ISSN 2354-0575 TÍNH TỐN THIẾT KẾ LỊ KHÍ HĨA SINH KHỐI XI CHIỀU Nguyễn Đình Tùng1, Đỗ Chí Dũng2 Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp - Bộ Công Thương Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 26/4/2016 Ngày sửa chữa: 18/5/2016 Ngày xét duyệt: 20/6/2016 Tóm tắt: Trong báo đưa số sở để tính tốn thiết kế lị khí hóa sinh khối xi chiều Kết tính tốn cho số thơng số công suất nhiệt đạt 1327 KWth , hiệu suất buồng đốt 0,65%; lượng khơng khí cần cung cấp 1500 m3/h; đường kính lị 0,75 m; thể tích buồng đốt 0,55 m3; diện tích ghi lò 0,44 m2; lượng nhiên liệu tiêu thụ 125 kg/h Từ khóa: Tính tốn thiết kế lị khí hóa, lị khí hóa sinh khối xi chiều Đặt vấn đề Việt Nam năm gần kinh tế phát triển nên kéo theo ngành công nghiệp, dịch vụ ngày phát triển theo Bởi nguồn lượng sử dụng vùng nông thôn, miền núi chiếm tới khoảng 75% dân số lúc khơng cịn sử dụng nhiều sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp, mà thay nguồn lượng nhiệt từ điện và/hoặc khí gas tự nhiên để đun nấu sinh hoạt, chăn nuôi gia súc, gia cầm,… Đây nguyên nhân dẫn tới dư thừa nguồn sinh khối sau thu hoạch từ loại trồng rơm, rạ, vỏ trấu, thân lõi ngô,… Đây nguồn lượng sinh khối phong phú, dồi sau vụ thu hoạch lại bị bỏ phí Ngồi bị đốt cháy đồng ruộng hay đổ xuống sơng ngịi, kênh rạch gây nhiễm mơi trường Để giải vấn đề này, cần có giải pháp công nghệ hay nghiên cứu đột phá nhằm tận dụng biến nguồn sinh khối dư thừa thành lượng, coi loại sản phẩm hàng hóa mới, có giá trị, giúp tăng thu nhập cho người dân tạo giá trị “kinh tế xanh”, xã hội bền vững Vì ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối xi chiều nhằm giải hạn chế nêu để góp phần đáp ứng nhu cầu cấp bách lượng tái tạo thay dần cho nguồn lượng truyền thống than, khí gas, dầu, Vật liệu, phương pháp nghiên cứu - Vật liệu nghiên cứu: Vật liệu nghiên cứu báo là phụ phẩm sau chế biến ngô (lõi ngô), với khối lượng riêng ≈ 250 (kg/m3) Đặc tính lý, hóa, thành phần hóa học nguyên liệu như: hàm lượng bon (C), ôxy (O), Nito (N), Lưu Huỳnh (S), …và nhiệt trị thấp nhiên liệu Hu trình bày Hình 80 Hình Các thành phần đặc tính lý hóa của sinh khối lõi ngô [1, 2, 5] - Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tham khảo tài liệu cơng trình cơng bố nước, Kết quả nghiên cứu bàn luận 3.1 Kết tính tốn, thiết kế a) Tóm lược sở q trình khí hóa sinh khối Khí hóa phần q trình cháy bình thường khí tạo q trình cháy khơng triệt để tạo thành (cháy thiếu ơxy) - Khí hóa chuyển đổi nguyên liệu có bon để sinh sản phẩm khí có nhiệt trị sử dụng được; - Trong khí hóa vấn đề cơng nghệ đóng vai trị quan trọng chi phối phần q trình oxi hóa; + Tạo hỗn hợp khí/khí tổng hợp syngas chứa H2 CO, CxHy,… có tỷ lệ khác tùy thuộc vào loại ngun liệu, phương pháp khí hóa yếu tố cơng nghệ; + Oxy hóa khơng khí, oxy tinh khiết Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 và/hoặc nước Về q trình khí hóa sinh khối nói chung mơ tả tóm lược dạng q trình sau: * Q trình sấy/làm khơ: q trình làm khơ nhiên liệu từ độ ẩm ban đầu nhiên liệu đến 0% ẩm, để sản phẩm q trình làm khơ làm ngun liệu đầu vào trình nhiệt phân * Quá trình nhiệt phân: xảy nhiên liệu “nung” nóng lên, chất dễ bay thoát than giải phóng Q trình phụ thuộc vào tính chất, thành phần cấu trúc nhiên liệu, sau xảy phản ứng khí hóa * Q trình khử: trình sinh sản phẩm dễ bay than để sinh khí * Q trình khí hóa: xảy than phản ứng với CO2 nước để sinh CO H2 theo phương trình phản ứng (1): C + H2O " H2 + CO (1) Ngồi ra, khí CO đạt cân nhanh phản ứng với nước nhiệt độ buồng đốt hóa khí Điều làm cân nồng độ khí CO, nước, CO2 H2 Về chất, lượng “hạn chế” oxy khơng khí đưa vào buồng đốt hóa khí phép số nhiên liệu hữu đốt cháy (phản ứng) để sản xuất/tạo khí CO giải phóng lượng để phản ứng liên tục sinh H2 bổ sung CO2 [1,4] Các phản ứng tỏa nhiệt [1,4] Phản ứng cháy: C + O2 " CO2 (+393 kJ/mol) (2) Phản ứng oxy hóa khơng hồn tồn: 2C + O2 " 2CO (3) Phản ứngmê tan hóa: C + 2H2 " CH4 (+242 kJ/mol) (4) Phản ứng luân phiên khí – nước: CO2 + H2 ) CO + H2O (– 42,3 kJ/mol) (5) Phản ứng mê tan hóa từ CO: CO + 3H2 " CH4 + H2O (– 205,9 kJ/mol) (6) Ta có Q’vào = Q’kk + Q’N liệu (9) Trong đó: Q’kk = mo kk hkk = mo kk cpkk Δtkk = mo kk c pkk tkk Q’kk = Vo kk ρkk c pkk tkk (10) Q’N liệu = mo nl Hu (11) Từ (10) (11) ta có Q’vào = ( Vo kk ρkk c pkk tkk ) + (mo nl Hu) (12) Tương tự ta có: Q’ra = Q’sd + Q’Thất (13) Trong đó: Q’sd = mo khínóng hkhí nóng = mo khínóng C pkhí nóng Δtkhí nóng (14) "Cân lượng: Q’vào = Q’ra (15) Thơng qua phương trình (9) - (11) ta xác định Q’Thất tổn thất ngồi mơi trường: Q’Thất = Q’vào - Q’sd b) Kết tính tốn Các phương trình nêu sở tính tốn cơng suất nhiệt, hiệu suất buồng đốt/buồng phản ứng số thơng số lị khí hóa, cụ thể kết tính tốn trình bày Bảng Bảng Kết tính tốn lị khí hóa Các thông số Ký Thứ hiệu nguyên Giá trị Công suất nhiệt Q’ kWth 1327 Hiệu suất nhiệt h bd % 65,0 Diện tích ghi lị FGhi m² 0,44 Thể tích buồng đốt Vbd m³ 0,55 Đường kính lị khí hóa DLĐ m 0,75 Lượng nhiên liệu tiêu thụ mNL Kg/h 125 Lượng khơng khí cần thiết Quạt phải cung cấp m³/h 1500 V0 Các phản ứng thu nhiệt [1,4] Phản ứng C nước: C + H2O " CO + H2 + 122,6 kJ/mol (7) C + CO2 " 2CO + 164,9 kJ/mol (8) Các phương trình (7), (8) phản ứng q trình khử, cho thấy nhiệt lượng giảm xuống phải cung cấp nhiệt cho phản ứng nên nhiệt độ dòng khí hóa giảm dần suốt q trình khử Phương trình (5) gọi phản ứng cân khí – nước (phản ứng luân phiên khí – nước) Từ phương trình cháy, phương trình phản ứng khí hóa sinh khối nêu ta đưa sở tính tốn cơng suất nhiệt q trình đốt nhiên liệu đây: Hình Kết thiết kế lị khí hóa sinh khối Khoa học & Cơng nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology 81 ISSN 2354-0575 1- Quạt cấp oxi (gió) sơ cấp; 2- Đường cấp oxi (gió) sơ cấp; 3- Đường cấp oxi (gió) thứ cấp; 4- Đường dẫn khí nóng sử dụng; 5- Đường cấp liệu; 6- Lị khí hóa; 7- Van xả tro Từ kết nghiên cứu, tính tốn tác giả thiết kế đưa ngun lý, kết cấu lị đốt/ khí hóa sinh khối (lõi ngơ tươi) với ngun lý Hình Mẫu lị khí hóa có ưu điểm khí hóa nhiên liệu “ẩm” có độ ẩm lõi ngô tươi sau tẽ hạt, lị có kết cấu đơn giản, dễ gia cơng chế tạo, ứng dụng lấy nhiệt cho hệ thống sấy để sấy nông sản, và/hoặc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực sơ chế, bảo quản chế biến nông sản Kết thiết kế sở tiến hành chế tạo, kết trình bày mục c) Kết chế tạo Kết trình chế tạo mẫu lị khí hóa sinh khối “ẩm” sử dụng cho lõi ngô tươi sau tẽ hạt thể thơng qua hình ảnh Hình Hình Chế tạo mẫu lị khí hóa sinh khối “ẩm” sử dụng cho lõi ngô tươi sau tẽ hạt 3.2 Kết thực nghiệm Sau hồn tất cơng việc chế tạo mẫu lị khí hóa sinh khối tác giả tiến hành thực nghiệm khảo sát thông số lị đánh giá sơ q trình khí hóa thơng qua khả sinh khí tổng hợp syngas khả cháy lửa đốt khí tổng hợp sinh từ lị khí hóa Thơng qua lửa đánh giá “cảm quan” q trình khí hóa chất lượng lị khí hóa, kết khảo nghiệm thơng qua số hình ảnh từ trình khảo nghiệm Hình Hình ảnh kết khảo nghiệm mẫu lị khí hóa sinh khối Một số kết khảo nghiệm xác định nhiệt độ lị khí hóa với giá trị lưu lượng quạt/gió cần cung cấp; cơng suất nhiệt lò; tỷ lệ nhiên liệu tiêu thụ; trình bày Bảng Bảng Bảng số liệu khảo nghiệm lị đốt Các thơng số Đơn vị Giá trị Độ ẩm nguyên liệu (lõi ngô) % 11-13 Lưu lượng quạt cung cấp cho q trình khí hóa m /h 1500 Tỷ lệ nhiên nhiên liệu tiêu thụ Kg/h 170 C 690 KWth 1327 Nhiệt độ lị khí hóa Cơng suất nhiệt lị khí hóa 82 o Kết luận Trên sở nghiên cứu lý thuyết tác giả đưa kết tính tốn số thơng số lị khí hóa sinh khối, với thơng số tìm như: công suất nhiệt 1327 KWth, hiệu suất buồng đốt 0,65 lượng khơng khí cần cung cấp 1500 m3/h Dựa vào kết tính tốn thiết kế, chế tạo khảo nghiệm để đánh giá mẫu lị khí hóa thơng qua chất lượng q trình khí hóa Kết khảo nghiệm với độ ẩm nguyên liệu lõi ngơ 11-13%, lưu lượng quạt gió cung cấp 1500 m3/h, tỷ lệ nhiên liệu tiêu thụ 125 kg/h, nhiệt độ lị khí hóa 690oC ta có cơng suất nhiệt lị đạt 1327 kWth Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Đình Tùng cs, 2014, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lị khí hóa liên tục phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) quy mô công nghiệp, Đề tài nghiên cứu cấp Nhà Nước 2014, Bộ Cơng Thương [2] Nguyễn Đình Tùng, 2008, Nghiên cứu thực nghiệm đốt cháy sinh khối lò đốt tầng sơi tĩnh quy mơ nhỏ, Tạp chí khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 6(29), p33-40 [3] Jekayinfa and Omisakin, 2005, The Energy Potentials of Some Agricultural Wastes as Local Fuel Materials in Nigeria, Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal Vol VII: 1-10 [4] Constantine D Rakopoulos, 2011, Adiabatic Gasification and Pyrolysis of Coffee Husk Using Air-Steam for Partial Oxidation, Conversion Energy Research Group, Mechanical Engineering Department, Universidad de los Andes [5] Nguyen, Dinh Tung, Steinbrecht, D., 2009, Verbrennung Von Rapsextraktionsschrot in Einer Lleinen, Stationären Wirbelschichtfeuerung Landtechnik 64 (2009), no 2, pp 123 - 126 CALCULATION AND DESIGN OF A DOWNDRAFT BIOMASS GASIFIER Abstract: The paper gives some basic to calculate and design a downdraft biomass gasifier The result shows some main parameters as follows: the heat capacity reaches 1327 KWth; the capacity of the combustion chamber is 0.65%; the amount of needed air is 1500 m3/h; the diameter is 0.75 m; the volume of the combustion chamber is 0.55 m3; the grate area is 0.44 m2; the amount of consumed energy is 125 kg/h Keywords: calculation and design of gasifier, downdraft biomass gasifier Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology 83 ... sơ q trình khí hóa thơng qua khả sinh khí tổng hợp syngas khả cháy lửa đốt khí tổng hợp sinh từ lị khí hóa Thơng qua lửa đánh giá “cảm quan” q trình khí hóa chất lượng lị khí hóa, kết khảo nghiệm... thứ cấp; 4- Đường dẫn khí nóng sử dụng; 5- Đường cấp liệu; 6- Lị khí hóa; 7- Van xả tro Từ kết nghiên cứu, tính tốn tác giả thiết kế đưa ngun lý, kết cấu lị đốt/ khí hóa sinh khối (lõi ngô tươi)... Q’sd b) Kết tính tốn Các phương trình nêu sở tính tốn cơng suất nhiệt, hiệu suất buồng đốt/buồng phản ứng số thơng số lị khí hóa, cụ thể kết tính tốn trình bày Bảng Bảng Kết tính tốn lị khí hóa Các