Nghiên cứu nhiệt phân gỗ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm than hoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU TÂN NGHIÊN CỨU NHIỆT PHÂN GỖ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THAN HOA Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ ĐỨC DŨNG HÀ NỘI – NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết luận văn trung thực chưa có công bố công trình Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2016 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận văn TS LÊ ĐỨC DŨNG NGUYỄN HỮU TÂN i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học với đề tài: “Nghiên cứu nhiệt phân gỗ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm than hoa” hoàn thành thời gian từ tháng năm 2014 đến tháng năm 2016 môn Hệ thống Năng lượng nhiệt, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đầu tiên, tác giác xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học, TS Lê Đức Dũng dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt – Lạnh tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin trân trọng cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh tận tình giúp đỡ, bảo thời gian học tập nghiên cứu Viện Tác giả xin trân trọng cảm ơn anh chị học viên lớp 2014B.KTN, 2015A.KTN; cán bộ, học viên sinh viên làm việc Phòng thí nghiệm Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh chia sẻ, động viên giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến Gia đình Người thân bên tác giả lúc khó khăn để khuyến khích, động viên tạo điều kiện mặt giúp tác giả hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2016 Tác giả luận văn NGUYỄN HỮU TÂN ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ, đồ thị .vii Mở đầu x Chương Giới thiệu 1.1 Nhu cầu phân bố lượng Việt Nam giới 1.1.1 Nhu cầu phân bố lượng giới 1.1.2 Nhu cầu phân bố lượng Việt Nam 1.2 Sinh khối 1.2.1 Các nguồn sinh khối tính chất sinh khối 1.2.2 Quá trình chuyển hóa sinh khối nhiệt 1.3 Than củi Việt Nam 13 Chương Cơ sở lý thuyết công nghệ nhiệt phân 17 2.1 Tổng quan công nghệ nhiệt phân lịch sử 17 2.2 Các sản phẩm trình nhiệt phân 20 2.2.1 Sản phẩm dạng rắn 20 2.2.2 Sản phẩm dạng lỏng 21 2.2.3 Sản phẩm khí 22 2.3 Các công nghệ nhiệt phân 22 2.3.1 Nhiệt phân chậm 24 iii 2.3.2 Nhiệt phân nhanh 25 2.3.3 Các công nghệ nhiệt phân khác 25 2.4 Ảnh hưởng nguyên liệu đầu vào điều kiện nhiệt phân đến sản phẩm nhiệt phân 26 2.4.1 Ảnh hưởng tính chất sinh khối đầu vào 26 2.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 32 2.4.3 Truyền nhiệt trình nhiệt phân 36 2.4.4 Truyền chất trình nhiệt phân 39 2.4.5 Áp suất thực 40 Chương Công nghệ Nhiệt phân gỗ để tạo than hoa 42 3.1 Những ứng dụng than từ nhiệt phân gỗ 42 3.1.1 Nhiên liệu cho sinh hoạt công nghiệp 42 3.1.2 Than hoạt tính 43 3.2 Các phương pháp cấp nhiệt 46 3.2.1 Phương pháp đốt cháy phần nguyên liệu 46 3.2.2 Phương pháp nhiệt phân trực tiếp khói nóng 46 3.2.3 Phương pháp cấp nhiệt gián tiếp 47 3.3 Các dạng lò nhiệt phân sản xuất than gỗ 48 3.3.1 Lò vận hành theo mẻ 48 3.3.2 Lò vận hành liên tục 49 Chương Thực nghiệm nhiệt phân gỗ xác định yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than hoa 54 4.1 Thiết bị thí nghiệm 54 iv 4.1.1 Lò nhiệt phân kiểu ghi cố định 54 4.1.2 Các tiêu chuẩn phân tích thiết bị thực phân tích 58 4.2 Phương pháp chuẩn bị mẫu 62 4.3 Các thông số trình thực nghiệm nhiệt phân 64 4.4 Quy trình thí nghiệm 64 4.5 Kết thực nghiệm thảo luận 67 4.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân tới tỉ lệ than hoa thành phẩm 67 4.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến nhiệt trị than hoa 70 4.5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến đặc tính công nghệ than hoa: thành phần chất bốc, fixed-carbon tro 73 4.5.4 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt 80 Kết luận kiến nghị 82 Tài liệu tham khảo 84 Phụ lục 89 Phụ lục Một số hình ảnh thực tế quy trình thí nghiệm 89 Phụ lục Bảng số liệu kết thí nghiệm 92 Phụ lục Sơ đồ đấu nối hệ thống thiết bị thí nghiệm 95 Phụ lục Mã nguồn chương trình điều khiển lò nhiệt phân 96 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Nhu cầu điện Việt Nam theo Quy hoạch điện VII Bảng 1.2 Tính chất sinh khối Bảng 2.1 Đặc tính số trình nhiệt phân 23 Bảng 2.2 Đặc tính sản phẩm nhiệt phân hồng hoa nhiệt độ tốc độ gia nhiệt khác [34] 35 Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật tiêu chuẩn than gỗ [40] 43 Bảng 3.2 Các ứng dụng than hoạt tính [41] 44 Bảng 4.1 Các tiêu chuẩn phân tích đặc tính than 59 Bảng 4.2 Một số đặc tính gỗ nhãn gỗ bạch đàn 63 Bảng 4.3 Chế độ nhiệt độ thực thí nghiệm nhiệt phân 64 Bảng 4.4 Nhiệt trị tiêu chuẩn số loại than cám thương phẩm vùng Hòn Gai- Cẩm Phả (trích TCVN 1790:1999) 71 Bảng 4.5 So sánh nhiệt trị than gỗ với than cám phân loại theo TCVN 71 Bảng 4.6 Sản lượng fixed-carbon chế độ nhiệt nhiệt phân 79 Bảng 4.7 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt tới đặc tính công nghệ than gỗ 81 Bảng PL2.1 Tỉ lệ sản phẩm than hoa với chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 92 Bảng PL2.2 Hàm lượng chất bốc than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 92 Bảng PL2.3 Nhiệt trị cao than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: kJ/kg 94 Bảng PL2.4 Thành phần fixed-carbon than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 94 Bảng PL2.5 Thành phần tro than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 95 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhu cầu lượng giới theo vùng kinh tế [1] Hình 1.2 Nhu cầu lượng giới qua năm giai đoạn 19702006 [2] Hình 1.3 Dự báo nhu cầu lượng giới theo dạng nhiên liệu giai đoạn 1970- 2030 [1] Hình 1.4 Phân bố nhu cầu lượng theo dạng nhiên liệu, giai đoạn 19851995 phương án dự báo đến năm 2100 [3] Hình 1.5 Sơ đồ trình chuyển hóa nhiệt sinh khối 11 Hình 1.6 Cấu trúc hóa học số thành phần sinh khối [11] 12 Hình 1.7 Lò hầm than kiểu tổ ong 13 Hình 1.8 Lò hầm than tường gạnh 14 Hình 1.9 Lò than tận dụng nhiệt khói thải 15 Hình 1.10 Lò than nhiệt phân gián tiếp 15 Hình 2.1 Mô tả đơn giản trình nhiệt phân 17 Hình 2.2 Mô hình động học trình nhiệt phân 18 Hình 2.3 Thành phần sinh khối phân bố sản phẩm trình nhiệt phân [27] 27 Hình 2.4 Mối liên quan tỉ lệ sản phẩm lỏng với thành phần ẩm mẫu nhiệt độ khác [29] 29 Hình 2.5 Kết thí nghiệm ảnh hưởng kích thước mẫu tới sản phẩm nhiệt phân [30] 30 Hình 2.6 Ảnh hưởng kích thước mẫu tới tỷ lệ chất khí tạo thành sản phẩm nhiệt phân [31] 30 Hình 2.7 Ảnh hưởng nhiệt độ tới sản phẩm rắn tạo thành [15] 32 Hình 2.8 Sản phẩm khí sau trình nhiệt phân gỗ [15] 33 vii Hình 2.9 Ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ gia nhiệt đến sản phẩm nhiệt phân từ hồng hoa [34] 34 Hình 2.10 Sự thay đổi tỷ lệ thành phần chất sản phẩm nhiệt phân nhiệt độ tốc độ gia nhiệt thay đổi [35] 36 Hình 2.11 Truyền nhiệt trình nhiệt phân [32] 37 Hình 3.1 Hình ảnh than bánh than cục 42 Hình 3.2 Các phương pháp cấp nhiệt cho lò nhiệt phân gỗ 47 Hình 3.3 Lò sản xuất than gỗ truyền thống 48 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý lò nhiệt phân kiểu chưng cất 50 Hình 3.5 Lò nhiệt phân nhiều tầng 51 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc lò nhiệt phân kiểu trống quay 52 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc lò nhiệt phân kiểu trục vít 52 Hình 4.1.Sơ đồ cấu trúc hệ thống thiết bị thí nghiệm 57 Hình 4.2 Hình ảnh hệ thống thiết bị thí nghiệm nhiệt phân 57 Hình 4.3 Cân điện tử 60 Hình 4.4 Lò nung Nabertherm 61 Hình 4.5 Thiết bị đo nhiệt lượng 61 Hình 4.6 Thiết bị sấy 62 Hình 4.7 Mẫu gỗ nhãn (bên trái) bạch đàn (bên phải) sau sấy 62 Hình 4.8 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân tới tỉ lệ than hoa sau nhiệt phân gỗ bạch đàn 68 Hình 4.9 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân tới tỉ lệ than hoa sau nhiệt phân gỗ nhãn 69 Hình 4.10 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến nhiệt trị than gỗ nhãn 72 Hình 4.11 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến nhiệt trị than gỗ bạch đàn 73 viii Hình 4.12 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến hàm lượng chất bốc than gỗ nhãn 77 Hình 4.13 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân đến hàm lượng chất bốc gỗ bạch đàn 77 Hình 4.14 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân tới thành phần fixed-carbon than gỗ nhãn 78 Hình 4.15 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhiệt phân tới thành phần fixed-carbon than gỗ bạch đàn 78 Hình 4.16 Sản lượng fixed-carbon profile nhiệt độ gỗ nhãn (hình trên) bạch đàn (hình dưới) 79 Hình 4.17 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt tới tỉ lệ than hoa 80 Hình PL1.1 Thực trình sấy 89 Hình PL1.1 Thực trình sấy 89 Hình PL1.2 Xác định khối lượng 89 Hình PL1.3 Nạp mẫu vào lò nhiệt phân 89 Hình PL1.4 Thiết lập nhiệt độ nhiệt phân 90 Hình PL1.5 Thiết lập tốc độ gia nhiệt 90 Hình PL1.6 Thiết lập thời gian nhiệt phân 90 Hình PL1.7 Thiết lập thời gian chờ 90 Hình PL1.7 Một số thao tác thực đo nhiệt trị 91 Hình PL1.8 Thao tác đưa chén mẫu vào lò nung 92 ix TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEA (2005), World Energy Outlook 2005: Middle East and North Africa Insights OECD/IEA [2] IAEA (2007), Energy, electricity and nuclear power estimates for period up to 2030, Vienna (Austria) [3] J Goldemberg (2000), World Energy Assessment: Energy and the Challenge of Sustainability, UNDP / UNFDESA / World Energy Council [4] N L Tr and T Q C (2004), Electricity Supply Industry in Transition: Issues and Prospect for Asia [5] V C Viet, K Y., T H and S T (2004), vol 33, pp 37-44 [6] C Nguyễn Mạnh T Nguyễn Anh (2004), Quy hoạch hệ thống điện quốc gia- nhìn từ phía an ninh lượng, Viện Năng lượng- Bộ Công thương, Việt Nam [7] Dương Văn Long (2012), Nghiên cứu công nghệ thiết bị nhiệt phân ứng dụng xử lý chất thải có nguồn gốc hữu cơ, Viện Nghiên cứu khí [8] P H (2006), vol 86, pp 82-90 [9] D L Klass (1998), Biomass for renewable energy, fuels, and chemicals, Academic Press [10] S W Ramsay (1982), Academic Press [11] K L Donal (1998), Biomass for renewable energy, fuels and chemicals, Academic Press [12] P McKendry (2002), Bioresource Technology, vol 83, pp 47-54 [13] B T (2006), Sciences of Food and Agriculture, vol 86, pp 1755-1768 84 [14] P McKendry (2002), Bioresource Technology, vol 83, pp 55-63 [15] P Basu (2010), Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory, Elsevier [16] A Broido and F Shafizadeh (1976), Kinetic of solid-phase cellulose pyrolysis, Thermal uses and properties of carbohydrates and lignins, 1976 [17] S I Mussatto (2016), Biomass Fractionation Technologies for a Lignocellulosic Feedstock Based Biorefinery, Elsevier [18] D Neves (2011), Characterization and prediction of biomass pyrolysis products, Progr Energy Combust Sci., vol 37 [19] T G Bridgeman, J Jones, I Shield and P Wiliams (2008), Torrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties, Fuel, vol 87, pp 844-856 [20] S Channiwala and P Parikh (2002), A unified correlation for estimating HHV of solid, liquid and gaseous fuels, Fuel, vol 81, pp 1051-1063 [21] D Neves, H Thunman, A Matos, L Tarelho and A Gomez-Barea (2011), Characterization and prediction of biomass pyrolysis products, Progr Energy Combustion Sciences, vol 37, pp 611-630 [22] D Meier, B v d Beld, A Bridgwater, D Elliott, A Oasmaa and F Preto (2013), State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries, Renewable Sustainable Energy Review, vol 20, pp 619-641 [23] Z Luo, S Wang, Y Liao, J Zhou, Y Gu and K Cen (2004), Research on biomass fast pyrolysis for liquid fuel, Biomass Bioenergy, vol 26, pp 455-462 85 [24] Q Cao, K Xie, W Bao and S Shen (2004), Pyrolytic behavior of waste corn cob, Bioresource Technologies, vol 94, pp 83-89, 2004 [25] M J Antal and G Morten (2003), The art, science, and technology of Charcoal production, Industrial and Engineering Chemistry Research, vol 42, pp 1619-1640 [26] A Demirbas and G Arin (2002), An Overview of Biomass Pyrolysis, Energy Sources, vol 24, pp 471-482, 2002 [27] R Brown (2009), Biochar Production Technology, Earthscan [28] A V Bridgwater and G V C Peacocke (2000), Fast Pyrolysis Processes for Biomass, Renewable and Sustainable Energy Review, vol [29] A Demirbas (2006), Effect of temperature on pyrolysis products from four nut shells, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis , pp 285-289 [30] O Ozlem and K Mete (2003), Slow, fast and flash pyrolysis of rapeseed, Renewable energy , vol 28 [31] S Li, S Xu, C Yang and Q Lu (2004), Fast pyrolysis in free-fall reactor for hydrogen-rich gas, Fuel Processing Technology, pp 1201-1211 [32] Ashok Pandey, Thallada Bhaskar, Michael Stocker and Rajeev Sukumaran (2015), Recent advanced in thermalchemical conversion of biomass, Elsevier [33] A Demirbas (2001), Carbonization ranking of selected biomass for charcoal, liquid and gaseous products, Energy Conversion and Management, pp 1229-1238, 2001 [34] D Angin (2013), Effect of pyrolysis temperature and heating rate on biochar obtained from pyrolysis of safflower seed press cake, Bioresoure Technology, vol 128, pp 593-597 86 [35] A Debdoubi (2006), The effect of heatign rate on yields and compositions of oil products from esparto pyrolysis, International Journal of Energy Research, vol 30, pp 1243-1250 [36] M P Pandey and C S Kim (2011), Lignin depolymerization and conversion: A review of thermochemical methods, Chemical engineering Technology, vol 34, pp 29-41 [37] M Saisu , T Sato, M Watanabe, T Adschiri and K Arai (2003), Conversion of lignin with supercritical water phenol mixtures, Energy Fuels, vol 17, pp 922-928 [38] G Varhegyi, M J Antal , E Jakab and P Szabo (1997), Kinetic modeling of biomass pyrolysis, Jounal of Analytical and Application of Pyrolysis, vol 42, pp 73-87 [39] W S L Mok and M J Antal (1983), Effect of pressure on biomass pyrolysis II: Heats of reaction of cellulose pyrolysis, Thermochimica Acta, vol 68, pp 165-186 [40] W Emrich (1985), Hanbook of Charcoal Making: The traditional and industrial methods, D Reidel Publishing Company [41] G P M., G N J A., L T., K C E and K S (2011), Method for Producing Biochar and Advanced Bio-fuels in Washington State Part 3: Literature review of Technologies for product collection and refining, Department of Biological System Engineering and the Center for Sustaning Agriculture and Natural Resources, Washington State University [42] F J (2009), Low temperature pyrolysis for biochar system, Conference Harvesting Clean Energy, 2009 87 [43] H Yang, R Yan, H Chen, D H Lee and C Zheng (2007), Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis, Fuel, vol 86, pp 1781-1788 [44] J B M H Khalid Elyounssi (2010), High-yield charcoal production by two-step pyrolysis, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, vol 87, pp 138-143 88 PHỤ LỤC Phụ lục Một số hình ảnh thực tế quy trình thí nghiệm Hình PL1.0.1 Thực trình Hình PL1.2 Xác định khối lượng sấy Hình PL1.3 Nạp mẫu vào lò nhiệt phân 89 Hình PL1.4 Thiết lập nhiệt độ Hình PL1.5 Thiết lập tốc độ nhiệt phân gia nhiệt Hình PL1.6 Thiết lập thời gian nhiệt phân Hình PL1.7 Thiết lập thời gian chờ Hình PL1.7 Một số thao tác thực đo nhiệt trị 90 Hình PL1.8 Thao tác đưa chén mẫu vào lò nung 91 Phụ lục Bảng số liệu kết thí nghiệm Bảng PL2.1 Tỉ lệ sản phẩm than hoa với chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 120 phút 76.68 41.67 34.53 29.95 27.28 28.18 240 phút 73.3 40.3 33.85 29.01 28.65 27.19 360 phút 70.12 41.83 33.23 28.3 28.32 26.27 600 phút 69.89 37.96 32.18 27.91 27.02 25.98 120 phút 77.09 45.81 43.58 40.32 35.68 36.11 240 phút 72.15 51.82 46.08 38.67 37.56 38.75 360 phút 70.68 46.84 43.91 37.08 37.50 35.08 600 phút 70.46 41.93 45.86 41.76 36.16 34.01 Gỗ bạch đàn Gỗ nhãn Bảng PL2.2 Hàm lượng chất bốc than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 120 phút 73.14 40.58 34.11 35.18 27.23 23.13 240 phút 74.83 36.02 32.01 31.06 27.12 22.52 360 phút 75.41 33.17 29.86 29.91 23.9 21 600 phút 72.17 30.05 29.14 28.12 22.31 16.7 Than gỗ nhãn Than gỗ bạch đàn 120 phút 79.51 46.3 36.12 30.05 26.92 24.56 240 phút 77.01 47.73 37.57 29.08 25.72 22.17 360 phút 75.35 44.61 32.1 28.98 22.84 18.89 600 phút 73.19 44.51 28.79 25.34 21.01 19.18 92 Bảng PL2.3 Nhiệt trị cao than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: kJ/kg 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 120 phút 22768 29653 29605 31603 33314 33520 240 phút 23308 29998 29501 30853 33239 32150 360 phút 23438 29689 29651 31910 32310 33667 600 phút 23496 30472 29873 32502 33419 34390 Than gỗ bạch đàn 23731 120 phút 30643 30513 32691 33084 33779 240 phút 23739 30103 31912 33549 33327 34369 360 phút 23873 30518 31267 32251 33482 34357 600 phút 23965 30191 31594 33277 33716 34625 Than gỗ nhãn Bảng PL2.4 Thành phần fixed-carbon than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 120 phút 24.86 57.41 64.21 64.1 66.85 74.73 240 phút 24.6 62.42 66.51 67.17 70.19 74.69 360 phút 23.2 65.31 68.9 68.93 74.1 75.04 600 phút 26.16 68.81 69.03 71.18 76.9 82.21 Than gỗ bạch đàn 20.23 120 phút 52.83 62.08 69.23 72.26 73.21 240 phút 20.51 49.05 61.42 70.12 73.04 76.73 360 phút 21.8 52.2 66.16 68.79 75.89 81.04 600 phút 25.54 53.87 69.1 73.6 78.85 79.98 Than gỗ nhãn 93 Bảng PL2.5 Thành phần tro than hoa nhiệt phân chế độ nhiệt khác nhau, tốc độ gia nhiệt cố định 5℃/phút, đơn vị: % 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 120 phút 2.01 1.68 0.72 5.92 2.14 240 phút 0.57 1.56 1.48 1.77 2.69 2.79 360 phút 1.39 1.52 1.24 1.16 2.1 3.96 600 phút 1.67 1.14 1.83 0.7 0.79 1.09 Than gỗ bạch đàn 0.26 120 phút 0.87 1.8 0.72 0.82 2.23 240 phút 2.48 3.22 1.01 0.8 1.24 1.1 360 phút 2.85 3.19 1.74 2.23 1.27 0.07 600 phút 1.27 1.62 2.11 1.06 0.14 0.84 Than gỗ nhãn 94 Phụ lục Sơ đồ đấu nối hệ thống thiết bị thí nghiệm 95 Phụ lục Mã nguồn chương trình điều khiển lò nhiệt phân #include #include "MAX6675.h" #define SPI_transfer #if defined(SPI_transfer) #include "SPI.h" #endif //Arduino Pins uint8_t DHTPIN = 2; uint8_t MAX6675_DATA = 12; uint8_t MAX6675_CLK = 13; uint8_t MAX6675_LAT0 = 7; uint8_t SSR_PIN = 4; //Temperature Cycle Settings uint8_t state = 0; uint16_t default_max_temp = 300; uint8_t default_soak_time = 120; uint8_t default_ramp_rate = 5; uint8_t default_waiting_time = 0; //PID parameters double init_temp; double Input, Output, Setpoint; uint8_t init_read = 1; //flag to prevent temp reads on first PID pass uint32_t PID_interval = 5000; //time in ms to run PID interval //Object Instantiation MAX6675 thermo; PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, 2, 5, 1, DIRECT); void setup() { pinMode(SSR_PIN, OUTPUT); thermo.setup(MAX6675_LAT0); read_temps(); } void loop() { switch (state) { case 0: //Ramp Up run_cycle_time(); state = state + 1; break; case 1: //Soak Time run_cycle_time(); state = state + 1; break; case 2: //Cool Down run_cycle_time(); state = state + 1; break; 96 case 3: //Finished while(1); } } void run_PID(double Kp, double Ki, double Kd, uint16_t WindowSize, uint32_t time_interval) { double ratio; uint32_t windowStartTime; uint8_t buttons; //Specify the links and initial tuning parameters myPID.SetOutputLimits(0, WindowSize); myPID.SetTunings(Kp, Ki, Kd); myPID.SetMode(AUTOMATIC); //This prevents the system from initially hanging up if(init_read){init_read = 0;Setpoint = Setpoint + 1;} else{read_temps();} windowStartTime = millis(); Input = CtoF(thermo.thermocouple_temp); myPID.Compute(); ratio = Output / WindowSize; digitalWrite(SSR_PIN, 1); while(millis() - windowStartTime < time_interval * ratio); digitalWrite(SSR_PIN, 0); while(millis() - windowStartTime < time_interval); } void run_cycle_time(void) { uint32_t initial_time = millis(); uint32_t elapsed_time; double diff_time_min; double cycle_time; //This set of statements calculates time of cycle phase if(state == 0) //rising ramp, increasing temperature { //Calculate time remaining in rise phase based on temperature and rate read_temps(); init_temp = CtoF(thermo.thermocouple_temp); cycle_time = (max_temp - init_temp)/ramp_rate; } else if(state == 1) //soak time { //Soak time is already determined cycle_time = soak_time; } 97 else if(state == 2) //falling ramp, decreasing temperature { //Calculate time remaining in fall phase based on temperature and rate each cycle read_temps(); cycle_time = (CtoF(thermo.thermocouple_temp) init_temp)/cool_down; } //Determine time left in current phase elapsed_time = millis(); diff_time_min = float(elapsed_time - initial_time) / 60000; while(diff_time_min < cycle_time) { if(state == 0) //rising ramp, increasing temperature { //While increasing, Setpoint increases based on elapsed time Setpoint = (diff_time_min * ramp_rate) + init_temp; } else if(state == 1) //soak time { Setpoint = max_temp; } else if(state == 2) //falling ramp, decreasing temperature { //While decreasing, Setpoint increases based on elapsed time Setpoint = max_temp - (diff_time_min * cool_down); } //Determine current temp read_temps(); //Determine PID response based on current temp run_PID(2, 5, 1, 500, PID_interval); //Determine time left in current phase elapsed_time = millis(); diff_time_min = float(elapsed_time - initial_time) / 60000; } } double CtoF(double temp_C) { double temp_F = (temp_C * 1.8) + 32; return temp_F; } void read_temps(void) { thermo.read_temp(); } 98