Báo cáo thực tập Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học được thực hiện nhằm nghiên cứu ethanol từ rơm rạ, tổng quan về phòng thí nghiệm, quy trình công nghệ, một số sự cố và khắc phục trong quá trình vận hành. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài báo cáo để có thêm tài liệu học tập và nghiên cứu.
Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học LỜI CẢM ƠN Thực tập q trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và tìm hiểu thực tế thơng qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm qua Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực tế, những kinh nghiệm q báu, được tiếp xúc mơi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cơ và các anh chị tại đây Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Qn. Cảm ơn Thầy đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những kinh nghiệm q báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt q trình thực tập Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Un, Chị Vũ Lê Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đơng đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt q trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm q báu trong q trình làm việc và trong cuộc sống Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ mơn Q trình &Thiết bị nói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầy Nguyễn Sĩ Xn Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hồn thành đợt thực tập này Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng…… năm 2012 Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012 Xác nhận của bộ mơn Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học MỤC LỤC I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ: 1.Tình hình nước ta hiện nay Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40 triệu tấn. Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu. Đối với số phụ phẩm này, nơng dân thường có tập qn đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ơ nhiễm mơi trường, Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO2, NO2, SO2, H2O, các chất nhựa bay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người. Rơm rạ thối mục là nguồn sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ơ nhiễm đáng kể gây nên hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu tồn cầu. Khi đốt các chất hữu cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vơ cơ làm cho đồng ruộng bị khơ, chai cứng. Phần tro còn sót lại khơng giúp ích mấy cho cây trồng. Cách xử lý rơm rạ như hiện nay là một sự lãng phí nguồn nhiên liệu vơ cùng lớn, gây ơ nhiêm mơi trường. Do vậy việc tận dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả rất được quan tâm bởi các nhà quản lý, nhà khoa học trong và ngồi nước. Và phương pháp đang được quan tâm đặc biệt là sản xuất ethanol từ các phế phẩm nơng nghiệp trên Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, khơng gây ơ nhiễm mơi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hồn tồn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hồn tồn có khả năng thay thế tồn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay. 2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass: Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mơ cơng nghiệp. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu khơng cao. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nơng nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mơ bán cơng nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm Ở Việt Nam, ethanol cũng được sản suất với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngơ, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành cơng nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nơng nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các ngun liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thối kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với mơi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này II. Tổng quan về phòng thí nghiệm 1. Lịch sử hình thành và phát triển Hiện nay, cơng nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với ngun liệu sắn, ngơ, khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới. Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng phụ phẩm trong nơng nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nơng nghiệp địa phương với cơng nghiệp chế biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và phát triển cơng nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nơng nghiệp như: rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành cơng quy mơ phòng thí nghiệm. Sản phẩm sẽ được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt cơng nghiệp Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Dự án JICA được thực hiện trong khn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Cơng nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo. Dự án hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nơng nghiệp địa phương với nền cơng nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh học quy mơ nhỏ tại khu vực. Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu sinh học. Trong khn khổ dự án, hai mơ hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm q trình chế biến sinh khối” và “Mơ hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nơng nghiệp địa phương và nền cơng nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án, triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mơ phòng thí nghiệm, hiểu được tồn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 1: Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014. Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc. Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt động Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng sinh học, được xây dựng trong khn viên trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Xưởng Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tơ Hiến Thành) đi thẳng vào khoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải Hình 2: Địa điểm xây dựng phòng thí nghiệm 2. Sơ đồ tổ chức mặt bằng Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làm phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của nhân viên Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 3: Xưởng thực nghiệm Các cụm thiết bị chính của xưởng: 1/ Máy nổ hơi rơm (cơng suất 350 kg/h) 2/ Bồn lên men (thể tích 800 L) 3/ Tháp chưng cất thơ (tháp mâm xun lỗ, cơng suất 100 L/mẻ) 4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, cơng suất 100 L/mẻ) 5/ Máy lọc ép 6/ Lò hơi (thu nhiệt từ q trình than hóa trấu) 3. An tồn lao động An tồn lao động được xem là yếu tố quan trọng hàng đầu khi làm việc trong bất kỳ mơi trường sản xuất nào, nắm được các ngun tắc về an tồn lao động sẽ tránh được những tai nạn đáng tiếc cho bản thân và hạn chế được những hư hỏng gây ra cho thiết bị. Khi làm việc trong xưởng thực nghiệm cần nắm vững các u cầu an tồn: Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Khơng phận sự miễn vào Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an tồn của thiết bị để tránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành. Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinh nghiệm Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ và thiết bị Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vận hành Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găng tay bảo vệ tay khơng bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày khơng được mang dép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm. Đọc bảng hướng dẫn an tồn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc Hình 4: Một số hú ý khi sử dụng máy cắt rơm Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao tay chống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻo phía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệ chân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi trúng mặt, vào mắt, v.v… 10 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Ưu điểm: làm viêc tương đối nhanh Nhược điểm: q trình làm việc bụi nhiều 2. Máy cắt mịn. Hình 14: Máy cắt mịn (gồm thiết bị cắt và bộ phận nâng đỡ) Cơng dụng: cắt ngắn rơm đã qua máy cắt thơ thành những đoạn dài khoảng 23 cm. Có cấu tạo khá đơn giản: gồm cửa nhập liệu, bên dưới cửa là hệ thống bánh răng cắt. Hệ thồng bánh răng được gắn với trục nối với mơ tơ quay Ngun lí làm việc: Rơm sau cắt thơ được đưa và cửa nhập liệu, đưa từ từ, từng ít một để tránh bị kẹt. Hai lưỡi cắt bánh răng quay, vừa tạo lực cắt ngắn rơm vừa vận chuyển rơm về cửa tháo liệu. Rơm qua máy cắt mịn khoảng 2 lần sẽ đạt được chiều dài mong muốn Ưu điểm: Làm việc gọn nhẹ, dễ dàng, ít tốn nhân cơng. Ngồi ra máy cắt mịn còn có cơ chế quay bánh răng cắt theo chiều ngược lại khi bị kẹt ngun liệu Nhược điểm: bụi nhiều 33 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 3. Máy ép Là thiết bị lọc ép khung bản. Cơng dụng: Dùng để tách ép dung dịch ra khỏi phần bã rơm, có thể là dung dịch NaOH hòa tan hemi cenlulose hay dung dịch HCl sau khi trung hòa Ngun lí làm việc: Máy ép khung bản là một máy cơng cụ sử dụng nguồn lực là động cơ 3 pha. Khi moto trong động cơ hoạt động quay sẽ truyền lực cho hệ thống xilanh đẩy khung ép xuống. Sau đó máy sẽ ép tách NaOH ra khỏi rơm qua một bản có lỗ lọc, chất lỏng được thải ra ngồi qua một đường ống có van đóng – mở Ưu điểm: Máy ép làm việc êm, ko ồn. Cho áp lực cực đại theo lực danh nghĩa và có thể duy trì áp lực đó trong suốt q trình cơng nghệ Có kết cấu đơn giản, sử dụng các bộ phận được tiêu chuẩn hóa cao, vì vậy giá thành sản phẩm hạ Khơng bị lực ép hạn chế, có thể điều chỉnh cho phù hợp u cầu Máy ép có cơ cấu an tồn, chính vì vậy lực ép khơng bao giờ vượt q giới hạn cho phép Máy ép được lắp nhiều dạng điều khiển khác nhau, đảm bảo tính chính xác Kết cấu máy có thể theo kiểu đứng, kiểu nằm, đơng thời kết cấu gọn nhẹ hơn so với kết cấu các máy cơ khí Nhược điểm: Dễ bị ăn mòn hóa học và do các tác động của mơi trường Dễ gây ơ nhiễm mơi trường Khi đường kính lỗ lọc lớn, chất lượng sản phẩm lọc bị giảm 34 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 15: Máy ép lọc khung bản 4. Thiết bị nổ hơi 35 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Q trình nổ hơi nước là một q trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa). Sự mơ tả q trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ. Nhiệt độ có liên quan đến áp suất hơi trong thiết bị phản ứng. Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao, do đó càng làm gia tăng sự khác nhau giữa áp suất trong thiết bị phản ứng so với áp suất khí quyển. Sự chênh lệch về áp suất tỷ lệ với lực cắt của ẩm hóa hơi.Thời gian càng dài càng thúc đẩy sự phân hủy cellulose và tạo thành các chất gây ức chế cho việc lên men Hình 16:Hệ thống thiết bị nổ hơi Cấu tạo: Input container: thùng nhập liệu rơm Detector of material : đầu dò mức nhập liệu Weight feeder : trục vit nhập liệu Detector of blocking: đầu dò phân phối ngun liệu, kiểm tra mức độ đồng đều 36 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Main screw: trục vit chính, cấp rơm rạ cho q trình nổ hơi Detector of water pressure: đầu dò áp suất hơi nước Water service control valve: thiết bị điều khiển áp suất hơi nước Water supply: cung cấp nước Inclination CV: trục vit tháo liệu Sequencer: bảng điều khiển Vật liệu chế tạo: thép CT3 Cơ chế hoạt động : Rơm rạ sau khi cắt nhỏ được đưa đến thiết bị puffing. Rơm được cho vào thùng nạp liệu, được vận chuyển bằng vít tải đến bộ phận puffing. Bộ phận puffing có cấu tạo là một trục vít với đường kính cánh vít giảm dần, nhờ vậy rơm sẽ được nén và chà xát với nhau và với thiết bị, khi đó những sợi rơm sẽ bị xé bung ra và có cấu trúc xốp hơn. Trong bộ phận này, nước được cho vào phối trộn với rơm rạ nhằm mục đích tránh cho rơm rạ bị cháy trong q trình nén ép và chà xát. Mặc khác, do lực nén của trục vít làm áp suất tăng nhẹ và sự chà xát với thiết bị làm nhiệt độ rơm trong bộ phận này lên đến khoảng 150 oC, nước lúc này ở trạng thái hơi. Khi rơm được đẩy ra ngồi, áp suất giảm đột ngột, hơi nước có năng lượng cao nhanh chóng thốt ra khỏi khối rơm gây phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ. Qúa trình này thực hiện bởi thiết bị thay đổi áp suất tạo hơi nước Áp suất thay đổi tạo ra q trình nổ hơi,biến thiên trong khoảng 4050 atm .Rơm sau khi qua bộ phận puffing sẽ được vận chuyển lên trên bằng một vít tải và rơi vào thùng chứa đặt bên dưới Nhìn chung, qua thiết bị puffing, cấu trúc rơm trở nên xốp hơn nhờ 2 tác động: sự chà xát và nổ hơi nhẹ. Cuối quá trình puffing, rơm trở nên mềm và tăng khả năng thấm nước. Tốc độ puffing là 200 – 450 kg rơm/h, 15 – 17% nước.Độ ẩm rơm sau khi puffing là 37 % (w/w) 37 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Mục đích của q trình nổ hơi là tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ để q trình thủy phân sau này diễn ra thuận lợi hơn Năng suất, hiệu suất phụ thuộc vào q trình tiến hành thí nghiệm Nhập liệu: Detector of material Tháo liệu: Inclination CV Cơng dụng của máy: phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ, tăng độ xốp của rơm,phá vỡ cấu trúc lignin trong bó mạch cellulose Nơi sản xuất: Nhật Bản Ưu điểm của thiết bị: Hệ thống trục vit nhập liệu giúp vận chuyển rơm dễ dàng đồng bộ vào bộ phận nổ hơi. Áp suất hơi nước được điều khiển tự động tạo áp suất thích hợp kích thích q trình nổ hơi tạo sản phẩm tơi xốp Nhược điểm: Thiết bị to, cồng kềnh, tạo nhiều bụi, tiêu tốn nhiều năng lượng sử dụng nhiều mơ tơ cho q trình tải nhập liệu và tháo liệu, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm vận hành trong quá trình điều khiển 5. Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời Cấu tạo: là thiết bị hình trụ, vỏ áo được làm từ inox SUS304. Thân đặt trên 3 chân đỡ cao khoảng 1.2m, bên trong thiết bị có 1 tấm chắn và 1 cánh khuấy mái chèo 2 tầng gắn với động cơ quay cánh khuấy đặt trên nắp thiết bị. Thân hình trụ đứng đường kính d=900mm, chiều cao h=1388.8mm, dung tích 800L. Nắp thiết bị có 1 cửa nhập liệu và 1 kính quan sát, thân có gắn 1 kính quan sát và cửa tháo sản phẩm ở đáy thết bị. Vỏ áo có đường kính d=1010mm. cánh khuấy có đường kính d=450mm. Động cơ điện quay cánh khuấy có cơng suất 2.2KW, tốc độ quay 150 vòng/phút 38 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 17: Bình thủy phân và lên men đồng thời Ngun lý hoạt động: thiết bị hoạt động gián đoạn, nhập liệu nhiều lần. Ngun liệu sau khi được xử lý sơ bộ được nhập và thiết bị bằng thủ cơng. Cấp nhiệt bằng hơi nước vào vỏ áo 2 giai đoạn: giai đoạn đầu để tiệt trùng, giai đoạn sau duy trì nhiệt độ bình thích hợp cho phản 39 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học ứng. Sau khoảng thời gian thủy phân và lên men cần thiết, sản phẩm được bơm trực tiếp vào bể chứa 6. Bình chứa Cơng dụng: tồn trữ sản phẩm sau khi lên men (dung dịch hỗn hợp enthanol khoảng 5% và rã rơm còn lại) trong điều kiện hiếm khí. Vì dung tích làm việc của tháp chưng cất thơ nhỏ hơn nhiều so với bình lên men vì vậy phải có thiết bị chứa tạm thời để đảm bảo chất lượng của sàm phẩm sau lên men Cấu tạo: Bình chứa cấu tạo gồm một hình trụ rỗng, được đặt trên các chân đỡ, và đường ống nối với bình phản ứng. Thể tích bình chứa 480l. Đường kính 900mm, chiều cao bình (khơng tính phần đế) là 950mm, cả đế 1960mm. Bình chứa được làm bằng thép SUS304, với với 3 chân đỡ, cách mặt đất tầm 1.2m, gồm 1 vị trí nhập và tháo liệu. Nhập liệu hồn tồn tự động: khi sản phẩm lên men đạt u cầu , tồn bộ sản phẩm sẽ được bơm chuyển qua bình chứa và dự trữ 7. Tháp chưng cất. 7.1.Tháp chưng cất thơ là loại tháp chưng cất gián đoạn, dùng để cất sản phẩm lên men (hỗn hơp ethanol 5% và cặn rơm) thành ethanol với nồng độ dao động từ 30 – 60 độ Chủng loại, nơi sản xuất: là loại tháp mâm xuyên lỗ. Sản xuất tại Tokyo, Nhật Bản Cấu tạo: thiết bị hoạt động gián đoạn gồm phần đế và tháp chưng cất +Phần đế: dùng để nâng đỡ toàn bộ thiết bị, thuận tiện trong việc vận hành, vệ sinh, bảo dưỡng +Phần tháp chưng: gồm nồi đun đáy tháp, các mâm xuyên lỗ, và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp Tồn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt Phần nồi đun đáy tháp:Cấp nhiệt bằng hơi nước qua ống ruột gà. Có 1 lỗ nhập liệu ở phía trên nồi đun (có đường kính 72.3mm), bên hơng nồi đun là 2 cửa đối diện nhau (cửa lớn có 40 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học đường kính 267.4mm, cửa nhỏ có đường kính 150mm) để ta quan sát mực chất lỏng trong nồi và vệ sinh nồi. Phía dưới đáy nồi có ống tháo sản phẩm đáy (đường kính 72.3mm). Ngồi ra còn có đồng hồ áp đo áp suất trong nồi, và đầu đo nhiệt độ của dung dịch Phần các mâm xun lỗ: tháp gồm 8 mâm. Mỗi mâm đều có lỗ gắn kính để ta quan sát bên trong. Mâm có 17 lổ, đường kính mỗi lỗ 25.4mm được bố trí theo kiểu tam giác đều. Ống chảy tràn có đường kính là 38.1mm.Chiều cao mỗi mâm là 250mm Thiết bị ngưng tự đỉnh tháp: hình ống trụ, có chiều dài 0.67m, truyền nhiệt ống lồng ống ngược chiều, nước lạnh chảy bên ngồi ống từ dưới lên, hơi từ tháp chưng đi từ trên xuống Ngồi ra còn bố trí thêm thiết bị ngưng tụ phụ 41 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 18: Tháp chưng cất tinh và thơ Ngun lý hoạt động: Nhập liệu gián đoạn vào nồi đun đáy tháp. Được cấp nhiệt bằng hơi nước dung dịch sẽ sơi. Các chất rắn và nước có nhiệt độ sơi cao sẽ thu đáy. Ethanol có nhiệt độ sơi thấp hơn sẽ dần bay hơi lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ. Một phần sẽ được hồn lưu về tháp ngưng tụ, phần còn lại là sản phẩm ta thu được. Khi nhiệt độ dung dịch đạt 980C thì ta dừng q trình. Các thơng số kỹ thuật: +Vật liệu chế tạo: SUS304 +Năng suất mỗi mẻ: 80kg +Thời gian mỗi mẽ: tùy thuộc vào lượng hơi nước cấp cho nồi đun +Chiều cao từ đỉnh tháp đến đáy là 3800mm +Nồi đun: chiều cao 673.8mm, đường kính 550mm +Tháp có đường kính 267.4mm +Áp suất làm việc và áp suất hơi nước: áp suất khí quyển Ưu điểm: dễ vận hành, thiết bị đơn giản hơn liên tục, quy mơ phù hợp với phòng thí nghiệm Nhược điểm: năng suất khơng cao, chất lượng sản phẩm khơng ổn định 7.2. Tháp chưng cất tinh Làm tăng nồng độ ethanol thu hồi (nồng độ ethanol thu được sau q trình khoảng 97 độ) Cấu tạo: hoạt động gián đoạn. Các bộ phận chính như tháp chưng cất thơ: phần đế và tháp chưng cất. Tháp được bọc lớp cách nhiệt 42 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nồi đun đáy tháp: có cấu tạo và kích thước như nồi đun đáy tháp của thiết bị chưng cất thơ Tháp chưng cất: tháp đệm gồm 4 bậc. Thiết bị ngưng tụ: kiểu chùm ống ngược chiều, hơi từ đỉnh tháp ngưng tụ bên trong ống từ trên xuống, nước lạnh chảy bên ngồi ống từ dưới lên. Chiều dài ống truyền nhiệt là 1.3m Các thơng số: Năng suất mỗi mẻ: 80kg Chiều cao tháp từ đế tới đỉnh 5.8m Nồi đun: chiều cao 873.8mm, đường kính 550mm Tháp đệm có đường kính 165.2mm, chiều cao mỗi bậc là 1040mm Tháp làm việc áp suất khí quyển, cấp nhiệt bằng hơi nước có áp suất khoảng 5at 8.Thiết bị khí hóa. Thiết bị khí hố được sử dụng để khảo sát q trình khí hố là thiết bị khí hố tầng cố định ngược chiều, hình trụ. Vật liệu cách nhiệt là gạch samot. Buồng đốt đuợc làm bằng thép 304. Khơng khí đi vào buồng đốt từ đáy thơng qua các ống có quạt thổi.Việc đánh lửa được thực hiện thủ cơng bằng dầu và giấy.Vỏ trấu được tẩm dầu và dùng giấy đốt thơng qua cửa buồng đốt ở phía trên.Than trấu sẽ được vận chuyển ra ngồi bằng trục vít 43 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhiêt đơ khi syngas đi ra khoi thiêt bi khi hoa luc nay khoang 79 – 84 ̣ ̣ ́ ̉ ́ ̣ ́ ́ ́ ̀ ̉ C, nhiêt than trâu la 550 ̣ ́ ̀ – 6500C Năng suất nhập trấu: 55 – 65 kg/h Lượng than sinh ra: 15 – 25kg/h 9.Buồng đốt khí syngas (burner) Buồng đốt khí syngas được sử dụng để đốt khí sygnas từ q trình khí hố sinh nhiệt để cấp cho nồi hơi. Buồng đốt được làm bằng thép 304, hình trụ đứng. Khí syngas từ lò than hóa được đưa vào lò đốt. Áp suất trong lò đốt là áp suất chân khơng do quạt hút tạo ra. Q trình đốt khí syngas được mồi bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas LPG), khi nhiệt độ đạt khoảng 570oC thì LPG tắt và lò tự động cháy do Oxy được cấp tự nhiên thơng qua các lỗ thơng với khơng khi bên ngồi (có 9 lỗ thơng, nhưng chỉ mở 6 lỗ) để bắt đầu q trình oxy hóa. Nếu nhiệt độ thấp hơn 470 oC thì ta đốt thêm LPG. Nhiệt độ trong lò phải được giữ ở mức trên 470oC, nhiệt độ thường khoảng 700 – 8200C. Dòng khí sau khi đốt cháy được đưa dẫn qua nồi hơi để cấp nhiệt cho nồi hơi. Nhiêt đơ dong khi vao lo h ̣ ̣ ̀ ́ ̀ ̀ ơi khoang ̉ 490 – 5400C. Môt phân khi d ̣ ̀ ́ ư se đ ̃ ược thai ra ngoai, nhiêt đô khi thai ra ngoai khoang 290 ̉ ̀ ̣ ̣ ́ ̉ ̀ ̉ 3200C. Hỗn hợp khí syngas bao gồm nhiều thành phần khí như N2, O2, H2, CO, CO2, CH4…Mục đích của q trình than hóa là tạo ra hỗn hợp khí syngas với thành phần CO và H2 càng nhiều càng tốt (hạn chế sự tạo thành CO2), do khi phản ứng với oxy nó sinh ra lượng nhiệt lớn 10. Nồi hơi Chức năng: sử dụng nhiệt khói lò đun sơi, tạo hơi nước nhằm cấp nhiệt cho các thiết bị: bình thủy phân và lên men đồng thời, 2 tháp chưng cất Loại thiết bị: thiết bị truyền nhiệt chùm ống nằm ngang có sự chuyển pha, nước đi bên trong chùm ống ngược chiều với khói lò bên ngồi 44 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Cấu tạo: Bao gồm 2 chùm ống. Nước trước khi bơm vào nồi đun sẽ được xử lý bằng phương pháp trao đổi ion để khử tính cứng. Nhiệt độ của khói lò trước khi vào thiết bị đun: 430 – 540 0C. Nhiệt độ khói lò ra khỏi thiết bị là: 165 – 2500C. Nhiệt độ khói thải ra mơi trường phải dưới 200 0C. Lượng hơi nước tối đa mà thiết bị có thể cung cấp là 100 kg/h. Ngun lý làm việc: Khi vận hành, lượng hơi cấp cho các thiết bị sẽ làm giảm áp suất hơi. Khi áp suất hơi 0.55MPa, thì cửa sập Exhausted (7) đóng và cửa sập Cooling (6) mở, khói từ lò burner (3) được thải 1 phần ra ngồi vì vậy hiệu quả năng lượng lúc này sẽ thấp nhằm giảm áp suất của hơi. Khi áp suất hơi 0.45 MPa, cửa sập Exhausted mở và cửa sập Cooling đóng, khói từ lò burner sẽ được dẫn tồn bộ vào thiết bị đun hơi, lúc này hiểu quả năng lượng sẽ là tối đa Lượng hơi nước đạt tối đa khi áp suất hơi khoảng 0.4MPa, vì vậy thường đặt chế độ áp suất trong khoảng từ 0.4 đến 0.55 MPa, 45 Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 19: Ngun lí làm việc hệ thống nồi hơi V. Một số sự cố và khắc phục trong q trình vận hành Bộ phận sensor của máy báo lỗi vì trong khi đốt nóng lò ở nhiệt độ từ 700 – 900 oC thì lượng trấu bị biến dạng thành polymer kết dính lại trên sensor làm hệ thống ln báo “full”. Trấu khơng được tiếp tục đưa vào, xuất hiên lỗi ở hệ thống tự động. Cách khắc phục: mở nắp loại bỏ các tro trấu còn trong buồng đốt bằng cách dùng máy hút bụi và vệ sinh lại sensor Các trục khi vận hành có thể bị khơ dầu hoặc bị kẹt do trấu dính vào hệ thống. Cách khắc phục : dùng máy nén hơi thổi bay các vật cản và thường xun tra dầu mỡ cho thiết bị để vận hành tốt hơn Máy bơm thể tích của dòng hồn lưu của thiết bị chưng cất bị hỏng do làm việc trong thời gian dài. Cách khắc phục: thay bơm mới Hê th ̣ ống tự động dùng cho cả q trình vận hành khi làm việc lâu ngày bị hư màn hình cảm ứng. Cách khắc phục: chờ các chun gia người Nhật thay thế 46 linh kiện Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 19: sensor trong buồng đốt syngas bị bẩn VI. Nhận xét và đề nghị của sinh viên Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học đang vận hành ở quy mơ pilot một quy trình cơng nghệ thiết thực đối với đời sống. Nếu quy trình này thuận lợi đưa vào cơng nghiệp sẽ giúp giải quyết được nhiều vấn đề: giảm sức ép đối với nhiên liệu hóa thạch: có được nhiên liệu sinh học mà khơng ảnh hưởng tới vấn đề an ninh lương thực, syngas thay thế cho gas, phế phẩm nơng nghiệp được tận dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho ngành nơng nghiệp đồng thời giảm thiểu được vấn đề ơ nhiễm mơi trường do phế phẩm nơng nghiệp. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm và trấu có ý nghĩa lớn đối với một nước có nền nơng nghiệp lúa nước như Việt Nam 47 ... tồn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 1: Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014. Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là... Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làm phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của nhân viên Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 3: Xưởng thực nghiệm. .. được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt cơng nghiệp Báo cáo thực tập q trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Dự án JICA được thực hiện trong khn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học