SẢN XUẤT dầu SINH học từ SINH KHỐI BẰNG CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHANH TRONG lò TẦNG sôi

Tr ần Văn Vang 1d 1Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 2Trường Đại học Quảng Bình TÓM T ẮT Trên cơ sở kết quả nghiên cứu động lực học quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối trong

S ẢN XUẤT DẦU SINH HỌC TỪ SINH KHỐI BẰNG CÔNG NGHỆ

NHI ỆT PHÂN NHANH TRONG LÒ TẦNG SÔI

PRODUCING BIO - OIL FROM BIOMASS BY THE FAST PYROLYSIS

ENGINEERING IN A FLUIDIZED BED FURNACE

ThS Ph ạm Duy Vũ 1a , PGS.TS Hoàng Dương Hùng 2b , PGS.TS Nguy ễn Đình Lâm 1c , PGS.TS Tr ần Văn Vang 1d

1Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

2Trường Đại học Quảng Bình

TÓM T ẮT

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu động lực học quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối trong

lò tầng sôi và chọn khoảng nhiệt độ thích hợp khi nhiệt phân nhanh được công bố trong bài báo [1], [2], nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong tầng sôi với công suất 300 g/h Từ hệ thống thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm thực tế xác định các thông số động lực học nhằm duy trì tầng sôi trong lò nhiệt phân, đồng thời xác định lượng sản phẩm dầu sinh học, chất rắn, khí và các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân bã mía

Từ khóa: dầu sinh học, sinh khối, nhiệt phân nhanh, lò tầng sôi, động lực học lò tầng sôi

ABSTRACT

Based on the dynamic researching result about the fast pyrolysis process in a fluidized bed furnace and chose the appropriate temperature range as fast pyrolysis that were published in the articles [1], [2], the authors designed and manufactured the producing bio-oil from biomass system by the fast pyrolysis engineering in a fluidized bed furnace with a capacity of 300 g/h From this system, the authors performed the actual experiments determining dynamic parameters for maintaining the fluidized bed in a pyrolysis furnace, also determining the bio-oil, solid, gas productions quantities and the bio-oil properties as performing the bagasse pyrolysis

Keywords: bio-oil, biomass, fast pyrolysis, fluidized bed furnace, fluidized bed furnace

dynamics

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, trên thế giới nguồn năng lượng sinh khối chiếm khoảng 63% tổng số năng lượng tái tạo, chiếm (14-15)% tổng các nguồn năng lượng [5] Ước tính đến năm 2050, sinh

khối dùng làm nhiên liệu sẽ đáp ứng khoảng 38% lượng nhiên liệu toàn cầu và 17% lượng điện sử dụng trên thế giới [6] Ở các nước đang phát triển năng lượng sinh khối đóng góp khoảng 35% tổng nhu cầu năng lượng Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan

trọng trong chiến lược nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo của nhiều tổ chức quốc tế và

có khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai

Sinh khối là nguồn nhiên liệu tạo ra từ quá trình khai thác nông lâm nghiệp như trấu, bã

hoặc cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân Nhiên liệu lỏng là dầu sinh học rất thuận tiện cho vấn đề bảo quản và vận chuyển, nó có thể được nâng cấp để có thể sử dụng trong ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện

Hiệu quả sản xuất dầu sinh học đạt hiệu quả cao (lên đến 60%) được thực hiện theo công nghệ nhiệt phân nhanh [4] Tuy nhiên, quá trình nhiệt phân nhanh là quá trình phức tạp,

nó phụ thuộc vào các yếu tố như: công nghệ nhiệt phân nhanh (kiểu tầng sôi, kiểu ly tâm, kiểu chân không, kiểu lò quay), loại nhiên liệu, kích cỡ nhiên liệu, tốc độ gia nhiệt, hình dạng nhiên liệu, kết cấu lò phản ứng

Vì vậy, để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân cũng như đánh giá các đặc tính, chất lượng dầu sinh học nhóm nghiên cứu đã thiết kế chế tạo hệ thống nhiệt phân sinh khối sản xuất dầu sinh học theo công nghệ tầng sôi

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 L ựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh

Theo kết quả nghiên cứu Bridgwater A.V (2012) [4], các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh là:

- Tốc độ gia nhiệt cao, từ (10 ÷ 1.000)oC/s

- Nhiệt độ trong lò nhiệt phân từ (400 ÷ 600)oC

- Thời gian khí lưu lại trong lò < (2-5)s

Hơi nhiệt phân và các sol khí phải được làm lạnh nhanh để hạn chế trường hợp chúng kết hợp lại với nhau

Để thực hiện được các yêu cầu trên, quá trình nhiệt phân nhanh được thực hiện theo công nghệ nhiệt phân trong lò tầng sôi, lò nón quay, lò chân không và lò ly tâm như được mô

tả trên hình 1 [4]

Trong các thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học được giới thiệu ở hình 1, kiểu lò tầng sôi tĩnh (hình 1.a) có nhiều ưu điểm như dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ phản ứng, gia công chế tạo và vận hành đơn giản hơn các thiết bị kiểu lò nón quay, lò chân không,

lò ly tâm Từ các ưu điểm này cùng với các kết quả nghiên cứu về động lực học trong tầng sôi, thiết kế lò tầng sôi đã được công bố [1], [2] và kinh nghiệm thực tế vận hành thiết bị theo công nghệ tầng sôi chúng tôi chọn kiểu lò tầng sôi tĩnh để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất

dầu sinh học Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả thu

hồi dầu sinh học từ lò nhiệt phân

Hình 1 Các sơ đồ nguyên lý nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 2.2 Lò nhi ệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học

2.2.1 Nguyên lý làm vi ệc của hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi

Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi được mô tả trên hình 2 Sinh khối (bã mía) được nghiền nhỏ có kích

cỡ trung bình từ (1-2)mm, độ ẩm < 10% được cấp vào bình chứa sinh khối (6) Sinh khối được cấp vào lò nhiệt phân (9) nhờ vít tải nhiên liệu (5) Lưu lượng sinh khối cấp vào phụ thuộc vào vận tốc vít tải và được điều chỉnh bằng bộ biến tần Lớp cát có sẵn trong lò với độ cao 70mm

Khí nitơ được dẫn vào buồng gia nhiệt bằng điện trở có công suất N = 2kW, được gia nhiệt lên đến nhiệt độ t = (400 – 500)oC và dẫn vào ống phun (10) Vận tốc khí nitơ được điều

chỉnh theo giá trị tính toán để lớp cát và sinh khối duy trì ở trạng thái tầng sôi Dọc theo thân

lò nhiệt phân nhiệt độ giảm dần do nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân và tổn thất,

vì vậy để nâng cao hiệu quả quá trình nhiệt phân cần phải duy trì nhiệt độ bên trong lò ổn định

từ (400 – 500)oC ta lắp thêm 2 thanh điện trở phụ Sinh khối được cấp vào bên trong lò tạo

lớp sôi và trong môi trường khí nitơ có nhiệt độ t = (400 – 500)oC, sinh khối sẽ phân hủy thành chất rắn và hỗn hợp các khí CO, CO2, H2, các hydrocacbon Các chất rắn được thu

lại trong cyclon (12) Hỗn hợp khí được dẫn vào tháp ngưng tụ (14) và tháp tĩnh điện (15), khi

đi qua 2 thiết bị này các khí ngưng tụ lại thành dầu sinh học và một số khí không ngưng tụ

a Lò t ầng sôi tĩnh

c Lò chân không

b Lò ly tâm PCR

c Lò nón quay

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ

nhi ệt phân nhanh trong lò tầng sôi

độ, áp suất, 12 Cyclon, 13 Nước giải nhiệt, 14 Tháp ngưng tụ, 15 Tháp thu hồi dầu kiểu

tĩnh điện, 16 Bình chứa dầu sinh học, 17 Thanh điện trở chính

2.2.2 Các thông s ố thiết kế và vận hành của hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi

Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã thiết kế chế tạo lắp hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với lượng sinh khối khối G = 300 g/h (hình 3) Các thông số thiết kế cơ bản

và thông số vận hành khi sử dụng sinh khối là bã mía được giới thiệu bảng 1 và bảng 2

B ảng 1 Các thông số thiết kế cơ bản hệ thống thiết bị nhiệt phân

STT Thông s ố thiết kế cơ bản Đơn vị Giá tr ị

1 Đường kính trong thân lò mm 54

3 Công suất điện trở gia nhiệt kW 2

6 Chiều cao tháp ngưng tụ mm 250

7 Đường kính tháp ngưng tụ mm 60

lít/phút

Hình 3: H ệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh

trong lò t ầng sôi với công suất 300 g/h

B ảng 2 Các thông số vận hành hệ thống thiết bị nhiệt phân

Thông s ố vận hành Đơn vị Giá tr ị

1 Áp suất khí nitơ cấp vào bình gia nhiệt at 3

2 Lưu lượng khí nitơ lít/phút 25

3 Nhiệt độ khí nitơ trên ống phun 0C 470

4 Vận tốc góc trục vít tải vòng/phút 180

5 Đường kính trung bình hạt cát mm 1,5

6 Đường kính trung bình hạt bã mía mm 1

8 Lượng bã mía cấp vào hệ thống kg/h 300

Kết quả phân tích thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của bã mía được thể

hiện trong bảng 3

B ảng 3 Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của bã mía

STT Tên ch ỉ tiêu Đơn vị Phương pháp thử K ết quả

1 Thành phần hóa học

1.1 Hemicellulose % KT2.K2.TN-30/TP 24,44

2 Thành ph ần nguyên tố

Kết quả được thu được được thể hiện trong bảng 4

B ảng 4 Các kết quả thu được khi vận hành hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối

b ằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h

STT Thông s ố kỹ thuật ĐVT Giá tr ị

2 Lượng chất rắn thu hồi từ cyclon g/h 18

3 Lượng dầu sinh học thu hồi được g/h 89

Nhận xét:

- Trở lực tầng sôi theo thực tế là 75 mmH2O, so với kết quả tính toán được công bố trong tài liệu tham khảo [1] trở lực tầng sôi theo tính toán là 80 mmH2O Sai số giữa tính toán

và thực tế là 6,25%

- Hiệu quả lượng dầu sinh học thu hồi được = Lượng dầu thu hồi / lượng bã mía = 29,7%

2.2 K ết quả phân tích các đặc tính dầu sinh học

Dầu sinh học thu được từ lò nhiệt phân với các thông số vận hành như bảng 2 được phân tích theo các phương pháp đo phù hợp cho mỗi đặc tính dầu sinh học thể hiện trong bảng 5

B ảng 5 Các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân bã mía STT M ục đích đo Đơn vị Phương

pháp đo Giá tr theo ị

Giá tr ị theo tiêu chu ẩn ASTM D7544-12 [7]

S ố hiệu/xuât xứ thi ết bị phân tích

1 Nhiệt trị kJ/kg ASTM

D4809

17.500 15.000 C2000/ IKA / Đức

3 Độ nhớt (ở

400C)

mm2/s ASTM

D445

25-110 <125 20090006/JETVIS

C/ Poulten/ Anh

4 Lưu huỳnh S ASTM

D5453

Không phát hiện 0,05 Mitshubishi/NhTS100V/ ật

6304

19 <30 CA-200/

Mitshubishi/Nhật

6 Khối lượng

riêng

kg/dm3 ASTM

D4052

1,21 1,1-1,3 FD 910/Sarasota

/Mỹ

Nhận xét: So với tiêu chuẩn ASTM D7544-12, các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân

bã mía đảm bảo các thông số kỹ thuật dầu sinh học

4 KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu về động lực học quá trình nhiệt phân trong lò tầng sôi, cũng như quá trình truyền nhiệt khi nhiệt phân sinh khối, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h Trên cơ sở thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm công bố các số liệu liên quan đến hệ thống:

- Các thông số vận hành hệ thống được giới thiệu trong bảng 2 Các thông số vận hành

này đảm bảo duy trì chế độ tầng sôi trong lò nhiệt phân, nhiệt độ duy trì trong lò nhiệt phân

- Hiệu suất thu hồi dầu của hệ thống 29,7%

- Các đặc tính dầu sinh học tạo ra khi nhiệt phân bã mía đảm bảo các thông số kỹ thuật

dầu sinh học theo tiêu chuẩn ASTM D7544-12

Các kết quả nghiên cứu này chính là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa các thông số vận hành để thu hồi dầu sinh học với hiệu suất cao cũng như phân tích thành

phần dầu nhiệt phân thu được từ các loại sinh khối khác nhau sẵn có ở Việt nam

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Nghiên cứu mô phỏng động lực học

Đà Nẵng, số 5(90) 2015

[2] Phạm Duy Vũ, Phan Quang Xưng, Nguyễn Thanh Quang, Thiết kế hệ thống lò lớp sôi qui

mô thực nghiệm, Tạp chí năng lượng nhiệt, số 11/2004

[3] Đặng Ngọc Anh, Trần Thị Kim Hoa, Nguyễn Trung Kiên, Bùi Hải Linh, Đặng Tuyết

Phương, Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Thị Vân, Hoàng Yến, Sản xuất dầu sinh học từ rơm rạ

2009, pp 536-540

[4] Bridgwater A.V Biomass bioengery 2012, 38 68-94

[5] http://www.iea.org/stats/index.asp

[6] http://www.fao.org/docrep/t4470e/t4470e0a.ht

[7] http://www.astm.org/Standards/D7544.htm

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 ThS Ph ạm Duy Vũ, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

phamduyvubk@gmail.com, 0913412543

2 PGS.TS Hoàng Dương Hùng,Trường Đại học Quảng Bình

hdhung@gmail.com,0903503583

3 PGS.TS Nguy ễn Đình Lâm, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

ndlam@dut.udn.vn, 0989078015

4 PGS.TS Tr ần Văn Vang, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng