Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học (Luận án tiến sĩ)
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 Lị quay 14 1.3.2 Lị chân khơng 15 1.3.3 Lò ma sát 16 1.3.4 Lị tầng sơi 16 1.3.5 Lị 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 lị tầng sơi 58 3.3 Mơ khí động lực học lị 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 lị 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 lị 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 lị 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 lị 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 lị tầng sơi 103 5.3.4 Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía lị 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 lị 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 lị tầng sơi 105 Bảng 5.8: Thơng số động học nhiệt phân nhanh gỗ bã mía lị 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: Lị quay [1] 14 Hình 1.4: Lị chân khơng [101] 15 Hình 1.5: Lị nhiệt phân kiểu ma sát [1] 16 Hình 1.6: Lị tầng sôi [1] 17 Hình 1.7: Lị 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 = 500C 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 lị 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 lị 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 lị nhiệt phân 67 Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ lò nhiệt phân 67 Hình 3.9: Lị 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 lị 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 ... 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. .. Với phân tích trên, việc nghiên cứu góp phần hồn thiện sở lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối Việt Nam sản xuất nhiên liệu sinh học nhu cấp cấp thiết Do ? ?Nghiên cứu trình. .. 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