Tóm tắt: Biomass là một nguồn năng lượng tái tạo và là năng lượng sạch. Các quốc gia trên khắp thế giới đang ngày càng quan tâm đến sinh nguồn năng lượng sạch này vì nó có thể làm giảm hiệu ứng nhà kính một cách hiệu quả do không phát thải CO2. Trong số các công nghệ chuyển hóa biomass, công nghệ khí hoá là một giải pháp hấp dẫn để sử dụng biomass một cách hiệu quả. Quá trình khí hoá được nghiên cứu dựa trên quá trình khí hóa ngược chiều và được mô phỏng bằng phần mềm Aspen Plus V8. Mô hình mô phỏng quá trình này sử dụng phương pháp năng lượng tự do Gibbs và mô hình tính toán chất rắn không thông thường. Các thông số hoạt động chính bao gồm lưu lượng không khí, tỷ lệ hơi nướctrấu, và nhiệt độ khí hoá được thay đổi bằng cách sử dụng phân tích sentivity của Aspen Plus. Ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số về thành phần khí tổng hợp đầu ra, nhiệt trị thấp của khí tổng hợp được nghiên cứu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHÍ HĨA TRẦU Chun ngành: Kỹ thuật hóa học Mã ngành: 60 52 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Tấn Việt Chữ ký: TS Nguyễn Đình Quân Chữ ký: Cán chấm nhận xét 1: TS Lý Cẩm Hùng Chữ ký: Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Tuấn Anh Chữ ký: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 17 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Lê Thị Kim Phụng TS Lý Cẩm Hùng TS Nguyễn Tuấn Anh PGS TS Nguyễn Quang Long TS Bùi Ngọc Pha Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn trưởng phòng thí nghiệm sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN KỸ THUẬT HÓA HỌC 11 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ •••• Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN MSHV: 1570721 Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1989 Chuyên ngành: Nơi sinh: TPHCM Kỹ thuật hóa học Mã số : 60 52 03 01 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHÍ HĨA TRẦU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng mơ hình mơ q trình khí hóa trấu Thực nghiệm khí hóa trấu quy mơ pilot với tác nhân khơng khí - Thực nghiệm khí hóa trấu quy mơ pilot với tác nhân khơng khí nước NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Tháng 7/2017 III IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN - TS Trần Tấn Việt TS Nguyễn Đình Quân Tp HCM, ngày thảng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG PHỊNG THÍ NGHIỆM TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC 111 LỜI CẢM ƠN Trong thực đề tài luận văn tơi xin bày tỏ lòng biết on sâu sắc đến TS Trần Tấn Việt TS Nguyễn Đình Quân người tận tình truyền đạt kinh nghiệm kiến thức nghiên cứu khoa học quý báu tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi có thêm tri thức hồn thành tốt luận văn Gia đình ln hậu phưong vững chắc, động lực to lớn giúp vượt qua khó khăn học tập sống Tơi xin bày tỏ lòng biết on đến quý thầy Khoa Kỹ thuật Hóa học cán phòng Thí nghiệm Nhiên liệu Sinh học Biomass - Trường Đại học Bách khoa hết lòng hướng dẫn giúp tơi có điều kiện thí nghiệm tốt Cảm on bạn Trần Ngọc Tú bạn Lê Minh Quân nghiên cứu, thực thí nghiệm, thảo luận giải khó khăn thực luận văn Xin gửi lòi cảm on đến tập thể lóp cao học Kỹ thuật Hóa học khóa 2015 người bạn tơi động viên, giúp đỡ nhiều suốt thời gian học tập trường thực đề tài IV TÓM TẮT Biomass nguồn lượng tái tạo lượng Các quốc gia khắp giới ngày quan tâm đến sinh nguồn lượng làm giảm hiệu ứng nhà kính cách hiệu không phát thải CƠ2 Trong số công nghệ chuyển hóa biomass, cơng nghệ khí hố giải pháp hấp dẫn để sử dụng biomass cách hiệu Q trình khí hố nghiên cứu dựa q trình khí hóa ngược chiều mơ phần mềm Aspen Plus V8 Mơ hình mơ trình sử dụng phương pháp lượng tự Gibbs mơ hình tính tốn chất rắn khơng thơng thường Các thơng số hoạt động bao gồm lưu lượng khơng khí, tỷ lệ nước/trấu, nhiệt độ khí hố thay đổi cách sử dụng phân tích sentivity Aspen Plus Ảnh hưởng việc thay đổi thơng số thành phần khí tổng họp đầu ra, nhiệt trị thấp khí tổng họp nghiên cứu Kết phân tích cơng cụ sentivity cho thấy tăng tỷ lệ nước/trấu làm tăng suất hydro tỷ lệ hàm lượng hydro khí tổng họp, tăng S/A có ảnh hưởng tiêu cực đến việc tăng giảm nhiệt trị khí tổng họp Nhiệt độ hố khí tăng làm giảm hiệu khí hố suất hydro, có ảnh hưởng tích cực đến gia tăng nhiệt trị thấp khí tổng họp Các kết khí hóa diễn chút khác tỷ lệ nước/trấu nhiệt độ khí hóa thấp V ABSTRACT Biomass is an abundant resource of renewable and green energy It attracts an increasing interest from all over the world because this is the most efficient way to cut the greenhouse effects from the CƠ2 emission Among the technologies to convert biomass into renewable energy, gasification technology is considered the most effective process In this study, an updraft gasification process of rice husk simulated via Aspen Plus V8 program The simulation model is based on free energy Gibbs theory and exceptional computation model The main operation factors include air flow rate, steam/biomass ratio, and the gasification temperature is varied by sentivity analysis function in Aspen Plus The effects of these factors on the composition and LLV of outputing syngas were discussed The results indicated that an increase in steam/biomass ratio led to an increase of hydrogen content in syngas, while an increase of S/A negatively changed the LLV of the syngas The increase of gasification temperature reduced the gasification efficiency and hydrogen producing rate, whereas it positively affected the syngas' LLV Other results were also discussed for the less change of steam/biomass ratio and the gasification at lower temperature VI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn tơi thực từ kiến thức Tơi khơng nộp luận án cho trường, viện để cấp Lê Nguyễn Phúc Thiên VII MỤC LỤC CHƯƠNG TỒNG QUAN 1.1 Tổng quan nguyên liệu 1.1.1 Đại cương biomass 1.1.2 Thành phần hóa học biomass 1.1.3 Các nguồn sinh khối phổ biến 1.1.4 Sản phẩm từ biomass 1.1.5 Sự chuyển hóa sinh khối 1.1.6 Tổng quan trấu 1.2 Tổng quan q trình khí hóa 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Sản phẩm sau q trình khí hóa 1.2.3 Ngun lý q trình khí hóa 1.2.4 Quá trình hình thảnh phân hủy tar 1.2.5 Các loại thiết bị khí hóa 11 1.2.6 Tình hình phát triển khí hóa giới 17 1.2.7 Tình hình phát triển khí hóa sinh khối Việt Nam 18 1.3 Tổng quan mô Công nghệ Hóa học 19 1.3.1 Định nghĩa mô 19 1.3.2 Tính chất mơ hình 20 1.3.3 Phần mềm mô Aspen Plus v8.4 21 CHƯƠNG NỘI DUNG NGHIÊN cứu 34 2.1 Xây dựng mơ hình mơ q trình khí hóa trấu thiết bị khí hóa 34 2.1.1 Sơ đồ q trình khí hóa thiết bị tầng cố định kiểu ngược chiều 34 2.2 Phương pháp thực nghiệm 45 2.2.1 Mô tả thiết bị 45 2.2.2 Vật liệu nghiên cứu 47 2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 48 2.2.4 Quy trình thực nghiệm 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52 3.1 Khảo sát ảnh hưởng tác nhân khơng khí lên q trình khí hóa 52 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khơng khí/ngun liệu lên thảnh phần khí syngas52 3.1.2 So sánh thành phần khí co dòng khí sản phẩm dựa mơ hình Aspen Plus thực nghiệm 53 3.1.3 So sánh tỉ lệ H2 dòng khí sản phẩm dựa mơ hình mơ Aspen Plus thực nghiệm 54 3.1.4 So sánh tỉ lệ CƠ2 mơ hình Aspen Plus thực nghiệm 55 3.1.5 Tỉ lệ CO/CƠ2 theo lưu lượng khí khác 56 3.1.6 Khảo sát thành phần khí syngas mức lưu lượng khác 57 3.1.7 Khảo sát quan hệ thành phần khí syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa 57 3.1.8 Nhiệt trị thấp (LHV) dòng khí sản phẩm 58 3.2 Khảo sát ảnh hưởng trình thêm nước vào tác nhân khơng khí lên q trình khí hóa 59 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ nước/khơng khí lên thànhphần khí sản phẩm59 3.2.2 So sánh tỉ lệ co mơ hình Aspen Plus vói thực nghiệm 61 3.2.3 So sánh tỉ lệ H2 mơ hình Aspen so với thực nghiệm 62 3.2.4 Tỉ lệ CO/H2 theo tỉ lệ S/A khác 63 3.2.5 Khảo sát quan hệ thành phần khí syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa 64 3.2.6 Năng lượng tỏa nhiệt đốt khí syngas dựa theo tỉ lệ S/A khác 65 3.2.7 Phản ứng Tar-cracking 65 KÉT LUẬN - KIÉN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 72 11 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các phương pháp chuyển hóa sinh khối Hình 1.2: cấu tạo hạt lúa Hình 1.3: Q trình khí hóa FICFB 18 Hình 1.4: Bếp trấu hóa gas GS Trần Bình (Vinasilic) 19 Hình 2.1: cấu tạo thiết bị khí hóa tầng cố định ngược chiều 34 Hình 2.2: Sơ đồ mơ hình khí hóa dạng ngược chiều 35 Hình 2.3: Sơ đồ mơ q trình khí hóa trấu thiết bị khí hóa tầng cố định kiểu ngược chiều phần mềm Aspen Plus 36 Hình 2.4: Mơ hình giai đoạn sấy 39 Hình 2.5: Mơ hình giai đoạn nhiệt phân 40 Hình 2.6: Mơ hình giai đoạn Tar - cracking 41 Hình 2.7: Mơ hình giai đoạn khí hóa 42 Hình 2.8: Mơ hình giai đoạn cháy 43 Hình 2.9: Mơ hình giai đoạn dòng khí sản phẩm khỏi thiết bị 44 Hình 2.10: Mơ tả cấu tạo buồng đốt 46 Hình 2.11: Sơ đồ quy trình thiết bị thí nghiệm khí hóa tầng cố định ngược chiều 47 Hình 2.12:Lưu lượng kế khí 48 Hình 2.13: Dụng cụ đo thành phần khí TESTO 350XL 49 Hình 3.1: Ảnh hưởng tỷ lệ khơng khí/biomass (ER) lên thành phần khí syngas 52 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ co dòng khí sản phẩm theo tỷ lệ ER khác 53 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ H2 dòng khí sản phẩm theo tỷ lệ ER khác 54 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ CO2 dòng khí sản phẩm theo tỷ lệ ER khác 55 111 [28]F Y Hagos, A R A Aziz and s A Sulaiman, "Study of syngas combustion parameters effect on internal combustion engine," Asian Journal of Scientific Research, vol 6, pp 187-196, 2013 [29]K Sandeep and s Dasappa, "Oxy-steam gasification of biomass for hydrogen rich syngas production using downdraft reactor configuration," International Journal of Energy Research, vol 38, pp 174-188, 2014 71 PHỤ LỤC A Hệ sỗ tỷ lượng trình sấy Quá trình sấy diễn 100°c, nhiệt độ độ ẩm teấu giảm từ 6,45% 1,15%, kết có qua phân tích nhiệt trọng ỉực (TGA) n hts era Kết phân tích TGÁ trấu Hệ sổ ti lượng trình tác ẩm khỏi trấu tính tốn phương trình cân vật chất dựa vào độ giảm khối lượng thông qua phân tích TGA nên biết lượng ẩm tách khỏi trấu Phương trình mơ tả q trình tách ẩm: _ t° _ Trấu ướt -> Trẩu khô + aHzO 0.045 0.045 a Áp dụng phương trình bảo tồn khối lượng: 72 mgm =■ Am 0,045a 18 = 0,045 a = 00556 Phưong trình mơ tả giai đoạn sấy: _ t°_ Trấu ướt -»Trấu khô + 0,0556HZ0 B Các bước khai báo phần mềm ÌHm - aianiianđ EKtni R>/'srrpsr« H.UIU-d Tam plain Sdlris □X |p-roè?- - H Ẽi StSlỉds dbltlb EnqÉU" UrỄEi Matrc: Uriti Su ỉrMMkcn PW9 FYOCHtS BednaljiiK Sn p ro: «ling Mcr.dlurỊiK PtaP^KB-IPial Reflneiy Utei [ _ Cfflffti tflPCel 73 CMfUIUIIU - ỉp«ililHÌÍiM 4- I SỉdectB!) ỊpclroiiUiìi I &Uc:cnỈ I iJi'.afcjtoH ^|||V1!I u lun 'diunhiLh lihimlcn IƠ: tóô * Uuiiiột r^uibfijii) ]|| !LQIMèH fun him u ni.}(! tMOmj \ỈỈX±i htanritailbw Uểnicr t M-JứW HSWtnr WUMT n i T O K Ilru-I a V Ml IP -iilM cBRtib VrÚiii n :H Lt STfl A1 hJ3 rtrunslJL LarpmrtbHLhi r c k) fgfaMbi :PtKKnm bin Kits BKM* ilhMIVH BrttHt-CEHM r ĩmi CrtnMHUIH SJ1- HC K- HC EHRfriM- pnovm Btff tfh r»'U«p4-ki* ‘Jjt pm; HUfr n Li lf±itinT :II hỉu Lwr*noiri; KiOU Bẩm bjiti I Mw-flw "iif ini HTTiHO 'ihỉỉmmiNir rnrturriiRii'F'fFM Ihiukiilr Trong thẻ Sequence, khai báo thời điểm sử dụng Calculator Block: GAI-DKT MainRmvshefit I ộơctine I ộ Calculate I ©Sequence I Turs I stream Flash I Information I Calculator blarE weeution ncfjuence Execute: Afte* Elctl: type Slack name: "■ Linitopirittori "■ DRYING List variables as import at eapoit Import variables-; Export variables; Thiết bị tách SSplit 80 • Trong mục SEP1 (SSplit) - Input I Specifications, tiến hành khai báo thông tin sau: 51 Pl '3Split] Main RchUihcct ■+ _ I ^Specifications I Flash Option: I Kev Cữmpnnen ts I IníonTbStion jpi-rlifjcicivfor sjch sub stream Stream names: nRYSTR Subĩtrean-I Nỉ me specification W1IKED Split fror.tar c 1501 Spilt fwri-KVi Split Fracticn IU NC 8«B 'tìliiỄ Units Key Comp Mo Bước 7: Khai báo cho thiết bị ừong giai đoạn nhiệt phân Thiết bị nhiệt phân RYield • Trong mục PYROLYSI (RYield) - Setup I Specifications, tiền hành khai báo thơng tin sau: • Trong thẻ Comp Attr., để tính enthalpy khổỉ lượng riêng trấu cần khai báo sau: 81 Mjin nawjihw* PYRŨIYSI ỄRYieM] +■ ©Specficstioni Ị SYtald [ G Flash Option I ra> I Subĩlieam ID; ỘNC acomp.&ttr I Comp Mapping I utility I Infix mỉ ben •» Compcnent ID: íu\MI ' Element Value MOBTURt Attribute ID: ® FTRDRAriHL FC jvM ASH 100 Thiết bị tẩch SSplit • Trong mục SEP2 (SSpỉit) - Input I Specifications, tiến hành khai báo thơng tin sau: I Main flowsheet jrt, SEPi CíSpBtl +■ I tSiSpe-eifieatiAn; |~Flash Options KẸỊÍ Components I Infoimstion 5pKiFicatmn for each ĩubítiearn Stream names; C-FY1RO Subslream Name Bass Specific at icn MIXED Sprrifmtfkm □ SOLID Split frirtifin IMC Lpli3 flit twill Value Units Key-Camp Na 1 Bước 9: Khai báo cho thiết bị giai đoạn khí hốa Thiết bị tách FSplit • Trong mục SEP-CRB (FSplit) I Specifications, khai báo thơng số: M.nFicnUrf 4íf*.cRB lFtf*ti +Ị I Ị R«4i Optãarn nm l i I I ■ c nen pel InTcimi l»z n Fk-fl áptupecmcB tumor i>Jk! iliỂiiíc; ► CC45 9WV| Sudltattn SrttHiadiwi BIBS 0.Ĩ UUlIB Uib ltr Cjamptfc ajMffl uứii C-COK* Thiết bị phản ứng khí hóa RGỈbbs • Trong mục GASIFY (RGibbs) I Specifications, khai báo điều kiện nhiệt độ, ẩp suất 82 Mam Flcwsheet GASIIV {RGibtnJ < |_+ jpeolKdtic na Pioducts Assign stream? 11 flirts Restucttd tauiliafium PSD utility lnlủrnìõti Calculation option: CâttLiùte prxiíẺ cqvíJ)/ujm GA tì Oiemtat t'iuitibrtuJK Operamng conditions PieiMie o Temperature: 1100 Heat Duty: atm c Ơ Grotfhr ■ MU 1* Maaimum number01 fluid phuies ffl 'Ah Maximum number g| solid solution phases / Include vapor phdSC Merge all CISOLID specie? Ifira the first CI5DLID substream Thiết bị tách s Split • Trong mục SEPCHAR (SSplit) I Specifications, khai báo thông số: Main Flowsheet btPCHAR (SSplitỉ ^Specification? Ị Flash Options IntormEtior I Specrfiiflticn foreach ĩưbĩtreeiT' Strcjn-I fume-;: CHAK • Subỉtrearr Name MIXED Spill fraction Cl Spit fraction I Spit fraction I Hi SOLID Specification Basis Key Camp No- 83 [ đ5pằrHii*inri I âRiKliWB I OopnbuUMII I HfcKofftiinHil I StltctMty j Pit I Cw^wcFiMAw I Ltíihy I inf'ifOiSLi.fi CptiiCiig iủndrti&rtt CisĩhTypei RflipaitLie rw8Jrr ■ htHurv IIIIHI c iur Outy! u'sporlrirtinn- Cm+r 'ủlidphlSB Vepv-tquW - Thiết bị tách SSplit • Trong mục SEP5 (SSplit) I Specifications, khai báo thông số: Bước 11: Khai báo cho thiết bị mơ tả dòng khí sản phẩm ngồi Thiết bị trộn Mixer • Trong mục MIXE1NAL (Mixer) I Specifications, khai báo thông số: Main Flowsheet iiUffWHLQIlmfKl + I Flash Options I Informal ion Mittei specifications- - Pressure Ợ y'alid phase: ựopw-ljọu id ■ Tcmpcnturc estimate- c ter T T*• —1 ,-Convcrgcricc parameter? ■» MnYimuim iteiaticns! Jơ Ị v Error to tenant Ei Thiết bị làm nguội Heater • Trong mục COOLGAS (Heater) I Specifications, khai báo thông số: 84 Main Flowsheet C0GLGA5 (Heatert _+ Ộ Specifications I Flash Oprtions I Ulility I Information I Flash specifications Flash “vpe: Temperature PreMJiire ■ » Temperature! 100 c - Temperature change: c Degrees cl superheating: c c ■ w atm GeũỤhr '1 Degrees af subcoơling: Pressure Duty: ’ Vapor fraction: Preniurt drop correlation parameter; Valid phases Vapor-Liquid 85 ... TPHCM Kỹ thuật hóa học Mã số : 60 52 03 01 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHÍ HĨA TRẦU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng mơ hình mơ q trình khí hóa trấu Thực nghiệm khí hóa trấu quy... (LHV) dòng khí sản phẩm 58 3.2 Khảo sát ảnh hưởng trình thêm nước vào tác nhân khơng khí lên q trình khí hóa 59 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ nước/khơng khí lên thànhphần khí sản phẩm59... CH4) chất thải tro, hắc ín Q trình khí hóa phụ thuộc vào loại thiết bị điều kiện khí hóa 1.2.2 Sản phẩm sau q trình khí hóa Trong q trình khí hóa, bên cạnh sản phẩm khí mong muốn CO, H2, CH4, C2IỈX,