Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị nhiệt phân Biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

Header Page of 145 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ============== BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC Mã số: Đ2015-02-140 Chủ nhiệm đề tài: Th.S Phạm Duy Vũ Đà nẵng, 9/2016 Footer Page of 145 Header Page of 145 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Theo dự báo Tổ chức lượng giới IEO từ năm 1999 đến năm 2020 nhu cầu lượng giới tăng khoảng 60% Trong nguồn lượng lượng hóa thạch Trữ lượng nguồn lượng ngày cảng giảm, gây an ninh lượng toàn cầu Đặc biệt, sử dụng nguồn lượng hóa thạch thải mơi trường khí SO2, CO2, NOx gây hiệu ứng nhà kính, nhiễm mơi trường tác động xấu đến đời sống sức khỏe người Vì vậy, người tập trung nghiên cứu, khai thác, ứng dụng nguồn lượng lượng gió, lượng hydro, lượng nước, lượng đại dương, lượng địa nhiệt, lượng mặt trời, lượng sinh khối Các nguồn lượng coi lượng sạch, tái tạo chúng không gây ô nhiễm môi trường Trong nguồn lượng đó, nguồn lượng sinh khối đóng vai trị quan trọng để sản xuất loại nhiên liệu Hiện nay, giới nguồn lượng sinh khối chiếm khoảng 63% tổng số lượng tái tạo, chiếm (14-15)% tổng nguồn lượng [65] Ước tính đến năm 2050, sinh khối dùng làm nhiên liệu đáp ứng khoảng 38% lượng nhiên liệu toàn cầu 17% lượng điện sử dụng giới [67] Ở nước phát triển lượng sinh khối đóng góp khoảng 35% tổng nhu cầu lượng Vì lượng sinh khối (biomass) giữ vai trò quan trọng chiến lược nghiên cứu ứng dụng lượng tái tạo nhiều tổ chức quốc tế có khả giữ vai trị sống cịn việc đáp ứng nhu cầu lượng giới tương lai Sinh khối nguồn nhiên liệu tạo từ q trình khai thác nơng lâm nghiệp trấu, bã mía, dăm bào, mùn cưa, rơm rạ, thân ngô Hằng năm giới nguồn sinh khối có khoảng nửa tỷ tấn, Châu Á chiếm khoảng 92% Nếu không tận dụng nguồn nhiên liệu chuyển thành nguồn nhiên liệu có ích gây nhiễm mơi trường thải bỏ bừa bãi Ưu điểm nhiên liệu sinh khối hàm lượng lưu huỳnh ni tơ thấp nên sử dụng nguồn lượng không gây hiệu ứng nhà kính Việt Nam nước xuất gạo đứng thứ giới, năm thải môi trường khoảng 55 triệu rơm rạ Một phần số sử dụng để sản xuất phân sinh học làm thức ăn cho trâu bò, đa số đốt thải bỏ ngồi mơi trường, gây nhiễm mơi trường lãng phí lượng Có phương pháp để sử dụng hữu ích nguồn lượng từ sinh khối: nhiệt hóa, sinh hóa hóa học Q trình nhiệt hóa gồm q trình đốt cháy tạo lượng nhiệt, khí hóa tạo khí tổng hợp, nhiệt phân tạo khí, rắn, lỏng (dầu sinh học) Quá trình sinh hóa tạo biogas, bio-ethanol Q trình hóa học tạo Biodiesel Trong q trình có q trình nhiệt phân tạo khí, rắn, lỏng Trong nguồn nhiên liệu khí bao gồm khí H2, CO, CO2, CH4, H2, C2H4, C2H2 [4, 5], khí tái sử dụng lại phần để cung cấp nhiệt cho trình nhiệt phân Chất rắn cốc Footer Page of 145 Header Page of 145 sử dụng làm than hoạt tính phục vụ công nghiệp, đời sống cung cấp nhiệt cho trình nhiệt phân Sản phẩm mong muốn trình nhiệt phân sinh khối sản phẩm lỏng gọi dầu sinh học thuận tiện cho vấn đề bảo quản vận chuyển, sử dụng nhiều ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện Quá trình nhiệt phân sinh khối trình phức tạp, tỷ lệ chất lượng loại sản phẩm phụ thuộc vào: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lò phản ứng, thời gian nhiệt phân Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt thời gian nhiệt phân người ta phân biệt thành trình nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình nhiệt phân nhanh Trong đó, thực nhiệt phân nhanh lượng dầu sinh học tạo cao nhất, khoảng từ 60% đến 70% [6] 1.2 Khái niệm phân loại trình nhiệt phân sinh khối 1.2.1 Khái niệm Nhiệt phân sinh khối trình phân hủy tác động nhiệt mơi trường khơng có ơxy Sản phẩm q trình nhiệt phân khí, rắn, lỏng Tỷ lệ loại sản phẩm phụ thuộc vào: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lò phản ứng, thời gian lưu lại 1.2.2 Phân loại trình nhiệt phân sinh khối 1.2.2.1 Nhiệt phân chậm Quá trình nhiệt phân chậm sử dụng hàng trăm năm để sản xuất than Gần đây, sử dụng để sản xuất methanol hắc ín Các đặc trưng q trình nhiệt phân chậm: - Tốc độ gia nhiệt thấp: – ºC/phút; - Tốc độ phát chất dễ bay từ hạt sinh khối thấp; - Thời gian lưu lại dài từ vài phút tới vài ngày; - Nhiệt độ: 200 - 400 ºC 1.2.2.2 Nhiệt phân trung bình Nhiệt phân trung bình sử dụng chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học dạng lỏng Thành phần sản phẩm trình nhiệt phân trung bình khoảng 50% chất lỏng, 25% chất rắn 25% khí Trong chất lỏng, chất lỏng hữu chiếm khoảng 50%, phần lại nước Các đặc trưng trình nhiệt phân trung bình: - Tốc độ gia nhiệt: 10 - 50 0C/s - Nhiệt độ: 400 - 500 ºC - Thời gian lưu lại trung bình từ 10 - 30 giây 1.2.2.3 Nhiệt phân nhanh Nhiệt phân nhanh sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học dạng lỏng, tỉ lệ chất lỏng thành phần sản phẩm chiếm đến 70% [6] Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nhiệt phân nhanh: - Tốc độ gia nhiệt cao, từ 10 - 1.000 0C/s; - Nhiệt độ nhiệt độ từ 4000C - 600 oC; Footer Page of 145 Header Page of 145 - Thời gian lưu lại lò khí < (2-5) s; - Hơi nhiệt phân sol khí phải làm lạnh nhanh tránh trường hợp chúng kết hợp lại với 1.3 Cơ sở thực trình nhiệt phân nhanh sinh khối Theo nghiên cứu Bridgwater A.V (2012), sản phẩm trình nhiệt phân gỗ phụ thuộc vào cơng nghệ nhiệt phân tổng hợp bảng Bảng 1.1 Tỷ lệ sản phẩm nhiệt phân phương pháp nhiệt phân khác [7] Công nghệ nhiệt phân Điều kiện Sản phẩm Lỏng Rắn Khí t ~ 5000C, thời gian lưu khí nóng từ (1-2) s 75% 12% 13% Nhiệt phân trung t ~ 5000C, thời gian lưu bình khí nóng ~ (10-30)s 50% 25% 25% Cac bon hóa t ~ 4000C, thời gian lưu khí nóng gần ngày 30% 35% 35% Nung t ~ 2900C, thời gian lưu khí nóng ~ 10-60 phút (0-5)% 80% 20% Nhiệt phân nhanh Từ kết nghiên cứu bảng 1.1 kết nghiên cứu tác giả theo tài liệu tham khảo [9-15] ta thấy để nâng cao hiệu thu hồi dầu sinh học (bio-oil) cần thực nhiệt phân nhanh sinh khối 1.4 Đặc tính dầu sinh học Dầu sinh học sử dụng lị hơi, turbine khí xử lý thêm để sử dụng nhiên liệu phương tiện giao thông vận tải Dầu sinh học chứa khoảng 20 – 30 % nước mà khơng thể tách hồn tồn việc chưng cất áp suất khí [54] Nếu dầu sinh học gia nhiệt đến 210 oC (dưới áp suất chân không) để loại bỏ nước chất hữu nhẹ, q trình polyme hóa diễn nhanh chóng để hình thành thể rắn chí khoảng 50% thành phần chất rắn tạo [58] Thành phần nước nhiều chất hữu bị oxy hóa làm cho nhiệt trị dầu giảm xuống Nhiệt trị thấp dầu từ 13 – 18 MJ/kg [59] thấp nhiều so với dầu mỏ hóa thạch truyền thống (40 – 43) MJ/kg Tuy nhiên, khối lượng riêng dầu sinh học 1,05 – 1,3 kg/dm3 [48,59] cao so với dầu hóa thạch (0,72 - 0,96) kg/dm3 Điều có nghĩa dầu sinh học có thành phần lượng 38 – 42 % so với dầu hóa thạch tính theo khối lượng 48 – 70 % tính theo thể tích Dầu sinh học từ gỗ rơm có thành phần N2 lưu huỳnh thấp so với dầu hóa thạch, đồng thời có thành phần kim loại thấp [33] Dầu sinh học chứa khoảng – % acid bao gồm: formic acid, acetic acid propionic acid, làm cho dầu có độ pH thấp – 3,8 [48, 59] Do chứa phần lớn hợp chất bị oxy hóa [48, Footer Page of 145 Header Page of 145 54] nên dầu sinh học trộn lẫn với dầu hóa thạch trộn với ethanol methanol Độ nhớt thông số quan trọng ứng dụng dầu Việc sử dụng dầu có độ nhớt cao dẫn đến gia tăng chi phí bơm Độ nhớt dầu thay đổi từ 25 cP đến 1000 cP [48, 54], phụ thuộc vào thành phần nước thành phần lignin Dầu sinh học thường chia thành phần chính: nước (20 – 30 %) [48], phần hịa tan nước (60 – 70 %) phần khơng hòa tan nước (9 – 27 %) [48, 24, 34] (cũng gọi phần lignin nhiệt phân) Những phần tách hồn tồn cách ngưng tụ nhiệt độ ngưng tụ khác Pollard [60] nghiên cứu phân tách phần khác dầu sinh học chuỗi bình ngưng nhiệt độ khác từ 85 oC đến 15 oC Kết 63,3 % nước 0,74 % phần lignin nhiệt phân thu bình ngưng nhiệt độ thấp (15 oC) có 6,6 % nước 44,2 % phần lignin nhiệt phân xuất bình ngưng nhiệt độ cao (85 oC) Oasmaa [61] nghiên cứu tính ổn định dầu thông dầu từ bã rừng nâu lão hóa nhanh 80 oC 24 giờ, mơ hình tương đương với việc lưu trữ nhiệt độ phòng vòng năm Kết có tăng thành phần lignin nhiệt phân giảm thành phần ether hòa tan (aldehydes, ketones, furans, phenols, guaiacols) ether khơng hịa tan (phần đường) Norazana [62] nghiên cứu ảnh hưởng lão hóa dầu từ rơm gỗ đến độ nhớt hàm lượng nước nhiều nhiệt độ lưu trữ khác Kết cho thấy có tăng độ nhớt từ 48 – 122 cP với dầu gỗ từ 25 – 65 cP với dầu rơm hàm lượng nước tăng từ 16,4 – 17,3 % với dầu gỗ từ 17,3 – 19,3 % với dầu rơm điều kiện lưu trữ 80 oC vòng ngày Như vậy, để sử dụng dầu sinh học làm nhiên liệu đốt động cơ, lò cần phải tiếp tục bước nâng cấp để đảm bảo tương thích với nhiên liệu truyền thống 1.6 Mơ hình động học trình nhiệt phân nhanh Sinh khối bao gồm thành phần chính: cellulose, hemicellulose lignin Trong phản ứng nhiệt phân, số lượng lớn phản ứng diễn bao gồm: hóa sinh khối, cracking hơi, oxy hóa cục bộ, tái polyme hóa ngưng tụ Việc lựa chọn phản ứng định hình thành sản phẩm: khí, lỏng, rắn phản ứng điều khiển thông số độ gia nhiệt hạt rắn, nhiệt độ nhiệt phân, thời gian lưu khí thời gian lưu hạt rắn Quá trình nhiệt phân bao gồm hàng trăm phản ứng sơ cấp khơng thể mơ hình hóa cách chi tiết thường người ta sử dụng mơ hình động học để mơ tả hàm lượng khí, cốc dầu Vì vậy, tỉ lệ phản ứng thơng số động học trình nhiệt phân thường dựa sơ đồ mơ tả sản phẩm q trình nhiệt phân Để xây dựng mơ hình nhiệt phân nhanh, tổ hợp phản ứng sơ cấp phản ứng thứ cấp đề xuất nhiều tác giả Footer Page of 145 Header Page of 145 Cơ chế nhiều tầng trình sơ cấp sử dụng để tiên đốn tỉ lệ hình thành, hàm lượng sản phẩm nhiệt phân bước trung gian pha rắn khí Sơ đồ Broido – Shafizadeh đề xuất Bradbury [64] sau điều chỉnh Miller sử dụng để tiên đốn hình thành sản phẩm cuối chất trung gian trình nhiệt phân Động học phản ứng thực trình nhiệt phân nhanh sinh khối sử dụng theo mơ hình phản ứng hai giai đoạn (sơ cấp thứ cấp) thể hình 1.6 k1 Gases k4 Gases k2 Sinh khối Tar k5 Char k3 Char Hình 1.6: Mơ hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân biomass [36] Sản phẩm trình nhiệt phân sinh khối gồm gases (các sản phẩm nhiệt phân không ngưng tụ), tar (các chất bay ngưng tụ lại thành lỏng) char (các chất rắn – cốc) Gases bao gồm khí: CO, CO2, H2 hydrocarbons C1, C2 (Di Blasi, 2000, 1996) Chất lỏng ngưng tụ từ tar gọi dầu sinh học, bao gồm chất hữu nước Tùy thuộc vào thời gian lưu nhiệt độ mà sản phẩm tar tiếp tục bị phân hủy thứ cấp tạo thành gases char theo phản ứng k4 k5 Đây q trình khơng mong muốn làm giảm hiệu suất thu hồi dầu sinh học 1.7 Ứng dụng triển vọng dầu sinh học 1.7.1 Ứng dụng dầu sinh học Nhiệt Gases Tuốc bin Động Nhiệt phân nhanh Điện Dầu sinh học Cháy hỗn hợp Nhiệt Lò Than Nhiệt Ứng dụng than Hình 1.7: Ứng dụng sản phẩm nhiệt phân nhanh [7] Sinh khối xem nguồn nhiên liệu thay cho nhiên liệu hóa thạch làm giảm phát thải CO2 Tuy nhiên, sinh khối có khối lượng riêng nhỏ, khoảng 150 – 200 kg/m3 dẫn đến chi phí vận chuyển cao Dầu sinh học sản xuất từ trình nhiệt phân sinh khối có khối lượng riêng 1100 – 1200 kg/m3 [7,10], gần gấp lần mật độ phân bố phế thải nông nghiệp Mặt khác lượng thu dầu so với sinh khối thô khoảng 55 – 78 % [63] Kết chi phí vận chuyển Footer Page of 145 Header Page of 145 dầu sinh học giảm khoảng 87 % so với sinh khối thô [50] Dầu sinh học sử dụng nhiên liệu cho lò hơi, động diesel turbine khí [10] Các ứng dụng dầu sinh học thể hình 1.7 1.7.2 Các phƣơng pháp triển vọng nâng cấp dầu sinh học Trong khái niệm tinh chế dầu sinh học, nhiệt phân nhanh xem giai đoạn làm tăng mật độ thể tích sinh khối sản phẩm từ dầu sinh học Với ứng dụng công nghiệp, dầu sinh học có đặc tính khơng mong đợi nhiệt trị thấp, độ acid cao, độ nhớt tăng, nhiều oxy bị phân pha suốt thời gian lưu trữ Vì dầu sinh học từ trình nhiệt phân nhanh loại nhiên liệu lý tưởng để thay cho nhiên liệu giao thông vận tải, nên cần có cơng nghệ cải tiến Hiện có phương pháp nâng cấp dầu sinh học sau: Phương pháp nhiệt phân sinh khối có xúc tác: Quá trình nhiệt phân xúc tác biết đến để sản xuất dầu sinh học oxy, thực áp suất khí khơng sử dụng hydro Zeolite thường sử dụng chất xúc tác thích hợp q trình nhiệt phân xúc tác [50] Zeolite cracking kết hợp trực tiếp với q trình nhiệt phân nhanh zeolite cracking tương tác với nhiệt phân lò phản ứng xúc tác tách biệt Phương pháp xử lý nhiệt áp suất cao: Dầu sinh học đưa vào mơi trường có nhiệt độ 250 oC áp suất 100 atm phân thành pha, pha nước lên pha hữu Thành phần nguyên tố ôxy dầu giảm xuống đến 25 % Nhiệt trị dầu tăng lên đến 26 MJ/kg Phương pháp hydrodeoxy hóa (HDO): Loại oxy khỏi dầu sinh học phản ứng hợp chất có dầu với hydro với có mặt chất xúc tác, dầu sinh học phân thành pha nước pha hữu Phương pháp thường xảy nhiệt độ cao (400 oC) áp suất cao (200 atm) Dầu sinh học sau nâng cấp HDO có màu nâu nhạt trong, có độ nhớt thấp với khoảng nhiệt độ sôi 35 – 535 oC [41], hàm lượng oxy giảm xuống %, nhiệt trị cải thiện từ 21,3 MJ/kg lên 41,4 MJ/kg [42] Dầu nhiệt phân sau nâng cấp làm nhiên liệu trực tiếp cho tuốc bin kết hợp với tiền gia nhiệt 50 oC [78], sử dụng làm nhiên liệu trực tiếp phối trộn nhà máy lọc dầu [43] Dầu phân tách thành phân đoạn, sản phẩm sử dụng trực tiếp hay phối trộn làm nhiên liệu giao thông vận tải trở thành nguồn nguyên liệu cho trình nâng cấp cao để sản xuất sản phẩm có giá trị cao xăng, diesel, hóa chất [41, 44, 45] 1.8 Kết luận Cơng nghệ nhiệt phân gần thương mại hóa với lị phản ứng tầng sơi, lị tầng sơi tái tuần hồn, lị nón quay, lị trục vít… Tuy nhiên, khơng có lị có ưu điểm bật mặt kinh tế công nghệ Nhiều loại nguyên liệu sinh khối từ gỗ, chất thải nông nghiệp, công nghiệp tảo nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh Kết nghiên cứu thành phần tro (đặc biệt thành Footer Page of 145 Header Page of 145 phần Kali) thành phần lignin làm giảm hàm lượng dầu Điều kiện nhiệt phân (nhiệt độ, độ gia nhiệt, thời gian lưu khí) có ảnh hưởng đáng kể đến phân phối sản phẩm Dải nhiệt độ 450 - 500oC thời gian lưu khí nhỏ giây điều kiện tối ưu để thu hàm lượng dầu tối đa Dầu sinh học xem xét nhiên liệu tiềm sử dụng lò hơi, turbine khí, động turbine Tuy nhiên, lão hóa (phân pha tăng độ nhớt) thách thức việc lưu trữ ứng dụng dầu Trong nhà máy lọc dầu sinh học để sản xuất nhiên liệu vận tải, trình nhiệt phân nhanh xem cơng đoạn để làm tăng mật độ sinh khối sản xuất dầu sinh học Những công nghệ cải tiến để nâng cấp dầu sinh học gồm: xử lý hydro, hóa khí, cracking có xúc tác CHƢƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH 2.1 Ảnh hƣởng thành phần hóa học sinh khối Sinh khối hỗn hợp hemicellulose, cellulose, lignin lượng nhỏ chất hữu khác Ba thành phần chiếm 90 đến 95% thành phần biomass, lại từ đến 10% chất khoáng số hợp chất hữu khác [10] Tỉ lệ chúng thay đổi loại sinh khối Nhiệt phân sinh khối phân hủy nhiệt thành phần này, q trình nhiệt phân nhanh sản phẩm nhiệt phân nhanh bị ảnh hưởng tỉ lệ thành phần Mức độ phân hủy thành phần phụ thuộc vào thông số lò phản ứng, tốc độ gia nhiệt 2.2 Nhiệt độ phản ứng 2.2.1 Nhiệt độ ảnh hưởng đến thành phần sản phẩm nhiệt phân nhanh Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến phân bố sản phẩm từ trình nhiệt phân nhanh [20- 22] Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng khí tăng hàm lượng than giảm nhiệt độ trình nhiệt phân tăng lên Sự tăng nhiệt độ làm thúc đẩy trình hình thành lỏng Tuy nhiên, nhiệt độ lò phản ứng cao làm cracking nhiều hợp chất hữu bay Điều dẫn đến giảm hàm lượng lỏng Vùng nhiệt độ tối ưu để thu hàm lượng dầu tối đa nhiệt phân lò tầng sôi 450 – 510 oC [23-28] Hàm lượng dầu giảm đáng kể nhiệt độ 550 oC lị tầng sơi Hơn nữa, q trình nhiệt phân nhanh xảy nhiệt độ cao sinh nhiều hydrocarbon mạch vòng Khi nhiệt độ nhiệt phân cao 600 oC, nhóm alkyl bị tách thành phenol Hydrocarbon thơm mạch vịng hình thành 700 oC Nhiều tác giả nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh [26, 27, 29, 30] kết luận nhiệt độ nhiệt phân thông số quan trọng trình nhiệt phân nhanh, việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ cần thiết để thu hàm lượng chất lượng dầu tối ưu Footer Page of 145 Header Page of 145 2.2.2 Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến thành phần đặc tính sản phẩm khí Hình 2.1: Ảnh hưởng nhiệt độ đến thành phần khí [55] M Amutio cộng (2012) [55] nghiên cứu thay đổi thành phần hỗn hợp khí thay đổi nhiệt độ lị phản ứng thể hình 1.7 Khí tạo chủ yếu CO2, CO, tăng hàm lượng nhiệt độ tăng tăng cường phản ứng decarboxylation decarbonylation CO2 phần khí giảm nhanh nhiệt độ tăng CO tăng lên Nguyên nhân chủ yếu hầu hết CO2 tạo trình carboxyl nhiệt độ thấp cịn CO CH4 tạo nhiệt độ cao phản ứng cracking thứ cấp khí Hàm lượng hydrocarbon từ C1 – C4 tăng nhiệt độ tăng Lượng hydro thu không đáng kể nhiệt độ thấp khoảng 10% 600 oC 2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến thành phần đặc tính dầu Dầu sinh học hỗn hợp phức tạp hợp chất bị oxy hóa Để đơn giản hóa, dầu nhóm theo chức chúng Có nhiều 110 hợp chất tìm thấy với chất lượng tốt, chiếm 85% toàn lượng dầu Thành phần nước dầu sinh học chiếm 23,33 - 27,77 % nhiệt độ phản ứng thay đổi từ 400 - 600 oC Nước có dầu sinh học từ hàm lượng nước có ngun liệu ban đầu hình thành chủ yếu từ phản ứng dehydration cellulose hemicellulose Phenols hình thành từ khử polyme macromolecules lignin nhóm quan trọng nhất, hàm lượng thu tối đa 500 oC giảm đáng kể 600oC Saccharides hình thành từ phản ứng khử polyme cellulose hemicellulose Levoglucosan sản phẩm quan trọng hàm lượng đạt đỉnh 500oC tạo dải nhiệt độ Levoglucosan sản phẩm nhiệt phân chủ yếu cellulose hàm lượng thấp pha tạp hợp chất vô biomass Footer Page of 145 Header Page 10 of 145 Những nhóm saccharides khác cho hàm lượng tối đa 400oC tính ổn định nhiệt chúng Hàm lượng acids gần không đổi dải nhiệt độ 400 – 600oC, ta thấy hàm lượng acetic acid giảm nhiệt độ 450oC Hàm lượng alcohols khơng thay đổi đáng kể có gia tăng hợp chất nhẹ (như methanol) giảm hợp chất có khối lượng mol cao nhiệt độ cao phản ứng cracking 2.3 Ảnh hƣởng thời gian lƣu Trong trình nhiệt phân sinh khối, thời gian lưu cần 2s để thu lượng dầu tối đa [20, 21, 31] Phản ứng cracking dầu hữu phản ứng thứ cấp diễn bị lưu lại lâu nhiệt độ cao Phản ứng thứ cấp chuyển chất có khối lượng mol lớn thành có khối lượng mol nhỏ loại khí khơng ngưng, dẫn đến việc giảm hàm lượng dầu hữu Scott nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu q trình nhiệt phân bã mía lị tầng sơi kết hàm lượng dầu giảm từ 75% đến 60% thời gian lưu tăng từ 0,2 đến 0,9s 525oC Fagbemi Boroson có giảm hàm lượng dầu tăng thời gian lưu từ 0,8 đến 4s nhiệt độ 500 - 900oC lị tầng sơi hỗn hợp [53] Độ gia nhiệt có ảnh hưởng lớn đến phân phối sản phẩm dầu Nhiều loại lò nhiệt phân nhanh lị tầng sơi, lị tầng sơi tái tuần hồn, lị trục vít, lị nón quay… đạt độ gia nhiệt 700 – 1500 K/s [53], cao nhiều so với lị tầng sơi hỗn hợp có độ gia nhiệt khoảng 100 K/ph [53] Điều dẫn đến lò nhiệt phân nhanh thường cho hàm lượng dầu cao từ 65 – 75% [53], gấp khoảng 1,9 – 2,8 lần so với nhiệt phân chậm (có độ gia nhiệt thấp 100 K/s) Hàm lượng dầu tăng từ 28% đến 36% [53] hàm lượng than giảm từ 47% đến 34% độ gia nhiệt tăng từ đến 100 K/s với trình nhiệt phân nhanh gỗ sồi [53] 2.4 Ảnh hƣởng kích cỡ nguyên liệu Gustavo Aguilar cộng (2015) [56] nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt đến hiệu thu hồi sản phẩm trinh nhiệt phân nhanh nguyên liệu bã mía Chinese tallow tree (CTT) nhiệt độ 550oC Kết thể hình 2.4 Với bã mía, hàm lượng lỏng tăng nhẹ kích thước hạt tăng từ 0,5 – 1,4 mm; hàm lượng khí than giảm nhẹ Việc tăng kích thước hạt thêm không làm thay đổi hàm lượng lỏng thu nhiều Hàm lượng lỏng đạt cao 48% dải kích thước hạt từ 0,5 – 1,4 mm Với mẫu gỗ Chinese Tallow Tree (CTT), hàm lượng dầu lúc đầu thấp, khoảng 25% kích thước hạt tăng lên, hàm lượng dầu tăng nhanh theo đạt cực đại 48% dải kích thước hạt 1,4 – 2,4 mm Sau tăng kích thước hạt lên hàm lượng dầu lại giảm Kết lý giải với kích thước hạt nhỏ < 0,5 mm; lượng nhiệt truyền cao hơn, gây nên nhiệt độ hạt sinh khối cao hơn, dẫn đến việc nhiệt phân sinh khối hoàn toàn nhiệt cục làm cho sinh khối bị phân hủy thành khí khơng ngưng CO CO2 giảm hàm lượng dầu Khi kích thước hạt tăng lên, lượng Footer Page 10 of 145 Header Page 11 of 145 nhiệt truyền giảm làm giảm ảnh hưởng nhiệt cục tăng hàm lượng dầu Tuy nhiên, kích thước hạt lớn dẫn đến tạo chênh lệch nhiệt độ bề mặt hạt tâm hạt từ làm tăng hàm lượng than giảm hàm lượng dầu Kết nghiên cứu trùng hợp với kết nghiên cứu Bình MQ (2014) [31], Qingang Xiong (2013) [21] Qua ta thấy hiệu thu hồi dầu nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào kích cỡ hạt sinh khối Hình 2.2: Sự phụ thuộc hàm lượng than, dầu, khí với kích thước hạt (a) mẫu mía (b) mẫu CTT 2.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ sấy sinh khối đến hàm lƣợng chất lƣợng dầu Bảng 1.1: Đặc tính dầu sinh học Nhiệt độ nhiệt phân 550 oC Đặc tính dầu sinh học Khơng sấy Sấy nhiệt độ 200 oC, thời gian sấy 90 phút Nhiệt trị, MJ/kg 14 17-20 Hàm lượng nước, % 25-28 19-20 pH 2,3 – 2,5 3-3,2 Hiệu suất thu hồi dầu, % 62-64 63 Độ ẩm ban đầu sinh khối ảnh hưởng đến chất lượng dầu thu Galina Dobele cộng [57] thực thí nghiệm nhiệt phân nhanh 550 o C với mẫu bột gỗ không sấy mẫu bột gỗ sấy 200 oC 90 phút Kết ảnh hưởng nhiệt độ sấy đến đặc tính dầu thể bảng 2.2 2.6 Tốc độ gia nhiệt Tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến thời gian xảy trình nhiệt phân thành phần sản phẩm Khi tốc độ gia nhiệt tăng làm cho khả hình thành khí CO, CO2, CH4, C2H6 tăng Khi tốc độ gia nhiệt giảm khả hình thành chất rắn tăng lên Footer Page 11 of 145 10 Hiệu suất,% Header Page 12 of 145 Tốc độ gia nhiệt, 0C/phút Hình 2.3: Tỷ lệ bio-oil phụ thuộc vào tốc độ gia nhiệt Babu đồng (2004) cho tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến nhiệt độ phân hủy nhiên liệu Nếu tăng tốc độ gia nhiệt nhiệt độ phân hủy cao Hình 2.7 kết nghiên cứu Radmanesh et al (2005) [32], qua ta thấy tốc độ gia nhiệt tăng giá trị nhiệt độ cực đại trình phân hủy tăng CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 3.1 Xác định loại nguyên liệu, môi chất truyền nhiệt thơng số tính tốn thiết kế 3.1.1 Lựa chọn nguyên liệu Nguồn sinh khối Việt Nam đa dạng phong phú, rơm, bã mía, bột gỗ nguyên liệu sử dụng để sản xuất dầu sinh học có chất lượng cao công nghệ nhiệt phân nhanh Trong thiết kế này, nguyên liệu chọn để tính tốn thiết kế bột gỗ Việc lựa chọn nguyên liệu bột gỗ nguyên nhân sau: - Bột gỗ thông dụng Việt Nam, giá thành rẻ; - Trong loại sinh khối phổ biến, bột gỗ có khối lượng riêng lớn nên vận tốc trì lớp sơi trở lực lớp sơi lớn Vì vậy, thơng số động lực học trì lớp sơi lị phản ứng sử dụng cho bột gỗ điều chỉnh phù hợp sử dụng cho loại sinh khối khác Ngoài ra, khối lượng riêng bột gỗ lớn làm tăng khả thu hồi chất rắn cyclon - Sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi phân trọng trường TGA cho bột gỗ, bã mía, rơm; xác định nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân gỗ lớn (từ 290 – 300 oC) Vì vậy, nhiệt phân loại sinh khối kích cỡ thời gian nhiệt phân bột gỗ lớn Footer Page 12 of 145 11 Header Page 13 of 145 chiều cao lò phản ứng lớn Như sử dụng lị phản ứng nhiệt phân bột gỗ cho loại sinh khối khác - Thành phần tro bột gỗ nhỏ, chiếm từ 0,4 - % [16], nên giảm thiểu hàm lượng tro bụi bám bẫn hệ thống đặc biệt bình ngưng - Hàm lượng lignin bột gỗ thấp (16 - 30 %) Do hiệu thu hồi dầu nhiệt phân từ gỗ cao, từ 55 – 77% [16] 3.1.2 Lựa chọn môi chất truyền nhiệt Môi chất truyền nhiệt cho q trình nhiệt phân loại khí trơ nitơ, heli, argon, cacbon dioxit nước Đến có vài nghiên cứu việc sử dụng môi chất truyền nhiệt ảnh hưởng đến thành phần sản phẩm từ trình nhiệt phân Putin (2004) nghiên cứu nhiệt phân trấu với môi chất truyền nhiệt khí nitơ nước Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng nước hàm lượng dầu sinh học thu lớn sử dụng khí nitơ Đối với thành phần cốc khí, nhiệt phân mơi trường nước sinh hàm lượng thấp nhiệt phân mơi trường khí trơ Tuy nhiên thành phần nước dầu sinh học sử dụng nước cao dùng khí nitơ Kết nghiên cứu trùng hợp với kết Minkova (2001) nghiên cứu ảnh hưởng khí trơ nước đến sản phẩm nhiệt phân gỗ phong, đá ô liu, bã mía, pelletised straw mía lau Hiện tượng chứng tỏ nước không tác nhân nhiệt phân để hóa khí mà cịn phản ứng với sản phẩm nhiệt phân Ngoài kết nghiên cứu Minkova cho thấy thành phần cốc hàm lượng nguyên tố hydro, oxy cao cacbon thấp nhiệt phân môi trường nước so với mơi trường khí trơ Điều chứng tỏ phản ứng hóa học mơi chất nước với số sản phẩm từ trình nhiệt phân Vì nghiên cứu trình nhiệt phân, nhằm hạn chế yếu tố vận hành ảnh hưởng đến thành phần sản phẩm thường sử dụng mơi chất truyền nhiệt khí trơ Hơn nữa, loại khí trơ thường sử dụng khí nitơ phổ biến giá thành rẻ Vì vậy, hệ thống thiết bị nghiên cứu trình nhiệt phân mội chất truyền nhiệt sử dụng phổ biến khí nitơ 3.1.3 Các thơng số sử dụng tính tốn, thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh Khí nitơ sử dụng làm môi chất trung gian truyền nhiệt cho hạt sinh khối lị phản ứng Nitơ khí trơ có độ tinh khiết 96,69% nhiệt độ 525oC khơng tham gia phản ứng nên khơng ảnh hưởng đến thành phần sản phẩm nhiệt phân Nhiệt độ ban đầu khí nitơ t1 = 25 oC Phản ứng nhiệt phân diễn khoảng nhiệt độ 450-525 oC, hàm lượng dầu thu cao từ 500 – 510 oC [31] Trong mô hình thực thí nghiệm có nhiệt độ phản ứng cao t2 = 525 oC nên chọn giá trị nhiệt độ Footer Page 13 of 145 12 Header Page 14 of 145 để tính tốn cho thiết kế Nhiệt độ sản phẩm trình nhiệt phân khỏi lị phản ứng theo cơng nghệ tầng sôi t3 = 420 oC [47] Sinh khối sử dụng bột gỗ có nhiệt độ ban đầu = 25 oC Nhiệt độ bột gỗ bắt đầu trình nhiệt phân = 290 oC Giá trị nhiệt độ xác định theo kết phân tích nhiệt vi phân trọng trường TGA Mẫu gỗ có khối lượng 4,62 mg gia nhiệt từ nhiệt độ 30 °C đến 700 °C máy TGA Perkin Elmer STA6000 với tốc độ gia nhiệt 80 K.min-1 Kết TGA thể hình 3.1 Kết cho thấy nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân = 290 oC Hình 3.1: Đường cong TGA nhiệt phân bột gỗ bã mía Các thơng số vật lý bột gỗ khí nitơ thể bảng 3.1 Bảng 3.1: Các thông số vật lý bột gỗ, nitơ [36, 68, 69 ] Đại lƣợng Ký hiệu Khối lượng riêng b Nhiệt dung riêng Cp Hệ số dẫn nhiệt Hệ số khuếch tán nhiệt Độ nhớt động học b a ʋ Đơn vị Nitơ Bột gỗ o kg.m-3 700 25 C 4,525 KJ.kg-1.K-1 1,5 1,0463 W.m-1.K-1 m2.s-1 m2/s 0,1 10-7 - 525 oC 1,69 1,122 55,1 x10-7 466,15x10-7 68x10-6 3.2 Các bƣớc tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 3.2.1 Xác định nhiệt lượng cung cấp cho trình nhiệt phân Nhiệt lượng cung cấp cho trình nhiệt phân xác định theo cơng thức [47]: Qnp = Qs + Qr, W (3.1) Trong đó: Qnp: Nhiệt lượng cần cung cấp cho trình nhiệt phân; Footer Page 14 of 145 13 Header Page 15 of 145 Qs: Nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu đạt đến nhiệt độ bắt đầu phản ứng; Qs = Ggỗ.Cpgỗ.( – 1) Qr: Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng nhiệt phân Qr = Ggỗ(553 - 3142µchar) µchar tỷ lệ hàm lượng char so với sản phẩm nhiệt phân, µchar = 0,1034 [47] Ggỗ tính theo đơn vị kg/s Dịng khí nitơ nóng dẫn vào lị phản ứng cung cấp nhiệt QN2 cho trình nhiệt phân Do ta có phương trình: Qnp = QN2 Với QN2 N2 VN2 CpN2 (t – t3 ) (3.2) Thay đại lượng bảng 3.1 Qnp vào cơng thức (3.2), xác định lưu lượng khí nitơ cung cấp cho q trình nhiệt phân VN2 3.2.2 Tính cơng suất nhiệt Dịng khí nitơ gia nhiệt từ nhiệt độ t1 = 25 oC đến t2 = 525 oC Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt xác định theo công thức: Q = ρN2.VN2 CpN2 (t2 – t1)/ (3.3) 3.2.3 Tính vận tốc lớp sơi Để thực trình nhiệt phân nhanh, loại nguyên liệu có khoảng kích cỡ thích hợp Việc xác định kích cỡ phù hợp cho loại sinh khối công bố [1] Với bột gỗ đường kính hạt bột gỗ lớn để thực trình nhiệt phân nhanh dgỗ = 2.10-3 m Tiêu chuẩn Archimed [70] đặc trưng cho lực nâng vật liệu khí là: Ar ( gd3go N2 go ).( N2 ) (3.4) N2 Tiêu chuẩn Reynols [70] đặc trưng cho chuyển động hạt nguyên liệu: Ar (3.5) Re 1450 5,22 Ar Nếu Re < 20 vận tốc dịng khí cấp vào lị để tạo lớp sơi [70, 71]: d2 s go g N2 1650 (3.6) N2 Nếu Re > 1000 vận tốc dịng khí cấp vào lị để tạo lớp sôi là: s Footer Page 15 of 145 d go 24,5 N2 g (3.7) N2 14 Header Page 16 of 145 3.2.4 Tính thiết kế lị phản ứng 3.2.4.1 Tính đường kính lị phản ứng Hình 3.2: Lị nhiệt phân nhanh 1.Ống dẫn phẩm nhiệt phân, Ống cấp nguyên liệu, Đầu gắn cảm biến nhiệt độ, Bích nối lị phản ứng với lị gia nhiệt Đường kính lị phản ứng xác định từ phương trình liên tục: d 4VN2 (3.8) s 3.2.4.2 Tính chiều cao lị phản ứng Chiều cao phần phản ứng lị nhiệt phân xác định theo cơng thức: Hfu = ωs (3.9) Với thời gian thực q trình nhiệt phân Vì lị phản ứng thực theo cơng nghệ tầng sơi nên ln có lớp cát phía đáy lị có chiều cao tĩnh Hc Do chiều cao lị phản ứng là: Hlo = Hc + Hfu (3.10) 3.2.7 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hỗn hợp khí từ q trình nhiệt phân thành dầu sinh học Hỗn hợp khí vào bình ngưng trạng thái nhiệt Ta xem hỗn hợp khí vào bình ngưng gồm phần: phần ngưng tụ hồn tồn cho dầu sinh học tỏa môi trường làm lạnh nhiệt lượng Qoil phần khí khơng ngưng làm lạnh đến nhiệt độ bão hịa tỏa mơi trường làm lạnh nhiệt lượng Qgas Như tổng lượng nhiệt hỗn hợp khí tỏa bình ngưng để ngưng tụ từ nhiệt độ t’oil đến t”oil là: Q = Qoil + Qgas (3.12) Các đại lượng Qoil Qgas xác định theo công thức sau: + Qoil = Qoil1 + Qoil2 Footer Page 16 of 145 (3.13) 15 Header Page 17 of 145 Qoil1 = Goil.Cpoil.(t'oil – t"oil) Cpoil (3.14) Trong sản phẩm dầu nhiệt phân, hàm lượng nước chiểm khoảng 30% [31], nên: = 0,3CpH2O + 0,7Cphcơ (3.15) Qoil2 = Goil.roil (3.16) roil = 0,3rH2O + 0,7rhcơ (3.17) + Qgas = Ggas.Cpgas (t'oil – t"oil) (3.18) + Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit tính theo sơ đồ ngược chiều: t '' (t 'oil t''H 2O ) (t oil t'H 2O ) t 'oil t''H 2O ln '' t oil t'H 2O (3.19) + Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt bình ngưng xác định theo cơng thức: Q (3.20) F k t Trong đó: t’oil t”H2O t’H2O t”oil Hình 3.3: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân Ống dẫn hỗn hợp khí vào bình, Ống dẫn hỗn hợp khí khỏi bình, Ống xả dầu, Ống dẫn nước giải nhiệt vào Qoil1: nhiệt lượng khí tỏa để chuyển từ trạng thái q nhiệt thành bão hịa khơ; Footer Page 17 of 145 16 Header Page 18 of 145 Qoil2: nhiệt lượng khí tỏa để chuyển từ trạng thái bão hịa khơ trạng thái lỏng; Cpoil: nhiệt dung riêng dầu nhiệt phân; CpH2O: nhiệt dung riêng nước; Cphcơ: nhiệt dung riêng dầu hữu cơ; Cpgas: nhiệt dung riêng khí khơng ngưng; roil: nhiệt ẩn ngưng tụ dầu nhiệt phân; rH2O: nhiệt ẩn ngưng tụ nước; rhcơ: nhiệt ẩn ngưng tụ dầu hữu cơ; Goil : khối lượng dầu nhiệt phân; Vgas: lưu lượng hỗn hợp khí khơng ngưng; ρgas: khối lượng riêng hỗn hợp khí khơng ngưng; t’oil: nhiệt độ hỗn hợp khí vào bình ngưng; t"oil : nhiệt độ dầu nhiệt phân khỏi bình ngưng; t’H2O: nhiệt độ nước giải nhiệt vào bình ngưng; t”H2O: nhiệt độ nước giải nhiệt khỏi bình ngưng; k: hệ số truyền nhiệt 3.3 Tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học công suất 500 g/h Sử dụng công thức mục 3.2 xác định thông số thiết kế thiết bị hệ thống nhiệt phân nhanh công suất 500 g/h sau: - Nhiệt lượng cung cấp cho trình nhiệt phân là: Qnp = 87,9 W; - Lưu lượng khí nitơ cung cấp cho q trình nhiệt phân là: VN2 = 0,000441 m3/s = 26,486 lít/ phút - Tính cơng suất điện trở: Qđiện trở = 1,5 kW - Tính vận tốc lớp sơi: ωs = 0,244 m/s - Đường kính lị phản ứng : d = 50 mm - Tính chiều cao lị phản ứng: Hlò = 0,55 m Cấu tạo lò phản ứng thể hình 3.4 - Chọn cụm phân phối khí: có ống phun, vịi có lỗ phun đường kính dm = mm, chiều cao Footer Page 18 of 145 17 Hình 3.4: Cấu tạo lò phản ứng Header Page 19 of 145 25 mm, đường kính ngồi 13 mm - Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ: F = 532 cm2 Sơ đồ nguyên lý thể hình 3.5 Các thiết bị chế tạo lắp đặt thể hình 3.6 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học công suất 500 g/h Thiết bị cấp liệu, Lị phản ứng, Cyclone, Bình ngưng 1, Bình ngưng 2, Bình ngưng 3, 7: Bình parafin, 8: Động cấp liệu, 9: Bình khí nitơ Footer Page 19 of 145 18 Header Page 20 of 145 Hình 3.6: Hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học công suất 500 g/h CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 4.1 Thơng số vật lý, thành phần hóa học thành phần nguyên tố sinh khối sử dụng thí nghiệm Đại lƣợng Bột gỗ Bã mía Bảng 4.1 Các thơng số vật lý sinh khối Khối Hệ số Nhiệt dung Hệ số dẫn lượng khuếch tán riêng, Cpb nhiệt, b nhiệt, a riêng, p [J/kg.K] [W/mK] [m2/s] [kg/m ] 700 1500 0,105 1x10-7 280 1125 0,1 3x10-7 Tham khảo [36] [80, 81] Bảng 4.2 Thành phần hóa học thành phần nguyên tố sinh khối stt 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.5 2.4 2.5 Tên tiêu Thành phần hóa học Hemicellulose Cellulose Ligin Thành phần nguyên tố C H N O S Tro Footer Page 20 of 145 19 Đơn vị Bột gỗ Bã mía % % % 20,5 41,5 27 24,44 44,5 18,6 % % % % % % 47,5 6,8 0,1 44,8 0,1 0,62 45,1 6,2 0,46 41,5 KPH Header Page 21 of 145 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu thu hồi sản phẩm từ trình nhiệt phân nhanh 4.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu thu hồi sản phẩm Thực nhiệt phân nhanh sinh khối bột gỗ, bã mía với lưu lượng khí nitơ 25 lít/phút kích cỡ hạt từ (0,5 – 1) mm Các kết thí nghiệm hiệu thu hồi loại sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ thể hình 4.1 4.2 Hình 4.1: Ảnh hưởng nhiệt độ lị phản ứng đến hàm lượng sản phẩm trình nhiệt phân nhanh bột gỗ Hình 4.2: Ảnh hưởng nhiệt độ lò phản ứng đến hàm lượng sản phẩm trình nhiệt phân nhanh bã mía Từ kết nghiên cứu thực nghiệm thể hình 4.1 4.2 ta thấy nhiệt độ tăng dần hàm lượng dầu có xu hướng tăng lên đạt giá trị cao Với bột gỗ bã mía giá trị nhiệt độ để hiệu thu hồi dầu sinh học cao ttu = 500 oC 480 oC Khi nhiệt độ vượt ngưỡng giá trị hàm lượng dầu giảm nhanh Bên cạnh đó, theo chiều tăng nhiệt độ, hàm lượng khí sinh có xu hướng tăng nhẹ nhiệt độ nhiệt phân chưa vượt ngưỡng ttu, vượt ngưỡng ttu ta thấy lượng khí sinh tăng vọt đáng kể Hàm lượng cốc có xu hướng giảm theo chiều tăng nhiệt độ Từ ta nhận thấy với loại sinh khối Footer Page 21 of 145 20 Header Page 22 of 145 khác nhiệt độ tối ưu để hiệu thu hồi dầu nhiệt phân khác Kết nghiên cứu phù hợp với kết nghiên cứu B.M Phan (2014) [31], Qingang Xiong (2013) [21] K Papadikis, A.V Bridgwater (2009) [36] 4.4.2 Ảnh hưởng kích cỡ đến hiệu thu hồi sản phẩm Để nghiên cứu kích cỡ hạt sinh khối ảnh hưởng đến hiệu thu hồi thành phần sản phẩm từ trình nhiệt phân nhanh, nhóm nghiên cứu thực thí nghiệm nhiệt phân nhanh cho sinh khối bột gỗ bã mía với lưu lượng khí nitơ cấp vào 25 lít/phút, nhiệt độ khí nitơ cấp vào t = 500 oC, kích cỡ hạt bột gỗ cấp cho lượt thí nghiệm: nhỏ 0,5 mm; 0,5 – mm – 1,5 mm.; kích cỡ hạt bã mía cấp cho lượt thí nghiệm: từ 0,5 – mm, – 1,5 mm 1,5 – mm Kết thí nghiệm thể hình 4.3 4.4 Hình 4.3: Ảnh hưởng kích cỡ bột gỗ đến hàm lượng sản phẩm với lưu lượng khí nitơ 25 lít/phút nhiệt độ phản ứng 500 oC Hình 4.4: Ảnh hưởng kích cỡ bã mía đến hàm lượng sản phẩm với lưu lượng khí nitơ 25 lít/phút nhiệt độ phản ứng 500 oC Footer Page 22 of 145 21 Header Page 23 of 145 Từ kết thí nghiệm hình 4.3 4.4 ta thấy hiệu thu hồi dầu phụ thuộc vào kích cỡ hạt sinh khối Khi lưu lượng khí nitơ 25 lít/min nhiệt độ lị phản ứng tf = 500 oC, hiệu thu hồi dầu đạt cực đại với bột gỗ có kích cỡ hạt tu = 0,5 – mm, với bã mía có kích cỡ hạt tu = – 1,5 mm Khi kích cỡ vượt ngưỡng giá trị hàm lượng dầu giảm nhanh Ngược lại kích cỡ hạt nhỏ tu trình nhiệt phân diễn nhanh có lượng dầu tiếp tục phân hủy thành khí nên hiệu suất thu hồi dầu thấp hàm lượng khí cao Khi tăng kích cỡ thời gian phản ứng diễn lâu hơn, khả trao đổi nhiệt từ bề mặt hạt liệu đến tâm giảm dần nên hàm lượng cốc tăng dần Vì vậy, với khoảng kích cỡ hạt liệu sinh khối tương ứng với khoảng thời gian nhiệt phân khác để hiệu thu hồi dầu cao Đây sở thiết kế chiều cao lò phản ứng phù hợp với với khoảng kích cỡ hạt sinh khối khác 4.3.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ cấp nhiệt đến hiệu thu hồi sản phẩm Thực thí nghiệm nhiệt phân nhanh cho bột gỗ với nhiệt độ khí nitơ cấp vào t = 500 oC, kích cỡ hạt từ 0,5 – mm; bã mía với nhiệt độ khí nitơ cấp vào t = 480 oC, kích cỡ hạt từ – 1,5 mm lưu lượng khí nitơ cấp cho lượt thí nghí nghiệm 23 - 26 lít/phút Kết thí nghiệm thể hình 4.5 4.6 Hình 4.5: Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến hiệu thu hồi dầu sinh học với bột gỗ kích cỡ 0,5-1 mm, nhiệt độ lị phản ứng 5000C Hình 4.6: Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến hiệu thu hồi dầu sinh học với bã mía kích cỡ – 1,5 mm, nhiệt độ lị phản ứng 5000C Footer Page 23 of 145 22 Header Page 24 of 145 Các giá trị lưu lượng khí nitơ thực thí nghiệm từ 23 - 29 lit/phút đảm bảo tạo lớp sơi lị phản ứng Từ kết thí nghiệm hình 4.6 4.7 ta thấy lưu lượng khí nitơ cung cấp cho lị phản ứng ảnh hưởng đến hiệu thu hồi dầu Hiệu thu hồi dầu bột gỗ đạt 49 % lưu lượng khí 25 lít/phút; bã mía đạt 50 % lưu lượng khí 24 lít/phút Khi lưu lượng lớn giá trị hiệu thu hồi dầu giảm Với chất cốc, lưu lượng tăng hiệu thu hồi tăng dần Ngược lại, với chất khí lưu lượng tăng lượng khí giảm dần 4.4 Kết luận Khi nhiệt phân nhanh sinh khối lị tầng sơi sản xuất nhiên liệu sinh học, khả thu hồi loại sản phẩm phụ thuộc vào loại sinh khối, nhiệt độ phản ứng, kích cỡ nguyên liêu lưu lượng khí nitơ cấp Từ kết thí nghiệm phân tích nhóm nghiên cứu xác định thơng số vận hành tối ưu để hiệu thu hồi dầu sinh học cao Với bột gỗ: nhiệt độ phản ứng 500 oC, lưu lượng khí nitơ 25 lít/phút kích cỡ nguyên liệu 0,5 – mm; hiệu thu hồi dầu đạt 49 % Với bã mía: nhiệt độ phản ứng 480 oC, lưu lượng khí nitơ 24 lít/phút kích cỡ nguyên liệu – 1,5 mm; hiệu thu hồi dầu đạt 50 % Footer Page 24 of 145 23 Header Page 25 of 145 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIẾN ĐỀ TÀI Kết luận Trên sở nghiên cứu nhiệt phân sản xuất nhiên liệu sinh học nước giới, nhóm nghiên cứu tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến trình nhiệt phân nhanh Qua định hướng hướng nghiên cứu để nâng cao hiệu thu hồi dầu sinh học Sử dụng sở lý thuyết tính tốn động lực học, truyền nhiệt lị tầng sơi xác định bước thiết kế thiết bị hệ thống nhiệt phân nhanh thiết kế chế tạo hệ thống có cơng suất 500 g/h Nghiên cứu thực nghiệm số yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu thu hồi dầu sinh học nhiệt phân loại sinh khối phổ biến Việt Nam bột gỗ bã mía Các kết nghiên cứu sở nghiên cứu ứng dụng nguồn lượng sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học Hƣớng phát triển đề tài Trên sở kết nghiên cứu đề tài, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu đánh giá đặc tính dầu sinh học Từ kết hợp với nhóm nghiên cứu cơng nghệ hóa dầu nghiên cứu đề xuất cơng nghệ phù hợp nâng cao chất lượng dầu sinh học từ trình nhiệt phân nhanh để sử dụng nguồn nhiên liệu vào công nghiệp đời sống Tiếp tục nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống nhiệt phân nhanh sử dụng nguồn nhiệt từ trình đốt cháy sinh khối Quá định hướng hướng nghiên cứu thu hồi dầu sinh học có hiệu cao nhất./ - Footer Page 25 of 145 24 ... nhiệt phân Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt thời gian nhiệt phân người ta phân biệt thành trình nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình nhiệt phân nhanh Trong đó, thực nhiệt phân nhanh lượng dầu sinh. .. 3.6: Hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học công suất 500 g/h CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 4.1 Thông số vật... đến hiệu thu hồi dầu sinh học nhiệt phân loại sinh khối phổ biến Việt Nam bột gỗ bã mía Các kết nghiên cứu sở nghiên cứu ứng dụng nguồn lượng sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học Hƣớng phát