a. Thời gian
Thời gian khảo sát từ lúc bắt đầu cho thiết bị khí hóa vào thiết bị gia nhiệt tới khi hết khí, kết thúc quá trình là 30 phút, đây là thời gian khảo sát với nhiệt độ 700oC. Như vậy, theo quá trình khảo sát, để có thể so sánh các thông số với nhau thì cả 3 điểm nhiệt độ, ta đều lấy thời gian khảo sát là 30 phút.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 67 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tại to = 700oC
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 700oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
1 300 93 100 107
2 300 91 98 111
3 300 90 98 112
Trung bình 300 91.33 98.67 110
Tại to = 800oC
Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 800oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 69 96 135
2 300 66 97 137
3 300 68 96 136
Trung bình 300 67.67 96.33 136
Tại to = 900oC
Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 900oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 48 95 157
2 300 52 93 155
3 300 50 93 157
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 68 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 4.4: Tổng kết kết quả quá trình khảo sát tác nhân N2
Nhiệt độ, oC mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
700 91.33 98.67 110
800 67 96.33 136
900 50 93.67 156.33
Đồ thị 4.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng ngưng tụ, rắn còn lại, khí c. Nhận xét:
Dựa vào đồ thị trên ta thấy khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm dần, lượng khí tăng dần và lượng rắn giảm không đáng kể. Trong đó lượng ngưng tụ giảm 40 gam, giảm khoảng 45% (91,33 xuống 50g), lượng rắn khoảng 5 gam, lượng khí tăng 46.33 gam, tăng khoảng 42% (từ 110 lên 156.33g), ta thấy lượng ngưng tụ giảm gần bằng với lượng tăng lên của khí sinh ra.
Lượng rắn tuy có giảm nhưng không nhiều và vẫn còn giữ ở mức cao, gần 30% so với lượng trấu.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 700 800 900 Khối lư ợng, g ngưng tụ rắn khí Nhiệt độ oC
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 69 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Qua đồ thị ta cũng thấy rằng nhiệt độ 900oC là nhiệt độ phù hợp nhất để tiến hành quá trình khí hóa.
d. Giải thích
Khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm đều, lượng khí tăng đều và lượng rắn giảm không đáng kể có thể giải thích như sau: Trong quá trình khí hóa, các thành phần hydrocacbon mạch dài có trong trấu như các xenlulozơ, Hemi – Xenlulozơ, Lignin... đầu tiên đi qua miền nhiệt độ từ thấp dưới 700oC, lúc đó xảy ra quá trình nhiệt phân đầu tiên. Ở nhiệt độ thấp những mạch dài sẽ bị cắt mạch ở giữa sinh ra những mạch ngắn hơn nhưng vẫn có phân tử lượng cao, sản phẩm chứa nhiều sản phẩm lỏng. Khoảng từ 470oC đến 540o
C những mạch dài sẽ cắt ở đầu mạch và cuối mạch để tạo thành những mạch ngắn hơn như CH4, C2H5. CO2, CO cũng sẽ sinh ra từ lúc này. Khi nhiệt độ đạt khoảng 700oC, ngoài các thành phần khí trên còn có xuất hiện thêm H2.
CnH2n+2 CmH2m + CqH2q+2 CnH2n+2 CqH2q+2 + H2
Các mạch ngắn hình thành cần một nhiệt lượng lớn hơn để cắt mạch, chính vì thế nếu ta duy trì tại khoảng nhiệt độ nhiệt phân từ 500oC đến 700oC sẽ không làm tăng hiệu suất sản phẩm khí, lượng nhiên liệu chưa chuyển hóa còn rất lớn. Muốn tăng lượng khí chuyển hóa, ta phải tăng nhiệt độ để việc cắt mạch ưu tiên vào ví trí đầu mạch hoặc cuối mạch. Sự cắt mạch có thể xảy ra ở tất cả vị trí liên kết mạch C - C. Vị trí đứt mạch đầu hay giữa phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và áp suất. Tại đây, do ta khảo sát với áp suất cố định, hiệu suất khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ càng tăng thì vị trí đứt mạch C - C càng nghiêng về đầu mạch hoặc cuối mạch thì càng có lợi cho quá trình.
- Ở nhiệt độ thấp
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 70 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Ở nhiệt độ cao
C - C - C - C - C - / C
Với 3 điểm khảo sát là 700oC, 800oC, 900oC (vùng khí hóa), ta có thể thấy nhiệt độ càng tăng thì càng dễ cắt mạch từ giữa mạch ra đầu mạch hydrocacbon, dẫn đến lượng sản phẩm phân tử lượng thấp càng tăng đồng nghĩa với lượng khí tăng, lượng ngưng tụ giảm.
Thường thì những mạch dài hơn 4 cacbon sẽ cắt mạch ở giữa trước, tuy nhiên do nhiệt độ cao nên các mạch ngắn chuyển hóa nhanh thành CH4. Điều này giải thích khi tăng nhiệt độ từ 700 đến 900oC hiệu suất sản phẩm khí càng tăng trong khí đó sản phẩm ngưng tụ sẽ giảm.
Ngoài ra lượng H2 sinh ra cũng sẽ tăng lên do sự phân hủy CH4 ở nhiệt độ cao, khoảng gần 900oC
CH4 C + H2
Các phản ứng trong quá trình khí hóa là phản ứng thu nhiệt mạnh nên phản ứng chỉ tiến hành ở nhiệt độ tương đối lớn (to
>800oC). Với nhiệt độ 700oC thì sẽ làm giảm tốc độ của phản ứng khí hóa xuống. Với nhiệt độ từ 800 - 900oC thì sẽ tăng tốc độ của phản ứng, đặc biệt là tăng nhanh phản ứng của C + H20 và C + CO2 để tạo ra CO. Đây là 2 phản ứng thu nhiệt mạnh và là 2 phản ứng quan trọng trong quá trình khí hóa. Vậy khi tăng nhiệt độ thì ta sẽ thu được lượng khí lớn hơn.
C + CO2 2CO – Q1 C + H2O CO + H2 – Q2 C + 2H2O CO2 + 2H2 – Q3
Nhiệt độ càng tăng thì tốc độ khí hóa và thoát khí càng tăng nên thời gian duy trì khí hóa càng giảm, nên ta có thể chọn thời gian khảo sát là 30 phút ở lần khảo sát ở 700oC cho hai lần khảo sát tiếp theo ở 800, 900oC. Như vậy, với 3 điểm khảo sát, tại điểm có 900oC, có lượng khí cao nhất, lượng rắn và lượng ngưng tụ thấp nhất, vì
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 71 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
vậy ta ta sẽ chọn nhiệt độ này là nhiệt độ khảo sát cho các khảo sát tiếp theo với các tác nhân khác.