Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ VŨ NGỌC CẢNH Ngành Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Đức Dũng Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh HÀ NỘI, 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ VŨ NGỌC CẢNH Ngành Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Đức Dũng Chữ ký GVHD Viện: Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh Hà Nội, 2021 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Đức Dũng, thầy quan tâm nhắc nhở, định hướng nghiên cứu cho em suốt trình thực Trong trình nghiên cứu, học tập Viện KH&CN Nhiệt -Lạnh, em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy cô Viện bồi dưỡng cho em kiến thức quý giá lời động viên chân thành Qua em hy vọng tương lai cịn học hỏi thêm nhiều kiến thức thầy để phát triển chuyên môn áp dụng kiến thức thực tế Em xin gửi lời cảm ơn đến hỗ trợ từ đề tài nhiệm vụ nghị định thư “Phát triển cơng nghệ q trình để sản xuất khí nhiên liệu giàu hydro hydrocacbon nhẹ, nhiệt trị cao trình reforming xúc tác chất bốc từ nhiệt phân sinh khối” có mã số NĐT.94.CHN/20, chủ nhiệm nhiệm vụ TS Lê Đức Dũng Đề tài hỗ trợ em trình nghiên cứu đánh giá tổng quan sinh khối, cơng nghệ nhiệt phân khí hoá sinh khối Em xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện học tập tốt cho em Cuối em xin cảm ơn tới bạn ngành kĩ thuật lượng có đóng góp nhận xét quý giá để luận văn cao học em hoàn thành tốt đẹp Hà Nội, ngày tháng Tác giả Vũ Ngọc Cảnh năm 2021 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN 1.1 Tổng quan nguồn nhiên liệu sinh khối Việt Nam 1.1.1 Tổng sinh khối 1.1.2 Nguồn nhiên liệu sinh khối Việt Nam 1.2 Tiềm năng lượng sinh khối Việt Nam 1.2.1 Hiện trạng sử dụng lượng sinh khối Việt Nam 1.2.3 Vai trò lượng sinh khối 1.3 Mục đích luận văn 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HĨA SINH KHỐI 15 2.1 Khái niệm 15 2.2 Cơ sở hóa học q trình khí hóa 15 2.2.1 Thành phần hóa học sinh khối 15 2.2.2 Cơ chế chung 17 2.2.3 Các phản ứng q trình khí hóa 18 2.3 Ưu nhược điểm công nghệ khí hóa 21 2.3.1 Ưu điểm 21 2.3.2 Nhược điểm 22 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình khí hóa sinh khối 22 2.4.1 Ảnh hưởng áp suất 22 2.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 23 2.4.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí mang N2 23 2.4.4 Ảnh hưởng tỷ lệ nước 23 2.4.5 Ảnh hưởng nguyên liệu 24 2.4.6 Ảnh hưởng tro xỉ 24 2.4.7 Ảnh hưởng kích thước nhiên liệu 24 2.4.8 Độ ẩm nhiên liệu 24 CHƯƠNG 3: CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI VÀ ỨNG DỤNG 25 3.1 Phân loại cơng nghệ khí hóa sinh khối 25 3.1.1 Phân loại 25 3.1.2 Khí hóa lớp chặt 25 i 3.1.3 Khí hóa sinh khối lớp sôi .28 3.1.4 Thiết bị khí hóa dịng phun 30 3.2 Cơng nghệ khí hóa tầng cố định 31 3.2.1 Cơng nghệ khí hóa từ lên 32 3.2.2 Cơng nghệ khí hóa từ xuống 34 3.2.3 Cơng nghệ khí hóa kiểu ngang 34 3.2.4 Cơng nghệ khí hóa liên tục 36 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ KHÍ HĨA SINH KHỐI LIÊN TỤC CÔNG SUẤT NHỎ 38 4.1 Ứng dụng khí hóa sinh khối cho bếp đun 38 4.1.1 Bếp vai trò bếp sống 38 4.1.2 Tổng quan bếp khí hóa sinh khối 39 4.1.3 Bếp khí hóa sinh khối lớp 40 4.1.4 Bếp hóa khí sinh khối hai lớp 44 4.2 Phương pháp thí nghiệm 48 4.2.1 Phịng thí nghiệm bếp .48 4.2.2 Công tác an toàn cháy nổ và vệ sinh trước và sau thí nghiệm .49 4.2.3 Các bước để tiến hành bài thí nghiệm 49 4.2.4 Thí nghiệm chính thức 51 4.3 Khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ 55 4.3.1 Khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ với gió cấp 55 4.3.2 Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ ứng dụng cho bếp đun 58 4.3.3 Đánh giá vận hành bếp hóa khí liên tục có cơng suất nhỏ MH01 66 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tiềm và khả khai thác lượng sinh khối [2] Bảng 1.2:Trữ lượng vài thành phần sinh khối [2] Bảng 1.3: Tiềm sinh khối gỗ lượng [3] Bảng 1.4: Tiềm sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [3] Bảng 1.5: Năng lượng phát điện tương đương sinh khối [2] Bảng 1.6: Thành phần phế phẩm so sánh với than [4] Bảng 1.7: Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [3] Bảng 1.8: Sử dụng sinh khối để sản xuất lượng (KTOE năm 2010) [3] Bảng 1.9: Nguồn lượng từ sinh khối so với nguồn lượng tái sinh khác [2] 12 Bảng 2.1: Thành phần nguyên tố số loại sinh khối [3] 16 Bảng 3.1: Ưu nhược điểm thiết bị khí hóa tầng cố định 27 Bảng 4.1: Danh sách dụng cụ thí nghiệm 52 Bảng 4.2: Danh sách vật dụng thí nghiệm thay 53 Bảng 4.3: Bảng chọn thơng số tính tốn [17] 58 Bảng 4.4: Thông số nhiên liệu trấu [4] 59 Bảng 4.5: Thành phần hỗn hợp khí sản phẩm khí hóa trấu lớp chặt [18] 60 Bảng 4.6: Nhiệt trị khí thành phần [14] 60 Bảng 4.7 Thông số thiết bị lựa chọn cho mơ hình MH01 64 Bảng 4.8: Bảng thời gian nhóm loại bếp [16] 67 Bảng 4.9: Bảng thời gian đun sôi nước loại bếp [16] 68 Bảng 4.10 Bảng so sánh thời gian sử dụng tiêu hao nhiên liệu [16]: 69 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Các monomer Lignin 15 Hình 3.1: Theo thứ tự từ trái qua phải ta có thiết bị khí hóa lớp chặt kiểu ngược chiều, thuận chiều cắt ngang 26 Hình 3.2: Thiết bị khí hóa tầng sơi 28 Hình 3.3: Thiết bị khí hóa tầng sơi điển hình 29 Hình 3.4: Thiết bị khí hóa tầng sơi 30 Hình 3.5: Thiết bị khí hóa theo dịng .31 Hình 3.6: Bếp khí hóa ngược chiều 32 Hình 3.7: Bếp khí hóa nhiên liệu từ xuống 34 Hình 3.8: Bếp khí hóa theo công nghệ ngang 34 Hình 3.9: Cơng nghệ khí hóa liên tục 36 Hình 4.1: Bếp kiềng đốt củ, rơm rạ 38 Hình 4.2 Bếp củi 39 Hình 4.3: Bếp khí hóa sinh khối lớp 40 Hình 4.4: Bếp hóa khí sinh khối lớp có vịi đốt ngồi 42 Hình 4.5: Bếp hóa khí hai lớp .44 Hình 4.6: Bếp hóa khí sinh khơi hai lớp có gió cấp 47 Hình 4.7: Sơ đồ phịng thí nghiệm bếp 49 Hình 4.8: Các bước làm quen với bếp 51 Hình 4.9: Sơ đồ khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ [11] 56 Hình 4.10: Sơ đồ bếp hóa khí sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ 63 Hình 4.11: Buồng khí hóa với nhiên liệu cấp liên tục 65 Hình 4.12: Thời gian nhóm loại bếp 67 Hình 4.13: Thời gian đun sơi nước loại bếp 68 Hình 4.14: Thời gian sử dụng, mức tiêu hao nhiên liệu hiệu suất bếp 69 iv LỜI MỞ ĐẦU Với kinh tế phát triển, nhu cầu tiêu thụ lượng nước giới ngày tăng, nghiên cứu phát triển nguồn lượng hay tận dụng nguồn lượng có đánh giá cao Hiện nay, giới nguồn cung cấp lượng chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, trữ lượng nguồn nhiên liệu có hạn ngày giảm dần Hơn nữa, việc khai thác sử dụng dầu mỏ than đá cịn thải khí CO2, SOx NOx gây hiệu ứng nhà kính, làm nhiễm mơi trường môi sinh, làm thay đổi nghiêm trọng đến khí hậu tồn cầu Từ đặt cho nhân loại nhiệm vụ cấp bách phải tìm nguồn lượng có khả thay lượng từ nhiên liệu gốc khống, tái tạo thân thiện với môi trường Nhiều năm qua, nhà khoa học giới có nhiều cơng trình nghiên cứu đề nghị nguồn lượng thay dầu mỏ đáp ứng yêu cầu nêu - lượng tái tạo, lượng bao gồm: lượng sinh khối, lượng hydro, địa nhiệt, sức gió lượng mặt trời, thủy triều Nền kinh tế giới đà phát triển, nhu cầu lượng ngày tăng, nguồn lượng nước than, dầu khí… dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Vì phát triển lượng sạch, lượng tái tạo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đồng thời góp phần bảo đảm an ninh lượng, tạo điều kiện cho phát triển kinh tế… Việt Nam đất nước với nông nghiệp phát triển Bên cạnh mức tăng trưởng xuất nơng sản cịn đọng lại vấn đề bãi chứa, đầu cho phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch rơm rạ, vỏ trấu, thân chuối, vỏ dừa, bã mía… Năm 2018, Việt Nam sản xuất 43,98 triệu lúa, 12,2 triệu mía, 4,91 triệu ngơ Ước tính tổng số sản phẩm nông nghiệp tạo 50 triệu phế phẩm nơng nghiệp chiếm khoảng 10 triệu [1] Vỏ trấu, vỏ lạc, ngô, vỏ cà phê… chất đốt rẻ tiền tiềm cần tận dụng tốt Ngoài mùn cưa – phế phẩm trình sản xuất gỗ nguồn nhiên liệu đốt có hiệu suất cao Trong năm qua, có nhiều nhà khoa học trường đại học, viện nghiên cứu, trung tâm công nghệ sinh học doanh nghiệp nhiều bộ, ngành tham gia đầu tư, nghiên cứu, ứng dụng tiến khoa học vào việc tận thu vỏ trấu hay phế phẩm nơng nghiệp để tạo khí đốt Tuy nhiên đặc thù sản xuất nông nghiệp nước ta mang tính nhỏ lẻ, phân tán, mạnh làm, nên việc thu gom, phân loại phụ, phế thải khó khăn Các đề tài nghiên cứu mang tính chất quy mơ lớn khó áp dụng nhỏ lẻ cho hộ gia đình Ở Việt Nam, hộ gia đình nhiên liệu sinh khối gần dùng để đun nấu Với kinh tế - xã hội phát triển, nhiều hộ kinh doanh nhỏ lẻ nấu rượu, làm đậu, làm bánh cuốn, tráng bánh đa nem… dần chuyển sang bếp điện, bếp sinh khối không đáp ứng Trên sở hướng dẫn TS Lê Đức Dũng, em thực đề tài “Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ” ứng dụng cho mục đích bếp đun Trong đề tài em thực gồm phần sau: Tìm hiểu nguồn ngun liệu sinh khối ứng dụng, giới thiệu công nghệ khí hóa sinh khối Nghiên cứu loại bếp khí hóa sinh khối - có cơng suất nhỏ, so sánh ưu nhược điểm bếp khí hóa sinh khối sử dụng vùng quê Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ, tính tốn đề xuất bếp đun sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN 1.1 Tổng quan nguồn nhiên liệu sinh khối Việt Nam 1.1.1 Tổng sinh khối Sinh khối thuật ngữ dùng để chất hữu cơ, sản phẩm quang hợp bề mặt trái đất Nguồn gốc lượng sinh khối mặt trời, sinh khối giống loại kho lượng hóa học Sinh khối bao gồm q trình biến đổi hóa học vật lý giải phóng dạng nhiệt khí Để sử dụng sinh khối cho nhu cầu lượng việc khai thác nguồn lượng đơn giản, cách đơn giản biết dùng lửa đốt tạo nhiệt để cung cấp nhiệt để nấu ăn, sưởi ấm làm nóng khơng khí nhà Một công nghệ phức tạp để sử dụng nguồn lượng chuyển hóa hóa tồn biomass thành dạng nhiệt hữu ích cách thật hiệu việc khai thác sử dụng lượng sinh khối đóng vai trị quan trọng tiến hóa nhân loại Cho đến dạng lượng nửa dân số giới Sinh khối rắn: bao gồm thân cây, cành cây, thân trồng, động vật chất thải người (mặc dù khơng hồn tồn nguồn sinh khối bền vững) thường sinh khối chịu trình vật lý cắt, dập, đóng bánh giữ trạng thái rắn Biogas: thu lại từ chất thải động vật (trong mơi trường khơng khí tự do) Phân hủy vật chất hữu để tạo khí mê tan Phân động vật rác thải hữu hai nguyên liệu phổ biến cho trình kỵ khí Nhiên liệu sinh học chất lỏng: thu từ vật chất hữu q trình hóa học vật lý tạo sản phẩm hữu dụng, nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng dầu thực vật ethanol thường xử lý từ phế phẩm cơng nghiệp bã mía loại đặc biệt dùng sử dụng cho mục đích Nhiên liệu sinh học thường sử dụng thay cho xăng dầu số trường hợp chạy xe gắn máy… Trong công nghiệp lượng sinh khối hiểu vật chất sinh học sống chết Sinh khối có khả tái tạo, dự trữ nhiều nguồn sẵn có, có khả lưu trữ thay dầu Theo thống kê 60% tổng trữ lượng nhiên liệu sinh khối chủ yếu tập trung nước phát triển nước phát triển lại thiếu sở vật chất đội ngũ khoa học công nghệ cho việc nghiên cứu công nghệ kỹ thuật sử dụng nguồn lượng dồi này.Hiện nhiều nước to Một số thiết bị khơng có phận sấy khơ nhiên liệu nên yêu cầu nhiên liệu phải sấy trước đưa vào thiết bị b, Nhiệt phân Nhiệt phân q trình than hóa, ngun liệu thơ chuyển đổi thành than lượng lớn khí hắc ín dễ cháy Ngun liệu khơ đẩy từ thùng sấy vào vùng nhiệt phân buồng khí hóa rãnh xoắn chạy động điện buồng khí hóa đầy Nhiên liệu tiến hành giai đoạn trao đổi nhiệt nhiệt phân có hỗ trợ nhiệt từ sản phẩm cháy, khu vực tiếp xúc với nguyên liệu đến nhiệt độ nhiệt phân tối ưu khoảng 400-600˚C Biomaskhơ + nhiệt → Hỗn hợp khí sản phẩm, Cthan, khí hắc ín (4.1) c, Vùng cháy Cthan, khí hắc ín + O2 → CO2 (g) + H2O (g) + nhiệt (4.2) khí hắc ín + nhiệt → CO + H2 (4.3) Sau trình nhiệt phân, khí hắc ín qua vùng cháy, đốt cháy phần khí hắc ín than để cung cấp nhiệt cho q trình cịn lại Phân tách hắc ín phân hủy nhiệt khí hắc ín lại thành khí CO H2, xảy đồng thời với trình cháy khe hở mẩu than Đốt cháy phản ứng tỏa nhiệt (tỏa nhiệt) q trình khí hóa Sấy khơ, nhiệt phân, khử phân tách hắc ín thu nhiệt (tiêu thụ nhiệt) d, Suy giảm CO2 + Cthan + nhiệt → CO (4.4) H2O + Cthan + nhiệt → CO + H2 (4.5) Hơi nước khí cacbonic sinh trình đốt cháy phản ứng với than nóng vùng suy giảm Vùng suy giảm bắt đầu thắt chặt mở rộng suốt tất than buồng khí hóa cháy Do khả phản ứng cao cacbon nhiệt độ 600˚C, cacbon đioxit nước bị khử (có nguyên tử oxi bị loại bỏ) thành H2, CO số CH4 , nhiên liệu khí cháy Sự chuyển đổi giàu lượng nguyên liệu rắn thành khí đốt gỗ dễ cháy mục tiêu cuối q trình khí hóa e, Thải tro xỉ Để buồng khí hóa hoạt động liên tục, tro xỉ cần lấy thường xuyên định kỳ Việc thải tro xỉ ảnh hưởng đến thất lượng cỏ tro xỉ mang ngồi, tro xỉ nhiều ảnh hưởng đến thể tích buồng khí hóa Dựa theo độ tro cịn lại q trình khí hóa, lắp đặt cấu phù hợp để thải tro xỉ ngồi 57 4.3.2 Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ ứng dụng cho bếp đun 4.3.2.1 Cơ sở tính tốn Đầu bài: Giả định tính tốn bếp khí hóa sinh khối liên tục cho bếp cất rượu liên tục 8h/ngày thay cho bếp than Nhu cầu lượng cho mẻ rượu: Đun sơi 20 lít nước + kg gạo lên men vịng 30 phút, trì q trình sơi lửa nhỏ để cất lít rượu 42-450 vòng 1h - 1h 15 phút Một ngày nấu mẻ, hai nồi có 15-30 phút để chuẩn bị ➢ Tính tốn lượng nhiệt cần thiết [13]: Ta thấy trình đun cần hai giai đoạn, chọn tính suất tiêu hao lượng theo giai đoạn có lượng cần thiết lớn QT = Max [Qn, Qhh] Với: 𝑄𝑛 = 𝑀𝑓 𝐸𝑠 𝑇 𝑄ℎℎ = 𝑀𝑓 𝐿 𝑇 Trong đó: QT: Lượng nhiệt cần thiết Qn: Lượng nhiệt cần thiết đun từ 270C – 1000C Qhh: Lượng nhiệt cần thiết bay rượu Mf: Khối lượng Es: Nhiệt dung riêng T: Thời gian đun Ta chọn thơng số tính tốn sau: Bảng 4.3: Bảng chọn thơng số tính tốn [17] Nhiệt dung riêng (Kcal/kg.K) Tổng lượng cần thiết (Kcal/kg) Nhiệt hóa (Kcal/kg) Gạo 0.42 ÷ 0.44 79.3 - Nước 1.0 72 549.35 Rượu - - 2054 Thực phẩm 𝑄𝑛 = 𝑀𝑓 𝐿 20 × 72 × 60 × 79.3 × 60 = + 𝑇 30 30 = 3673(𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ) 58 𝑀𝑓 𝐿 0.45 × × 0.789 × 2054 × 60 0.55 × × × 549.35 × 60 = + 𝑇 75 75 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 3300.53( ) ℎ  QT = Qhh = 3673 (kcal/h) Ta có: 𝑄𝑇 3673 𝐹𝐶𝑅𝑚𝑎𝑥 = = = 6.55(𝑘𝑔𝑡𝑟𝑎𝑢/ℎ) 𝑄𝑐 𝜉𝑔 3300 × 0.17 𝑄ℎℎ = Trong đó: - FCRmax: Suất tiêu hao nhiên liệu, kg/h - QT: Lượng nhiệt cần thiết, Kcal/h - Qc: Nhiệt trị nhiên liệu, Kcal/kg - ξg: Hiệu suất bếp khí hóa, % - Đối với trấu Qc =3300 kcal/kg - Hiệu suất thơng thường bếp khí hóa [17] ξg = 0.17 Đường kính buồng cháy: 1.27 × 𝐹𝐶𝑅 0.5 1.27 × 6.55 0.5 𝐷=( ) =( ) = 0.275𝑚 𝑆𝐺𝑅 110 Trong đó: D: Đường kính bếp, m FCR: Suất tiêu hao nhiên liệu, kg/h SGR: Suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích, 110÷210 kg/m2 Bảng 4.4: Thơng số nhiên liệu trấu [4] STT NỘI DUNG KÝ HIỆU ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ Độ ẩm nhiên liệu W % 9,00 Hàm lượng carbon nhiên liệu C % 37,13 Hàm lượng hidro nhiên liệu H2 % 4,12 Hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu S % 0,05 Hàm lượng nito nhiên liệu N % 0,35 Hàm lượng oxi nhiên liệu O2 % 31,60 Hàm lượng tro nhiên liệu A % 17,75 Hàm lượng chất bốc nhiên liệu V % 0,00 Hàm lượng phốt nhiên liệu P % 0,00 10 Nhiệt trị nhiên liệu Qt kJ/kg 13816,44 11 Khối lượng riêng trấu P0 kg/m3 150 59 Lượng khơng khí khơ lý thuyết cho kg nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn: V0kk=8,89.Clv+22,67.Hlv+3,33.Slv-3,33.Olv m3tc/kg = 8,89.37,13 + 22,67.4,12 + 3,33.0,05 – 3,33.31,6 = 3,1842 m3tc/kg Hệ số khơng khí cấp vào buồng khí hóa: α1 = 0,3 Lượng khơng khí khơ thực tế cấp cho kg nhiên liệu: V1kk= α1 V1kk m3tc/kg = 0,9553 m3tc/kg Bảng 4.5: Thành phần hỗn hợp khí sản phẩm khí hóa trấu lớp chặt [18] Thành phần CO H2 CH4 CO2 O2 N2 Thành phần % 14,2 7,4 2,5 16,9 0,4 56 Chọn tỷ lệ hỗn hợp khí sản phẩm theo Bảng 4.5, tỷ lệ CO hỗn hợp khí sản phẩm 14.2%, tỷ lệ khí H2 hỗn hợp khí sản phẩm 7.4%, khí CH4 hỗn hợp khí sản phẩm 2.5% 75,9% khí khác (Vkhitro) Ta có nhiệt trị khí sản phẩm tính theo công thức: 𝑄𝑡𝑘 = 0,01[𝑄𝑐𝑜 𝐶𝑂 + 𝑄𝐻2 𝐻2 + 𝑄𝐻2𝑆 𝐻2 𝑆 + ∑𝑄𝐶𝑚 𝐻𝑛 ], kJ/m tc [14] Trong đó: - CO, H2 , H2 S, Cm Hn - hàm lượng khí thành phần % - QCO , QH , Q H S , Q CmHn - nhiệt trị cháy khí thành phần, kJ/m3 tc Bảng 4.6: Nhiệt trị khí thành phần [14] KHÍ Qt , kJ/ m3 tc H2 10.800 CO 12.150 H2 S 23.400 CH4 35.800 C H6 63.800 C3 H8 91.400 C4 H10 118.800 C2 H 59.300 C3 H6 86.000 C4 H8 116.000 Vậy nhiệt trị hỗn hợp khí sản phẩm: Qsp = 0.01[QCO.CO + QH2.H2+ QCH4.CH4] = 0.01[12150.14,2 + 10800.7,4 + 35800.2,5] = 3.419,5 kJ/m3 tc 60 Tính cân cho buồng khí hóa với kg nhiên liệu đầu vào: Coi lượng khí N2 hỗn hợp khí sản phẩm lượng N2 cấp vào từ khơng khí ta có: Vsp.N2sp = Vspkk.N2kk Thể tích khơng khí cần thiết cấp vào buồng khí hóa cho m3tc hỗn hợp khí sản phẩm tạo ra: Vspkk = N2sp : N2kk Trong đó: Tỷ lệ khí Nito khí sản phẩm: N2sp = 56 % theo Bảng 4.6 Tỷ lệ khí Nito khơng khí: N2kk = 79 % Vspkk = N2sp : N2kk = 56:79 = 0,7089 m3tc/m3tc Thể tích hỗn hợp khí sản phẩm tạo từ kg nhiên liệu: V0sp = V1kk : Vspkk =0,9553 : 0,7089 = 1,3476 m3tc/kg Tính cân cho quá trình đốt khí sản phẩm với kg nhiên liệu đầu vào: Quá trình cháy CO H2: 2CO + O2 → 2CO2 (4.6) 2H2 + O2 → 2H2O (4.7) CH4 + 3O2 → CO2 + 2H2O (4.8) Lượng Oxy cần thiết để cháy hoàn toàn m3 hỗn hợp khí sản phẩm: VRO2kk = 0,5.CO + 0,5.H2 + 3.CH4 = 0,5.0,142 + 0,5.0,074 + 0,025 = 0,183 m3tc/ m3tc Thể tích khơng khí cần cho m3 hỗn hợp khí sản phẩm: V2kk = VRO2 VO2kk = 0,183 0,21 = 0,8714 m3tc/m3tc Với VO2kk = 0,21 m3tc thể tích Oxy m3 khơng khí Thể tích CO2 sinh đốt cháy m3 hỗn hợp khí sản phẩm: VCO2khoi = CO+CH4 100 14,2 + 2,5 100 = 0,167 m3tc/m3tc = Thể tích H2O sinh đốt cháy m3 hỗn hợp khí sản phẩm: VH2Okhoi = = H2+2.CH4 100 7,4 + 2.2,5 100 61 = 0,124 m3tc/m3tc Chọn hệ số khơng khí cho q trình đốt cháy khí sản phẩm: α2 = 1,05 Thể tích khói sau đốt cháy m3 hỗn hợp khí sản phẩm: V2khoi= VCO2khoi + VH2Okhoi + Vkhitro + 0,79 V2kk + (α2 – 1).V2kk = 0,167 + 0,124 + 0,759 + 0,79.0,8714 + (1,05-1).0,8714 = 1,7820 m3tc/m3tc Tính cân cho thiết bị: Suất tiêu hao nhiên liệu: FCRmax = 6,55 kg/h Lượng khơng khí cấp vào buồng khí hóa: Vkk1 = FCRmax V1kk = 6,55 0,9553 = 6,2572 m3tc/h Thể tích hỗn hợp khí sản phẩm: Vsp = FCRmax V0sp = 6,55 1,3476 = 8,8268 m3tc/h Hiệu suất chuyển hóa lượng q trình khí hóa từ sinh khối sang hỗn hợp khí sản phẩm: 𝜉𝑘ℎ = = 𝑄𝑠𝑝 𝑉0𝑠𝑝 % 𝑄𝑐 3419,5.1,3476 % 13816,44 = 33,35 % Hệ số khơng khí cấp cho q trình cháy hỗn hợp khí sản phẩm: α2 = 1,05 Lượng khơng khí cần thiết cho q trình cháy khí sản phẩm bếp: Vkk2 = α2 Vsp.V2kk = 1,05 8,8268 0,8714 = 8,0763 m3tc/h Thể tích khói q trình cháy hỗn hợp khí sản phẩm: Vkhoi = Vsp.V2khoi = 8,8268 1,7820 = 15,7294 m3tc/h 4.3.2.2 Thông số bếp hóa khí liên tục có cơng suất nhỏ MH01 Thơng số chung: + Bếp gồm ba phần chính: - Phễu chứa nhiên liệu: Đường kính 275mm cao 450mm; có rãnh xoắn cấp nhiên liệu kèm motor giảm tốc 220v – 28W, tốc độ 5-110 vịng/phút - Buồng khí hóa: Đường kính 275mm, đường kính ngồi 375mm, cao 800mm; vỏ thép 1-3mm đến thành dày 50mm vật liệu chịu lửa (bê tông trộn xỉ chịu lửa) - Cơ cấu ngồi bếp đun quạt cấp gió: Gồm xyclon tách bụi, bếp đun, quạt cấp gió 20W – 220V điều chỉnh tốc độ 62 Hình 4.10: Sơ đồ bếp hóa khí sinh khối liên tục có cơng suất nhỏ + Ngun lý: Khí hóa từ lên + Tiêu hao nhiên liệu: 6.55 kg trấu/h + Thời gian hoạt động liên tục: 8h 63 Bảng 4.7 Thơng số thiết bị lựa chọn cho mơ hình MH01 STT NỘI DUNG ĐƠN VỊ I PHỄU CHỨA NHIÊN LIỆU Phễu chứa đường kính 275mm cao 450mm; phần thu xuống rãnh xoắn cao 150mm Rãnh xoắn D48 phần tiếp xúc nhiên liệu L150, tổng m3/ vòng chiểu dài L200, bước xoắn 30mm Động cấp nhiên liệu 1p/220V, tốc độ 5-110 vòng/phút Tổng chiều cao phễu chứa nhiên liệu II Buồng khí hóa m3 GIÁ TRỊ 0,0267 5,43E-05 W 20 mm 600 m3 0,0475 Buồng khí hóa lớp, lớp thép 1mm ngồi đường kính 375mm bên có lớp vật liệu chịu lửa dày 50mm; cao 600mm Kích thước phụ 100x150mm Kích thước thải tro xỉ 100x150mm Chân đế mm 50 Chiều cao Buồng khí hóa mm 800 Tổng chiều cao bếp mm 1450 III Cơ cấu Bếp chọn loại mâm gốm hồng ngoại D100 Quạt cấp gió 1P/220V W 28 Xyclon chọn kích thước ngồi D60, ống vào D27 Cơ chế hoạt động: ➢ Phễu chứa nhiên liệu Nhiên liệu khô đưa vào phễu chứa với thể tích 0.0267 m3 tương đương khoảng kg trấu Trấu phếu cấu rãnh xoắn chạy động điện công suất 20W, chạy điện 1P/220V với vòng quay 5-110 vòng/phút Nhiên liệu cấp liên tục vào buồng khí hóa Nếu thay nhiên liệu nhiên liệu có kích thước nhỏ khác cấu cấp nhiên liệu đảm bảo hoạt động bình thường 64 ➢ Buồng khí hóa HỖN HỢP KHÍ SẢN PHẨM NHIÊN LIỆU VÙNG NHIỆT PHÂN VÙNG CHÁY VÙNG SUY GIẢM KHƠNG KHÍ CẤP VÀO Hình 4.11: Buồng khí hóa với nhiên liệu cấp liên tục Nhiên liệu từ rãnh xoắn cấp vào buồng khí hóa lớp nhiên liệu mỏng Sau nhiên liệu vào buồng khí hóa tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy diễn trình nhiệt phân sinh hắc ín Dưới tác dụng nhiệt độ vùng cháy hắc ín phân tách thành CO H2 Theo nghiên cứu tài liệu, hỗn hợp khí sản phẩm q trình khí hóa với thành phần CO hay H2 chiếm 10-15% [12] đến 20% [11] thể tích hỗn hợp khí sản phẩm ➢ Cơ cấu bếp đốt ngồi Hỗn hợp khí sản phẩm sau khỏi buồng khí hóa qua xyclon để lọc bụi, sau trộn lẫn với khơng khí vào mặt bếp đốt loại mâm gốm hồng ngoại ➢ Khởi động mơ hình Để nhóm bếp, cho nhiên liệu lớp 50-100mm, bật quạt ổn định; mồi giấy que đóm đợi nhiên liệu cháy ổn định đậy lắp phụ bếp lại mở bếp đun, thân bếp lượng khí cấp (do quạt cấp) khơng đủ cho nhiên liệu cháy hồn tồn (cháy lý thuyết), q trình hóa khí nhiên liệu diễn dịng khí tạo dẫn vòi đốt bường ống nhựa khoảng phút sau ta bật công tắc đánh lửa 65 đầu vịi phun khí cháy, dùng lửa phục vụ nhu cầu người dùng Đợi lửa cháy ổn định bật công tắc cấp nhiên liệu tự động Quá trình cấp nhiên liệu: Phễu chứa nhiên liệu khoảng kg trấu/lần nên 40 phút phải bổ sung trấu phễu lần Thải xỉ: Khi bếp đun khoảng 4h-6h cần phải mở thải tro xỉ để cào bớt xỉ khỏi bếp Quá trỉnh thải xỉ không ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định bếp Đánh giá ưu điểm: + Cấp nhiên liệu liên tục mà khơng ảnh hưởng đến q trình sử dụng bếp + Nhiên liệu phổ thông (dễ kiếm) + Thời gian nhóm bếp nhanh + Chi phí vận hành bảo dưỡng nhỏ (nguồn nhiên liệu sẵn: Các phế phẩm nông nghiệp) + Do nhiên liệu cấp từ từ nên tránh tượng đọng sương rơi xuống vùng cháy làm tắt bếp ảnh hưởng đến q trình hóa khí + Khơng gian chứa nhiên liệu lớn nên trình sử dụng dài, dễ điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu + Không xẩy tượng đóng xỉ Đánh giá nhược điểm: + Kết cấu phức tạp, chiếm diện tích lớn + Giá thành cao + Q trình cháy cịn điều chỉnh gió cấp hai tay, thiếu xác + Khi nhóm bếp khó cháy nhiên liệu không đồng ẩm + Tiêu hao nhiên liệu lớn nên cần ý đến cấp thêm nhiên liệu vào phễu + Điều chỉnh tốc độ quạt tốc độ cấp nhiên liệu tay nên cần xác người vận hành 4.3.3 Đánh giá vận hành bếp hóa khí liên tục có cơng suất nhỏ MH01 Hiện có nhiều loại bếp khí hóa, độ hiệu loại bếp thể đáp ứng nhu cầu xã hội; tận dụng nguồn nhiên liệu dễ kiếm xung quanh, giá rẻ, đáp ứng nhu cầu thực tế a Quy trình thí nghiệm Trong q trình thí nghiệm dùng theo quy trình bếp khí hóa (trình bày chương IV) phải đảm bảo tất thí nghiệm phải có điều kiên nhau: nhiên liệu, lượng nhiên liệu, lượng nước, cách nhóm, mẫu bếp với nhiên liệu trấu 66 b Thí nghiệm Thời gian nhóm bếp: Thời gian nhóm bếp thơng số đánh giá xem bếp sử dụng hay khơng Nó tính từ thời điểm nhóm bếp (trong bếp có đầy đủ nhiên liệu) đến thời điểm lửa cháy ổn định Bảng 4.8: Bảng thời gian nhóm loại bếp [16] Thời gian nhóm bếp Điểm đánh giá ( Phút ) (Điểm nhanh ) Bếp Rùa (1) 1.5 Bếp Viết (2) 0.7 Bếp Thuận Phú (3) Bếp SPIN (4) Bếp MH01 (5) 1.5 Tên bếp 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 Bếp Rùa Bếp Viết Bếp Thuận Phủ Bếp SPIN Bếp MH01 Thời gian (phút) Hình 4.12: Thời gian nhóm loại bếp Nhìn vào bảng ta thấy thời gian nhóm bếp trung bình khoảng phút, bếp Viết có thời gian nhóm nhanh khoảng 0.7 phút bếp Thuận Phú có thời gian nhóm chậm khoảng phút Kết cho ta thấy xử dụng bếp Viết nhanh bếp truyền thống lên tiện cho việc sử dụng gia đình Mặc dù Bếp MH01 cấu tạo phức tạp có cách nhóm ban đầu giống bếp Viết nên thời gian nhóm cháy đến lửa nhanh 67 Thời gian đun sôi nước: Thời gian sôi bếp bắt đầu tính từ lúc nhóm bếp xong (bếp có lửa ổn đinh) để 2.5 lít nước xoong sơi áp suất khí Bảng 4.9: Bảng thời gian đun sôi nước loại bếp [16] Thời gian sôi Điểm đánh giá ( phút ) (Điểm nhanh ) Bếp Rùa (1) Bếp Viết (2) 10 Bếp Thuận Phú (3) 11 Bếp SPIN (4) 13 Bếp MH01 (5) Tên bếp 14 12 10 Bếp Rùa Bếp Viết Bếp Thuận Phủ Bếp SPIN Bếp MH01 Thời gian (phút) Hình 4.13: Thời gian đun sơi nước loại bếp Nhìn vào bảng thời gian sôi loại bếp đun sôi 2.5 lít nước Ta thấy bếp truyền thống có thời gian sôi chậm 15 phút, bếp Rùa có thời gian sơi nhanh phút Từ bảng ta thấy thời gian trung bình bếp đun sôi khoảng 13 phút loại bếp khí hóa có thời gian sơi nhan 68 Thời gian sử dụng liên tục tiêu hao nhiên liệu: Bảng 4.10 Bảng so sánh thời gian sử dụng tiêu hao nhiên liệu [16]: Nhiên liêu tiêu hao (kg/h) 2,0 1,87 Hiệu suất (%) 30 phút – 45 phút 30 phút – 45 phút Nhiên liệu sử dụng (kg ) 1,3 – 1,5 1,3 – 1,4 2h 2,5 – 1,25-3,5 17.5 30 phút – 45 phút 8h 1,3 – 1,8 42,51 2,4 5,3 20 17 Thời gian sử dụng mẻ Tên bếp Bếp Rùa (1) Bếp Viết (2) Bếp Thuận Phú (3) Bếp SPIN (4) Bếp MH01 (5) 17.6 19.3 25 20 20 19.3 17.6 17.5 17 15 10 5.3 3.5 0.75 0.75 1.87 2.4 0.75 Bếp Rùa Bếp Viết Thời gian sử dụng (h) Bếp Thuận Phú Bếp SPIN Tiêu hao nhiên liệu (kg/h) Bếp MH01 Hiệu suất (%) Hình 4.14: Thời gian sử dụng, mức tiêu hao nhiên liệu hiệu suất bếp Theo bảng 4.7 hình 4.10, ta bỏ qua mức thời gian sử dụng tiêu hao nhiên liệu bếp truyền thống Dựa số liệu nhận thấy, bếp có cơng suất nhỏ phục vụ nấu nướng gia đình nhu cầu thời gian ngắn Với bếp dạng SPIN có hiệu suất tới 20%, thời gian đun mẻ tương đối ngắn