Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn

Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI NÓI ĐẦU 4U PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI 6

1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối 6

1.1.1 Sinh khối là gì ? 6

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối 6

1.2 Vai trò của sinh khối 7

1.2.1 Lợi ích 8

1.2.2 Khó khăn 9

1.3 Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối 10

1.4 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam 12

1.5 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam 14

PHẦN II : CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI 15

2.1 Giới thiệu quá trình khí hóa sinh khối 15

2.2 Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa sinh khối 16

2.2.1 Cơ chế phản ứng C + H2O 16

2.2.2 Cơ chế phản ứng của C + CO2: 18

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối .20

2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất 20

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ .21

2.3.3 Ảnh hưởng của nguyên liệu 21

2.3.4 Ảnh hưởng của nhựa .22

2.3.5 Ảnh hưởng của tro 22

2.3.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối 23

‘ 23

PHẦN 3: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI 24

3.1 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng cố định: 24

3.2 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng sôi: 27

PHẦN IV: THIẾT KẾ DÂY TRUYỀN KHÍ HÓA SINH KHỐI 30

4.1 Đánh giá và lựa cho công nghệ khí hóa sinh khối 30

4.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 31

4.3 Lựa chọn và tính toán các thông số công nghệ 32

4.4 Tính toán thiết bị khí hóa 35

4.4.1 Thời gian khí hóa 35

4.4.2 Cân bằng vật chất trong thiết bị khí hóa 38

4.4.3 Cân bằng năng lượng 40

4.5 Tổng kết số liệu tính toán 43

4.6 Tính toán Cyclone và thiết bị rửa 45

4.6.1 Tính toán thiết kế Cyclone 45

4.6.2 Tính toán thiết bị rửa 47

4.7 Lựa chọn thiết bị phụ trợ 48

4.8 Chí phí cho dây chuyền 49

A Diện tích toàn phần của các thiết bị trong hệ thống khí hóa sinh khối 49

B Tổng số các thiết bị phụ trợ, các van khí, cút nối và đường ống dẫn khí 54

4.9.Sơ đồ mặt bằng dây chuyền 56

PHẦN V: KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, em xin bày tỏ lòng biết ơn

sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn: TS.Văn Đình Sơn Thọ Người đã tận tình giúp

đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

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

Hữu Cơ- Hóa Dầu – Viện Kĩ Thuật Hóa Học – Trường Đại Học Bách Khoa Hà

Nội đã trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập

nghiên cứu để hoàn thành tốt bản đồ án này

Em cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ phòng thí nghiệm thuộc bộ

môn Công Nghệ Hữu Cơ- Hóa Dầu đã đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong

quá trình thực hiện đồ án

Cuối cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người

thân, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án

Tuy nhiên, do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu,

kinh nghiệm chưa có cùng với thời gian có hạn nên đồ án này không tránh khỏi

nhiều thiếu sót Mong các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp cùng các bạn đọc

thông cảm , giúp đỡ em để bản đồ án được hoàn thiện hơn

SVTH: Trần Quang Huy

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng và các áp lực môi trường gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng sinh khối hiện nay được coi là một nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch

Sinh khối (biomas) chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng từ mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối là các phế phẩm

từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp …v.v), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ …v.v), giấy vụn, metan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm Nhiên liệu sinh khối (NLSK) có thể

ở dạng rắn, lỏng, khí … được đốt để phóng thích năng lượng Sinh khối, đặc biệt

là gỗ, than gỗ cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối Con người đã sử dụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như metanol, etanol dùng trong các động

cơ đốt trong, hay thành dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình

Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai

Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời, gas sinh học đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng sản lượng còn thấp và quy mô không lớn Bên cạnh đó Việt Nam có một tiềm năng NLSK rất lớn đó là những sản phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm

rạ, trấu, mùn cưa, bã mía …v.v và một số chất thải nông nghiệp khác nhưng cũng chưa được khai thác đúng với tiềm năng của nó Và để tận dụng các nguồn nguyên liệu đó ,trong đồ án này em xin đề xuất ý tưởng “ Thiết kế hệ thống thiết

bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn ” với mục tiêu giúp bà con nông dân… ở khu vực nông

thôn có thể ứng dụng trong thực tiễn

Đồ án bao gồm những nội dung chính như sau:

Phần I : Tổng quan về sinh khối

Phần II : Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa sinh khối

Phần III : Công nghệ khí hóa sinh khối

Phần IV : Thiết kế dây chuyển khí hóa sinh khối

Phần V : Kết Luận

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI

1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối

1.1.1 Sinh khối là gì ?

Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo ngoại trừ nguồn nguyên liệu hóa thạch Trong sản xuất năng lượng và ngành công nghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ Sinh khối không phải là vật liệu hữu cơ được tạo bởi quá trình địa chất tạo than đá hay dầu mỏ

Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người đến tận thế kỷ 19 Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử Câu trả lời cho

lý do hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối: sinh khối có khẳ năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối

Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) có thể sản xuất tại chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo

Năng lượng sinh khối ( NLSK) khác các dạng năng lượng tái sinh khác: Một là: không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được Hai là: cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng NLSK có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông

nghiệp dạng hạt nhỏ, 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, cây điều, cây bắp, …v.v

NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng Ngoài ra năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục 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

NLSK có thể cung cấp cả nhiệt lẫn điện Khí hóa sinh khối là gì? Đó là một quá trình hóa học, chuyển hóa các loại nhiên liệu dạng rắn thành một hỗn hợp khí đốt, gọi là khí “gas” (CO + H2 + CH4) Khí hóa bao gồm việc đốt không cháy hết NLSK Có bốn quá trình khác nhau xảy ra trong lò khí hóa, gồm: sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy và biến đổi thành khí

Khi biến đổi sinh khối thành khí (gas) thì quá trình có hiệu suất cao, có thể ứng dụng với một dãy công suất rộng (một vài trăm kW), có thể sử dụng cho các thiết bị nhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp Đồng thời quá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển quy trình tốt hơn, đốt sạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan đến sử dụng sinh khối

1.2 Vai trò của sinh khối

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14 - 15 % tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ Vì vậy lợi ích của nguồn năng lượng

sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó khăn khi sử dụng NLSK

1.2.1 Lợi ích

¾ Lợi ích kinh tế

- Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh 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 bị chuyển 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 qua bảng sau:

Bảng 1 Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh

khác [7]

0

10,000,000 10,000,000

¾ 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 giảm lượng 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 có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng Vì vậy NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển

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

1.2.2 Khó khăn

¾ So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là

thấp

¾ Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm

¾ Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp

¾ 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 thì nguồn NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao NLSK có nhiều dạng,

và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính

tái sinh, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp

Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa được 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 nhà nước…v.v

1.3 Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối

Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã

mía, rơm rạ, trấu, lá cây, phân động vật , phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải

sinh hoạt … v.v

Thành phần hóa học của NLSK chủ yếu gồm ba thành phần là :

¾ Lignin: chiếm 15%-25% Công thức hóa học (C10H12O4)n Nó có cấu

trúc phức của các aromatic, nó chống lại được các quá trình chuyển hóa hóa học

sinh khối, để chuyển hóa nó cần nhiệt độ cao

¾ Hemicellulose: chiếm 23%-32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là

polyme của các phân tử đường 5 cacbon, 6 cacbon Nó là thành phần dễ bị

depolyme hóa, đường 5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó

lớn hơn đường 6 cacbon

¾ Cellulose: chiếm 38%-50%, công thức hóa học [C6(H2O)5]n, là polyme

của glucoza, nhạy với sự tấn công của enzym, glucoza là thành phần dễ biến đổi

Bảng 2 Thành phần hóa học của một số loại rơm từ cây nông nghiệp

Nhiên liệu sinh khối có một vài tính chất hóa học thuận lợi cho các quá

trình chuyển hóa nhưng so với các dạng nhiên liệu nền tảng là cacbon thì NLSK

có hàm lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao Tuy nhiên, độ ẩm cao luôn có

xu hướng tạo nhựa và hàm lượng tro dẫn đến điểm nóng chảy chất rắn thấp khi

mà hiện tại nhiệt là thách thức đối với một số phương pháp chuyển hóa Một số NLSK có hàm lượng nitơ và clo cao Sự kết hợp của kiềm và clo có thể tạo hợp chất gây ăn mòn thiết bị chuyển hóa Hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng hình thành oxit nitơ, nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn nhiều loại nhiên liệu khác như than thì làm giảm khă năng tạo lưu huỳnh trong quá trình chuyển đổi

Ngoài các thành phần chính, NLSK vẫn còn phần nhỏ các thành phần khác như khoáng (là thành phần tạo nên tro của nó) Gỗ là loại NLSK chính cho các quá trình chế biến Thành phần khoáng của gỗ nhỏ hơn 1% khối lượng trên nguyên liệu khô và chủ yếu là thành phần hữu cơ Thành phần chủ yếu hình thành tro là các kim loại kiềm và kiềm thổ, chúng chiếm hơn 80% chất vô cơ trong gỗ Các kim loại khác tồn tại trong gỗ như muối của oxanat và cacbonat hoặc các ion kim loại bị liên kết chặt với nhóm cacboxyl hoặc cacbohydrat Còn nguyên tố P và Si có chủ yếu trong công thức este nhưng Si cũng ở dạng SiO2, xem bảng 3:

Nhiên liệu sinh khối chứa năng lượng trong các liên kết hóa học trong các thành phần của nó giống như cacbonhydrat Thành phần oxi trong NLSK cao hơn trong nhiên liệu hóa thạch nên về cơ bản năng lượng của nó thấp hơn nhiên liệu hóa thạch Năng lượng sử dụng tối đa theo lý thuyết từ NLSK là năng lượng hóa học của nó Với một dạng nhiên liệu phức tạp, đa dạng và nhiều cấu trúc liên kết như sinh khối thì năng lượng của nó có thể được đặc trưng qua thành phần nguyên tố có trong nó Bảng 4 dưới là thành phần các nguyên tố của các loại NLSK (cây bạch dương, rơm từ các cây ngũ cốc, bã mía, tảo nâu,than củi, trấu, rơm lúa)

Bảng 4 Thành phần các nguyên tố một số loại nhiên liệu sinh khối [1]

Thành phần nguyên tố(%) Loại

Nguồn sinh khối chủ yếu gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng Tiềm năng các

nguồn này theo đánh giá của Viện Năng lượng được trình bày ở các bảng sau:

Bảng 5 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng [6]

Nguồn cung cấp Tiềm năng

(triệu tấn) Quy dầu tương đương

(triệu tấn)

Tỷ lệ (%)

Bảng 6 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [6]

Nguồn cung cấp Tiềm năng

(triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu tấn)

Tỷ lệ (%)

Lợi thế của NLSK là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, chúng luôn có tính ổn định và là nguồn năng lượng có thể tái tạo

Giá thành của NLSK luôn rẻ hơn các loại nhiên liệu khác,ví dụ : sử dụng 2-4 kg chất thải sinh khối tương đương 1 kg than, trong đó giá của 1 kg chất thải sinh khối chỉ bằng 5-10% giá 1 kg than Nếu sản xuất điện năng từ sinh khối thì giá thành điện cũng giảm từ 10-30% so với nguồn nguyên liệu hóa thạch Ở nước ta, nếu tận dụng triệt để nguồn NLSK từ rơm rạ, bã mía thì ước tính cũng sản xuất được khoảng 605.000.000 KW điện trong một năm

1.5 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam

Trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc, NLSK vẫn chiếm tỷ lệ lớn, tới trên một nửa Mặc dù giá trị tuyệt đối vẫn không ngừng tăng nhưng tỷ lệ giảm dần do năng lượng thương mại tăng nhanh hơn

Bảng tiếp theo cho thấy các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay

Bảng 7 Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực Năng lượng cuối cùng Tổng tiêu thụ (koe) Tỷ lệ (%)

Một phần tư sinh khối 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 kinh nghiệm, 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 máy 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 sấy đang hoạt động Những máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và

có thể dùng 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

- Công nghệ cacbon hoá sinh khối sản xuất than củi được ứng dụng ở một số địa phương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp

- Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hoá trấu hiện ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm

PHẦN II : CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHÍ

HÓA SINH KHỐI

2.1 Giới thiệu quá trình khí hóa sinh khối

Khí hóa sinh khối là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy, hoặc oxy thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với 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 sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3,tổng hợp CH3OH…

Khí hóa sinh khối là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của sinh khối Tùy thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H2 và CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H2

có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học

2.2 Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa sinh khối

2.2.1 Cơ chế phản ứng C + H 2 O

Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng C + CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O Phản ứng chỉ có tiến hành với vận tốc tương đối lớn nên t0 > 8000C Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức tạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng khác nhau sinh ra CO và CO2:

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:

¾ Giả thiết 1 : Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho

C và hơi nước tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:

Đây là giả thiết đến nay được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận nhất

Trong 2 loại giả thiết trên, chúng ta chỉ viết phương trình phản ứng đối với phản ứng tổng cộng, không đi vào các giai đoạn trung gian của chúng

¾ Giả thiết 3 : Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩm bậc nhất, còn CO2 là sản phẩm bậc 2 Giả thiết này giải thích được khá nhiều trường hợp thực nghiệm nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

¾ Giai đoạn 1: Hấp thụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

Phản ứng C + CO2 và C + H2O trong vùng khử là 2 phản ứng quan trọng nhất để tạo ra các cấu tử có ích trong khí hóa sinh khối là CO và H2

Khi nghiên cứu cơ chế phản ứng này ta cũng sẽ gặp một số khó khăn vì đây cũng là phản ứng dị thể tiến hành qua nhiều giai đoạn trung gian, và phản ứng thu nhiệt nhiều nên rất khó giữ cho nhiệt độ phản ứng không đổi, nghĩa là khó giữ được sự đẳng nhiệt của phản ứng

Vì phản ứng thu nhiệt mạnh nên đặc điểm của nó là phản ứng chỉ tiến hành ở nhiệt độ cao t0 > 8000C , nếu ở nhiệt độ t0 < 8000C tốc độ phản ứng rất

bé không đáng kể

Giữ cho nhiệt độ phản ứng C + CO2 không đổi khó hơn là trường hợp đối với phản ứng C + O2 vì trong trường hợp phản ứng cháy, muốn lấy nhiệt ra ngoài người ta có thể dùng nito thổi qua Còn đối với phản ứng thu nhiệt C + CO2trong phòng thí nghiệm thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằng phương pháp điện và nhiệt được truyền từ thành ngoài của lò vào tâm của ống đựng sinh khối Nhưng vì sinh khối là 1 chất dẫn nhiệt xấu nên lượng nhiệt truyền từ thành vào bao giờ cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng Theo tru-kha-nop cơ chế phản ứng C + CO2 tiến hành qua các giai đoạn sau:

¾ Giai đoạn 1 : Hấp thụ CO2 trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:

- C + CO2 ↔ (CO2)hphu + C

¾ Giai đoạn 2 : Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:

- (CO2)hphu + C ↔ CxOy

- CxOy –là hợp chất trung gian hoạt động bề mặt

¾ Giai đoạn 3 : Phân hủy hợp chất bề mặt dưới tác dụng của nhiệt độ:

Ở nhiệt độ cao chúng sẽ tự phân hủy theo phản ứng sau:

- CxOy → n(CO)hphu + pC

Đó là phản ứng bậc 0 đối với CO2 vì khi phân hủy không cần có sự tham gia của CO2 vào phản ứng

Ở nhiệt độ thấp thì sự phân hủy hợp chất bề mặt có thể tiến hành theo sơ

đồ sau với sự tham gia của CO2 của dòng khí

- CxOy + CO2 → m(CO)hphu + pC

Đó là phản ứng bậc 1 đối với CO2 vì sự phân hủy của hợp chất bề mặt có

sự tham gia của 1 phân tử khí CO2

¾ Giai đoạn 4 : Nhả (CO)hphu theo phản ứng:

- (CO)hphu ↔ gC + CO

Như vậy bậc của phản ứng C + CO2 thay đổi từ 0 → 1 tủy theo điều kiện tiến hành phản ứng

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối

2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình hóa khí hoạt động thì áp suất tối thiểu phải là 10bar và có thể đạt đến 100bar Ở

áp suất cao cực độ, như việc tổng hợp amoniăc ( 130 – 150bar ) hay như quá trình hóa khí ở áp suất 70 – 100bar trở lên thì không thực tế cho yêu cầu thiết bị

Ở áp suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lò hóa khí trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao

Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho quá trình hóa khí là tùy thuộc vào yêu cầu của quá trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu tư là thấp nhất Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau.Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần sử dụng

mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ hóa

khí sinh khối thích hợp

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của quá trình hóa khí nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro(trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ) Đối với sinh khối điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi

để thêm chất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàn diện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò không được vượt quá giá trị cho phép

Các quá trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30bar và nhiệt

độ trên 13000C Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần mêtan giảm xuống Trong trường hợp này thì nhiệt

độ cao là cần thiết, đồng thời để hóa khí thuận lợi hơn người ta còn sử dụng

thêm chất xúc tác trong quá quá trình trình phản ứng

2.3.3 Ảnh hưởng của nguyên liệu

Các loại nguyên liệu có độ ẩm cao như củi gỗ, mía, ngô, than bùn muốn chuyển chúng thành nhiên liệu khí bằng quá trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ tách ẩm Nếu độ ẩm của nguyên liệu tăng cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà còn làm giảm chất lượng khí Về mặt công nghệ khí hóa người ta lại phải tổ chức lớp nguyên liệu có chiều cao thích hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa Đó cũng là nguyên nhân làm tăng giá thành cho một đơn vị nhiên liệu chuẩn

2.3.4 Ảnh hưởng của nhựa

Nhựa có thể đạt tới 7 ÷ 8% nếu ta khí hóa củi gỗ, bạch đàn, than non, than bùn…Với các nhiên liệu rắn khác nhựa có hàm lượng thấp hơn Nhựa có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau Nhiệt sinh của nhựa khá cao (tới 31400kj/kg), vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí tăng lên nhiều Điều đó cũng giải thích tại sao khí sinh ra từ than non có chất lượng cao hơn khí than sinh ra từ than già như antraxit hay các loại sinh khối

Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó (độ ẩm nguyên liệu hoặc chiều cao lớp nguyên liệu tổ chức không hợp lý) thì nhựa tách ra ở dạng lỏng Trong trường hợp này chất lượng của khí giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do nhựa tách ra ở trong lò làm dính kết các lớp nguyên liệu, cản trở sự lưu thông khí và sự dịch chuyển nguyên liệu Nếu nhựa tách ra trên đường dẫn khí hoặc ở

vị trí các van trên đường dẫn sẽ gây tắc tai các vị trí trên đường dẫn Để khắc phục điều đó khi bố trí vận chuyển khí đi tới nơi sử dụng hoặc két chứa, người

ta phải dùng thiết bị đặc biệt để tách nó ra khỏi khí biomass (gọi là thiết bị làm sạch khí)

2.3.5 Ảnh hưởng của tro

Tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò Tại vùng này tro có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao Nếu nhiêt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết Khi hiện tượng kết tảng xỉ xẩy

ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm cho tác nhân khí hóa 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 tai đây sẽ

tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp tục bị dính kết lại dẫn tới sự tắc lò làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng khí

giảm xuống nghiêm trọng

Để tránh sự kết dính tro xỉ, người ta phải kịp thời phát hiện và dùng các biện pháp sau để xử lý:

- Dùng choòng phá các tảng xỉ

- Dùng các áo nước bao quanh thân lò để chống sự kêt dính tro xỉ vào thành lò

- Dùng ghi quay để phá các tảng tro xỉ tạo thành

Nếu phải khí hóa loại nhiên liệu dễ cháy, người ta có thể dùng phương pháp thải xỉ dạng lỏng để tránh các hiện tượng trên

2.3.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối

Kích thước nguyên liệu biomass có vai trò đáng kể trong quá trình khí hóa Ta biết rằng nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc của các hạt với tác nhân khí hóa tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong quá trình khí hóa tăng Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá nhỏ thì sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở quá trình khí hóa Vì vậy, việc tạo ra kích thước hợp lý để cho quá trình khí hóa tiến hành thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định Chính vì vậy cần xử lý nguyên liệu đầu vào bằng quá trình ép viên nguyên liệu

‘

PHẦN 3: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI

Trên thế giới hiện nay, có hai công nghệ khí hóa sinh khối chính là:

¾ Công nghệ khí hóa tầng cố định:

¾ Công nghệ khí hóa tầng sôi:

Các công nghệ khí hóa này đều được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, tuy nhiên mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng về mặt yêu cầu về nguyên liệu

3.1 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng cố định:

Công nghệ này nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống phía dưới, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò từ đáy lò còn sản phẩm khí đi ra ở cửa lò phía trên hoặc dưới Như vậy gió và nguyên liệu đi ngược chiều nhau

Quá trình có một số đặc điểm sau :

- Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia Dưới cùng là vùng xỉ (7), tiếp đó là vùng cháy (6), vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa) (5), vùng bán cốc (4), vùng sấy (3) và trên đó là tầng không đỉnh lò

- Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước

Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng như sau:

- Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy gió đi từ ghi

lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo vùng cháy, vùng khử và cuối cùng

là đến tầng không đỉnh lò

Vùng xỉ: Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò, nhiệt

độ ở đây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với phần sinh khố còn

lại trong xỉ còn nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút ít Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng cháy

Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O2 ↔ CO + CO2; CO vừa tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO2 (2CO + O2 ↔ 2CO2) Trong vùng này nhiệt toả ra mạnh, lượng nhiệt này dùng để cung cấp cho các phản ứng trong vùng khử và các vùng khác

Vùng khử: Trong vùng này CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy vào có thể tạo ra 3 phản ứng quan trọng nhất ở vùng khử vì chính 3 phản ứng này tạo ra các khí dùng làm khí đốt hoặc dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO và H2) trong sản xuất phân đạm và các hóa chất khác các phản ứng sau:

- C + CO2 ↔ 2CO - Q1

- C + H2O ↔ CO + H2 - Q2

- C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2 - Q3

Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp hơn

vùng khử do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử Nhiệt của khí (nhiệt độ khoảng 500-700oC) được cung cấp cho sinh khối ở vùng bán cốc Nếu nguyên liệu dùng cho khí hóa là các loại sinh khối, than biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân huỷ chứa nhiều hydrocacbon và khí CO2 Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2,

CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác và sản phẩm khí này chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho các quá trình tổng hợp hóa học Nếu nguyên liệu dùng cho quá trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản phẩm khí CO, H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học

Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định

- Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, nguyên liệu càng đi xuống dưới càng nóng Phương pháp khí hóa tầng cố định có ưu điểm là có thể sử dụng được tất

cả các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí Nguyên liệu đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc nên ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử và vùng cháy Nguyên liệu vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn tốt

- Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ, (có độ ẩm đến 30%) Phương pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi

- Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt Mất mát cacbon theo xỉ ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển động của nguyên liệu từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần Nhược điểm của phương pháp này là mất mát nhiệt theo xỉ khá nhiều vì vùng tro

xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không cao

3.2 Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng sôi:

Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn Ta có một số khái niệm sau : Sôi tĩnh đó là quá trình mà chất rắn tập trung với mật độ cao khi quá trình cân bằng giữa tốc độ dòng khí và trọng lực Ở tốc độ gió vừa phải, sự khác nhau giữa

(5.6) Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi

Ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi:

¾ Nguyên liệu liên tục chuyển vào lò khí hóa

¾ Nguyên liệu được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò

Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió để làm giảm lượng bụi bay theo gió ra ngoài người ta đưa gió bậc 2 ở khoảng giữa lò để tăng cường quá trình khí hóa Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lò lên vẫn là chủ yếu

Khi khí hóa tầng sôi, nguyên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy

lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi

Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt Biomass luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lò giảm xuống Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900 đến 1000oC

Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi

Để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150oC, nhiệt độ có thể làm chẩy xỉ Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên các loại than già, than antraxit

có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho quá trình khí hóa tầng sôi Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc sinh khối vì điểm nóng chảy của sinh khối thấp và dể phản ứng

PHẦN IV: THIẾT KẾ DÂY TRUYỀN KHÍ HÓA SINH

KHỐI

4.1 Đánh giá và lựa cho công nghệ khí hóa sinh khối

Như đã đề cập ở trên, các công nghệ khí hóa tầng chặt, tầng sôi, đều được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, tuy nhiên mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng về mặt yêu cầu về nguyên liệu

Có thể thấy rằng với khí hóa tầng cố định do đặc điểm của công nghệ khí

hóa là tạo nhiều sản phẩm lỏng như như hyđrocacbon, dầu, nhựa, phenol và sản phẩm khí có chiếm lượng CH4, CxHy lớn nên quá trình phân riêng và xử lý sau thiết bị khí hóa phức tạp.Nhưng có thể sử dụng được tất cả các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí

Với công nghệ khí hóa tầng sôi thì nguyên liệu và gió đi cùng một hướng

từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không

có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi Tuy nhiên nhiệt độ lò khí hóa trong khoảng 1000oC do đó công nghệ này chỉ phù hợp với các loại sinh khối vì sinh khối có nhiệt độ nóng chảy của tro tương đối thấp,khả năng phản ứng cao vì bề mặt có nhiều lỗ xốp, kích thước sinh khối lớn với quá trình khí hóa tầng sôi tuần hoàn tốc độ khí lớn đảm bảo tất cả các pha rắn có kích thước lớn đều được đưa vào lò và được nâng lên phía trên

Tuy nhiên qua tìm hiểu và đánh giá và xuất phát từ nhu cầu thực tế tại Việt Nam, đặc biệt là nhằm có thể giúp bà con nông dân đất ở vùng nông thôn có

thể ứng dụng vào thực tế, để tận dụng biến nguồn sinh khối ngay trên quê hương

mình phục vụ cho nhu cầu, đồ án này em xin được trình bày “ Thiết kế hệ thống

thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng

cho nông nghiệp nông thôn ” với thiết bị khí hóa tầng cố định Dây chuyền hoạt

động theo mẻ, gián đoạn

4.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Sơ đồ dây chuyền sản xuất năng lượng sinh khối

1.Thiết bị khí hóa 8.Máy biến thế

2.Cyclone 9.Quạt thổi gió

4.Tháp hấp phụ Silicagen 11.Thiết bị mồi lửa

5.Máy nén khí 12.Thùng chứa nước

7.Máy phát điện 14.Thiết bị đo lưu lượng khí

15.Đầu đốt khí