Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM DUY VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM DUY VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã ngành: 62.52.01.15 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS HOÀNG DƯƠNG HÙNG PGS.TS TRẦN VĂN VANG Đà Nẵng, năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Phạm Duy Vũ ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Những đóng góp luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1.1 Sinh khối tình hình sử dụng lượng sinh khối 1.1.1 Giới thiệu sinh khối .6 1.1.2 Tổng quan tình hình sử dụng lượng sinh khối 1.1.3 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối 1.2 Tổng quan nhiệt phân sinh khối 11 1.2.1 Khái niệm 11 1.2.2 Phân loại trình nhiệt phân sinh khối 12 1.3 Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 13 1.3.1 Lò quay 14 1.3.2 Lò chân khơng 15 1.3.3 Lò ma sát 16 1.3.4 Lò tầng sơi 16 1.3.5 Lò tầng sơi tuần hoàn .17 1.3.6 So sánh lựa chọn kiểu lò thực nhiệt phân nhanh sinh khối 18 1.4 Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến trình nhiệt phân nhanh 20 1.4.1 Ảnh hưởng thành phần hóa học sinh khối .20 1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu thu hồi dầu sinh học 21 iii 1.4.3 Ảnh hưởng thời gian lưu sản phẩm phản ứng lưu lượng khí cấp nhiệt 23 1.4.4 Ảnh hưởng kích cỡ hạt sinh khối 24 1.4.5 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt .26 1.4.6 Ảnh hưởng môi chất truyền nhiệt 27 1.4.7 Ảnh hưởng độ ẩm sinh khối 28 1.5 Thông số động học trình nhiệt phân nhanh 29 1.6 Đặc tính sản phẩm q trình nhiệt phân nhanh phương pháp nhiệt phân có xúc tác 31 1.6.1 Dầu sinh học 31 1.6.2 Chất rắn 33 1.6.3 Hỗn hợp khí khơng ngưng tụ 34 1.6.4 Nhiệt phân có chất xúc tác .34 1.7 Kết luận định hướng nghiên cứu 35 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN Q TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH CHO BỘT GỖ, BÃ MÍA 37 2.1 Xác định trường nhiệt độ t(r,) sinh khối nhiệt phân nhanh 37 2.1.1 Phát biểu tốn tìm t(r,) .37 2.1.2 Xác định phân bố (, Foq) t(r, ) thể tích hạt sinh khối (V) 40 2.1.3 Xác định cơng thức tính thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R .43 2.1.4 Xác định nhiệt độ bề mặt vỏ hạt sinh khối sau khoảng thời gian nhiệt phân p cho trước .44 2.2 Kết mô trường nhiệt độ xác định kích cỡ hạt phù hợp cho q trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía 44 2.2.1 Mô trường nhiệt độ nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía 44 2.2.2 Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh .49 2.2.3 Xác định nhiệt độ bề mặt lớp vỏ sinh khối có bán kính R nhiệt độ lớp biên phần sinh khối chưa phản ứng theo thời gian p 51 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh 52 2.3 Kết luận chương 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LỊ TẦNG SƠI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 55 3.1 Mơ hình thực nghiệm 55 iv 3.2 Xác định loại nguyên liệu thông số sử dụng cho việc mơ phỏng, tính tốn thiết kế 57 3.2.1 Phân tích lựa chọn loại nguyên liệu sinh khối cho tính tốn thiết kế 57 3.2.2 Các thơng số sử dụng mơ khí động lực học tính tốn thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh lò tầng sơi 58 3.3 Mơ khí động lực học lò tầng sơi nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học 59 3.3.1 Sự hình thành lớp sôi .59 3.3.2 Mục đích việc mơ khí động lực học lò tầng sơi 60 3.3.3 Mơ tả mơ hình 61 3.3.4 Mơ hình tốn thiết lập mơ hình mơ 62 3.3.5 Kết mơ bình luận .66 3.4 Các bước tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi sản xuất dầu sinh học 69 3.4.1 Xác định nhiệt lượng cung cấp cho trình nhiệt phân 69 3.4.2 Tính thiết kế lò phản ứng 70 3.4.3 Tính tốn thiết kế xyclone thu hồi sản phẩm rắn .70 3.4.4 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ 72 3.5 Tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học suất 500 g/h 73 3.6 Kết luận chương 73 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 75 4.1 Dụng cụ, nguyên liệu phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 75 4.1.1 Các dụng cụ sử dụng nghiên cứu thực nghiệm 75 4.1.2 Nguyên liệu sinh khối sử dụng nghiên cứu thực nghiệm .76 4.1.3 Các phương pháp phân tích xác định thành phần sinh khối sản phẩm từ trình nhiệt phân nhanh 77 4.2 Mơ tả q trình vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sôi sản suất dầu sinh học 79 4.3 Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, xác định giá trị thông số vận hành đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm 80 4.3.1 Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm .80 4.3.2 Xác định thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu thu hồi dầu sinh học .81 4.3.3 Đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm 82 v 4.4 Kết xác định thành phần hóa học, nguyên tố phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ bã mía 83 4.4.1 Kết xác định thành phần hóa học nguyên tố bột gỗ bã mía 83 4.4.2 Kết phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ bã mía .83 4.5 Kết nghiên cứu thực nghiệm số yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh 86 4.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến khối lượng sản phẩm 86 4.5.2 Ảnh hưởng kích cỡ đến khối lượng sản phẩm 88 4.5.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng sản phẩm 89 4.6 Đánh giá tính chất vật lý thành phần hóa học sản phẩm dầu sinh học 91 4.6.1 Đánh giá tính chất vật lý sản phẩm dầu sinh học 91 4.6.2 Phân tích thành phần hóa học dầu sinh học 93 4.7 Kết luận chương 95 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH 97 5.1 Đặt vấn đề 97 5.2 Phương pháp nghiên cứu 98 5.2.1 Xác định mơ hình động học khối lượng thành phần sản phẩm trình nhiệt phân .98 5.2.2 Xác định số tốc độ phản ứng trình nhiệt phân nhanh 100 5.3 Kết nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi 102 5.3.1 Các điều kiện đơn trị 102 5.3.2 Xác định số tốc độ phản ứng k1, k2, k3 103 5.3.3 Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ lò tầng sơi 103 5.3.4 Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía lò tầng sơi 105 5.4 Kết luận chương 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108 Kiến nghị 109 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 PHỤ LỤC LUẬN ÁN vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thành phần hóa học số sinh khối [63] Bảng 1.2: Sản phẩm nhiệt phân gỗ phụ thuộc vào công nghệ nhiệt phân 13 Bảng 1.3: Tổng quan so sánh loại lò nhiệt phân nhanh [109] 19 Bảng 1.4: Một số thông số động học thường sử dụng cho trình nhiệt phân nhanh [19], [25], [38], [81] 31 Bảng 1.5: Đặc tính điển hình dầu sinh học từ gỗ dầu khoáng [6], [26] 31 Bảng 2.1: Thông số vật lý gỗ, bã mía, khí nitơ [54], [84] 45 Bảng 2.2: Kết tính tốn đại lượng Bi, ni, ci theo R gỗ bã mía 45 Bảng 3.1: Các thơng số vật lý gỗ cát [54] 59 Bảng 4.1: Các thiết bị đo lường điều khiển sử dụng hệ thống thí nghiệm 75 Bảng 4.2: Các tiêu chuẩn phân tích thành phần nguyên tố sinh khối 77 Bảng 4.3: Tiêu chuẩn thiết bị phân tích thành phần nguyên tố, tính chất dầu 78 Bảng 4.4: Lượng sinh khối cấp vào lò phụ thuộc vào tần số biến tần 81 Bảng 4.5: Kết thông số vận hành hệ thống thí nghiệm 82 Bảng 4.6: Thành phần hóa học thành phần nguyên tố sinh khối 83 Bảng 4.7: Tính chất vật lý thành phần nguyên tố dầu sinh học 92 Bảng 4.8: Thành phần diện tích (%) hợp chất dầu sinh học từ bột gỗ 93 Bảng 5.1: Các liệu sử dụng xác định thơng số thơng số động học q trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía 102 Bảng 5.2: Giá trị số tốc độ phản ứng ki bột gỗ 103 Bảng 5.3: Giá trị số tốc độ phản ứng ki bã mía 103 Bảng 5.4: Kết tính lnki 1/T bột gỗ 103 Bảng 5.5: Giá trị Ea, i Ai trình nhiệt phân nhanh bột gỗ lò tầng sơi 104 Bảng 5.6: Kết tính lnki 1/T bã mía 105 Bảng 5.7: Giá trị Ea, i Ai trình nhiệt phân nhanh bã mía lò tầng sơi 105 Bảng 5.8: Thơng số động học nhiệt phân nhanh gỗ bã mía lò tầng sơi 107 Bảng PL6.1: Số liệu ban đầu tính tốn thiết kế bình ngưng [14], [53], [63], [106] 19 Bảng PL6.2: Kết tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ 20 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các ứng dụng lượng từ sinh khối [15] Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18] Hình 1.3: Lò quay [1] 14 Hình 1.4: Lò chân khơng [101] 15 Hình 1.5: Lò nhiệt phân kiểu ma sát [1] 16 Hình 1.6: Lò tầng sôi [1] 17 Hình 1.7: Lò tầng sơi tuần hồn [1] 18 Hình 1.8: Cấu trúc phân tử sinh khối [46] 20 Hình 1.9: Sơ đồ chuyển hóa thành phần sinh khối từ q trình nhiệt phân 21 Hình 1.10: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu dầu thu hồi số sinh khối [90] 22 Hình 1.11: Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí 24 Hình 1.12: Ảnh hưởng kích thước hạt bã mía gỗ CTT đến lượng dầu thu hồi [44] 25 Hình 1.13: Hàm lượng cốc phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ gia nhiệt [103] 26 Hình 1.14: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt đến 27 Hình 1.15: Mơ hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] 29 Hình 1.16: Các phương pháp nâng cấp dầu sinh học xác tác zeolit [13] 34 Hình 2.1: Sự phân bố nhiệt độ cầu t(r,) 38 Hình 2.2: Các nghiệm ni  tgn = n/(1-Bi) 41 Hình 2.3: Sơ đồ lặp giải phương trình tgn = n/(1-Bi) 42 Hình 2.4: Mơ hình nhiệt phân sinh khối 43 Hình 2.5: Trường nhiệt độ t(r,) gỗ 46 Hình 2.6: Trường nhiệt độ t(r,) bã mía 47 Hình 2.7: Trường nhiệt độ t(r,) bột gỗ có R = 0,25 mm, Tf = 748 K 48 Hình 2.8: Kết phân tích TGA gỗ bã mía 49 Hình 2.9: Mối quan hệ bán kính thời gian nhiệt phân nhanh 50 Hình 2.10: Nhiệt độ bề mặt lớp vỏ nhiệt độ lớp biên chưa tham gia phản ứng gỗ bã mía nhiệt độ phản ứng tf = 500C 51 Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  52 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sôi sản suất dầu sinh học 56 viii Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi 59 Hình 3.3: Mơ hình lò nhiệt phân 62 Hình 3.4: Mơ hình mơ chia lưới lò nhiệt phân 64 Hình 3.5: Lưu đồ thuật tốn mơ khí động học lò tầng sơi 65 Hình 3.6: Trở lực lớp sơi phụ thuộc vào vận tốc khí 66 Hình 3.7: Mật độ thể tích cát lò nhiệt phân 67 Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ lò nhiệt phân 67 Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh 69 Hình 3.10: Mơ hình sản phẩm q trình nhiệt phân vào cyclone [63] 70 Hình 3.11: Quan hệ kích thước cyclone 71 Hình 3.12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân 72 Hình 4.1: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu sinh khối 79 Hình 4.2: Độ chuyển hóa vi phân độ chuyển hóa bột gỗ 84 Hình 4.3: Độ chuyển hóa vi phân độ chuyển hóa bã mía 84 Hình 4.4: Dầu sinh học 86 Hình 4.5: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ 87 Hình 4.6: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ 87 Hình 4.7: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ 88 Hình 4.8: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ 88 Hình 4.9: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ 90 Hình 4.10: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ 90 Hình 4.11: Kết phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) dầu sinh học tạo từ gỗ 93 Hình 4.12: Thành phần khí hỗn hợp khí khơng ngưng 95 Hình 5.1: Mơ hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] 98 Hình 5.2: Mơ hình phản ứng nhiệt phân nhanh sinh khối 101 Hình 5.3: Quan hệ lnki 1/T bột gỗ 104 Hình 5.4: Quan hệ lnki 1/T bã mía 105 Hình PL6.2: Cấu tạo lò nhiệt phân suất 500 g/h 17 Hình PL6.2: Cấu tạo cách bố trí ống phun 18 Hình PL6.3: Cấu tạo cyclone 18 Hình PL6.4: Cấu tạo bình ngưng kiểu bề mặt 19 Hình PL6.5: Bình ngưng kiểu ma sát 21 Hình PL6.7: Mơ hình thiết bị thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học suất 500 g/h 22 22 Dựa kết tính tốn thiết kế trên, thiết bị chế tạo lắp đặt theo hình PL6.7 Hình ảnh thiết bị thực tế thể phụ lục Hình PL6.7: Mơ hình thiết bị thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học suất 500 g/h 1: Phễu cấp liệu, 2: Lò phản ứng, 3: Cyclone, 4, 5: Bình ngưng kiểu bề mặt, 6: Bình ngưng kiểu ma sát 23 Phụ lục 7: Các thiết bị chế tạo thực tế, đo lường, điều khiển tự động, phân tích sản phẩm loại sản phẩm Bình cấp liệu Bình ngưng kiểu ống chùm Lò phản Cyclone Bình ngưng kiểu chắn 24 Khí ngưng tụ thành dầu sinh học Điện trở gia nhiệt Tủ điện điều khiển Động cấp liệu Máy phân tích CO2 O2 Máy phân tích thành phần CxHy Biến tần Đồng hồ đo nhiệt độ 25 Máy phân tích GC/MS Máy sấy Nabertherm Đồng hồ lưu lượng N2 Máy phân tích TGA Cân Satorius Van giảm áp Yamato Đo độ ẩm Ohout Moiture Van giảm áp Messer 26 Hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối suất 500 g/h Bã mía, bột gỗ Sản phẩm khí Sản phẩm rắn Dầu sinh học 27 Phụ lục 8: Qui trình kết phân tích xác định thành phần hemicellulose, cellulose lignin Phụ lục 8.1: Qui trình phân tích xác định thành phần hemicellulose, cellulose lignin Nguyên lý thực thí nghiệm Dựa vào khả chịu axit hemicellulose, cellulose lignin khác như: hemicellulose dễ dàng bị phân giải axit loãng, cellulose chuyển thành glucose đun với axit đậm đặc, lignin có đặc tính khơng tan nước axit vô Sử dụng phương pháp cân khối lượng, xác định hàm lượng thành phần hemicellulose, cellulose lignin Thiết bị thực thí nghiệm - Tủ sấy; - Lò nung; - Cân phân tích; - Dụng cụ: chén Pt thủy tinh, bình định mức 100 ml, 50 ml Hóa chất thực thí nghiệm - Nước cất; - H2SO4 1N: Hút 28 ml dung dịch axit H2SO4 đđ (d=1,84), pha lỗng đến lít nước cất; - H2SO4 72 %: Lấy khoảng 745 ml dung dịch axit H2SO4 đđ (d=1,84), pha lỗng đến lít nước cất; - H2SO4 đậm đặc Qui trình thực thí nghiệm - Cân a (g) mẫu, cho vào bình tam giác, thêm nước cất đun sôi hồi lưu bếp cách thủy Làm nguội, lọc bã qua giấy lọc (đã biết khối lượng) nước nóng Sấy 105 C đến khối lượng không đổi, làm nguội bình hút ẩm, cân bã sau sấy b (g) - Chuyển toàn phần cặn giấy lọc vào bình tam giác, thêm vào 150 ml H2SO4 1N đun sôi hồi lưu bếp cách thủy Làm nguội, lọc bã qua giấy lọc (đã biết khối lượng), rửa nước nóng đến nước rửa đạt trung tính Sấy 105 C đến khối lượng khơng đổi, làm nguội bình hút ẩm, cân bã sau sấy c (g) - Chuyển toàn phần giấy lọc vào bình tam giác, thêm vào 100 mL 28 H2SO4 72% ngâm nhiệt độ phòng giờ, thêm vào 150 ml H2SO4 1N đun sôi hồi lưu bếp cách thủy Làm nguội, lọc bã qua giấy lọc (đã biết khối lượng), rửa nước nóng đến nước rửa đạt trung tính Sấy 105 C đến khối lượng không đổi, làm nguội bình hút ẩm, cân bã sau sấy d (g) - Chuyển phần giấy có bã vào cốc nung (đã biết khối lượng), than hóa bếp điện, chuyển vào lò nung, tro hóa nhiệt độ 550 C, làm nguội bình hút ẩm, cân phần cặn sau nung e (g) Tính kết quả: - Hàm lượng Hemicellulose (%) = ( b – c) x 100/a - Hàm lượng Cellulose ( %) = ( c – d) x 100/a - Hàm lượng Lignin (%) = ( d – e) x 100/a Phụ lục 8.2: Kết phân tích xác định thành phần hemicellulose, cellulose lignin sản phẩm rắn Nhiệt độ Sinh khối Bột gỗ Bã mía phản ứng (C) mhemicellulose/mr mcellulose/mr mlignin/mr mkpu/mr mkpu/ms0 450 0,018 0,051 0,366 0,435 0,2 475 0,017 0,042 0,312 0,371 0,147 500 0,012 0,021 0,282 0,315 0,107 450 0,035 0,075 0,419 0,529 0,2 475 0,031 0,062 0,334 0,427 0,14 500 0,011 0,020 0,270 0,301 0,1 Phụ lục 9: Khối lượng trung bình sản phẩm nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào nhiệt độ Bảng 1: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ phản ứng (C) 450 475 500 525 Khối lượng dầu sinh học md (g) 198 228 244 224 Khối lượng chất rắn mr (g) 230 198 175 155 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 72 74 81 121 29 Bảng 2: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ phản ứng (C) 450 475 500 525 Khối lượng dầu sinh học (g) 234 257 241 211 Khối lượng chất rắn (g) 189 164 166 164 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 77 79 93 125 Phụ lục 10: Khối lượng trung bình sản phẩm nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào kích cỡ hạt Bảng 1: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ Kích cỡ bột gỗ (mm) < 0,5 0,5  1  1,5 1,5  Khối lượng dầu sinh học (g) 234 246 229 229 Khối lượng chất rắn (g) 161 169 186 195 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 105 85 85 76 Bảng 2: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ < 0,5 0,5  1  1,5 1,5  Khối lượng dầu sinh học (g) 215 229 249 234 Khối lượng chất rắn (g) 145 151 166 191 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 140 120 85 75 Kích cỡ bã mía (mm) Phụ lục 11: Khối lượng trung bình sản phẩm nhiệt phân nhanh sinh khối phụ thuộc vào lưu lượng khí N2 Bảng 1: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí N2 Lưu lượng khí nitơ (lít/phút) 26 27 28 29 Khối lượng dầu sinh học (g) 216 226 244 235 Khối lượng chất rắn (g) 168 173 181 184 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 116 101 75 81 Bảng 2: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí N2 Lưu lượng khí nitơ (lít/phút) 26 27 28 29 Khối lượng dầu sinh học (g) 219 251 236 235 Khối lượng chất rắn (g) 171 172 186 187 Khối lượng khí khơng ngưng (g) 110 77 78 78 30 Phụ lục 12: Kết phân tích GC/MS dầu sinh học nhiệt phân nhanh bột gỗ 31 32 Phụ lục 13: Tính khối lượng riêng hỗn hợp khí nhiệt phân khỏi lò phản ứng Số liệu phân tích thực nghiệm cấu tử thành phần sản phẩm Stt Tên cấu tử Cơng thức % mol hóa học gi Phân tử lượng µi (g/mol) Khí khơng ngưng 1.1 Cacbon monoxit CO 0,01 28 1.2 Cacbon điơxít CO2 0,03 44 1.3 Mêtan CH4 0,25 16 1.4 Êtan C2H6 0,47 30 1.5 Hydrơ H2 0,2 1.6 Ơxy O2 0,04 32 Dầu sinh học 2.1 Furanone C4H4O2 0,102 84 2.2 Cyclopentanone C13H24O 0,010 196 2.3 Benzaldehyde C7H6O 0,088 106 2.4 Phenol C6H6O 0,041 94 2.5 2-cyclopenten-1 - one C8H8O2 0,052 136 2.6 2,2,4-Trimethyl-3 -hydroxy-nC8H15NO 0,025 141 valeronitrile 2.7 Phenol, 2-methyl C7H8O 0,042 108 2.8 Phenol, 2-methoxy C7H8O2 0,085 124 2.9 Phenol, 2, dimethyl C8H10O 0,009 122 2.10 Phenol, 2-methoxy-4-methyl C8H10O2 0,028 138 2.11 1,2-Benzenediol C6H6O2 0,030 110 2.12 1,2-Benzenediol, methoxy C7H8O3 0,009 140 2.13 Phenol, 4-ethyl-2-methoxy C9H12O2 0,009 152 2.14 Phenol, 2, 6-dimethoxy C8H10O3 0,097 154 2.15 Eugenol C10H12O2 0,023 164 33 2.16 Vanilin C8H8O3 0,038 152 2.17 Phenol, -methoxy-4-(1propenyl) C10H12O2 0,010 164 2.18 2,5-Dimethoxybenzyl alcohol C9H12O3 0,076 168 2.19 Phenol, -methoxy-4-propyl C10H14O2 0,006 166 C9H10O3 0,020 166 C11H14O3 0,013 194 C9H10O4 0,033 182 C11H14O3 0,018 194 C10H10O3 0,030 178 C10H12O4 0,014 196 C9H13NO2 0,008 167 C10H15NO4 0,005 213 C11H12O4 0,023 208 C14H26O4 0,011 258 C24H38O4 0,047 390 2.20 Ethanone, 1-(4-hydroxy-3 methoxyphenyl) 2.21 Phenol, 2,6 -dimethoxy-4(2propenyl) 2.22 Benzaldehyde, - hydroxy -3,5 dimethoxy 2.23 Phenol, 2,6 -dimethoxy-4(2propenyl) 2.24 2-propenal, 3-(4-hydroxy-3 methoxyphenyl) 2.25 Curvulol 2.26 2-Oxa-6azatricyclo[3.3.11(3,7)] decane-6-carboxaldehyde 2.27 2-cyclohexene-1-acetic acid, 2nitro, ethyl ester 2.28 3,5-Dimethoxy-4 hydroxycinnamaldehydes 2.29 Hexanedioic acid, mono (2ethylhexyl) ester 2.30 Diisooctyl phthalate Số liệu thí nghiệm tra cứu Stt Tên đại lượng Đơn vị Giá trị Hiệu suất thu hồi dầu sinh học (d) % 49 Hiệu suất thu hồi khí khơng ngưng (g) % 16 Khối lượng riêng không khí 15 C (ρkk) kg/m3 1,225 Phân tử lượng khơng khí (µkk) g/mol 29 34 Số liệu tính tốn Đại lượng tính tốn Phân tử lượng trung bình khí khơng ngưng (µg) Phân tử lượng trung bình dầu sinh học (µd) Đơn vị Cơng thức tính tốn Giá trị n  g   g ig ig g/mol 21,38 n  d   g id id g/mol 151,60 Khối lượng riêng khí khơng ngưng 15C (ρg) Khối lượng riêng dầu dạng khí 15C (ρd) kg/m3 ρg = ρkkµg/µkk 0,90 kg/m3 ρd = ρkkµd/µkk 6,405 Khối lượng riêng hỗn hợp khí khơng ngưng 15gd  kg/m3 dầu dạng khí ρgd 15C d d  g g d  g 5,05 Khối lượng riêng hỗn hợp khí khơng ngưng dầu dạng khí ρgd kg/m3  15  273  420 gd  15 gd    420  273  2,1 420C Phụ lục 14: Giải hệ phương trình động lượng xác định khối lượng sản phẩm từ trình nhiệt phân Phương trình động lượng xác định khối lượng sản phẩm từ trình nhiệt phân dms    k1  k  k  m s d (5.1) dm d  k ms  (k  k )m d d (5.2) dm c  k ms  k m d d (5.3) 35 dmg d  k 1m s  k m d Với điều kiện ban đầu:  = ms = ms0, mc = mg = mt = (5.4) (5.5) Giải phương trình động lượng từ (5.1) đến (5.4) - Phương trình (5.1) có nghiệm tổng qt: ms (τ) = C1exp -(k1 + k + k )τ  (5.a) Thế điều kiện ban đầu (5.5) vào nghiệm tổng quát (5.a) thu C1 = ms0 Suy ra: ms (τ) = ms0exp -(k1 + k + k )τ  (5.8) - Thế (5.8) vào phương trình (5.2) ta được: m d = k ms0exp  -(k1 + k + k )τ  - (k + k )md τ (5.b) Phương trình (5.b) có nghiệm tổng qt: md (τ) = Cexp  -(k + k )τ  - k ms0 exp  -(k1 + k + k )τ  (k1 + k + k ) - (k + k ) (5.c) Thế điều kiện ban đầu (5.5) vào nghiệm tổng quát (5.c) thu được: C= k ms0 (k1 + k + k ) - (k + k ) Suy ra: m d (τ) = k ms0 exp -(k1 + k + k )τ  - exp -(k + k )τ  (5.9) (k + k ) - (k1 + k + k ) + Thế (5.8) (5.9) vào phương trình (5.3) ta được: mc = k 3ms0 exp  -(k1 + k + k )τ  τ k ms0 + k5 exp -(k1 + k + k )τ - exp -(k + k )τ (k + k ) - (k1 + k + k ) (5.d) Phương trình (5.d) có nghiệm tổng qt là: m c (τ) = - k ms0 k k ms0 exp  -(k1 + k + k )τ  + x (k1 + k + k ) (k + k ) - (k1 + k + k )   -1 exp  -(k1 + k + k )τ  + exp  -(k + k )τ  + C  (k + k )  (k1 + k + k )  Thế điều kiện ban đầu (5.5) vào nghiệm tổng quát (5.e) thu được: (5.e) 36 C=   k 3ms0 k k ms0 -1 +   (k1 + k + k ) (k + k ) - (k1 + k + k )  (k1 + k + k ) (k + k )  (5.f) Suy ra: mc (τ) = + - k 3ms0 1-exp -(k1 + k + k )τ (k1 + k + k ) k k ms0 1-exp -(k1 + k + k )τ (5.10) [(k + k ) - (k1 + k + k )](k1 + k + k ) k k ms0 1-exp -(k + k )τ [(k + k ) - (k1 + k + k )](k + k ) + Giải tương tự tính mc ta có: mg (τ) = k1ms0 1-exp -(k1 + k + k )τ (k1 + k + k ) + k k ms0 1-exp -(k1 + k + k )τ [(k + k ) - (k1 + k + k )](k1 + k + k ) - k k ms0 1-exp -(k + k )τ [(k + k ) - (k1 + k + k )](k + k ) (5.11) ... hợp với xu hướng sản xuất dầu sinh học từ sinh khối nước giới 1.3 Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học Quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học diễn phức... gia nhiệt mà trình nhiệt phân phân thành loại nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình nhiệt phân nhanh [1], [14] 1.2.2.1 Nhiệt phân chậm Quá trình nhiệt phân chậm sử dụng hàng trăm năm để sản xuất. .. sản xuất nhiên liệu sinh học;  Xây dựng mơ hình tốn q trình nhiệt phân nhanh sinh khối;  Xây dựng mơ hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi sản xuất nhiên liệu sinh học;  Nghiên