, đặc biệt trong các ứng dụng có sử dụng động cơ đốt trong và máyphát để sản xuất điện năng công suất nhỏ.

Sinh khối có độ tro cao có thể gây nên những hỏng hóc nghiêm trọng khi vậnhành thiết bị khí hoá kiểu cố định Việc thải tro xỉ do vậy phải được tiến hành liêntục hoặc định kỳ

e) Ưu nhược điểm của các loại lò khí hóa sinh khối lớp chặt [15]

Mỗi loại lò khí hóa sinh khối kiểu lớp chặt đều có những ưu điểm và nhược điểm

riêng, vì vậy khi sử dụng cần lựa chọn để phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đanhược điểm của nó

Bảng 1.3: Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp chặt

Updraft - Đơn giản, hiệu suất cao

- Độ giảm áp nhỏ, ít tạo

xỉ

- Thích hợp nhiều loại

vật liệu

- Tạo nhựa cao, nhạy với

độ ẩm của nguyên liệu

- Tốn thời gian khởi động

- Khả năng phản ứng củakhí giảm

Downdraft - Sản phẩm khí sạch

- Dễ điều chỉnh khí sảnphẩm

- Hiệu suất gas thấp hơn

so với updraft

- Hạn chế với nguyên liệunhỏ

- Chiều cao thiết bị lớn

Crossdraft - Nạp liệu nhanh

- Chiều cao thiết bị nhỏ

liệu cho các phương tiện vận tải Trong những năm sắp tới, nó sẽ phục vụ như làmột công nghệ chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sử dụng côngnghệ tiên tiến như tuabin khí và pin nhiên liệu với khí tổng hợp được tạo ra từ kếtquả của quá trình khí hóa hiệu suất cao Để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu rắn,không khí dư thừa là cần thiết, và nhiệt độ đốt cháy cao tạo ra SOx, NOx và phátthải khác Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt – điện, các chất gây ô nhiễmtrong khói như SOx, NOx được loại bỏ hiệu quả, kết quả lượng khí thải ô nhiễmthấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ ràng cho quá trình xử lý, vậnchuyển, và sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải [15]

So với các công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh khối khác thì khí hóa sinh khối còn có những ưu điểm sau:

- Khí hoá sinh khối có tính linh hoạt cao về sử dụng nguyên liệu sinh khối làmnhiên liệu

- Khí hoá có hiệu quả chuyển đổi nhiệt-hóa trong phạm vi 70% đến 90% là cao nhấttrong số các công nghệ sử dụng sinh khối

- Có thể thực hiện ở quy mô lớn

- Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn trên một đơn vị năng lượng

- Việc điều khiển và thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng hơn so với công nghệ khác

- Sản phẩm khí đầu ra phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết các loại động cơ đốt trong và thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng khác [14]

b/ Nhược điểm

- Vấn đề loại bỏ tar chưa triệt để, chưa đáp ứng được bài toán kinh tế - kĩ thuật đề ra

- Quá trình vận hành phức tạp đòi hỏi phải có kĩ năng và kinh nghiệm nên độ tincậy của công nghệ phụ thuộc nhiều vào quá trình vận hành và người vận hành

- Công nghệ đang trong quá trình nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa giaiđoạn đầu cần nghiên cứu sâu hơn

II.4 Hiện trạng sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam [9]

 Trong dân dụng

Trên ba phần tư sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với cácbếp đun cổ truyền hiệu suất thấp Bếp khí hóa cải tiến tuy đã được nghiên cứu thành

công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ lẻ ở một sốđịa phương

Bảng 1.4: Các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay

 Trong công nghiệp

Một phần tư sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất công nghiệp:

Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo kinhnghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu, chủ yếu ở phía Nam

Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43 nhàmáy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài

Sấy lúa và các nông sản: Hiện ở Đồng bằng Cửu long có hàng vạn máy sấyđang hoạt động Những máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và có thểdùng trấu làm nhiên liệu Riêng dự án Sau thu hoạch do Đan Mạch tài trợ triển khai

từ 2001 đã có mục tiêu lắp đặt 7000 máy sấy

Một số dự án phát điện sử dụng trấu đã được đề xuất, phê duyệt Nhà máy đốttrấu đồng phát Cần Thơ công suất 9MW, Nhà máy điện đốt trấu Lai Cấy, TiềnGiang công suất 10 MW…

Sử dụng sinh khổi ở Việt Nam chủ yếu vẫn chiếm phần lớn trong lĩnh vực giađình, chủ yếu cho nhu cầu cung cấp nhiệt Một số ứng dụng khác trong công nghiệpphát điện như đốt bã mía chỉ mới ứng dụng đốt kèm, thiết bị nhập khẩu từ TrungQuốc nên hiệu quả sử dụng vẫn chưa cao Việt Nam có tiềm năng phát triển nănglượng sinh khối lớn nhưng thực trạng sử dụng hiện nay vẫn chưa đem lại hiệu quảcao

PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 8 kg/h

Thiết bị xyclon để tách bụi

Thiết bị rửa khí và hệ thống bơm nước làm mát

Hệ thống tách tar

Thiết bị chống cháy ngược

Bộ phận hấp phụ hơi nước bằng silicagen

Bếp đốt

Hệ thống phát điện

Sơ đồ hệ thống khí hóa hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí tổng thể hệ thống khí hóa sinh khối

Gió G1Gió G2

Gió G3

+ Lò khí hóa: Bao gồm phiểu nạp liệu, thân thiết bị, khoang chứa xỉ.

Hình 2.2: Bản vẽ cấu tạo tổng thể lò khí hóa

+ Bộ tách bụi:

Do trong quá trình khí hóa sinh

khối, một phần các hạt tro bụi bị cuốn

theo dòng sản phẩm khí đi ra, để sử

dụng cho mục đích năng lượng có chất

lượng cao như động cơ đốt trong thì

phải loại bỏ lượng tro bụi này (hình

2.3)

Hình 2.3: Thiết bị tách tro bụi kiểu cyclone

+ Bộ rửa khí và làm nguội:

Để làm sạch và làm nguội khí trước

khí sử dụng cho động cơ đốt trong, hệ thống

khí hóa đã lắp đặt bộ rửa khí và làm nguội

khí, chức năng thứ nhất là loại bỏ tro bụi

chưa tách hết ở cyclone, thứ hai là làm lượng

tar có trong khí bị ngưng tụ lại và được xả ra

ngoài qua cửa xả, thứ ba và cũng là chức

năng chủ yếu là làm nguội sản phẩm khí để

giảm thể tích riêng của khí trước khi đưa vào

động cơ (hình 2.4)

Hình 2.4: Thiết bị làm nguội và rửa khí

+ Hệ thống quạt cấp gió và đo lưu lượng.

Do hệ thống thiết kế quy mô thí nghiệm dùng thiết bị đo lưu lượng không khíkiểu rotameter, các đường ống trong hệ thống nhỏ nên trở lực của hệ thống lớn vìvậy phải sử dụng quạt cao áp theo tính toán trở lực hệ thống

, Tuy nhiên lưu lượng gió lại nhỏ 30-40m3/h nên nhóm đềtài đã lựa chọn và sử dụng máy thổi khí (air blower) có công suất 2.2kW, dải lưulượng khí từ 50-90m3/h; cột áp 700-900mmH2O (hình 2.5)

Hình 2.5 Hệ thống quạt cấp gió và đo lưu lượng

+ Hệ thống quạt hút:

Trong quá trình nhóm để tạo áp suất

âm trong hệ thống giúp ngọn lửa dễ dàng

bén với nhiên liệu đồng thời hút không khí

từ bên ngoài vào và rút ngắn thời gian khởi

động lò, nhóm đề tài đã bố trí một quạt hút

có công suất 1,1kW, áp suất làm việc

350-450mmH2O, lưu lượng khí 500-750m3/h

(hình 2.6) Quạt hút chỉ bật trong thời gian

trình nhóm lò, sau khi nhiên liệu đã bén

quá trình cháy đã ổn định thì ta tắt quạt hút

và chạy quạt cấp

+ Thiết bị hấp phụ hơi nước:

Vì trong sản phẩm khí có lẫn hơi nước, để

chạy cho động cơ đốt trong phát điện thì

phải loại bỏ nước Ở đây hệ thống sử dụng

thiết bị hấp phụ hơi nước với chất hấp phụ

là silicagen (hình 2.7)

Hình 2.7: Thiết bị hấp phụ hơi nước

Hình 2.6: Quạt hút

+ Hệ thống phát điện:

Hệ thống phát điện sử dụng động cơ diezen với 3 xilanh (hình 2.7)

Hình 2.8: Hệ thống phát điện

I.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống.

Hệ thống khí hóa sinh khối được thiết kế vận hành theo mẻ, mỗi mẻ chứađược khoảng 15-25kgnl sinh khối, tùy thuộc vào tỷ trọng đổ của nhiên liệu Thiết bị chính của hệ thống là lò khí hóa, sau khi nhóm lò quá trình khí hóa xảy ratrong lò là do quạt thổi cấp gió qua các cửa cấp gió dọc thân lò để xảy ra quá trìnhcháy cục bộ một phần sinh khối trong lò, nhiệt của quá trình cháy này sẽ cung cấpcho quá trình khí hóa Lưu lượng khí từ quạt gió cấp vào lò được kiểm soát bằngvan và thiết bị đo lưu lượng kiểu Rotameter có dải đo từ 0-220l/ph Lưu lượng giócấp thay đổi sẽ quyết định công suất nhiệt và lưu lượng sản phẩm khí của hệ thống,trong một ngưỡng nào đó nếu ta tăng lưu lượng gió thì lưu lượng sản phẩm khí sẽtăng lên do quá trình khí hóa diễn ra mạnh mẽ hơn

Trong quá trình khí hóa, tại các vùng cấp gió sẽ xảy ra quá trình cháy, phíatrên vùng cháy là vùng nhiệt phân và vùng sấy, phía dưới là vùng khử Ở vùng sấynhiên liệu được gia nhiệt đến khoảng 1250C và thoát hết hơi ẩm sau đó nếu tiếp tụcgia nhiệt đến khoảng 7000C sinh khối sẽ bị nhiệt phân hoàn toàn, thoát chất bốc vàtar phần còn lại là cốc, như vậy tại vùng cháy chủ yếu là cháy cốc [17] Với hệthống khí hóa sinh khối thuận chiều chất bốc và tar đi qua vùng cháy sẽ bị cháy mộtphần vì vậy lượng tar giảm đáng kể, tuy nhiên chất lượng khí cũng có thể giảm đôi

chút, nếu duy trì vùng cháy càng dày và nhiệt độ vùng cháy càng cao thì lượng tar

sẽ càng giảm, và nếu như vậy ta duy trì nhiều vùng cháy bề dày vùng cháy hợp lí thìlượng tar sẽ giảm mạnh dẫn đến sản phẩm khí có chất lượng tốt hơn có thể sử dụngcho các nhu cầu năng lượng đòi hỏi chất lượng cao ví dụ như động cơ đốt trong haytuabin khí…Sản phẩm khí sau khi ra khỏi lò khí hóa sẽ đi qua bộ tách tro bụi kiểucyclone rồi qua bộ lọc rửa khí và làm nguội khí sau đó đi vào bình chứa để cung cấpkhí cho chạy máy phát điện hoặc hộ tiêu thụ dùng nhiệt Nếu chỉ dùng cho hộ tiêuthụ dùng nhiệt (đốt) thì có thể đi bỏ qua bộ tách tro bụi và bộ rửa khí mà đi trực tiếp

từ thiết bị khí hóa sang cho hộ tiêu thụ nhiệt

II Quá trình thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm II.1 Trình tự thí nghiệm

II.1.1 Chuẩn bị nhiên liệu

Nhiên liệu ban đầu mua về có kích thước và độ ẩm không đồng đều vì vậyphải được đập nhỏ và dùng rây để sàng tuyển những hạt có kích thước thích hợp.Sau đó phơi đều đến khi độ ẩm nhiên liệu cân bằng với độ ẩm không khí, với mỗiđợt nhiên liệu mua lại phải xác định thành phần của chúng Sau đây là bảng đặc tínhnhiên liệu sử dụng:

Hình 2.9: Các mẫu sinh khốiBảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của các mẫu sinh khối

II.1.2 Thông gió và kiểm tra hệ thống

Vì vận hành theo mẻ nên trước tiên phải bật quạt hút thông gió cho lò, sau đó

mở lắp nạp liệu và tháo xỉ để kiểm tra bên trong lò xem còn nhiên liệu cũ và tro xỉmắc kẹt không Sau đó kiểm tra cách nhiệt và các đầu can nhiệt bên trong lò trướckhi nạp liệu Đồng thời kiểm tra các bích nối thân lò, rắc co trên đường ống, các vanchặn, van xả, đường ống xem có bị tắc do tar không Sau đó kiểm tra hiệu chỉnhthiết bị đo và hiển thị nhiệt độ, áp suất, thiết bị bơm, quạt hút, quạt cấp gió…

II.1.3 Khởi động hệ thống

Sau khi kiểm tra và nạp liệu xong ta lắp kín lò và mở nắp nhóm trên thân lò,dùng đèn khò nhóm lửa qua cửa nhóm sau đó bật quạt hút đồng thời mở van quạthút, đóng van xả trên đường ống nối từ lò sang bộ tách bụi, quan sát nhiệt độ trênđồng hồ tại điểm nhóm khí nhiệt độ dạt khoảng 200-2500C thì lửa đã bén (saukhoảng 3-5 phút) Ta dừng quạt hút, đóng van quạt hút, mở van đường thoát khí từ

lò sang thiết bị tách bụi và bật quạt cấp gió, không khí sau khi vào ống góp sẽ chianhỏ tại các đường ống cấp gió cấp 1, cấp 2, cấp 3, và đi vào thiết bị khí hóa Lúcđầu cấp gió tại vùng nhóm sau khoảng 5-10 phút để vùng cháy không bị tắt sau đóbắt đầu điều chỉnh các cửa cấp gió theo chế độ thí nghiệm định trước, sau khoảng10-15 phút chế độ lò sẽ ổn định.Thí nghiệm hoạt động ổn định ta phải đợi sau từ 25-

30 phút và lúc này ta có thể đốt khí hoặc chạy máy phát

II.1.4 Vận hành hệ thống và thu thập số liệu

Quá trình vận hành thí nghiệm được thực hiện theo các bước sau:

1 Sau khi khởi động xong ta bắt đầu mở các van tại các đường ống dẫn khí sảnphẩm để thu khí

2 Điều chỉnh lưu lượng khí đầu vào cho phù hợp từng trường hợp thí nghiệm, bằngcách điều chỉnh van dẫn đến lưu lượng khí qua ratomet được điều chỉnh phù hợp.

3 Mở van qua tách tar và mở van qua bộ phận thu khí lấy mẫu để phân tích tại cácđiểm tiến hành thí nghiệm

4 Khí sản phẩm sau khi qua tách tar và phân tích lấy mẫu được góp chung đưa quabếp đốt và tiến hành đốt tại bếp hoặc chạy máy phát

Việc ghi chép và thu thập số liệu được tiến hành ngay sau khi nhóm lò xong(sau khoảng 3-5 phút từ khi bắt đầu) mặc dù sau khoảng 25-30 phút lò mới ổn định.Định kì sau 5 phút ghi số liệu 1 lần và sau 10 phút lấy mẫu khí một lần để phân tích,việc lấy số liệu ngay từ đầu để tránh sai số cho quá trình tính toán vì thí nghiệm tiếnhành theo mẻ

II.1.5 Ngừng thí nghiệm

Khi nhiên liệu gần hết phải dừng lò để tránh hỏng ghi lò và hệ thống ống vìkhi đó vùng cháy sẽ dịch chuyển xuống gần T7 (nằm gần ghi), vì vậy khi nhiệt độT7 khoảng 750-8000C và nhiệt độ T8 khoảng 500-5500C thì phải dừng lò bằng cáchtắt quạt cấp gió, khóa van cấp gió, khóa van thoát khí sau đó mở van quạt hút và bậtquạt hút (1-2 phút) để hút hết khí ra Việc dừng lò hoàn tất thì khóa hết các van và

để ở chế độ ủ không có không khí để lò tắt dần

II.2 Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích

II.2.1 Đo áp suất

Do áp suất trong hệ thống

không lớn, hơn nữa sự chênh lệch áp

suất dọc thân lò là không nhiều vì vậy

hệ thống được lắp đăt bộ đo áp suất

kiểu manometer Tín hiệu áp suất được

lấy trực tiếp từ 7 cổng thao tác dọc trên

thân lò và dẫn bằng ống nhựa đưa vào

ống thủy tính hình chữ U, trên đó có

các thang chia vạch từ 0-1100

mmH2O Hình 2.10 Hình 2.10: Hệ thống đo áp suất

II.2.2 Đo nhiệt độ

Giám sát và kiểm soát nhiệt độ làm việc là rất quan trọng trong quá trình vậnhành, vì nhiệt độ các vùng cháy, khí và nhiệt phân sẽ quyết định thành phần khí,nồng độ khí và hiệu suất nhiệt của hệ thống khí hóa sinh khối

Hệ thống thí nghiệm có dải nhiệt độ làm việc từ 0 - 13000C, vì vậy, hệ thống

đã sử dụng 8 cặp nhiệt Chromel – Alumel (K-type) lắp dọc thân lò, các tín hiệu từcặp nhiệt sẽ được kết nối với máy tính thông qua bộ chuyển đổi chuẩn RS232, đồngthời cũng được nối trực tiếp với bộ hiển thị digital để đảm bảo độ tin cậy và ổn địnhcao nhất Chi tiết trên hình 2.11

Hình 2.11: Hệ thống đo nhiệt độ

II.2.3 Đo lưu lượng không khí

Để xác định được ảnh hưởng của

chế độ vận hành, hệ thống thí nghiệm

sử dụng van kim kết hợp với thiết bị đo

lưu lượng khí kiểu rotameter để điều

chỉnh lưu lượng không khí cấp vào lò,

dải đo của thiết bị là từ 20-220lít/phút

(hình 2.12)

Hình

2.12: Hệ thống đo lưu lượng không khí

II.2.4 Phân tích thành phần sản phẩm khí

Để xác định thành phần sản phẩm khí ta sử dụng máy sắc kí khí (GasChromatography) để xác định được sự có mặt của các khí như: CO, H2, N2, O2, CH4,

CO2 cũng như thành phần phần trăm của các khí này Quy trình xác định như sau:

cứ 5 hoặc 10 phút/ lần ta rút mẫu khí từ cửa lấy mẫu tại đầu ra của thiết bị khí hóa

và đựng trong túi chuyên dụng, sau đó dùng xylanh hút khí từ túi đựng (mỗi lầnkhoảng 20ml) rồi bơm vào máy sắc kí khí (GC), máy sẽ phân tích được các khí dướidạng đồ thị (peak), sau đó tính toán thành phần các khí so với đường chuẩn dựa vàocác peak của các khí thành phần thu được để cho ta kết quả thành phần phần trămthể tích các khí trong mẫu [11]

Hình 2.13: Máy sắc ký khí

II.2.5 Đo tar

Nguyên tắc tách tar là phải làm nguội sản phẩm khí, để ngưng hoàn toànlượng tar trong sản phẩm khí thì phải đảm bảo làm nguội đến khi nhiệt độ khí rakhỏi bộ tách xuống dưới 500C [19] Để đo tar ta thiết kế hệ thống để cho sản phẩmkhí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống trên hình 2.16, cho sản phẩm khí

đi bên trong và nước đá đi bên ngoài, tar lúc này sẽ nhả nhiệt và ngưng tụ lại rồi rơixuống bình chứa phía dưới còn khí không ngưng sẽ tiếp tục đi sang bộ đo xác địnhlưu lượng khí, như vậy sau một thời gian nhất định ta ngừng và lấy tar ngưng lạitrong bình chứa đem đi sấy ở nhiệt độ khoảng 1050C, trong 4 giờ rồi đem cân ta sẽxác định được lượng tar tương ứng với lưu lượng sản phẩm khí (để lấy hết tar trongbình chứa ta sử dụng dung môi CH2Cl2 để tẩy rửa và làm sạch)

Hình 2.13: Sơ đồ hệ thống thu giữ tar lấy mẫu đo tar

II.3 Phương pháp phân tích tính toán và xử lí số liệu

II.3.1 Công thức tính toán

a/ Tính lưu lượng sản phẩm khí [11]

Tính lưu lượng khí sản phẩm bằng phương pháp cân bằng vật chất đối N2

, m3/h (2.3)

Trong đó:

Ga : Lưu lượng thể tích không khí cấp vào lò, (m3/h)

Ca : Nồng độ phần trăm khí N2 trong không khí cấp vào lò (79%)

gtar : Độ chứa tar, (mg/m3)

mtar : Lượng tar thu được sau khoảng thời gian ổn định, (mg)

Gg : Tổng lượng sản phẩm khí thu được sau khoảng thời gian ổn định, (m3)

d/ Lượng nhiên liệu tiêu hao

Lượng nhiên liệu tiêu hao được tính bằng tỷ số giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ thực

tế và thời gian khí hóa

, kg/h

Mtt : Nhiên liệu tiêu thụ thực tế, (kg)

t: Thời gian khí hóa, (h)

g/ Hiệu suất hệ thống khí hóa

Hiệu suất của hệ thống khí hóa xác định bằng tỷ số giữa tổng năng lượng củasản khí đầu ra trên tổng năng lượng của nhiên liệu đầu vào ở khoảng thời gian ổnđịnh

(2.6)

Trong đó:

Ggt : Là lưu lượng thể tích sản phẩm khí ở thời điểm t, (m3/h)

LHVt: Là nhiệt trị thấp của sản phẩm khí ở thời điểm t, (MJ/m3)

LHVnl: Là nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (MJ/kg)

M: Là lượng nhiên tiêu hao, (kg/h)

t2-t1: Là khoảng thời gian khí hóa ổn định, (h)

h/ Hiệu suất chuyển hóa các bon

Hiệu suất chuyển hóa cacbon được tính bằng tỷ số giữa tổng lượng cacbonsau quá trình khí hóa và tổng lượng cacbon đưa vào

Công thức tính hiệu suất chuyển hóa cacbon như sau:

(2.7)

Trong đó:

Ggt: Lưu lượng khí sản phẩm ở thời điểm t, (m3/h)

%CO: Phần trăm thể tích CO

%CO2: Phần trăm thể tích CO

%CH4: Phần trăm thể tích CH4

%C: Phần trăm cacbon trong than hoa

m1: Khối lượng than cấp, (kg)

m2: Khối lượng than còn lại, (kg)

m4: Khối lượng cacbon trong tro, (kg)

t0, t1 là thời gian bắt đầu và kết thúc quá trình khí hóa, (h)

L1: Lưu lượng trung bình khí sản phẩm, (m3/s)

CA : Tiết diện của thoát, (m2)

k/ Hệ số ER (Equivalent Ratio)

Hệ số tỷ lệ tương đương được xác định như sau:

(2.10)RA: Tỷ lệ không khí thực trên sinh khối, (m3/kg)

, m3/kg (2.13)

M: Lượng nguyên liệu tiêu hao, (kg/h)

GΣ: Lưu lượng không khí cấp vào thiết bị khí hóa, (m3/h)

RB: Tỷ lệ không khí lý thuyết trên sinh khối, (m3/kg) (cân bằng hóa học)

RB = 0,0889*(C + 0,375*S) + 0,266.H - 0,0333*O (2.14)

C, S, O, H Phần trăm khối lượng của các nguyên tố Cacbon, lưu huỳnh, oxy vàHydro

I.3.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

a/ Xây dựng mối quan hệ giữa nhiệt độ ( ), chiều cao thân lò (H) theo thời gian

Ví dụ hình 2.14

Hình 2.14 Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò

b/ Xây dựng mối quan hệ giữa thành phần, lưu lượng, nhiệt trị sản phẩm khí

Ví dụ hình 2.15

Hình 2.15: Đồ thị mối quan hệ giữa thành phần sản phẩm khí theo thời gian