Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối để cung cấp năng lượng quy mô nhỏ ở Việt Nam (Tóm tắt)

1 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Hin nay, nhu cu s dng chn  phc v nhu cu phát trin kinh t          ngu     u ht trm trng (khong t Nam s tr c nhp kh ng t 2015 [7]. H thng phân ph   m bo, theo báo cáo ca B 09, hin nay t l ph  i m t khong trên 97% dân s [119]. Các ngung ngày càng cn ki, cùng v v bo v ng. Sinh khc xem là ngu ng có nhim: là nhiên liu giá rng l hunh th, vic s dng sinh kh ng phát thi CO 2 trong khí quyn [94]. Tuy nhiên, theo kho sát các ngun sinh khc s dp lí, vic s dng sinh kh cung cng ch yu vn là t cháy trc ti cung cp nhit nên hiu sut thp và gây ô nhing, theo báo cáo hin 59% sinh kh c s dng là cho m   p nhi  u h   (Sectral Energy: 2006). Công ngh khí hóa sinh kh  i pháp hu hiu nht trong vic s dng ngung sinh khi cho các nhu cu cung c ng ch ng cao thay th c du m t. Tuy nhiên, hc ín có trong sn ph     t trong nhng tn ti chính trong vic ng dng khí hóa sinh khi cho các m    t trong, pin nhiên liu và cung cp nhit thay th du và khí. Vì vy, vic nghiên cu phát trin công ngh công ngh khí hóa sinh khng hc ín th sn xu là rt cn thit, góp phm bng[18] phc v nhu cng thit yu cho nhng khu v i, hoc không th s di, va tn dc ngun sinh khng, di dào và gim ô nhing. 2 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cu và phát trin công ngh khí hóa sinh khi có hàm ng hc ín thp, vn hành nh, s dng sinh khi  sn xu - Tn dc các ngun sinh khi ti Vi sn xut  m b ng và gim ô nhim ng. 1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 1.3.1. Phạm vi nghiên cứu - Tp trung nghiên cu các công ngh khí hóa sinh khi có hàm ng hc ín th sn xut nh kt hp t trong, s dng linh hot các loi sinh khi. - Nghiên cu ng dng vi các loi sinh khi sn có ti Vit Nam. 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cu lí thuyt - Nghiên cu thc nghim 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Nghiên cu giúp thit k, ch to thit b khí hóa sinh khi có ng hc ín thc tính vn hành nh, phù hp cho sn xum chi phí nhp khu công ngh. - Kt qu nghiên cu còn giúp ch ng tn dng các ngun sinh khi sn có và r tin  Vit Nam. - Kt qu nghiên cu còn giúp nâng cao hiu qu vn hành h thng và s dng sinh khi cho các mng cht n xupin nhiên liu, quá trình công ngh nhit (lò nung thy tinh, gm s mt s nhiên liu LPGt tin và ô nhing. - Kt qu nghiên cu c u gii quyt mt s vn  thc tin  Vit k, ch to và chuyn giao mt h thng khí hóa sinh khi công sut 150 kW cho Vin hóa hc công nghip Vit Nan thit k cho công ty c phn thu Bc Ninh) mt h thng khí hóa sinh kh tn dng ngun ph phm (cht thi) t quá trình ch bin thuc lá (2012). (minh ch 3 1.5. Điểm mới của luận án - Kt qu nghiên cu và thc nghic ti ngun và kh a mt s loi sinh khi  Vit Nam. - Ci tit kng thi ch tc mt h thng khí hóa sinh khng hc ín thc tính ng và c tính vn hành phù ht trong. - Kt qu nghiên cu thc nghic ng ca các yu t (ch  vu) trong quá trình khí hóa vi các loi nhiên liu sinh khi  Vit Nam. Kt qu thc nghi ra ch  vn hành h sn xut n ca 2 loi nhiên liu là than hoa và g mu. - Kt qu nghiên cu thc nghim khí hóa sinh khi sn xun cho thy, kh  dng trc ting sinh khi (dng r tin, sn có) cho sn xut ti thi, có th thay th 30 - 75% vic s dng nhiên lit tin và ô nhing. 1.6. Trình tự luận án Lun án gm 186 trang: li cam n (1 trang), li cm  (1 trang), mc lc (3 trang), ký hiu vit tt (5 trang), danh mc bng (1 trang), danh m th (3 trang), phn m u (4 trang). Ni dung chính gm 4 13 trang,  Tng quan v khí hóa sinh khi trong sn xung quy mô nh (22 trang),  lý thuyt v quá trình khí hóa sinh khi (16 trang), c 3: Ci tin công ngh và nghiên thc nghim quá trình khí hóa vi ngun sinh khi  Vit Nam (47 trang), c4: Nghiên cu thc nghim khí hóa sinh khi  sn xun (28 trang); kt lu xut (2 trang), tài liu tham kho (7 trang), ph lc (46 trang). 2. TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG QUY MÔ NHỎ 2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng 2.1.1. Một số công trình công bố trong và ngoài nước có liên quan trực tiếp đến đề tài 4 2.1.1.1 Các công trình công bố trên thế giới  sn xut khí sn phm s dng cho m   ng ch     n nay, hc ín là mt trong nhng tn ti ln nh i hóa công ngh này.  có nhiu tác gi quan tâm nghiên cu, vi sn xung quy mô nh, vic x lí hc ín ch yu tp trung vào  pháp phân hy nhitt s công trình công b  - Jindrich Sulc và công s 53u phát trin lò khí hóa sinh khi thành 2 bung riêng bit da trên ý ng ci hc k thu nghiên cu thc nghim vi nhiên liu là g, kt qu cho thy ng hc ín ch còn khong 135 mg/kg g. Tuy nhiên t s ER là 0,71 và nhit tr ca khí sn phm ch còn khong 3,15 MJ/m 3 . - Luisa Burhenne và cng s 68ng mt h thng khí hóa g nhiu ca cp gió, không có thót quy mô phòng thí nghim vi công sut 50 u nh ng ca nhi vùng phân hy hc ín, thí nghim cho thy ng hc ín b ng bi nhi vùng phân hy và chiu cao ca vùng này, kt qu cho thng hc ín có th i 50 mg/m 3 và nhit tr ng t 4,5 - 5,5 MJ/m 3 . - Bui Tuyen và cng s [102] mt trong nhu tiên phát trin công ngh khí hóa sinh khi nhiu cp gió da trên ý ng ci tin, thit b khí hóa ch còn mt bung duy nhb kt cu bung khí hóa 2 ca cp gió, kt qu cho thng hc ín gim 40 ln so vi khí hóa 1 ca cp gió và ch còn khong 50 mg/m 3 . - P. Raman và cng s 90, 91 các kt qu v phát trin công ngh khí hóa sinh khi vi 2 ca cp ng thi tn dng nhit th gia nhit không khí c ci thin hiu sut lò và kt qu là hàm ng hc ín i 100 mg/m 3 , hiu sut ti 89%. - Bhattacharya và công s [24, 25 nhng kt qu nghiên cu phát trin h thng khí hóa sinh khi vi 3 ca 5 cng thi kt ni trc tip vi  máy phát, kt qu ng hc ín gim ch còn 19 - 34 mg/m 3 và khí sn phm thay th diesel t l cao nht n 81%. 2.1.1.2. Các công trình công bố trong nước Hin nay, các công trình công b c ch yu dng li  nghiên cu lí thuy tài liu [9, 77, 104, 12]. Các nghiên cu thc nghim và phát trin công ngh này mt cách   h   c dng li  dng các bi h  2.2. Các phương pháp xử lí hắc ín Các  x lí hc ín c chia thành hai nhóm chính: (i) x lí hc ín trong quá trình khí hóa bng cách kh hoc gim s hình thành hc ín; và (ii) x lí hc ín sau quá trình khí hóa, [34]  tách hc ín trong khí sn phm. 2.2.1. Xử lí hắc ín trong quá trình khí hóa Xut phát t      lí hc ín tp trung vào viu kin vn hành ca lò,   i công ngh (thun chiu, c chiu, BFB, u chnh thit k lò (cp gió cp 2, khí hóa nhiu cp, khí hóa nhiu bui tác nhân khí hóa hay v) s dng cht xúc tác phù hp. 2.2.2. Xử lí hắc ín sau quá trình khí hóa Loi b hc ín sau quá trình khí hóa ch yu s dng c, ra, thm chí dùng cht xúc tác hoc t, hp th khí sn phm sau khí hóa. [34]. 2.3. Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng 2.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng quy mô nhỏ       [20  tuy nhiên công su 6          28      20], tuy nhiên, công í  ] - 6 MJ/m 3 ;  100 mg/m 3 ; N 30 mg/m 3 . 2.3.2 Những tồn tại trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng quy mô nhỏ                           [12, 15, 52],     2.3.3 Một số thiết kế lò khí hóa để xử lí hắc ín đang được nghiên cứu và phát triển Các nghiên ci thit k lò khí hóa  gim hc ín có th c chia thành 7 mu. i) mô hình thit k b sung ca cp không khí cc thc hin bi các tác gi Bùi, Barrio, Kremeiter, Hobb [102, 23, 74]; ii) thit k tun hoàn khí nhit c thc hin bi tác gi Kaupp, Susanto, Gek[59, 100]; iii) mô hình thit k kt hp tun hoàn khí nhit phân và b sung ca c   c thc hin bi Cao, Kittipong, Antonopoulos [32, 40, 48]; iv) thit k i v trí ca thoát khí sn phc thc hin bi Chyan, Nowacki [36, 80]; v) thit k i v trí cc Saravanakumar thc hin [95]; vi) thit k c chiu vi khí sn phm t lp char, hoc xúc tác  cp 2 do Pino thc hin [85] và vii) tách quá trình nhit phân và khí hóa trong các bung riêng bi c thc hin bi Brandt, Koch, Wang và Anderseen [29, 62, 110]. Vic b sung ca c   c thc hi   nhi bên trong lò phn c bit là  vùng khí hóa và 7  phân hy hc ín  nhi cao, kt qu ng hc ín trong khí sn phm còn khong 90 mg/m 3 . Thit k tun hoàn khí nhi t cháy khí nhing hc ín trong khí sn phm còn khong 350 mg/m 3 . Vi thit k tách bit quá trình nhit phân và khí hóa  các bung khác nhau, ng hc ín t khong 1 - 15 mg/m 3 . [19, 32, 79, 103] 3. CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI 3.1. Những tồn tại của hệ thống thử nghiệm Nghiên cu thc nghim trên mô hình h thng th nghim cho thy, các vùng cháy bit lp, nhi không cao, ng b ng nên vn hành kém nh, khó s dng các loi sinh khc bii vi nhiên ling xuyên xy ra hing tt lò, truyn nhit t vùng cháy sang các vùng lân ct, thn phm  vùng nhi cao ngn, nhi không khí cp vào lò thp. Kt cu ghi lt không phù hp, khi thi tro x, bng b cun theo khí sn phm rt nhiu gây 8] 3.2. Những cải tiến và khắc phục T nghiên cc tính nhiên liu và thc nghim tác gi  có nhu chi) u chnh li khong cách các ca cp gió cho phù hp vi thc t, duy trì c nh mt ca c duy trì vùng cháy chính, ii) u chnh kt cu  m tht va ph to vùng cháy chính, iii) tác gi t k b gia nhit cho không khí cp vào lò và b tn dng nhit  ng lò  thu nhinh nhit cho thân lò. Nhi  không khí c   t 150  200 0 C, iv) ci tiu thi tro dng ghi lt sang dng vít ti, v) b m  a làm khoang cha x, va tách bit khoang cha x vi khoang ly khí sn phm ra, giúp gim tro bi bay theo khí sn phi th thit b thi x. 3.3. Tính toán thiết kế lò khí hóa sinh khối 3.3.1. Tính toán cân bằng khối lượng và nhiệt lượng - La chn s liu 8 - Tính toán cân bng khng - Tính toán cân bng nhing tng vùng trong lò khí hóa sinh khi: nhing vùng sy, nhing vùng nhit phân, nhing vùng khí hóa, nhing ca vùng cháy. - Tính kim tra 3.3.2. Tính toán đường kính lò, đường kính ống cấp không khí và thoát khí sản phẩm (Hình 3.4) - ng kính thót; ng kính lò; ng kính ng cp không khí vào lò; ng kính ng thoát khí sn phm. Hình 3.4 Cấu tạo vùng thót lò 3.3.1.3. Tính toán chiều cao thiết bị và vị trí đặt miệng thổi gió - Chiu cao vùng sy; Chiu cao các vùng nhit phân, khí hóa, m; Phu nhiên liu; Chiu cao tng ca lò; V t ming thi không khí. Các bn v chi tit lò và thit b ph tr ca h thng khí hóa sinh khc trình bày trong phn ph lc PL3.1 và PL3.2 3.3.2. Kết quả tính toán, thiết kế và phát triển lò khí hóa sinh khối công suất nhiệt đến 2 MW T lí thuyt tính toán  phn trên tác gi p bng tính và xây dng các mu thit k lò công sut nhin 2 MW, kích c chi tic trình bày trong bng 3.4. 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI VỚI NGUỒN SINH KHỐI VIỆT NAM 9 4.2. Thiết lập hệ thống thiết bị đo lường và phân tích Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng khí cấp vào lò Hình 3.9 Hệ thống đo nhiệt độ Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống xác định hàm lượng hắc ín - Hệ thống phân tích thành phần khí sản phẩm:  nh thành phn khí sn phm ta s dng máy sc ký khí (hình 3.6) - Hệ thống đo lưu lượng không khí (hình 3.7) - Hệ thống đo lưu lượng khí sản phẩm [94, 37] (hình 3.10)  ng sn phm khí t thit b khí hóa sinh khi ta s dng vt cht: G g .C gt + G N2 .C N2 = (G g + G N2 ).C mix                   (3.5) - Hệ thống xác định độ chứa hắc ín:  ng hc ín ta thit k h th cho sn pht b tách hc ín 3.10 cha hc ín bng hc ín chia cho ng khí sn phm. 4.3. Quá trình thí nghiệm Hình 3.6 Thiết bị phân tích thành phần khí sản phẩm (GC/MS) 10 4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến quá trình khí hóa sinh khối - Nhiên liệu sử dụng: trong nghiên cu này là than hoa (charcoal) có thành phng 1.11 và 1.12. - Phương pháp tiến hành và thông số thí nghiệm Thí nghim kho sát ng ca vic cp gió ti các ca cp gió G 1 , G 2, G 3 và tng gió     ng ca lò khí hóa công sut 50 kW. Bảng 3.6 Thông số thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Mã TN Thông s thí nghim Kt qu thí nghim G 1 (l/p) G 2 (l/p) G 3 (l/p)   (l/p) T = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); V g = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); LHV g = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); g tar = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); T sut sinh khí: K g = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); Hiu sut khí hóa:   = f(G 1 , G 2 , G 3 ,    ); Th1 80 120 60 260 Th2 0 160 100 Th3 80 120 100 300 Th4 80 160 60 Th5 80 160 180 420 Th6 120 200 100 4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình khí hóa sinh khối - Hệ thống thí nghiệm và nhiên liệu sử dụng: Ta s dng h thng thí nghim công sut 150 kW, vi nhiên liu là mu g keo. Thành phn ca nhiên liu trong bng 1.11 và 1.12. - Phương pháp tiến hành và thông số thí nghiệm: Vi nghiên c m ca nhiên liu cp vào lò. Có 3  m c chn  nghiên cu là 11%, 16% và 27%. Bảng 3.9 Thông số thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Mã thí nghim Thông s thí nghim Kt qu thí nghim Gk8 W = 11%; (Vi nhiên liu mu g keo, ch  cp gió    =       ng là 400, 600, 400 l/p) Gi  nhi : T = f(W); Thành phn khí sn phm: V g = f(W); [...]... MJ/m3, hàm lượng hắc ín . trang). 2. TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG QUY MÔ NHỎ 2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng 2.1.1. Một số công. t, hp th khí sn phm sau khí hóa. [34]. 2.3. Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng 2.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng quy mô nhỏ . 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI VỚI NGUỒN SINH KHỐI VIỆT NAM 9 4.2. Thiết lập hệ thống thiết bị đo lường và phân tích Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng khí