Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối theo công nghệ downdraft với mục đích làm chủ được công nghệ khí hóa sinh khối; xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố: Chế độ vận hành, nhiên liệu; phát triển, nâng cấp công suất hệ thống khí hóa;...
Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn: PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ người đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt q trình thực hiện đồ án Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cơ giáo trong bộ mơn Cơng nghệ hữu cơ hóa dầuViện kỹ thuật Hóa họcTrường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong suốt q trình học tập nghiên cứu để hồn thành tốt đồ án này Em cũng xin chân trọng cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Cương và các anh chị trong xưởng Thiết Bị Áp Lực trường Đại học BKHN đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong q trình thực hiện đồ án Cuối cùng em xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, nhóm đề tài khí hóa, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hồn thành đồ án này Do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu, thời gian có hạn nên đồ án này khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót, em kính mong thầy cơ góp ý giúp đỡ để bản đồ án được hồn thiện hơn Hà Nội, ngày 03 tháng 07 năm 2013 SVTH: Lê Tuấn Linh SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 1 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC BẢNG 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 5 PHẦN 1: TỔNG QUAN 7 I. Tổng quan về nhiên liệu sinh khối 7 I.1. Nhiên liệu sinh khối [1] 7 I.1.1. Năng lượng từ sinh khối 7 I.1.2. Vai trò của nhiên liệu sinh khối 8 I.2. Thành phần và tính chất hóa học của ngun liệu sinh khối [12] 10 I.2.1. Thành phần hoá học 10 I.2.2. Thành phần nguyên tố hóa học 12 I.3. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam [10] 13 I.4. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam [8] 14 II. Tổng quan về cơng nghệ khí hóa 16 II.1. Lý thuyết về quá trình 16 II.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình khí hóa sinh khơí 17 II.3. Cơng nghệ khí hóa tầng cố định 19 II.3.1. Phân loại khí hóa tầng cố định [9] 19 II.3.2. Ưu nhược điểm và những tồn tại của cơng nghệ khí hóa sinh khối 23 II.4. Hiện trạng sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam [9] 24 PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HĨA SINH KHỐI CƠNG SUẤT 8 kg/h 25 I. Hệ thống khí hóa 25 I.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống. 32 II. Q trình thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 34 II.1. Trình tự thí nghiệm 34 II.1.1. Chuẩn bị nhiên liệu 34 II.1.2. Thơng gió và kiểm tra hệ thống 35 II.1.3. Khởi động hệ thống 35 II.1.4. Vận hành hệ thống và thu thập số liệu 35 II.1.5. Ngừng thí nghiệm 36 II.2. Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích 36 II.2.1. Đo áp suất 36 SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 2 Đồ án tốt nghiệp II.2.2. Đo nhiệt độ 37 II.2.3. Đo lưu lượng khơng khí 38 II.2.4. Phân tích thành phần sản phẩm khí 38 II.2.5. Đo tar 38 II.3. Phương pháp phân tích tính tốn và xử lí số liệu 40 II.3.1. Cơng thức tính tốn 40 I.3.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 44 III.2. Kết quả thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa 65 III.2.1. Thí nghiệm 7 65 III.2.2. Thí nghiệm 8 68 III. 3. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm 71 I.1. Sơ đồ hệ thống 73 I.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống. 75 II. Kết quả và thảo luận 77 II.1. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa 77 II.1.1. Thí nghiệm 9 77 II.1.2. Thí nghiệm 10 80 II.1.3. Thí nghiệm 11 82 II.2. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa 86 II.2.1. Thí nghiệm 12 86 II.2. Thí nghiệm 13 90 II.3. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu vỏ trấu. 93 II.4. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm của hệ thống 30kg/h 97 II.5. Kết quả tính tốn cho một số mơ hình khí hóa downdraft 98 KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác 8 Hình 1.1. Cơng thức hóa học của xenlulozo 11 Hình 1.2. Các monome của Lignin. 11 Với lợi thế một quốc gia nơng nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ lúa, ngơ, mía, sắn, lạc, bã cà phê, võ hạt điều 13 Bảng 1.2: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng 14 SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 3 Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.3: Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp chặt 22 Bảng 1.4: Các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay 24 Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối 34 Bảng 2.2: Thành phần hóa học của các mẫu sinh khối 35 Bảng 2.3: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 8 kg/h 71 Bảng 3.1: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 30kg/h 97 Bảng 3.2: Kết quả tính tốn với SV = 0,7 m/s 98 Bảng 3.3: Kết quả tính tốn khi SV = 0,6 m/s 98 Bảng 3.4: Sự phụ công suất thiết bị vào SV khi Dt không đổi 100 Hình 3.5: Mối quan hệ giữa SV và cơng suất thiết bị khi Dt =300mm. 100 Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =500mm 101 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ad: Các số liệu phân tích trên lượng khơ nhận được W: Hàm ẩm của sinh khối A: Hàm lượng tro của sinh khối V: Hàm lượng chất bốc của sinh khối FC: Hàm lượng cacbon cố định của sinh khối SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 4 Đồ án tốt nghiệp LỜI NĨI ĐẦU An ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nước trên thế giới bao gồm cả những nước phát triển và nước đang phát triển do các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ. Vì vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc biệt chú trọng. Sinh khối là một nguồn năng lượng tái tạo có khả năng đáp ứng được những vấn đề thời sự trên. Thế giới đang quan tâm tìm cách sử dụng năng lượng sinh khối một cách có hiệu quả, trong đó cơng nghệ khí hóa sinh khối là một cơng nghệ mang lại hiệu quả cao. Ở Việt Nam cơng nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ. Việc sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại lĩnh vực cung cấp nhiệt cho cơng nghiệp quy mơ nhỏ và các hộ gia đình như: Thiết bị khí hóa trấu để cung cấp nhiệt cho nung gốm sứ ở Đồng Tháp, An Giang và bếp khí hóa sinh khối hộ gia đình do các doanh nghiệp chép mẫu hoặc nhập khẩu chủ yếu từ Trung Quốc vì vậy khi sử dụng hiệu suất chưa cao, làm việc chưa ổn định Vì vậy em chọn đồ án “Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối theo cơng nghệ downdraft” với mục đích: Làm chủ được cơng nghệ khí hóa sinh khối Xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố: Chế độ vận hành, nhiên liệu Phát triển, nâng cấp cơng suất hệ thống khí hóa Tận dụng tối đa và hiệu quả nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn ở các vùng nơng thơn và miền núi đang khơng được sử dụng đúng giá trị thực và lãng phí để sản xuất khí tổng hợp cung cấp cho Tổng hợp Hữu cơ Hóa dầu, bên cạnh đó là sản xuất điện năng quy mơ nhỏ nhờ nhiệt của của q trình khí hóa sinh khối Cung cấp điện năng tại chỗ cho một thơn, một xã, một khu vực, dựa vào trữ lượng sinh khối sẵn có tại nơi đó. Giải quyết vấn đề thiếu điện năng vào cho những nơi này, đảm bảo điện năng cả về nhu cầu lẫn kinh tế đem lại Bên cạnh đó còn giải quyết vấn đề xử lý mơi trường do nhiều nơi khơng sử dụng đúng cách mà còn thải xuống sơng ngòi hoặc đốt gây ơ nhiểm khơng khí. Khí hóa sinh khối góp phần bảo vệ mơi trường tốt đẹp hơn SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 5 Đồ án tốt nghiệp Đồ án của em được chia làm 3 phần chính: PHẦN 1: TỔNG QUAN Giới thiệu một cách tổng quan về ngun liệu sinh khối, năng lượng sinh khối, tiềm năng sinh khối và hiện trạng sử dụng sinh khối Việt Nam. Giới thiệu chung về khí hóa sinh khối tầng cố định, các kiểu khí hóa tầng cố định, ưu nhược điểm của từng cơng nghệ, hiện trạng sử dụng cơng nghệ khí hóa ở Việt Nam PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HĨA SINH KHỐI CƠNG SUẤT 8 kg/h Giới thiệu về sơ đồ cơng nghệ và ngun lý làm việc của hệ thống. Trình bày phương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm. Đánh giá một số kết quả đã đạt được PHẦN 3: HỆ THỐNG KHÍ HĨA SINH KHỐI CƠNG SUẤT 30 kg/h Giới thiệu về sơ đồ cơng nghệ và ngun lý làm việc. Đánh giá kết quả thí nghiệm, tính tốn nâng cơng suất thiết bị, xây dựng mối quan hệ giữa hệ số SV, đường kính thốt với cơng suất thiết bị SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 6 Đồ án tốt nghiệp PHẦN 1: TỔNG QUAN I. Tổng quan về nhiên liệu sinh khối I.1. Nhiên liệu sinh khối [1] Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo. Trong sản xuất năng lượng và cơng nghiệp, sinh khối được đề cập đến ở đây là ngun liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất cơng nghiệp. Thơng thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ. Trong thời kì sơ khai, sinh khối nguồn ngun liệu chính cho con người mãi đến tận thế kỉ 19. Sang thế kỉ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng ngun tử. Câu trả lời cho lý do hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm là đặc tính của sinh khối: Có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn có sẵn, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu I.1.1. Năng lượng từ sinh khối Năng lượng sinh khối ( hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ ) có thể sản xuất tại chỗ, có khắp nơi, tương đối rẻ và ngun liệu tài ngun tái tạo Năng lượng sinh khối ( NLSK ) khác các dạng năng lượng tái tạo khác. Một là: Khơng giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm sốt Hai là: Cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng. Sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nơng nghiệp của ngành lương thực thí dụ: Trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ, …v.v. Thứ hai: Sinh khối gỗ: Có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ: Gỗ cây cao su, cây điều, cây keo, bạch đàn …v.v NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nơng, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng. Ngồi ra, năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 7 Đồ án tốt nghiệp hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do khơng chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn. Ngồi ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khơ, đồng nhất và chất lượng ổn định I.1.2. Vai trò của nhiên liệu sinh khối Hiện nay, trên qui mơ tồn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 1415 % tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển, sinh khối thường nguồn lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số lượng. Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ. Vì vậy, lợi ích của nguồn năng lượng sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó khăn khi sử dụng NLSK Lợi ích Lợi ích kinh tế Phát triển nơng thơn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh khối, tạo thêm cơng ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…) Thúc đẩy sự phát triển cơng nghiệp năng lượng, cơng nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng, …v.v Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu. Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thơng qua bảng sau: Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác Năng lượng phát Mặt trời Gió Sinh khối Tổng đầu tư (triệu USD) 1.830 12.700 6.300 Quy mơ nhà máy(Kw) 1.000.000 10.000.000 10.000.000 Tỷ lệ hoạt động hàng năm(%) 12 Công suất điện phát hàng năm(Mkw/h) 1.100 20 17.500 70 6.300 Đơn vị đầu tư (USD/ KW) 0.72 0.10 SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN 1.66 Trang: 8 Đồ án tốt nghiệp Lợi ích mơi trường: Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho mơi trường. Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được. Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó, nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng khơng làm tăng CO2 trong khí quyển. Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chơn lấp …v.v Khó khăn So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp. Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm. Q trình chuyển đổi năng lượng phức tạp. Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến mơi trường, phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác. Có thể thấy, so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì nguồn NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. NLSK có nhiều dạng, và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính tái sinh, tận dụng từ phế phẩm nơng lâm nghiệp Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn về cơng nghệ, về phân bố nguồn ngun liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà nước…v.v SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 9 Đồ án tốt nghiệp I.2. Thành phần và tính chất hóa học của ngun liệu sinh khối [12] Các ngun liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ, trấu, ngơ, lá cây, phân động vật, phế phẩm nơng lâm nghiệp, rác thải sinh hoạt… I.2.1. Thành phần hố học Thành phần hố học của SK chủ yếu bao gồm: Nước, các polyme, các hợp chất trích ly, các hợp chất vơ cơ Hơi ẩm chính là nước tự do có trong SK và thay đổi theo điều kiện bảo quản cũng như điều kiện mơi trường (nhiệt độ, độ ẩm khơng khí ). Trong điều kiện khơ tương đối, thì hàm lượng ẩm trong SK chiếm khoảng từ vài đến hơn 10% về khối lượng Các polyme trong SK chủ yếu là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin. Xenlulozo, lignin hemixenlulozo thường liên kết với hình thành nên polymer lignoxenlulozo Xenlulozo: Xenlulozo là một dạng polysaccarit có trong hầu hết các loại thực vật. Tuỳ thuộc vào mơi trường sống, tuổi của cây, mỗi lồi thực vật có hàm lượng xenlulozo khác nhau, thường chiếm xấp xỉ 40 50% khối lượng biomass. Xenlulozo có cấu trúc mạch thẳng, khơng phân nhánh được tạo thành từ các mắt xích cơ bản vòng sáu cạnh βDglucopyzanozo. Các dị vòng được nối với nhau bằng liên kết β1,4 glucozit. Cơng thức phân tử của xenlulozo là: (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng từ 5000 14000. Lượng phân tử của xenlulozo nằm trong khoảng 300.000500.000 . Xenlulozo có cấu trúc tinh thể nên bền nhiệt. Phản ứng nhiệt phân xenlulozo xảy ra ở khoảng 240350 0C SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN Trang: 10 Đồ án tốt nghiệp II.2. Thí nghiệm 13 Chieu caoc (mm) Mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng khơng khí tổng 1400 lít/phút 800 230mm C1=600 lit/phut 200 200 600 400 120mm moi lua C2=450 lit/phut 400 400 600 600 800 700 800 300mm C3=340 lit/phut 800 900 200 700 1000 220mm Nhiet do oC Ghi lo 0 20 40 60 80 100 Thoi gian (phut) 2.5 35 2.0 30 25 1.5 CO H2 CO2 CH4 20 nong do (%V) nong do (%V) Hình 3.13.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian 1.0 15 10 0.5 0.0 0 20 40 60 80 100 thoi gian (phut) Hình 3.13.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian SVTH : Lê Tuấn Linh – Hóa Dầu K53QN Trang: 90 luu luong (lit/phut) Đồ án tốt nghiệp Wvao Wra 2200 2000 1800 1600 1400 1200 20 40 60 80 100 thoi gian (phut) 35 2.0 30 1.5 25 CO H2 CO2 CH4 20 luong (mol/phut) luong (mol/phut) Hình 3.13.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian 1.0 15 10 0.5 0.0 0 20 40 60 80 100 thoi gian (phut) Hình 3.13.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 30 phút (hình 3.13.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên q trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 700 oC), giai đoạn này chủ yếu là q trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém SVTH : Lê Tuấn Linh – Hóa Dầu K53QN Trang: 91 Đồ án tốt nghiệp Thời gian từ phút 30 đến phút 90 đây giai đoạn q trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 700oC với chiều rộng khoảng 300mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 500 đến 700oC với chiều rộng khoảng 220mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 140mm. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (