Nghiên cứu kỹ thuật khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng nhiệt

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .8 LỜI NÓI ĐẦU 12 Tính cấp thiết đề tài 12 Mục tiêu nghiên cứu .13 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu 13 Bố cục đề tài 14 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI .15 1.1 Các khái niệm sinh khối 16 1.1.1 Sinh khối gì? .16 1.1.2 Nguồn lượng từ sinh khối 16 1.2 Vai trò sinh khối 17 1.2.1 Lợi ích 17 1.2.2 Khó khăn 18 1.3 Thành phần tính chất hóa học sinh khối .19 1.4 Tiềm sinh khối Việt Nam 22 1.5 Hiện trạng sử dụng sinh khối Việt Nam 23 1.6 Kết luận 24 CHƯƠNG II LÝ THUYẾT KHÍ HĨA SINH KHỐI 25 2.1 Các phương trình bước khí hóa 26 2.2 Quá trình khí hóa .29 2.2.1 Sấy .31 2.2.2 Nhiệt phân 32 2.2.3 Phản ứng khí hóa char .32 2.3 Các phản ứng cháy char 37 2.4 Xúc tác khí hóa 39 2.5 Kết luận 39 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU BẾP KHÍ HĨA 41 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Các dạng bếp khí hóa 42 3.2.1 Bếp Thuận Phú 42 3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 43 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 43 3.2.1.3 Ưu, nhược điểm 44 3.2.2 Bếp Viết 45 3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 45 3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 45 3.2.2.3 Ưu, nhược điểm 46 3.2.3 Bếp Rùa 47 3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 47 3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động 47 3.2.3.3 Ưu, nhược điểm 48 3.2.4 Bếp truyền thống .49 3.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 49 3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động 49 3.2.4.3 Ưu, nhược điểm 50 3.3 Kết luận 50 CHƯƠNG IV 52 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ BẾP KHÍ HĨA TRẤU .52 4.1 Giới thiệu 53 4.2 Phương pháp 54 4.2.1 Bếp thử nghiệm 54 4.2.2 Nhiên liệu sử dụng 54 4.2.3 Hệ thống thử nghiệm 54 4.2.4 Quy trình kiểm tra 59 4.2.4.1 Tổng khối lượng nhiên liệu mẻ khí hóa .65 4.2.4.2 Độ ẩm nhiên liệu 65 4.2.4.3 Xác định nhiệt trị nhiên liệu 66 4.2.4.4 Hiệu suất nhiệt 66 4.2.4.5 Các bước kiểm tra khác 68 4.2.5 Kết 69 4.2.5.1 Đặc tính nhiên liệu 69 4.2.5.2 Hiệu suất 70 4.2.5.3 Phát thải khí CO bụi PM2.5 .73 4.2.6 Kết luận 74 CHƯƠNG V THIẾT KẾ BẾP KHÍ HĨA 76 5.1 Lựa chọn cơng nghệ khí hóa sinh khối .77 5.2 Tính tốn .77 5.2.1 Năng lượng cần thiết: 77 5.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu .78 5.2.3 Đường kính buồng phản ứng 79 5.2.4 Chiều cao bếp 79 5.2.5 Thời gian để tiêu thụ trấu 80 5.2.6 Lưu lượng không khí 80 5.2.7 Vận tốc bề mặt 81 5.3 Cấu tạo bếp 81 5.4 Ưu, nhược điểm 83 5.5 Sơ đồ nguyên lý 84 5.6 Nguyên lý hoạt động 84 5.7 Thử nghiệm bếp .85 5.7.1 Phương pháp 85 5.7.2 Quy trình thử nghiệm .85 5.7.3 Kết thảo luận .88 5.8 Kết luận 90 CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn đư ợc giúp đỡ từ nhiều đơn vị, cá nhân Qua xin đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Lê Đức Dũng – người t ận tình hư ớng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy cô viện KH & CN Nhiệt Lạnh trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, xin chân thành cảm ơn anh, chị tổ chức SNV giúp đỡ trình thực nghiệm, cảm ơn bạn bè đồng nghiệp đặc biệt cảm ơn người thân quan tâm đ ộng viên giúp đỡ tơi hồn thiện luận văn Quá trình thực luận văn tơi tìm kiếm tham khảo nhiều sách khác cịn nhiều thiết sót Tơi mong nhận góp ý chân thành từ quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tác giả luận văn Nguyễn Thị Việt Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi tự tính tốn, thiết kế nghiên cứu hướng dẫn thầy giáo TS Lê Đức Dũng Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Tác giả luận văn Nguyễn Thị Việt Linh DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT GIẢI THÍCH SK Sinh khối NLSK Năng lượng sinh khối TLUD (Top Lit Up Draft) Khí hóa theo lớp từ xuống TLDD (Top Lit Down Draft) Khí hóa theo lớp từ lên WBT (Water Boiling Test) Thử nghiệm đun sôi nước PM (Particulate Matter) Hạt bụi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT 1.1 TÊN BẢNG BIỂU Nguồn lượng từ NLSK so với nguồn TRANG 17 lượng tái sinh khác 1.2 Thành phần hóa học số loại rơm từ nông 18 nghiệp 1.3 Thành phần nguyên tố gỗ 19 1.4 Thành phần nguyên tố số loại nhiên liệu sinh 20 khối 1.5 Tiềm sinh khối gỗ lượng 21 1.6 Tiềm sinh khối phụ phẩm nông nghiệp 21 1.7 Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực 22 2.1 Nhiệt trị khí sản phảm dựa theo tác nhân khí hóa 26 2.2 Các phản ứng khí hóa điển hình 250C 29 2.3 So sánh ảnh hưởng sụ khuếch tán lỗ rỗng lên 37 tốc độ khí hóa char tốc độ cháy 4.1 Bảng danh mục, thiết bị dùng thử nghiệm 54 4.2 Bảng quy trình thử nghiệm 58 4.3 Số lượng lần thử nghiệm cho bếp lịch làm 62 việc 4.4 Kết thử nghiệm 68 5.1 Quy trình thử nghiệm bếp 85 5.2 Kết thử nghiệm bếp 88 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT TÊN HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 2.1 Biểu đồ C – H - O q trình khí hóa 27 2.2 Các sản phẩm q trình khí hóa 28 2.3 Hằng số cân phản ứng khí hóa 36 3.1 Sơ đồ nguyên lý bếp Thuận Phú 42 3.2 Sơ đồ nguyên lý bếp Viết 44 3.3 Sơ đồ nguyên lý bếp Rùa 46 3.4 Sơ đồ nguyên lý bếp truyền thống 48 4.1 Bếp Rùa (1) 53 4.2 Bếp Viết (2) 53 4.3 Bếp Thuận Phú (3) 53 4.4 Bếp truyền thống (4) 53 4.5 Bếp SPIN (5) 53 4.6 Thiết bị hút khói bụi 57 4.7 Thời gian khởi động bếp trình CST 70 4.8 Thời gian để đun sôi nước từ trạng thái nguội 71 trường hớp CST 4.9 Hiệu suất nhiệt bếp đun kiểm nghiệm phương pháp WBT 4.2.2 10 72 Hình 5.1 Mặt chiếu đứng bếp Hình 5.2 Mặt đốt bếp Hình 5.3 Giá đ ỡ Hình 5.4 Ghi bếp * Quạt gió - Quạt gió dùng để cung cấp khơng khí cho q trình hóa khí gas bếp - Quạt nằm chân bếp - Sử dụng quạt 12 – 15V/DC 82 * Đầu đốt gas phía - Đầu đốt dùng để đốt khí gas sinh Nằm phía - Nó gồm vịng lỗ có đướng kính 3/8 inch, cho phép khí gas qua - Lỗ cấp khí phía (lớp thân bếp bên trong), hàng lỗ dùng để cung cấp khơng khí thứ cấp cho việc đốt khí gas đầu đốt - Đầu đốt trộn lẫn khơng khí vào khí gas dễ cháy, đốt cháy phía đầu đốt - Bên đầu đốt, giá đỡ để người dùng để nồi nấu phía 5.4 Ưu, nhược điểm * Ưu điểm: - Nhiên liệu trấu rẻ, tiết kiệm cho người dùng - Dễ nhóm lửa mảnh giấy vụn - Bếp khơng có khói - Nếu gia đình có khoảng người, đ ủ dùng cho bữa nấu ăn - Kiểm sốt lửa điều chỉnh quạt gió - Tro sau đốt dùng làm vật liệu cách nhiệt tốt - Có thể chạy quạt gió acqui - Khơng lo cháy nổ, khơng dùng khí nén * Nhược điểm - Không phù hợp với vùng trấu - Nếu dùng thành phố, phải có doanh nghiệp cung cấp trấu - Nó cần quạt gió để hoạt động, khó khăn cho vùng khơng có điện 83 5.5 Sơ đồ ngun lý Hình 5.5 Sơ đồ ngun lý bếp khí hóa 5.6 Nguyên lý hoạt động Nguyên tắc đốt trấu với lượng khí oxy (đốt yếm khí), khơng khí, nước, carbon tro than, phản ứng hóa học sinh khí gas dễ cháy CO, Hydro H2, Metan CH4 Khi điều khiển lượng không khí từ quạt gió, cho điều kiện tốt để sinh khí gas dễ cháy nói Nhiên liệu nhóm lửa từ mẩu giấy vụn Sau cháy từ từ theo lớp, qua vùng dễ cháy, di chuyển dần xuống bên với tốc độ khoảng 3,87cm/s Tốc độ cháy phụ thuộc vào quạt gió Càng nhiều gió, tốc độ nhanh Khi vùng đốt di chuyển xuống, tiếp tục đốt cháy trấu thành than Chính than nóng này, kết hợp với không từ lên, xảy phản ứng hóa học, biến thành khí gas dễ cháy (CO, H2, Metan) Khí gas nói trên, bốc lên tới phần đầu đốt Khơng khí lỗ phía trên, hịa lẫn với khí gas này, lần nữa, khí gas cháy phía đầu đốt sinh lửa màu xanh 84 Điều chỉnh tốc độ quạt gió núm điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh lửa phía đầu đốt Sau lần nấu, đợi bếp nguội xả tro 5.7 Thử nghiệm bếp 5.7.1 Phương pháp Bếp thử nghiệm Hình 5.6 Bếp Nhiên liệu sử dụng: Trấu tươi củi, nhiên liệu phân tích hàm lượng ẩm, độ ẩm trấu dao động khoảng – 11,5%, độ ẩm củi dao động từ 13 – 15% Hệ thống thử nghiệm: Tất thử nghiệm đư ợc thực điều kiện phịng thí nghiệm kiểm tra bếp đun (các thiết bị phần thực nghiệm với loại bếp nêu chương IV) 5.7.2 Quy trình thử nghiệm ST Các thông số Mô tả ngắn gọn quy trình thử nghiệm Thơng số T đầu dự thử nghiệm kiến (Đơn vị) Đặc tính nhiên liệu 85 Tổng khối lương Cân khối lượng nhiên liệu cấp cho mẻ 1.1 nhiên liệu (kg) bếp khí hóa mẻ khí hóa 1.2 Độ ẩm nhiên liệu - Sấy khơ mẫu hồn tồn lị sấy 107oC độ ẩm (%) - Lấy mẫu đại diện khoảng 100 gram, cân trọng lượng, sau sấy khơ sấy nhiệt độ 107oC 24 giờ, trọng lượng không giảm để đảm bảo mẫu khơ hồn tồn % Moisture (wet basis) = (MassWet-MassDry)/MassWet*100 1.3 Nhiệt trị nhiên liệu Đo nhiệt trị cao (HHV) bom nhiệt lượng HHV kế Parr 6200 (kJ/kg) - Mẫu lựa chọn để đo trấu tươi, củi; hỗn hợp than hoa trấu; than củi, than hoa cịn lại sau q trình khí hố Hiệu suất Sử dụng phương pháp thử nghiệm đun sôi suất tiêu thụ nước (WBT) với mục tiêu để xác định hiệu nhiên liệu sử dụng nhiệt bếp Hiệu suất nhiệt Phương pháp đo đạc tính tốn dựa (%) 2.1 chế độ vận phương pháp đun nước sơi trình bày hành công suất phần giới thiệu (WBT 4.2.2): lớn (chế độ đun - Thực chế độ: vận hành bếp công sôi từ trạng thái suất lớn (giai đoạn đun nước đến sôi) nguội đến sôi ) giai vận hành công suất nhỏ (giai đoạn đun sôi lăn tăn) Bếp khởi động trạng thái lạnh - Cân khối lượng nước để đun sôi nồi thử nghiệm tiêu chuẩn: kg 86 - Nhiệt độ nước ban đầu thời điểm thử nghiệm 240C - Ghi lại thời gian khởi động, thời gian đun sôi, cân lượng nhiên liệu sử dụng xác định lượng nước bốc - Mỗi bếp vận hành chế độ làm việc tốt Quy trình thử nghiệm đun nước sơi WBT + Thử nghiệm lạnh Lấy lít nước đun sơi từ trạng thái bếp nguội lạnh, sau ghi chép lại thời gian để đun sôi, lượng nước bốc Thử nghiệm lạnh đun sôi lăn tăn Thực việc đun sơi đến sơi sau điều chỉnh lửa nhỏ để đun thời gian 30 phút Giữa giai đoạn, đo ghi lại: • Thời gian • Khối lượng nhiên liệu • Khối lượng nước nồi • Khối lượng than cịn lại • Dựa vào số liệu đo đạc phân tích nhiệt trị trấu, hỗn hợp, than hoa thu trước sau thí nghiệm tính hiệu suất nhiệt 2.2 Mức tiêu thụ Cân toàn nhiên liệu dùng để cấp đầy cho (g/min) nhiên liệu bếp sau vận hành bếp điều kiện cháy lớn vận hành bếp ghi lại thời gian cháy nhiên liệu cho 87 công suất lớn đến hết lượng nhiên liệu tiêu thụ 2.3 Mức tiêu thụ Cân toàn nhiên liệu dùng để cấp đầy cho (g/min) nhiên liệu bếp sau vận hành bếp điều kiện cháy nhỏ vận hành bếp ghi lại toàn thời gian cháy nhiên công suất nhỏ liệu hết lượng nhiên liệu tiêu thụ 2.4 Thời gian khởi động bếp 2.5 Thời gian để đun sôi lít Đo thời khoảng thời gian tính từ lúc châm lửa (min.) đến khí bếp hoạt động ổn định - Điều chỉnh tốc độ quạt công suất lớn (min.) - Ghi lại khoảng thời gian từ lúc bắt đầu đặt nước điều kiện nồi lên bếp cháy nước khí hố cơng nồi bắt đầu đạt đến nhiệt độ sôi Ghi lại thời suất lớn gian nhiệt độ 2.6 Thời gian đốt - Điều chỉnh tốc độ quạt cơng suất thấp (min.) cháy hết mẻ trì đư ợc lửa nhiên liệu (ở tốc - Ghi lại thời gian cháy hết mẻ nhiên liệu độ quạt nhỏ nhất) 2.7 Thời gian đốt - Điều chỉnh tốc độ quạt hết công suất, cháy hết mẻ - Ghi lại thời gian toàn trình cháy nhiên liệu (ở tốc hết mẻ nhiên liệu độ quạt cao nhất) 5.7.3 Kết thảo luận * Đặc tính nhiên liệu - Độ ẩm trấu từ – 11,5%, độ ẩm củi từ 13 – 15% 88 (min.) - Trong trình tính tốn hiệu suất nhiệt, nhiệt trị thấp nhiên liệu phân tích, với trấu LHV dao động khoảng 12600 kJ/kg, LHV củi dao động 16600 kJ/kg Kết thử nghiệm: TT Thơng số Đặc tính nhiên liệu Đơn vị Bếp Tổng khối lương nhiên liệu g Trấu: 2205 mẻ khí hóa Củi: 382 Độ ẩm nhiên liệu % Trấu: 9% Củi 14,8% Nhiệt trị nhiên liệu LHV kJ/kg trấu: 12600 kJ/kg Củi: 16600 kJ/kg Hiệu suất nhiệt Hiệu suất nhiệt CST (công suất % 20,5 bếp lớn nhất) Thời gian khởi động phút Thời gian đun sơi lít nước phút