Ngiên cứu hệ thống khí hóa biomass nhằm nâng cao năng suất và khả năng vận hành của thiết bị

vi MCăLC Trang Quyt đnh giao đề tài δý lch cá nhân i δi cam đoan ii δi cm ơn iii Tóm tắt iv εc lc vi Danh sách các hình x Danh sách các bng xi Chngă1ăTNGăQUAN 1 1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu 1 1.2 TìnhăhìnhănghiênăcuătrongăncăvƠătrênăthăgii 2 1.2.1 Trên th giới 2 1.2.2  Việt Nam 3 1.3 NhimăvănghiênăcuăvƠăphmăviănghiênăcu 3 1.3.1 Nhiệm v nghiên cứu 3 1.3.2 Phm vi nghiên cứu 4 1.4 Mcătiêuănghiênăcu,ăđiătngănghiênăcu 4 1.4.1 εc tiêu nghiên cứu 4 1.4.2 Đi tng nghiên cứu 4 1.5 Phngăphápănghiênăcu 4 Chngă2ăCăSăLụăTHUYT 6 2.1 Tìm hiu v nĕngălng sinh khi 6 2.2 LchăsửăhìnhăthƠnhăhcăthuytăkhíăhóaăbiomass 7 2.3 ệchăliătănĕngălngăsinhăkhi 8 2.3.1 δi ích kinh t 8 2.3.2 δi ích môi trng 9 vii 2.4 Quá trình khí hóa biomass 10 2.5 Cácăphngătrìnhăphnăngăchăyuătrongăquáătrìnhăkhíăhóa 10 2.6 NhngăvùngăcôngănghăvƠănhngăphnăngăhóaăhc 10 2.6.1 Vùng sy (drying zone) 12 2.6.2 Vùng nhiệt phân (pyrolysis zone) 12 2.6.3 Vùng cháy (combustion zone) 13 2.6.4 Vùng phn ứng khí hóa (reduction zone) 13 2.7 Phơnăloiăthităbăkhíăhóa 15 2.7.1 Thit b khí hóa kiu c đnh 16 2.7.2 Kiu thit b khí hóa tng sôi (fluidized bed gasifiers) 19 2.8 Nhngăđặcătínhăcaănhiênăliuăkhíăhóa 20 2.8.1 Năng lng tích trữ và kích thớc của nhiên liệu 20 2.8.2 Đ m 20 2.8.3 ψi bn 21 2.8.4 Thành phn hắc ín 21 2.8.5 Những đặc tính của tro và sỉ 22 2.9 Nhngăđặcătínhăcaăsnăphẩmăgas 23 2.9.1 Thành phn và nng đ 23 2.9.2 Nhiệt đ sn phm gas 23 2.9.3 εt s yu t nh hng đn năng sut gas 24 2.10 H s không khí tha 26 2.10.1 Đim cháy hoàn toàn (ω) 27 2.10.2 Đim khí hóa (G) 27 2.10.3 Đim nhiệt phân (P) 28 2.10.4 Vùng nhiệt phân khí hóa (vùng FP) 28 2.11 Vnătcăbămặtăcaădòngăkhíătrongăhăthngăkhíăhóa. 28 Chngă3ăTệNHăTOỄNăTHITăKăHăTHNG 30 3.1 Yêuăcầu 30 3.2 Tínhătoánăcácăthôngăsăcaăquáătrìnhăkhíăhóa 30 viii 3.2.1 δng không khí lý thuyt cn thit đ đt cháy hoàn toàn 1kg tru. 30 3.2.2 Th tích không khí cn thit đ khí hóa 1kg tru: 31 3.2.3 Khi lng không khí cn thit đ khí hóa cho 1kg tru. 31 3.2.4 Nhiệt tr thp của tru: 31 3.2.5 Nhiệt tr cao của tru: 31 3.3 Tínhăktăcuăcaăhăthngăkhíăhóa 32 3.3.1 Khi lng tru cp trong 1h. 32 3.3.2 ωhiều cao của lò phn ứng. 32 3.3.3 Đng kính bung phn ứng. 33 3.3.4 Th tích không khí cn thit cho quá trình khí hóa. 33 3.3.5 Tc đ rng của dòng khí. 33 3.3.6 Vận tc của gas ra khi bung phn ứng. 34 3.4 Tínhătoánăchnăcácăthităbăph: 35 3.4.1 ωhn qut cp mt cp không khí. 35 3.4.2 Tính toán chn qut hút gas. 38 3.4.3 ωhn bơm cp nớc. 43 3.4.4 Tính toán chn vít ti tru và ti tro. 44 3.4.5 Tính chn phiu cp tru. 45 3.4.6 Tính toán xyclone. 45 3.4.7 Tính toán chn thit b tách hắc ín. 46 Chngă4ăMỌăHỊNHăTHCăNGHIM 48 4.1 Môăhìnhăthíănghim 48 4.1.1 Giới thiệu 48 4.1.2 Qui trình vận hành. 49 4.1.3 εt s li thng gặp, lý do và cách xử lý 51 4.2 Ktăquăthíănghim 53 4.2.1 ωác thông s đu vào kho sát 53 4.2.2 nh hng của vận tc khí trong bung đt 54 4.2.3 nh hng của đ m tru 55 ix 4.2.4 Kho sát sự phân b nhiệt đ trên các vùng trong thit b khí hóa 56 4.3 Ktălun 59 4.3.1 Những kt qu đt đc và hớng phát trin của đề tài 59 4.3.2 Những hn ch và kim ngh 59 TÀIăLIUăTHAMăKHO 61 x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass 10 Hình 2.2: Sự chuyn đi sinh khi thành sn phm gas 11 Hình 2.3: Sn phm quá trình nhiệt phân 13 Hình 2.4: Nhiệt phân nhiên liệu chứa nhiều cacbon. 14 Hình 2.5: Sự khí hóa than. 14 Hình 2.6: Nguyên lý hệ thng up-draft. 16 Hình 2.7: Nguyên lý hệ thng down-draft. 17 Hình 2.8: Nguyên lý hệ thng cross-draft 18 Hình 2.9: Sơ đ nguyên lý hệ thng khí hóa kiu tng sôi 19 Hình 2.10: nh hng của nhiệt đ nhiệt phân tới năng sut gas 24 Hình 2.11: nh hng của kích thớc phn tử nhiên liệu tới năng sut gas 25 Hình 2.12: nh hng của tc đ gia nhiệt tới năng sut gas 25 Hình 2.13: nh hng của thi gian lu trú tới năng sut gas 26 Hình 2.14: Sơ đ hệ thng không khí thừa 27 Hình 4.1: Sơ đ nguyên lý 48 Hình 4.2: Hình nh tng quan mô hình 49 Hình 4.3: εt s hình nh thí nghiệm 51 xi DANHăSỄCHăCỄCăBNG BNG Trang Bngă3.1:ăψng thành phn các cht trong tru 31 Bngă4.1:ăTng hp kt qu xác đnh nh hng của vận tc khí trong bung đt 54 Bngă4.2:ăTng hp kt qu xác đnh nh hng của đ m 55 Bngă4.3:ăKt qu thí nghiệm 57 Bngă4.4:ăKt qu thí nghiệm 58 ωhơng 1: Tng quan Trang 1 Chngă1 TNGăQUAN 1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu Trong thi kỳ công nghiệp hóa, hiện đi hóa hiện nay, mt trong những yu t có tm quan trng đặc biệt đó là đm bo ngun năng lng. Trong khi ngun nguyên liệu hóa thch ngày càng cn kệt, vn đề ô nhim môi trng do khí đt đang là mt vẫn nn của toàn nhân loi. Đứng trớc tình hình đó, cn phi nhanh chóng đa ra các gii pháp trong việc sử dng năng lng nói chung và đặc biệt trong việc sử dng nhiên liệu đt nói riêng. Thực t ngun năng lng từ ph thi của thiên nhiên rt phong phú, tuy nhiên cho đn nay con ngi vẫn còn sử dng dới dng thô là chủ yu nên hiệu qu sử dng còn rt thp. Theo dự báo của T chức năng lng th giới, với tc đ gia tăng mức khai thác năng lng nh hiện nay, đn cui th kỷ này, ngun than đá của th giới s tr thành rt khan him, các m du và khí đt s cn kiệt trong vòng từ 40 đn 60 năm tới. Việc gia tăng mức đ sử dng năng lng luôn luôn kèm theo nguy cơ gây ô nhim môi trng ti khu vực hot đng năng lng đng thi làm suy gim cht lng môi trng toàn cu. Trong khi đó, quá trình cháy nhiên liệu nói riêng và hot đng năng lng nói chung là những nhân t chủ yu gây ô nhim môi trng. Sinh khi (biomass) là các ph phm từ nông nghiệp, lâm nghiệp nh: tru, mùn ca, bã mía, rơm r, cùi bắp, lá khôầ hay giy, báo, g vn từ các bưi chôn lp, phân từ các tri chăn nuôi gia súc và gia cmầ Nhiên liệu sinh khi có th  dng rắn, lng, khí đc đt đ phóng thích năng lng. Nhiên liệu sinh khi khi đt cháy hoàn toàn cho ra các sn phm nói chung đều chứa N 2 , hơi nớc, ωO 2 và O 2 thừa. Khí hóa biomass là quá trình đt ym khí nhiên liệu. Trong khí hóa, quá trình cháy là mt sự cp d nguyên liệu, hay nói cách khác là việc cp thiu O 2 . Đó là sự cháy không hoàn toàn, sn phm khí đt thu đc là hn hp của những loi khí nh ωO, H 2 , mt ít khí mê tan ωH 4 là các khí d cháy. ωhơng 1: Tng quan Trang 2 1.2 TìnhăhìnhănghiênăcuătrongăncăvƠătrênăthăgii 1.2.1 Trên th giới Theo Foley và Barnard [17], ti thi đim năm 2009 có gn 64 nhà sn xut thit b khí hóa trên toàn th giới. ωhỉ riêng ti εỹ có 27 nhà sn sut và khong 13 trng đi hc – viện nghiên cứu làm việc trên các khía cnh khác nhau của quá trình khí hóa sinh khi. ωơ s sn xut thit b khí hóa lớn nht th giới là tng công ty sn xut thit b khí hóa GEεωOR  Philippin. εi năm h sn xut khong 3.000 thit b với công sut từ 10 – 250 kW. Ngoài ra, h đư bắt đu sn xut lò khí hóa cho các ứng dng sử dng nhiệt trực tip. ωác sn phm của h chủ yu là đ cung cp nhiên liệu và truyền đng cho máy bơm thủy li và các cm máy phát điện. ωho tới năm 2009 đư có khong 1.000 thit b khí hóa đư đc lắp đặt ti Philippin dùng nhiên liệu là than, g vn và than bánh. ψrazil cũng là mt nớc đư trin khai chơng trình sn xut thit b khí hóa công sut lớn. khong 650 thit b và công trình lớn nh khác nhau đư đc lắp đặt  ψrazil.  ωhâu Âu cũng có nhiều nhà sn xut thit b khí hóa, đặc biệt là Thy Đin, Pháp, Tây Đức và Hà δan. Th trng chủ yu của các nhà sn xut này là các nớc đang phát trin. Theo Gross, ti khu vực Hoa Kỳ và ψắc εỹ, các chơng trình hot đng về nghiên cứu khí hóa tập trung ti Đi hc ωalifonia và Đi hc Florida  Gainesville. Nhiều hệ thng công sut khong 10 - 100 kW đư đc phát trin từ Đi hc ωalifonia. εỹ cũng đang dẫn đu th giới trong lĩnh vực ứng dng khí hóa ly nhiệt trực tip Hu ht các lò khí hóa công sut trên 100 kW đc các nhà máy sn xut bán với giá khong từ 380 USD/kW cho c hệ thng và khong 150 USD/kW nu chỉ mua riêng lò hóa khí [15]. ωòn đi với các hệ thng quy mô nh thì tỷ lệ giá rt cao. ωhơng 1: Tng quan Trang 3 Ví d đi với hệ thng hóa khí công sut 10kW, giá 1kW là 840 USD nu mua c hệ thng và 350 USD nu chỉ mua riêng lò khí hóa 1.2.2  Việt Nam  Việt Nam, công nghệ khí hóa từ nhiên liệu sinh khi đư có mặt từ những năm trớc 1975, đặc biệt trong hơn 10 năm đt nớc vừa gii phóng vì c nớc khan hin xăng du. Trong thi gian này hu ht trên các tuyn đng giao thông, các xe ti ch khách đư ứng dng công nghệ khí hóa từ than củi (đây là loi nhiên liệu đc đánh giá có nhiều u đim nht khi ứng dng công nghệ khí hóa) đ làm nhiên liệu cho các đng cơ xe ci biên từ đng cơ xăng. Do kỹ thuật khí hóa còn sơ sài, đặc biệt là công nghệ lc và xử lý khí gas còn rt thô sơ, nên chỉ sau mt thi gian ngắn các đng cơ b hng hóc, các lái xe thng xuyên phi làm li máy, làm phát sinh chi phí bo dỡng sửa chữa đng cơ, cao hơn so với chi phí sử dng nhiên liệu du m. Do vậy, công nghệ khí hóa sử dng cho xe hơi và xe ti chm dứt vào những năm 1991 - 1994. ωông nghệ khí hóa từ tru cũng đư có mt s tác gi nghiên cứu và đa ra mt s mô hình bung đt, tuy nhiên các mô hình bung đt mới chỉ  dng đt theo mẻ, công sut bé. Tháng 3/2010, ωông ty ω phn Vina Silic công b kt qu thử nghiệm loi bp gas đun bằng viên tru nén và than đá. Tuy nhiên bp sử dng nhiên liệu là tru đư nén thành viên và cũng chỉ đt dới dng mẻ. [9] Giữa năm 2010 ωông ty TNHH gm sứ Tân εai – Sa Đéc (Đng Tháp) đư nhập từ n Đ mt hệ thng khí hóa từ v tru có công sut từ 80 ÷ 100 kg tru/gi. Hệ thng hot đng khá n đnh. Tuy nhiên với giá thành khong 1,8 tỉ đng / hệ thng là quá cao, cha th ứng dng rng rưi cho các lò gch thủ công hiện nay. [9] 1.3 NhimăvănghiênăcuăvƠăphmăviănghiênăcu 1.3.1 Nhiệm v nghiên cứu ωhơng 1: Tng quan Trang 4 - Nghiên cứu tng quan về công nghệ khí hóa biomass, cơ s lý thuyt và đặc đim của các kiu công nghệ - Tìm hiu về công nghệ khí hóa biomass hiện nay  Việt Nam và trên th giới - Tính toán thit k ch to mô hình hệ thng thực nghiệm - Thực nghiệm, đo đc, đánh giá kt qu - Quy trình vận hành hệ thng 1.3.2 Phm vi nghiên cứu - Thí nghiệm trên mô hình với nguyên liệu đc lựa chn là v tru. - Thông qua nhiệt lng thu đc đánh giá sự nh hng của vận tc khí trong bung đt và đ m của tru đn quá trình hot đng của hệ thng. - Kho sát sự phân b nhiệt đ trong lò phn ứng 1.4 Mcătiêuănghiênăcu, điătngănghiênăcu 1.4.1 εc tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu đa ra gii pháp sử dng hiệu qu ph phm nông nghiệp biomass (tru) đ sn xut năng lng. - Nghiên cứu hệ thng khí hóa biomass nhằm tìm hiu bn cht của quá trình khí hóa. - Đánh giá các yu t nh hng đn quá trình khí hóa biomass, từ đó có hớng tìm gii pháp nâng cao năng sut và kh năng vận hành của thit b. - Gii quyt các vn đề ô nhim môi trng khi sử dng trực tip ngun nhiên liệu biomass. - Gii quyt các vn đề về ngun nhiên liệu hóa thch đang cn kiệt. 1.4.2 Đi tng nghiên cứu - Hệ thng khí hóa biomass 1.5 Phngăphápănghiênăcu [...]... tác nhân oxy hóa ωác vùng này đ c phân biệt m t cách t ơng đ i nh việc đo nhiệt đ trong từng vùng Đ cao (hay đ lớn) và t m nh h ng của t ng vùng ph thu c vào thành ph n, đ Trang 11 m ωh ơng 2: ωơ S δý Thuy t và kích th ớc của nhiên liệu, l u l ng tác nhân khí hóa và nhiệt đ trong t ng thi t b khí hóa 2.6.1 Vùng s y (drying zone) Nguyên liệu biomass nhập vào thi t b khí hóa có đ nhiệt đ cao thì m trong... nó làm ph n ứng cháy của nhiên liệu cũng b gi m đi Khử đi tro và hắc ín là hai quá trình quan tr ng trong hệ th ng khí hóa, đ hệ th ng vận hành m t cách thông su t Trong thực t những nhiên liệu với hàm l tro cao có th đ c khí hóa d dàng n u thi t b đ ng c lắp thêm cơ c u l y tro Việc khử xỉ dù nh th nào đi nữa thì cũng đều thông qua hai ki u vận hành của thi t b khí hóa - Vận hành nhiệt đ th p, t i... có mặt của khí N2 (làm gi m nhiệt tr của khí gas) H u h t từ 50 – 60 % khí gas là thành ph n khí không cháy đó là N2 Do đó có th h n ch hơn n u ta sử d ng khí Oxi đ c p cho quá trình khí hóa Tuy nhiên do sự t n kém và tính sẵn có của Oxi mà y u t đó b giới h n trong lĩnh vực này Dù sao s n ph m cu i cùng của khí gas mà sử d ng không khí c p cũng có h n h p khí methanol, m t lo i khí có hàm l ng năng. .. ơng 2: ωơ S δý Thuy t vận hành Sau khi quá trình oxy hóa thành ph n chính còn l i là than và những s n ph m cháy là carbon dioxide và hơi n ớc đi xuyên qua vùng chuy n hóa, đây di n ra các ph n ứng hình thành khí ωO và H2 Do đó u đi m chính của hệ th ng khí hóa c p khí từ trên xu ng là việc s n xu t ra m t l ng khí đ t với n ng đ hắc ín t ơng đ i th p, có th ứng d ng phù h p c p khí đ t cho các đ ng... tiện vận chuy n Nh c xem nh c đi m của nó là hắc ín chuy n hóa năng l ng ch a cao, dẫn đ n sự c n thi t ph i sử d ng nguyên liệu là than có ch t l ng cao ε t điều nữa là hệ th ng b t n th t áp su t khá lớn 2.7.2 Ki u thi t b khí hóa t ng sôi (fluidized bed gasifiers) Hình 2.9: Sơ đ nguyên lý hệ th ng khí hóa ki u t ng sôi Trên hình 2.9 th hiện sơ đ nguyên lý của hệ th ng khí hóa ki u t ng sôi Không khí. .. đ cao, t i đó nhiệt đ đ c duy trì trên nhiệt đ nóng ch y ch y của tro - Vận hành của tro Ph ơng pháp đ u tiên thì thông th ng sử d ng hơi hoặc n ớc đ châm vào, nhằm duy trì nhiệt đ th p Trong khi ph ơng pháp sau yêu c u bắt bu c xỉ ph i đ c nóng ch y t i miền Oxi hóa ε i ph ơng pháp thì đều có những u và nh c đi m của nó, và nó ph thu c vào tiêu chu n của nhiên liệu, ki u thi t k của thi t b khí hóa. .. trong nhiên liệu t o thành hơi n ớc và khí CO2 Quá trình đ t sinh nhiệt có m c đích h t sức quan tr ng cho h u h t các quá trình ph n ứng khác Nó là tiêu chu n quan tr ng nh t quy t đ nh quá trình khí hóa, nhiệt phân 2.10.2 Đi m khí hóa (G) Sự khí hóa t i u khi hệ s không khí thừa mức 0,25 ứng với nhiệt đ trên 1000 oω, và t o ra m t s n ph m khí đ t với thành ph n chủ y u là khí H2, CO và m t ít cacbon... ra trong quá trình oxy hóa ε t ph n trong t ng l hơi n ớc này s đ c hoàn nguyên l i thành hydro và ph n còn l i t o ra đ ng m của khí gas sinh ra Nhiệt cung c p cho quá trình s y đ c l y từ các vùng khác trong thi t b khí hóa Hiệu qu của quá trình s y ph thu c vào nhiệt đ , t c đ và đ m của tác nhân s y, ti t diện bề mặt, b n ch t liên k t, kh năng khu ch tán m và hệ s dẫn nhiệt của nhiên liệu ε t s... Khoáng ch t chứa trong nhiên liệu, những thành ph n còn l i hóa sau khi cháy hoàn toàn thì đ d ng đư b oxi c g i là tro tro là thành ph n của nhiên liệu nó t o ra những tác đ ng chính vào sự c vận hành của thi t b khí hóa Về cơ b n tro nh h ng đ n quá trình khí hóa theo các l i sau: Tro t o thành xỉ và ch t xỉ này làm dừng hoặc làm tắc ngh n dòng đi xu ng của nhiên liệu sinh kh i c p Tr ng h p nó... i của đ khí thừa 0,25 t i đó m t l ra m t l ng cong trên đ th ứng với hệ s không ng cacbon tự do có nhiệt tr cao b tiêu th , và s n sinh ng nhiệt, nhằm duy trì nhiệt đ cao trong bu ng ph n ứng Trong thực t có th cho phép hệ s tăng lên đ n 0,33 N u hệ s càng tăng cao thì hiệu su t hệ Trang 27 ωh ơng 2: ωơ S δý Thuy t th ng khí hóa s gi m đi đáng k và có xu h ớng ti n tới quá trình cháy hoàn toàn, hệ . v nghiên cứu ωhơng 1: Tng quan Trang 4 - Nghiên cứu tng quan về công nghệ khí hóa biomass, cơ s lý thuyt và đặc đim của các kiu công nghệ - Tìm hiu về công nghệ khí hóa biomass hiện. cứu - Nghiên cứu đa ra gii pháp sử dng hiệu qu ph phm nông nghiệp biomass (tru) đ sn xut năng lng. - Nghiên cứu hệ thng khí hóa biomass nhằm tìm hiu bn cht của quá trình khí. bn cht của quá trình khí hóa. - Đánh giá các yu t nh hng đn quá trình khí hóa biomass, từ đó có hớng tìm gii pháp nâng cao năng sut và kh năng vận hành của thit b. - Gii quyt