Nghiên cứu nâng cao hiệu quả khí hóa sinh khối bếp đun cải tiến và giảm thiểu

LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Lê Đức Dũng, người tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Bản luận văn hoàn thành, phần lớn nhờ vào ý kiến, định hướng, gợi ý dẫn dắt bảo thầy Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Viện Khoa Học Công Nghệ Nhiệt Lạnh truyền thụ cho em kiến thức quý giá suốt thời gian học tập Viện Qua em mong tương lai nhận bảo, ý kiến dẫn dắt nhiệt tình thầy cô để em trưởng thành lĩnh vực chuyên môn Cuối em xin cảm ơn tới bạn ngành kĩ thuật lượng có đóng góp nhận xét quý giá để luận văn cao học em hoàn thành tốt đẹp i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tự tính toán thiết kế nghiên cứu hướng dẫn thầy giáo TS Lê Đức Dũng Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Học viên cao học Vũ Văn Nam ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 1.1 Tiềm sinh khối 1.1.1 Tổng quan sinh khối 1.1.2 Nguồn lượng từ sinh khối 1.1.3 Việc sử dụng sinh khối nước phát triển 1.1.4 Giới thiệu nhiên liệu sinh khối Việt Nam 1.2 Hiện trạng lượng sinh khối Việt Nam 11 1.3 Lợi ích vai trò sinh khối 12 1.3.1 Lợi ích 12 a Lợi ích kinh tế 12 b Lợi ích môi trường 14 c Khó khăn 14 1.3.2 Thành phần hóa học sinh khối 14 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 17 2.1 Khí hóa sống sử dụng đun nấu 17 2.2 Khái niệm 17 2.3 Cơ sở hóa học trình khí hóa 18 2.3.1 Cơ chế chung 18 2.3.2 Cơ chế phản ứng phản ứng trình khí hóa 19 a Cơ chế phản ứng C + H2O 19 b Cơ chế phản ứng C + CO2 21 2.4 Nguyên liệu cho trình khí hóa sinh khối 22 2.5 Sản phẩm trình khí hóa 23 2.6 Ưu điểm nhược điểm công nghệ khí hóa sinh khối 23 2.6.1 Ưu điểm 23 2.6.2 Nhược điểm 24 iii 2.7 Các yếu tổ ảnh hưởng đến trình khí hóa sinh khối 24 2.7.1 Ảnh hưởng áp suất 24 2.7.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 25 2.7.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí mang N2 25 2.7.4 Ảnh hưởng tỉ lệ H2O/ sinh khối 26 2.7.5 Ảnh hưởng nguyên liệu 26 2.7.6 Ảnh hưởng tro xỉ 26 2.7.7 Kích thước nhiên liệu 27 2.7.8 Độ ẩm nhiên liệu 27 2.8 Các công nghệ khí hóa sinh khối 27 2.8.1 Khí hóa lớp chặt 27 a Lò khí hóa ngược chiều 29 b Lò khí hóa thuận chiều 29 c Lò khí hóa dòng cắt ngang 30 d Lò khí hoá có nguồn nhiệt bên trên, khí sản phẩm từ lên Top-lit updraft gasifier (TLUD gasifier) .30 e Đặc điểm khí hoá sinh khối theo lớp chặt 31 2.8.2 Khí hóa sinh khối lớp sôi 32 2.8.3 Thiết bị khí hóa tầng kéo theo 35 CHƯƠNG III TỔNG HỢP CÁC LOẠI BẾP ĐUN GIA ĐÌNH ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 37 3.1 Nhiên liệu 37 3.1.1 Nguyên lý bếp khí sinh khối 37 3.1.2 Ứng dụng 38 3.1.3 Đối tượng sử dụng chi phí 38 3.2 Giới thiệu chi tiết loại bếp 38 3.2.1 Bếp đun trấu truyền thống 38 a Nguyên tắc hoạt động 38 b Ưu nhược điểm 39 3.2.2 Bếp đun trấu kiểu đứng đơn giản 39 a Nguyên tắc hoạt động 39 b Ưu nhược điểm 39 3.2.3 Bếp hóa khí theo công nghệ ngược chiều 40 iv a Nguyên lý hoạt động 40 b Ưu nhược điểm 40 3.2.4 Bếp hóa khí theo công nghệ ngang 41 a Nguyên lý hoạt động 41 b Ưu, nhược điểm 42 3.2.5 Bếp khí hóa ngược chiều 42 a Nguyên lý hoạt động 42 b Ưu, nhược điểm 43 3.2.6 Giới thiệu bếp hóa khí sinh khối chiều, buồng đốt 43 a Nguyên lý hoạt động 43 b Ưu, nhược điểm 44 CHƯƠNG IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA CÁC BẾP KHÍ HÓA 46 4.1 Phương pháp thí nghiệm bếp khí hóa 46 4.1.1 Phòng thí nghiệm bếp 46 4.1.2 Công tác an toàn cháy nổ và vê ̣ sinh trước và sau thí nghiê ̣m 47 4.1.3 Các bước để tiế n hành mô ̣t bài thí nghiê ̣m 47 a Mục đích thí nghiệm thử 48 b Người làm thí nghiệm 49 4.1.4 Thí nghiê ̣m chính thức 49 a Các bước tiế n hành thí nghiê ̣m 52 b Phân tić h mẫu 54 4.2 Các loại bếp khí hóa thông dụng 54 4.2.1 Mẫu bếp sinh khối lớp 54 a Thông số bếp 54 b Nguyên lý hoạt động 55 c Ưu nhược điểm bếp khí hóa lớp 55 4.2.2 Mẫu bếp sinh khối lớp có vòi đốt 56 a Thông số bếp 56 b Nguyên lý hoạt động 57 c Ưu nhược điểm bếp khí hóa lớp 57 4.2.3 Mẫu bếp sinh khối hai lớp 59 v a Thông số bếp 59 b Nguyên lý hoạt động 60 c Ưu nhược điểm bếp khí hóa hai lớp 60 4.2.4 Mẫu bếp sinh khối hai lớp có gió thứ cấp 61 a Thông số bếp 61 b Nguyên lý hoạt động 62 c Ưu nhược điểm bếp khí hóa hai lớp có gió thứ cấp 62 4.3 Thông số kỹ thuật loại bếp 63 4.3.1 Thời gian nhóm loại bếp 63 4.3.2 Thời gian sôi loại bếp 64 4.3.3 Hiệu suất loại bếp 65 4.4 Phát thải nhà đun nấu 67 CHƯƠNG V TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MẤU BẾP KHÍ HÓA HIỆU QUẢ CAO 69 5.1 Tính toán bếp khí hóa sinh khối sử dụng cho hộ gia đình nông thôn Việt Nam 69 5.1.1 Các bữa ăn người nông dân Việt Nam 69 5.1.2 Tính toán bếp khí hóa cho người nông dân dân Việt Nam 69 a Tính toán lượng nhiệt yêu cầu 69 b Lượng nhiên liệu yêu cầu 70 c Đường kính buồng khí hóa 71 d Chiều cao buồng khí hóa 71 e Thời gian hoạt động bếp mẻ 72 f Lượng gió sơ cấp 72 g Vận tốc gió sơ cấp 73 5.1.3 Mấu bếp khí hóa BKS1 74 a Thông số bếp BKS1 74 b Nguyên lý hoạt động bếp BKS1 74 c Ưu nhược điểm bếp BKS1 76 5.1.4 Chế độ vận hành hiệu bếp BKS1 77 a Quy trình thí nghiệm 77 b Chế độ cấp gió hợp lý bếp khí hóa BKS1 77 vi c Đánh giá hiệu suất hiệu bếp BKS1 79 d Đánh giá phát thải bếp BKS1 80 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tên đại lượng Thứ nguyên Qn Lượng nhiệt cần thiết tiêu hao kcal/hr Mf Khối lượng cảu thực phẩm Es Tổng lượng thực phẩm T Thời gian nấu FCR Qc Nhiệt trị nhiên liệu ξg Hiệu suất bếp khí hóa % D Đường buồng khí hóa m SGR 10 H Chiều cao buồng khí hóa 11 ρ Khối lượng riêng nhiên liệu 12 Vr Thể tích buồng khí hóa 13 AFR 14 α 15 SA kg kcal/kg hr Suất tiêu hao nhiên liệu kg/hr kcal/kg Suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích kg/m2.hr m kg/m3 m3 Lượng gió sơ cấp m3/hr Hệ sô không khí thừa (thiếu) Lượng gió sơ cấp lý thuyết, kgkhông khí/ kgnhiên liệu kgkhông khí/ kgnhiên liệu 16 ρa Khối lượng riêng không khí 17 Vs Tốc độ gió sơ cấp kg/m3 m/s viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Số hộ gia đình sử dụng lượng sinh khối tổng số sinh khối tiêu thụ số nước châu phi Bảng 1.2: Tiềm khả khai thác lượng sinh khối Bảng 1.3:Trữ lượng vài thành phần sinh khối Bảng 1.4: Tiềm sinh khối gỗ lượng Bảng 1.5: Tiềm sinh khối phụ phẩm nông nghiệp 10 Bảng 1.6: Năng lượng phát điện tương đương sinh khối 10 Bảng 1.7: thành phần phế phẩm so sánh với than 11 Bảng 1.8 Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực 11 Bảng 1.9 Sử dụng sinh khối theo lượng cuối 11 Bảng 1.10: Nguồn lượng từ sinh khối so với nguồn 13 lượng tái sinh khác Bảng 1.11: Thành phần nguyên tố của số loại sinh khối 16 Bảng 2.1: Ưu nhược điểm thiết bị khí hóa tầng cố định 32 Bảng 4.1: Danh sách dụng cụ thí nghiệm 51 Bảng 4.2: Danh sách vật dụng thí nghiệm thay 52 Bảng 4.3: Bảng thời gian nhóm bếp 64 Bảng 4.4: Thời gian sôi loại bếp 65 Bảng 4.5: Bảng thời gian nhóm bếp 66 Bảng 5.1: Nhu cầu lượng thực phẩm trình nấu 70 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Các monomer Lignin 15 Hình 2.1: Khí hóa ngược chiều 29 Hình 2.2: Khi hóa thuận chiều 30 Hình 2.3: Khí hóa dòng cắt ngang 30 Hình 2.4: Khí hóa TLUD gasifier 31 Hình 2.5: Thiết bị khí hóa tầng sôi 33 Hình 2.6: Thiết bị khí hóa tầng sôi điển hình 35 Hình 2.7: Thiết bị khí hóa tầng sôi 35 Hình 2.8: Thiết bị khí hóa tầng kéo theo 36 Hình 3.1: Bếp đun trấu mùn cưa 38 Hình 3.2: Bếp đun trấu kiểu đứng đơn giản 39 Hình 3.3: Bếp hóa khí theo thuận chiều 40 Hình 3.4: Bếp khí hóa theo công nghệ ngang 41 Hình 3.5: Bếp khí hóa theo ngược chiều 42 Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống bếp hóa khí 43 Hình 4.1: Mô hình thí nghiệm bếp 47 Hình 4.2: Bếp khí hóa lớp (Bếp Viết) 56 Hình 4.3: Bếp khí hóa lớp có vòi đốt (bếp Thuận Phú) 59 Hình 4.4: Bếp khí hóa hai lớp (bếp Rùa) 61 Hình 4.5: Bếp sinh khối hai lớp có gió thứ cấp (bếp SPIN) 63 Hình 4.6: Thời gian nhóm loại bếp 70 Hình 4.7: Thời gian sôi loại bếp 71 Hình 4.8: Hiệu suất loại bếp 72 Hình 5.1: Bản vẽ chế tạo bếp BKS1 75 Hình 5.2: Bản vẽ hình ảnh thật bếp khí hóa BKS1 77 Hình 5.3: Biểu đồ quan hệ hiệu suất hệ số không khí thừa bếp 78 khí hóa cải tiến x - Qc: Nhiệt trị nhiên liệu, kcal/kg - ξg: Hiệu suất bếp khí hóa, % Lượng nhiên liệu cần thiết để cung cấp cho bếp khí hóa với nhiên liệu trấu có nhiệt trị 3750 kcal/kg hiệu suất bếp 23% theo công thức 5.2 là: FCR  1334.23  1.55 (kg/hr) 3750  0.23 c Đường kính buồng khí hóa [21] Đường kính buồng khí hóa tính phần mặt cắt ngang buồng đốt trình cháy diễn Đường kính buồng khí hóa tính tỷ lệ suất tiêu hao nhiên liệu (FCR) suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích (SGR) đố với khí hóa SGR dải đến 210 kg/m2.hr theo số liệu trình thí nghiệm Đường kính buồng đốt tính theo công thức sau:  1.27  FCR  D   SGR  0.5 (5.3) Trong đó: D: Đường buồng khí hóa, m FCR: Suất tiêu hao nhiên liệu giờ, kg/hr SGR: Suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích, kg/m2.hr Đối với bếp khí hóa tiêu thụ nhiên liệu trông 1.55 kg/h với suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích 70 kg/m2.hr theo công thức 5.3 là:  1.27 1.55  D  70   0.5  0.167 (m) d Chiều cao buồng khí hóa [21] Chiều cao buồng khí hóa tính phụ thuộc vào suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích (SGR), thời gian hoạt động bếp mẻ nhiên liệu (T) mật độ nhiên liệu sử dụng bếp tính theo công thức sau: H SGR  T (5.4)  Trong đó: H: Chiều cao buồng khí hóa, m T: Thời gian hoạt động bếp mẻ nhiên liệu, hr 71 SGR: Suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích, kg/m2.hr ρ: Khối lượng riêng nhiên liệu, kg/m3 Đối với bếp khí hóa trấu khối lượng riêng 150 kg/cm3, thời gian bếp hoạt động suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích 70 kg/m2.hr tính theo công thức 5.4 là: H 100 1  0.67 (m) 150 e Thời gian hoạt động bếp mẻ [21] Thời gian hoạt động bếp theo mẻ lượng thời gian cháy hết nhiên liệu bếp thời gian mẻ, bao gồm thời gian nhóm, mồi thời gian cháy hết nhiên liệu Thời gian hoạt động bếp phụ thuộc vào khối lượng riêng nhiên liệu (ρ), thể tích buồng khí hóa (Vr), suất tiêu hao nhiên liệu (FCR) Tính toán tổng thời gian cháy theo công thức bên dưới: T   Vr (5.5) FCR Trong đó: T: Thời gian hoạt động bếp mẻ nhiên liệu, hr Vr: Thể tích buồng khí hóa, m3 ρ: Khối lượng riêng nhiên liệu, kg/m3 FCR: Suất tiêu hao nhiên liệu giờ, kg/hr Đối với bếp tích buồng khí hóa là: 0.011 m3, nhiên liệu trấu có khối lượng riêng 150 kg/cm3, suất tiêu hao nhiên liệu 1.55 kg/hr thời gian nấu theo công thức 5.5 là: T 150  0.011  1.06 (hr) 1.55 f Lượng gió sơ cấp [21] Lượng gió sơ cấp lượng gió cần thiết cho trình khí hóa bếp, lượng gió sơ cấp thường 0.3 – 0.4 lần lượng gió lý thuyết để nhiên liệu bếp khí hóa cháy hoàn toàn Lượng gió sơ cấp theo suất tiêu hao nhiên liệu (FCR), lượng gió sơ cấp lý thuyết cho trình cháy hoàn toàn nhiên liệu (SA), hệ số không khí thừa (thiếu) (α) (trong trình khí hóa bếp hệ số không khí thừa 72 khoảng 0.3 đến 0.4) Tính toán lượng gió sơ cấp tính theo công thức sau: AFR    FCR  SA a (5.6) Trong đó: AFR: Lượng gió sơ cấp, m3/hr α: Hệ sô không khí thừa (thiếu) FCR: Suất tiêu hao nhiên liệu giờ, kg/hr SA: Lượng gió sơ cấp lý thuyết, kgkhông khí/ kgnhiên liệu ρa: Khối lượng riêng không khí, kg/m3 Đối với bếp tính toán ta chọn hệ số không khí thừa 0.35, suất tiêu hao nhiên liệu 1.55 kg/hr, lượng gió sơ cấp lý thuyết cho bếp đun thường chọn 4.5, khối lượng riêng không khí 1.25 lượng không khí sơ cấp cần theo công thức 5.6 là: AFR  0.35 1.55  4.5  1.95 (m3/hr) 1.25 g Vận tốc gió sơ cấp [21] Tốc độ gió sơ cấp lượng gió sơ cấp thổi vào lớp nhiên liệu bếp Tốc độ gió sơ cấp thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến trình khí hóa Tốc độ gió sơ cấp tính phụ thuộc đường kính buồng khí hóa (D) lượng gió sơ cấp (AFR) tính theo công thức sau: Vs   AFR 3.14  D (5.7) Trong đó: Vs: Tốc độ gió sơ cấp, m/s AFR: Lượng gió sơ cấp, m3/hr D: Đường kính buồng khí hóa, m Đối với bếp tính toán với lượng gió sơ cấp 1.95 m3/hr, với đường kính buồng khí hóa 0.167 m vận tốc gió sơ cấp tính theo công thức 5.7: Vs   1.95  0.025 (m/s) 3.14  0.167 73 5.1.3 Mấu bếp khí hóa BKS1 [20] Trong trình chế tạo bếp khí hóa dựa vào kết tính toán phần kết hợp với trình thử bếp thực tế đưa mẫu bếp BKS1 có thông số sau: a Thông số bếp BKS1 (hình 5.1) - Bếp cấu tạo gồm ba phần chính: Thân bếp, bồng đốt, quạt cấp gió sơ cấp + Thân bếp bao gồm thân đường kính Φ170x3 mm, thân đường kính 210x2 mm, chiều cao 500 mm Thân chia hai mặt sàng Φ170x2 mm đục lỗ Φ3,5, phần mặt sàng hộp phân phối gió sơ cấp, phần chứa nhiên nhiệu (buồng khí hóa) Gió thứ cấp từ đáy bếp lên qua không gian thân thân + Bồng đốt có kích thước Φ210x2 mm, chiều cao 50 mm Phần bồng đốt buồng hòa trộn có kích thước Φ110x2mm, chiều cao 35 mm nơi hòa trộn khí nóng với gió thứ cấp, xung quang buồng hòa trộn hai hàng lỗ Φ3,5 tạo dòng gió thứ cấp cắt ngang dòng khí nóng Phần buồng hòa trộn có hai hàng lỗ Φ3,5 có đường kính (Φ80 Φ60) để hỗn hộp khí nóng gió sơ cấp thoát bếp để cháy Bồng đốt chế tạo để tách khỏi thân bếp dễ dàng + Gió sơ cấp cấp quạt 12 V- DC nguồn cấp 220 V + Vật liệu chế tạo inox SUS 304 + Suất tiêu hao nhiên liệu mẻ: 1,5 kg trấu/mẻ + Thời gian cháy hết mẻ: 45 phút b Nguyên lý hoạt động bếp BKS1 BKS1 sử dụng nguyên lý khí hóa từ xuống hình 5.2 Nhiên liệu đổ vào thân (buồng khí hóa) cách buồng hòa trộn bếp 50 mm, sau điều chỉnh gió sơ cấp hợp lý cho bếp, lưu lượng gió sơ cấp ổn định dùng mồi (đóm tre, giấy…) cháy vào buồng khí hóa đặt bồng lửa lên, nhiên liệu cháy lớp gia nhiệt cho nhiên liệu lớp môi trường thiếu không khí, môi trường nhiên liệu sinh chất khí cháy (CO, H2…) Các chất khí bốc lên buồng hòa trộn với gió thứ cấp cắt ngang qua lỗ phun xung quanh, sau thoát buồng hòa trộn, hỗn hợp 74 Hình 5.1: Bản vẽ chế tạo bếp BKS1 75 bắt cháy gặp lửa Khi lửa cháy tạo lực hút tự nhiên dòng gió thứ cấp từ đáy bếp lên, gió thứ cấp lên qua khoảng thân thân gia nhiệt, dùng lửa phục vụ nhu cầu người dùng c Ưu nhược điểm bếp BKS1 Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản + Dễ chế tạo gia công hàng loạt + Chi phí vận hành bảo dưỡng nhỏ (nguồn nhiên liệu sẵn: Các phế phẩm nông nghiệp) + Tiêu hao điện cho quạt + Không xẩy tượng đóng xỉ + Phát thải CO + Cháy kể nhiên liệu ẩm + Thời gian mồi ngắn khoảng (30 giây) + Giảm phát thải bụi có lưới lọc bụi + Thời gian sử dụng bếp khoảng 02 năm Nhược điểm: + Hiệu suất trung bình + Vật liệu thép không rỉ inox SUS 304 giá thành cao 76 Hình 5.2: Bản vẽ hình ảnh thật bếp khí hóa BKS1 5.1.4 Chế độ vận hành hiệu bếp BKS1 [20] Chế độ hiệu trongvận hành quan trọng việc nâng cao hiệu bếp, giảm nhiên liệu đốt, giảm phát thải Đặc biệt bếp khí hóa quan trọng, hiệu bếp khí hóa phụ thuộc nhiều vào lượng không khí sơ cấp Cách tìm chế độ vận hành cách thí nghiệm bếp chế độ hệ số không khí thừa khác nhau, từ xác định chế độ tốt cho bếp a Quy trình thí nghiệm Trong trình thí nghiệm dùng theo quy trình bếp khí hóa (trình bày chương IV) phải đảm bảo tất thí nghiệm phải có điều kiên nhau: nhiên liệu, lượng nhiên liệu, lượng nước, cách nhóm, mẫu bếp (trong ta chọn mẫu bếp BKS1, nhiên liệu trấu) b Chế độ cấp gió hợp lý bếp khí hóa BKS1 Hệ số không khí thừa (thiếu): Tỉ số lượng không khí thực tế cấp vào Vkk với lượng không khí lý thuyết tính toán V0kk, ký hiệu α: 77  VKK VKK Trong bếp khí hóa lượng không khí sơ cấp nhỏ lượng không khí lý thuyết tức α