Đang tải... (xem toàn văn)
Tóm tắt luận án: Nghiên cứu quá trình nhiệt phân Biomass sản xuất nhiên liệu sinh học có nội dung trình bày những nghiên cứu tổng quan về nhiệt phân sinh khối; xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối; Xây dựng mô hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học; nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học trong lò tầng sôi; nghiên cứu phương pháp xác định thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh. Qua đó xác định được thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi. Để tìm hiểu rõ hơn, mời các bạn cùng xem và thao khảo.
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 Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã ngành: 62.52.01.15 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2018 Cơng trình hồn thành Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Dương Hùng PGS.TS Trần Văn Vang Phản biện 1: PGS.TS Hà Mạnh Thư Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Bốn Phản biện 3: PGS.TS Trần Gia Mỹ Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Đại học Đà Nẵng họp vào 14h ngày tháng năm 2018 Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trước thực trạng trữ lượng nguồn lượng truyền thống ngày cảng giảm, ngày người tập trung nghiên cứu, khai thác, ứng dụng nguồn lượng Các nguồn lượng coi lượng sạch, tái tạo chúng không gây ô nhiễm môi trường Trong nguồn lượng này, nguồn lượng sinh khối (biomass) đóng vai trò quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học dần thay cho nhiên liệu truyền thống Việt Nam nước phát triển chủ yếu dựa vào nông lâm nghiệp, nên tiềm lượng từ sinh khối đa dạng có trữ lượng lớn Vì vậy, Việt Nam việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng từ sinh khối dần thay cho nguồn lượng hóa thạch quan Nhà nước nhà khoa học quan tâm Nguồn lượng từ sinh khối sử dụng chủ yếu từ trình đốt cháy, khí hóa nhiệt phân Trong đó, q trình đốt cháy có hiệu suất cao nhất, q trình khí hóa làm việc điều kiện nhiệt độ cao Nhược điểm hai trình lượng sinh sử dụng chỗ, tồn trữ vận chuyển Trong đó, q trình nhiệt phân làm việc nhiệt độ thấp hơn, sản phẩm mong muốn trình nhiệt phân nhanh lỏng gọi dầu sinh học (bio-oil) thuận tiện cho vấn đề bảo quản vận chuyển, sử dụng nhiều ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện Hiện nay, dầu sinh học nghiên cứu nâng cấp để trở thành nguồn nhiên liệu cho trình đốt cháy dần thay phần nhiên liệu truyền thống nhu cầu phát điện [13] Vì vậy, việc nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh sinh khối thu hồi dầu sinh học góp phần định hướng việc sử dụng lượng từ sinh khối Với phân tích trên, việc nghiên cứu góp phần hoàn thiện sở lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối Việt Nam sản xuất nhiên liệu sinh học nhu cầu cấp thiết Do “Nghiên cứu trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học” đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án nhằm góp phần hồn thiện sở lý thuyết trình nhiệt phân nhanh, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh số loại sinh khối phổ biến Việt Nam, bao gồm: - Xây dựng sở lý thuyết để xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh; - Đánh giá yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu thu hồi dầu sinh học phân tích tính chất vật lý dầu sinh học; - Xây dựng phương pháp xác định thơng số động học cho q trình nhiệt phân nhanh Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Sinh khối nghiên cứu bột gỗ bã mía có địa phương; - Nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi 3.2 Phạm vi nghiên cứu Hoàn thiện sở lý thuyết nhiệt phân nhanh nghiên cứu thực nghiệm hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi sản xuất nhiên liệu sinh học với suất 500 g/h Nội dung nghiên cứu ü Nghiên cứu tổng quan nhiệt phân sinh khối; ü Xây dựng mơ hình tốn q trình nhiệt phân nhanh sinh khối; ü Xây dựng mơ hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi sản xuất nhiên liệu sinh học; ü Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học lò tầng sơi; ü Nghiên cứu phương pháp xác định thơng số động học q trình nhiệt phân nhanh Qua xác định thơng số động học q trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi 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 Sinh khối sử dụng sản xuất dầu sinh học sinh khối thực vật, bao gồm: gỗ, cỏ loại trồng nông nghiệp, xác định nguồn lượng tái tạo Thành phần hóa học sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose lignin Các thành phần nguyên tố chủ yếu sinh khối hydro, carbon, oxy; nguyên tố lưu huỳnh nitơ có mặt với số lượng 1.1.2 Tổng quan tình hình sử dụng lượng sinh khối 1.1.2.1 Tình hình sử dụng lượng sinh khối giới Sinh khối Nhiệt phân Chất rắn Hóa lỏng Dầu sinh học Trích ly Nâng cấp Hóa học Diesel Tuốc bin Methanol Hóa khí Đốt cháy Chất khí Nhiệt Tổng hợp Động Lò Điện Amoniac Hình 1.1: Các ứng dụng lượng từ sinh khối [15] Việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối phục vụ đời sống, giao thông, cơng nghiệp sản xuất điện tóm tắt hình 1.1 Với ứng dụng đa dạng dầu sinh học, ngày nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu để hoàn thiện sở lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm trình nhiệt phân sinh khối nhằm nâng cao hiệu chất lượng dầu sinh học thu hồi 1.1.2.2 Tình hình sử dụng lượng sinh khối Việt Nam Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên tiềm sinh khối thực vật đánh giá đa dạng phong phú Nguồn sinh khối chủ yếu từ loại gỗ phụ phẩm trồng (bã mía, trấu, rơm rạ …) Tuy nhiên, Việt Nam việc sử dụng nguồn lượng từ sinh khối qui mơ nhỏ lẻ, chủ yếu sử dụng sinh khối làm chất đốt, làm nhiên liệu đốt lò sản xuất điện cục Trong đó, việc tạo nguồn dầu sinh học từ sinh khối dừng lại việc nghiên cứu ban đầu chưa làm chủ công nghệ 1.1.3 Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối thực phương pháp: thủy phân sinh học, khí hóa nhiệt phân Trong phương pháp có phương pháp nhiệt phân cho sản phẩm dầu sinh học với hiệu cao [36], [37] 1.2 Tổng quan nhiệt phân sinh khối 1.2.1 Khái niệm Nhiệt phân sinh khối trình phân hủy sinh khối tác động nhiệt mơi trường khơng có ơxy Sản phẩm q trình nhiệt phân khí không ngưng, rắn dầu sinh học 1.2.2 Phân loại trình nhiệt phân Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt mà trình nhiệt phân phân thành loại: nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình nhiệt phân nhanh Trong đó, q trình nhiệt phân nhanh cho sản phẩm dầu sinh học có hiệu thu hồi cao [1] 1.3 Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học Nhiệt phân nhanh sinh khối phát triển 25 năm qua, đến có nhiều kiểu lò khác nghiên cứu thí nghiệm thương mại như: quay, trục vít, ma sát, tầng sơi, tầng sơi tuần hồn Qua phân tích ưu nhược điểm kiểu lò, tác giả lựa chọn kiểu lò tầng sơi để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 1.4 Các yếu tố vận hành ảnh hưởng trình nhiệt phân nhanh 1.4.1 Ảnh hưởng thành phần hóa học sinh khối Thành phần hóa học sinh khối bao gồm: hemicellulose, cellulose lignin Tính chất loại sinh khối phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ khối lượng thành phần Do đó, tỉ lệ thành phần hóa học có ảnh hưởng lớn đến hiệu thu hồi dầu sinh học chất lượng sản phẩm trình nhiệt phân nhanh 1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu thu hồi dầu sinh học Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu thu hồi sản phẩm từ trình nhiệt phân nhanh [79], [80], [99] Các nghiên cứu cho thấy khoảng nhiệt độ phản ứng phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh từ 450 đến 525 °C Nếu tăng nhiệt độ phản ứng lên cao xuất phản ứng thứ cấp làm phân hủy hợp chất hữu thể khí, dẫn đến giảm hàm lượng dầu sinh học 1.4.3 Ảnh hưởng thời gian lưu sản phẩm phản ứng lưu lượng khí cấp nhiệt Đối với q trình nhiệt phân nhanh lò tầng sơi, thời gian lưu sản phẩm phản ứng lò đóng vai trò quan trọng việc nâng cao khối lượng chất lượng dầu sinh học thu hồi Các nghiên cứu thực nghiệm mô để hiệu thu hồi dầu cao thời gian lưu sản phẩm phản ứng lò nhiệt phân nhanh khơng q 2s [9], [14] Trong thực tế, chiều cao lò phản ứng khơng thay đổi nên việc điều khiển thời gian lưu sản phẩm phản ứng cách điều chỉnh lưu lượng khí cấp vào lò Vì hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng (vận tốc) khí nitơ 1.4.4 Ảnh hưởng kích cỡ hạt sinh khối Trong trình nhiệt phân nhanh, tốc độ truyền nhiệt lớp sôi với sinh khối ảnh hưởng lớn đến phân hủy phân tử để tạo thành dầu sinh học Một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền nhiệt kích cỡ hạt sinh khối Tuy nhiên, đến việc xác định kích cỡ phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh loại sinh khối chủ yếu nghiên cứu thực nghiệm, chưa có sở lý thuyết để thực cơng việc [9], [44], [79] Ngồi ra, độ ẩm sinh khối áp suất buồng phản ứng ảnh hưởng đến chất lượng khối lượng dầu sinh học Độ ẩm thích hợp cho trình nhiệt phân nhanh < 12% [57] Áp suất buồng phản ứng thấp hiệu thu hồi dầu sinh học cao [60] 1.5 Thông số động học trình nhiệt phân nhanh Khi nghiên cứu động học q trình nhiệt phân nhanh, mơ hình hai giai đoạn hình 1.15 sử dụng phổ biến [51], [54] Sinh khối k1 Khí khơng k ngưng tụ k2 k4 Khí nngưng tụ thành dầu k5 k3 Cốc Khí khơng ngưng tụ Cốc Hình 1.15: Mơ hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối Từ mơ hình phản ứng hình 1.15 cho thấy sản phẩm thu phụ thuộc vào số tốc độ phản ứng ki Hằng số ki tuân theo định luật Arrhenius: ki = Aiexp(-Ea,i/RT) [51] Trong đó, thơng số lượng hoạt hóa Ea,i số trước hàm số mũ Ai trình nhiệt phân nhanh thường sử dụng từ kết nghiên cứu thơng số động học từ q trình nhiệt phân chậm [19], [25], [81] Các thơng số động học đóng vai trò quan trọng q trình điều khiển thành phần sản phẩm trình nhiệt phân nhanh Tuy nhiên, đến thông số động học tương ứng cho loại sinh khối thực công nghệ nhiệt phân nhanh chưa xác định đầy đủ Do đó, dẫn đến kết xác định sản phẩm từ q trình nhiệt phân nhanh tính tốn mơ thực nghiệm nhiều sai khác 1.6 Kết luận chương Từ kết nghiên cứu tổng quan nhiệt phân nhanh sản xuất dầu sinh học cho phép rút kết luận sau: Sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh nhằm thay dần nhiên liệu truyền thống hướng nghiên cứu khả thi, nhiều nhà khoa học nước giới quan tâm Sử dụng công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sơi để nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ sinh khối phương pháp đạt hiệu cao Tuy nhiên, đến sở lý thuyết nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh chưa hoàn thiện, cụ thể là: - Việc xác định thời gian kích cỡ hạt sinh khối cho q trình nhiệt phân nhanh chủ yếu từ kết nghiên cứu thực nghiệm, chưa có sở lý thuyết để tính tốn vấn đề Đồng thời chưa có sở lý thuyết để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp lò tầng sơi đến thời gian phản ứng - Đến nay, thông số động học q trình nhiệt phân nhanh lò tầng sôi chưa xác định cụ thể cho loại sinh khối - Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ sinh khối phổ biến Việt Nam Tuy nhiên, Việt Nam thiết bị nghiên cứu thực nghiệm mẻ, chưa có sở thực việc tính tốn thiết kế chế tạo Do vậy, định hướng nghiên cứu luận án là: Xây dựng sở lý thuyết tính tốn nhằm xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh nghiên cứu ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt lò tầng sơi tới thời gian phản ứng Xây dựng phương pháp xác định thơng số động học cho q trình nhiệt phân nhanh, từ áp dụng cho số sinh khối phổ biến Việt Nam nhiệt phân nhanh lò tầng sơi Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhằm tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống nhiệt phân nhanh lò tầng sơi, qua chế tạo hệ thống có suất 500 g/h Trên sở thiết bị này, thực nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thông số vận hành thích hợp để nâng cao hiệu thu hồi dầu sinh học tương ứng với loại sinh khối Việt Nam Đồng thời, từ nguồn dầu sinh học thu hồi từ nghiên cứu thực nghiệm, tác giả phân tích đánh giá đặc tính Kết nghiên cứu tạo sở cho việc định hướng nghiên cứu nâng cấp dầu sinh học để dần thay nhiên liệu truyền thống CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO Q TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH BỘT GỖ VÀ BÃ MÍA Tác giả sử dụng phương pháp giải tích để giải phương trình vi phân dẫn nhiệt hạt sinh khối nằm mơi trường khí nitơ nóng nhằm xác định trường nhiệt độ bên hạt sinh khối phụ thuộc vào thời gian bán kính t(r, t) Qua đó, xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh khảo sát phụ thuộc thời gian nhiệt phân nhanh vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a 2.1 Xác định trường nhiệt độ t(r, t) hạt sinh khối nhiệt phân nhanh 2.1.1 Phát biểu toán xác định t(r, t) Khảo sát hạt sinh khối t xem hình cầu đồng l/a tf, t=λ chất với bán kính tương đương t(r, t) R=3V/Fs, V thể tích Fs diện tích tồn phần hạt Các thông số vật lý giả thiết phân bố thể tích V t0, t=Ͳ khơng đổi thời gian khảo sát, r R r gồm: nhiệt dung riêng Cp, hệ số dẫn nhiệt l, khối lượng riêng r V, Fs, ρ, Cp, l, a hệ số khuếch tán nhiệt a Nhiệt độ ban đầu hạt t0 (°C), thực v N2, tf a trình nhiệt phân nhanh Hình 2.1: Mơ hình tốn t(r,t) mơi trường khí nitơ có nhiệt độ tf > t0 hệ số trao đổi nhiệt phức hợp α (W/m2.K) Xác định hàm nhiệt độ t = f(r, t, R, r, Cp, l, t0, tf, α) 2.1.2 Mơ tả tốn học Từ phát biểu vật lý mơ hình hình học tốn mơ tả phụ thuộc t(r, t) hình 2.1, trường nhiệt độ t(r, t) mô tả 12 Kết phù hợp với kết nghiên cứu thực nghiệm Zhongyang Luo [104], K Papadikis [54] Binh M.Q Phan [9] 2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh Sử dụng phương trình 2.11 ta khảo sát hệ số tỏa nhiệt phức hợp a lớp sôi ảnh hưởng đến thời gian nhiệt phân, kết thể hình 2.11 R = 0,5 mm = 450 450 °C °C tftf = 1.10 = 475 475 °C °C tftf = R = mm = 500 500 °C °C tftf = 2.60 Thời gian, s Thời gian, s 0.95 0.80 0.65 0.50 200 tftf = 500 °C °C tftf == 475 475 °C °C tftf == 450 450 °C °C 3.00 2.20 1.80 1.40 220 240 260 280 300 320 340 Hệ số a, W/m2°C Hệ số a, W/m °C 360 380 400 420 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 Hệ số a, W/m2°C Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào hệ số a Từ kết mô cho thấy thời gian trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a Khi nhiệt độ phản ứng từ 450 đến 500 °C, hạt gỗ có bán kính 0,5 mm thời gian nhiệt phân nhỏ s, tức thực phản ứng nhiệt phân nhanh Nếu tăng kích cỡ hạt phải tăng giá trị hệ số a Ngồi ra, kết khảo sát cho thấy điều kiện nhiệt độ từ 450 đến 500 °C, hệ số a lớn thời gian nhiệt phân nhanh có xu hướng gần CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LỊ TẦNG SÔI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC Chương trình bày kết mơ khí động lực học nhằm xác định lưu lượng khí nitơ cấp, trở lực lớp sơi vị trí cấp liệu cho lò tầng sơi Đồng thời thiết lập bước tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống nhiệt phân nhanh lò tầng sơi áp dụng để xây dựng mơ hình thí nghiệm có suất ngun liệu cấp 500 g/h 400 420 13 3.1 Mơ hình thực nghiệm 1 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi sản suất dầu sinh học 1: Bộ gia nhiệt; 2: Vít tải liệu; 3: Bình chứa liệu; 4: Lò phản ứng; 5: Cyclone, 6: Bình ngưng Từ nguyên lý làm việc hệ thống cho thấy để xây dựng mơ hình thực nghiệm cần phải xác định thơng số khí động lực học khí nitơ cấp cho lò phản ứng để tạo lớp sơi, tính tốn thiết kế lò phản ứng đảm bảo điều kiện thời gian lưu sản phẩm lò phải nhỏ 2s, tính tốn cơng suất nhiệt tính tốn thiết kế thiết bị cyclone, bình ngưng phù hợp cho sản phẩm trình nhiệt phân nhanh Sinh khối khốối 3.2 Mơ khí động lực học - Mơ tả mơ hình: Mơ hình lò tầng sơi nhiệt phân nhanh bột gỗ thể hình 3.3 N2 - Thiết lập mơ hình mơ phỏng: Trong nghiên Hình Hì h 33.3: Lò L nhiệt hiệtNphân Khí cứu này, sử dụng phần mềm Ansa để chia lưới Ống phun, Cấp liệu, phần mềm Ansys Fluent 14 thực mơ Thân lò, Sản phẩm 14 ws= 0,1 m/s 7000 21000 6000 18000 5000 15000 12000 4000 9000 3000 6000 2000 3000 1000 00 Trở lực lớp sôi, Pa Trở lực lớp sôi, Pa Mơ hình tốn khí động lực học lò tích hợp phần mềm 3.3 Kết mơ bình luận 3.3.1 Mơ xác định vận tốc tạo lớp sôi trở lực lớp sôi 50 100 150 200 Thời gian, s 250 300 ws = 0,3 m/s 7000 21000 6000 18000 5000 15000 12000 4000 9000 3000 6000 2000 3000 1000 00 Trở lực lớp sôi, Pa Trở lực lớp sôi, Pa 0 50 100 150 200 Thời gian, s 250 300 ws = 0,2 m/s 7000 21000 6000 18000 5000 15000 4000 12000 9000 3000 6000 2000 3000 1000 00 50 100 150 200 Thời gian, s 250 300 250 300 ws = 0,4 m/s 7000 21000 6000 18000 5000 15000 4000 12000 3000 9000 2000 6000 3000 1000 00 50 100 150 200 Thời gian, s Hình 3.6: Trở lực lớp sơi phụ thuộc vào vận tốc khí Để trì trạng thái lớp sơi lò vận tốc dòng khí ωsmin 66 Điểm đông đặc °C < -6 < -7 < -9 < 24 pH 2,8 3,5 Lưu huỳnh %kl KPH KPH < 0,05 3,5 Carbon %kl 44,3 41,4 Hydrô %kl 7,1 5,43 Ôxy %kl 48,3 52,51 Nitơ %kl 0,1 0,93 Hiện nay, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn dầu sinh học nên ta so sánh kết phân tích tính chất vật lý thành phần dầu sinh học tạo từ trình nhiệt phân bột gỗ bã mía với tiêu chuẩn ASTM D7544-12 [110] (tiêu chuẩn đưa tiêu dầu sinh học sử dụng cho lò đốt cơng nghiệp Hoa Kỳ) Tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam nhiên liệu đốt lò (FO) TCVN 62392002 [91] Kết cho thấy dầu sinh học từ bột gỗ bã mía đáp 21 ứng thơng số kỹ thuật yêu cầu để làm nhiên liệu cho lò đốt công nghiệp Mỹ So với tiêu chuẩn dầu FO đáp ứng tiêu hàm lượng lưu lưu huỳnh, độ nhớt động học điểm đông đặc 4.4.2 Phân tích thành phần hóa học dầu sinh học Nhằm định hướng cho việc nghiên cứu nâng cấp dầu sinh học từ trình nhiệt phân nhanh, tác giả thực phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) nhằm xác định thành phần cấu tử có dầu sinh học tạo từ trình nhiệt phân bột gỗ Kết cho thấy nhóm cấu tử bao gồm: phenol (40,1 %), aldehydes (21,1 %), ketones (16,5 %), alcohols (11,3 %) acid (5,8 %) Các nhóm cấu tử chứa nhiều nguyên tố oxy nên dầu sinh học nguyên tố oxy chiếm khoảng 50 %, nguyên nhân nhiệt trị dầu sinh học thấp Ngồi ra, nhóm hợp chất acid chiếm đến 5,8 %, nhược điểm dầu sinh học Luận án xác định thành phần sản phẩm khí khơng ngưng Kết phân tích làm sở đánh giá khả tái sử dụng sản phẩm khí để cấp lượng cho trình nhiệt phân nhanh Đồng thời luận án xác định khối lượng riêng hỗn hợp khí nhiệt phân nhiệt độ t = 420°C 2,1 kg/m3 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH Từ kết nghiên cứu xác định thời gian nhiệt phân nhanh hạt sinh khối có bán kính R chương kết nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi chương 4, tác giả xây dựng phương pháp xác định thông số động học Kết sở cho việc nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học 5.1 Đặt vấn đề Theo kết nghiên cứu chương tổng quan cho thấy thành phần sản phẩm trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào số tốc độ phản ứng ki, nghĩa phụ thuộc vào lượng hoạt hóa Ea,i 22 số trước hàm số mũ Ai; thông số động học trình nhiệt phân loại sinh khối điều kiện phản ứng khác Tuy nhiên, đến phần lớn nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh sử dụng số liệu thông số động học từ trình nhiệt phân chậm Vì vậy, sử dụng kết nghiên cứu cho trình nghiên cứu nhiệt phân nhanh sinh khối phổ biến bột gỗ, bã mía lò tầng sơi cho kết khơng xác tính tốn lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Điểm luận án xây dựng phương pháp xác định thông số động học q trình nhiệt phân nhanh sinh khối Từ xác định đánh giá thông số động học q trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi 5.2 Phương pháp nghiên cứu Dựa vào mơ hình q trình nhiệt phân mơ tả hình 1.15, h mơ tả theo mơ hình 5.2 q trình nhiệt phân nhanh k1 Khí khơng ngưng tụ Kh k2 Dầu sinh học Sinh khối k3 Cốc hiệt phân hâ nhanh h Hình 5.12: Mơ hình phản ứng nhiệt sinh khối Giải phương trình động học trình hình 5.2 xác định khối lượng sản phẩm trình nhiệt phân nhanh: ms (τ) = ms0exp [ -(k1 + k + k )τ ] md (τ)= k ms0 {1 - exp [-(k1 + k + k )τ]} (k1 + k + k ) mc (τ)= k 3ms0 {1 - exp [-(k1 + k + k )τ ]} (k1 + k + k ) k1ms0 {1 - exp [-(k1 + k + k )τ ]} (k1 + k + k ) Thay giá trị mg(t), md(t), mc(t), ms(t) ms0 thu từ kết nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh cho loại sinh khối thiết bị thí nghiệm lò tầng sơi thời gian nhiệt phân t = mg (τ)= 23 xác định từ phương trình (2.11) vào phương trình ta tìm giá trị số tốc độ phản ứng k1, k2 k3 Kết hợp đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuyến tính lnki 1/Ti với phương pháp hồi quy tuyến tính xác định Ea,i Ai 5.3 Kết nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi Kết hợp phương trình động học, phương trình trường nhiệt độ kết nghiên cứu thực nghiệm luận án cho phép xác định thông số động học trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi, kết tổng hợp bảng 5.5 Bảng 5.5: Thông số động học trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi Loại sinh Ea, khí Akhí Ea, dầu Adầu Ea, cốc Acốc khối (kJ/mol) (s-1) (kJ/mol) (s-1) (kJ/mol) (s-1) Gỗ 35,3 129 43,9 1522 20,8 21 Bã mía 44 1565 28,3 366 49,6 4593 Phân tích kết giá trị lượng hoạt hóa nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi cho phép đề nghị q trình truyền nhiệt đóng vai trò định đến tốc độ phản ứng nhiệt phân nhanh Qua cho thấy việc cải thiện q trình truyền nhiệt từ môi trường phản ứng đến bề mặt hạt sinh khối góp phần lớn vào việc nâng cao hiệu trình nhiệt phân nhanh KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận án góp phần hồn thiện sở nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm trình nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sơi để sản xuất dầu sinh học sở rút kết luận sau: Phương pháp giải tích sử dụng để giải phương trình vi phân dẫn nhiệt hạt sinh khối mơi trường khí có nhiệt độ cao cho phép xác định trường nhiệt độ bên hạt sinh khối phụ thuộc vào thời gian bán kính hạt với độ xác cao Qua biểu diễn 24 mối quan hệ kích cỡ hạt sinh khối thời gian nhiệt phân nhanh, sở để xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho trình nhiệt phân nhanh Cụ thể bán kính R phù hợp cho q trình nhiệt phân bột gỗ £ 0,95 mm bã mía £ 1,6 mm Sự phụ thuộc thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a xác định luận án Khi nhiệt độ phản ứng từ 450¸500°C, hạt gỗ có bán kính 0,5 mm thời gian nhiệt phân nhỏ s, tức thực phản ứng nhiệt phân nhanh Để phản ứng nhiệt phân nhanh xảy với hạt gỗ có bán kính lớn phải tăng giá trị hệ số a Luận án đề xuất phương pháp xác định thơng số động học q trình nhiệt phân nhanh cách kết hợp phương trình động học, phương trình trường nhiệt độ kết nghiên cứu thực nghiệm Ứng dụng phương pháp này, luận án xác định thông số động học q trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía lò tầng sơi với độ tin cậy cao tổng hợp bảng 5.5 Từ kết xác định thơng số động học cho thấy q trình truyền nhiệt từ môi trường phản ứng đến bề mặt hạt sinh khối đóng vai trò định đến tốc độ phản ứng trình nhiệt phân nhanh Qua cho thấy việc cải thiện q trình truyền nhiệt góp phần lớn nâng cao hiệu trình nhiệt phân nhanh Luận án đề xuất điều kiện vận hành phù hợp hệ thống nhiệt phân nhanh lò tầng sơi với thời gian lưu sản phẩm phản ứng £ 2s Dầu sinh học tạo từ trình nhiệt phân nhanh bột gỗ bã mía đáp ứng thơng số kỹ thuật yêu cầu để làm nhiên liệu cho lò đốt công nghiệp theo tiêu chuẩn ASTM D7544-12 Hoa kỳ Kết nghiên cứu phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) góp phần định hướng nghiên cứu nâng cấp dầu sinh học tạo từ trình nhiệt phân nhanh Ngoài ra, từ kết nghiên cứu thực nghiệm tác giả xác định khối lượng riêng hỗn hợp khí nhiệt phân nhanh nhiệt độ 420 °C ρ = 2,1 kg/m3 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ TẠI HỘI THẢO QUỐC TẾ Pham Duy Vu, Nguyen Quoc Huy, Hoang Duong Hung, Tran Van Vang, Nguyen Bon, Nguyen Dinh Lam (2016), Determination Suitable Biomass Particle Sizes and Fast Pyrolysis Time in Fluidized Bed Reactor, Presented at the ICT-Bio Asia workshop 2016, Kuala Lumpur, Malaysia Pham Duy Vu, Nguyen Quoc Huy, Hoang Duong Hung, Tran Van Vang, Phan Duc Trong (2016), Research on manufacturing experimental fast pyrolysis model for bio-oil production, Proceedings The 2016 International Conference on Advanced Technology & Sustainable Development, Ho Chi Minh city, ISBN 9786049200403; Published in Vietnam Mechanical Engineering Journal ISSN 08667056, pages 323-330 Vu Pham Duy, Huy Nguyen Quoc, Hung Hoang Dương, Vang Tran Van, Lam Nguyen- Dinh (2017), Analytical Modelling Fast Pyrolysis of Biomass Particles in Fluidized Bed Reactor, Presented in Regular Sessions of the ICSSE 2017 and included in the conference proceedings and appear in the IEEE Xplore - The International Conference on Systems Science and Engineering, extented Scopus, pages 711-715 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ TẠI HỘI NGHỊ, HỘI THẢO QUỐC GIA Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Nguyễn Đình Lâm (2015), Sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sơi, Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí – lần thứ IV (2015), trang 554-560 Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Nguyễn Quốc Huy (2016), Xác định yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu thu hồi dầu sinh học từ trình nhiệt phân nhanh sinh khối, Báo cáo Hội thảo khoa học Quốc gia “Ứng dụng công nghệ công 26 trình xanh” lần thứ (2016), đăng Tạp chí Khoa học & công nghệ - Đại học Đà Nẵng số 11(108) 2016, 2, trang 279-283 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ TRÊN CÁC TẠP CHÍ CHUN NGÀNH VÀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang (2015), Nghiên cứu mô động lực học lớp sôi nhiệt phân nhanh biomass, Tạp chí Khoa học & cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng số (90)2015, trang 130-134 Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Nguyễn Bốn (2016), Nghiên cứu trường nhiệt độ khơng ổn định tìm cỡ hạt liệu để nhiệt phân nhanh biomass sản xuất nhiên liệu sinh học, Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 128*3/2016, trang: 11-15 Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Nguyễn Quốc Huy (2017), Xác định thông số động học bã mía nhiệt phân nhanh lò tầng sôi, Báo cáo Hội Thảo khoa học CN nhiệt kỹ thuật lạnh – Kỷ niệm 60 năm thành lập trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đăng Tạp chí Năng lượng nhiệt số 133*01/2017, trang 14-18 Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Trần Thanh Sơn (2017), Đánh giá thực nghiệm tính chất vật lý hóa học dầu sinh học từ trình nhiệt phân nhanh sinh khối việt nam, Tạp chí Khoa học & cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng số 9(118).2017, 2, trang 60-65 Phạm Duy Vũ, Đề tài khoa học công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị nhiệt phân nhanh biomass sản xuất nhiên liệu sinh học, Hội đồng đánh giá nghiệm thu vào ngày 29/9/2016, kết quả: loại tốt ... nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối Việt Nam sản xuất nhiên liệu sinh học nhu cầu cấp thiết Do Nghiên cứu trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học đề tài có ý nghĩa khoa học thực... pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối thực phương pháp: thủy phân sinh học, khí hóa nhiệt phân Trong phương pháp có phương pháp nhiệt phân cho sản phẩm... động học Kết sở cho việc nghiên cứu trình nhiệt phân nhanh sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học 5.1 Đặt vấn đề Theo kết nghiên cứu chương tổng quan cho thấy thành phần sản phẩm trình nhiệt phân