lu ong (%) 80 85 90 95 100 105 110 kh oi lu ong ( % ) 010020030040050060070080090010001100 0 20 40 60 80 100 D A
Trang 62
thể hiện rõ rệt khi ở 6350C (nhiệt độ kết thúc quá trình cháy của trấu ~ 5000C) thì than đã cháy tại 5080C. Hay nói cách khác, trong khoảng nhiệt độ từ 150 0C- 5500C đã xảy ra quá trình cháy trấu kèm theo một phần quá trình cháy cacbon của than.
Như vậy, khi trộn sinh khối với than đã làm giảm nhiệt độ bắt đầu quá trình cháy của than bởi sinh khối có nhiệt bắt cháy thấp nên cháy trước, kéo theo sự cháy của than.
Đồng thời hàm lượng tro sau quá trình cháy là 18,7 % giảm đi ~10%so hàm
lượng tro của than VD là 20,07%.
Nhận xét tương tự đối với mẫu mùn cưa. Qua giản đồ phân tích nhiệt trên đã phần nào cho ta thấy tính ưu việt của quá trình đốt kèm.
III.4. Đánh giá năng lượng hoạt hóa của sinh khối và than antraxit
Bảng 5.9. Bảng so sánh năng lượng hoạt hóa của than và sinh khối
20 30 40 50 60 70 80 50 100 150 200 250 300 350 E(K j/ mol ) V D C P H G R om M ùn c ua T ra u d o chu ye n h oa
Mẫu VD HG CP Rơm Mùn cưa Trấu
Độ chuyển hóa, %
Năng lượng hoạt hóa E (kJ/mol)
20 154,6 109,7 94,9 167,2 44.419 156,47
40 121,8 79,7 81,3 149,2 103,00 313,65
60 99,6 62,2 67,1 88.15 92,00 266,46
80 89,6 52,0 67,1 49,38 38,04 155,06
Đồ thị 5.16.Biểu diễn năng lượng hoạt hóa đốt của sinh khối và than.
Trang 63
Từ đồ thị 5.16. cho thấy chỉ có trấu cần có năng lượng hoạt hóa cao nhất, còn mùn cưa và rơm yêu cầu năng lượng hoạt hóa gần xấp xỉ với than.
III.5. Kết luận.
Qua các thông số đánh giá chất lượng than và sinh khối thông qua các đặc tính kỹ thuật khi đốt cháy: Chỉ số nghiền, độ tro, hàm ẩm, chất bốc, năng lượng hoạt hóa, thì cho thấy sinh khối hoàn toàn có thể được sử dụng đốt kèm cùng than, tuy nhiên, do đặc tính sinh khối khác xa với than cho nên để tiến hành đốt kèm được sinh khối cùng than cần phải xử lý sinh khối:
Chỉ số nghiền .
Độ ẩm.
Lượng chất bốc.
Tăng tỷ lệ cacbon cố định.
Chọn tỷ lệ đốt thích hợp.
Trang 64
PHẦN IV. NÂNG CẤP VẬT LIỆU SINH KHỐI CHO QUÁ TRÌNH ĐỐT KÈM. Từ những phân tích nếu trên sinh khối cần phải khắc phục những nhược điểm về kỹ
thuật của sinh khối ở dang thô chưa qua chế biến:
Chỉ số nghiền thấp . Tỷ trọng nhỏ. Độ ẩm cao. Lượng chất bốc nhiều. Tăng tỷ lệ cacbon cố định. Chọn tỷ lệ đốt kèm thích hợp.
Lựa chọn và cải tiến công nghệ đốt đề phù hợp với chế độ đốt kèm. IV.1. Viên nén sinh khối.
Viên nén sinh khối là một loại nhiên liệu được làm bằng các vật liệu như mùn cưa, dăm bào, bả mía, tre nứa, trấu, xơ dừa, rơm rạ...., được nén lại thành viên dưới áp lực và vận tốc cao, cho ra gỗ viên khi đốt cung cấp nhiệt lượng khá cao, có thể dùng thay thế cho than đá. Viên nén sinh khối trở thành vật liệu dùng để làm chất đốt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng, như sử dụng đốt nồi hơi nhà máy điện, lò hơi, lò sưởi [14]. v.v…..Ở nước ta, viên nén sinh khối có thể được làm từ các loại phế thải của các ngành nông nghiệp khác như rơm, rạ, trấu, cây bắp, vỏ cà phê, xơ dừa, tre nứa... v.v… hoặc của các xưởng chế biến gỗ như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn.v.v… hoặc của các ngành mía đường, giấy.v.v…
Dựa vào nhu cầu sản xuất thực tế thì sinh khối được sử dụng ở dạng viên ép thành viên nhiên liệu. Do đó tiến hành phân tích các đặc tính của viên nhiên liệu sinh khối so với sinh khối chưa xử lý kỹ thuật ban đầu về các đặc tính kỹ thuật : tro, bốc, ẩm, hàm lượng cacbon, nhiệt trị. Khi phân tích các đặc tính kỹ thuật của viên nhiên liệu sinh khối thì nhận thấy rằng nhiên liệu ép viên này gần như không thay đổi so nhiều với trước khi ép viên. Tuy nhiên, sinh khối sau khi ép viên có đặc tính nổi trội hơn so với sinh khối dạng nghiền đó là tỷ trọng đổ, và chỉ số nghiền. Đây chính là một trong những nhược điểm cần khắc phục của sinh khối.
Trang 65 IV.1.1. Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối
Bảng 6. 1 .Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối
Mẫu Wad Wdr Vad Vdr Aad Adr Trấu 12.4 12.2 67.38 76.74 13.48 15.35 Viên nén trấu 12.2 13.0 68.71 78.98 12.86 14.78 Mùn cưa 14.2 15.3 82.98 97.97 1.52 1.79 Viên nén mùn cưa 13.1 14.2 82.09 93.71 2.25 2.57
IV.1.2. Lượng cacbon rắn.
Bảng 6.2. Số liệu FC của các mẫu sinh khối.
Mẫu FC(%) FCdr(%) FCdaf(%)
Trấu 19.14 21.80 25.75
Viên nén trấu 18.43 21.18 24.86
Mùn cưa 15.51 18.31 18.65
Viên nén mùn cưa 15.71 17.94 18.41
IV.1.3. Nhiệt trị của các mẫu sinh khối
Bảng 6. 3. Nhiệt trị của các mẫu sinh khối
Mẫu HHV (MJ/kg) LHV (MJ/kg)
Trấu 15.82 15.23
Viên nén trấu 15.20 14.27
Mùn cưa 19.39 18.25
Viên nén mùn cưa 18.44 17.98
V.1.4. Kết quả phân tích thành phần hóa học của sinh khối ép viên (air dry)
Bảng 6. 4. Kết quả tính toán hàm lượng oxy của sinh khối và sinh khối ép viên
Mẫu Aad (%) Cdr Hdr Odr
Trấu 13.48 40.53 2.71 43.28
Viên nén trấu 12.86 30.26 2.13 54.75
Mùn cưa 1.52 47.67 5.31 45.52
Trang 66
Bảng 6. 5.Hàm lượng các oxit kim loại có trong tro
IV.1.5. Chỉ số nghiền.
Bảng 6. 6. Chỉ số nghiền của sinh khối và than.
Mẫu HG CP VD Trấu Viên nén trấu Mùn cưa Viên nén mùn cưa
HGI 47 46 44 2,9 25-28 5,4
Sinh khối sau quá trình ép viên chỉ số nghiền đã tăng lên đáng kể, tuy nhiên vẫn nhỏ hơn so với chỉ số nghiền của than.
IV.1.6. Tỷ trọng đổ.
Bảng 6. 7. Tỷ trọng đổ.
Mẫu Tỷ trọng đổ (kg/m
3
)
Mẫu thô chưa ép viên Mẫu thô ép viên
Mẫu trấu 114 506
Mẫu mùn cưa 165-185 520
Stt % Oxit kim loại Viên nén
mùn cưa Mùn cưa Viên nén trấu Trấu 1 Ẩm 2.45 3.22 0.77 2.3 2 SiO2 34.02 29.24 89.78 91.86 3 Al2O3 4.99 2.54 0.35 0.25 4 Fe2O3 7.96 3.99 1.01 0.91 5 CaO 23.75 36.54 2.28 3.13 6 MgO 1.99 4.39 0.31 0.12 7 K2O 6.07 3.77 3.14 1.54 8 Na2O 7.4 1.63 0.15 0.29 9 Không xác định được 11.37 14.68 2.21 -0.4 Tổng 100 100 97.71 99.6
Trang 67
Tỷ trọng đổ của sinh khối sau khi ép viên tăng lên gấp 5 lần so với sinh khối trước khi ép viên. Như vậy, sinh khối sau ép viên cải thiện được tỷ trọng đổ rất lớn, đây là một yếu tố quan trọng trong việc sử dụng và vận chuyển cũng như tồn chứa sinh khối một cách dễ dàng thuận tiện hơn.
IV.2. Nhiệt phân nhẹ.
Như các phân tích ở các phần phân tích ở trên việc sử dụng sinh khối ở dạng thô cho quá trình đốt kèm vô cùng khó khăn do các tính chất nghèo năng lượng của nó. Quá trình nhiệt phân nhẹ cho phép nâng cấp chất lượng của sinh khối, phương pháp này có thể giữ lại khoảng 90% năng lượng. Nhiệt phân nhẹ là một quá trình nhiệt phân với tốc độ gia nhiệt thấp ở nhiệt độ thấp hơn 3000C. Ưu điểm lớn của phương pháp này là giữ lại được năng lượng của sinh khối và kị nước, trong quá trình tồn chứa và bảo quản lượng ẩm không bị hấp phụ ngược trở lại, khi đốt lượng khói thải ra cũng thấp hơn, khó bị phân hủy bởi vi sinh vật. Các nghiên cứu và thí nghiệm cho thấy, nhiệt phân nhẹ là một quá trình nâng cao chất lượng sinh khối để làm tăng tính cạnh tranh của sinh khối với nguồn nguyên liệu đốt hóa thạch. Trong suốt quá trình nhiệt phân nhẹ sinh khối thay đổi về tính chất vật lý cũng như là tính chất hóa học. Sản phẩm rắn của quá trình này có lượng cacbon tăng lên, lượng hydro và oxi giảm. Hàm lượng khí CH4, H2, CxHy, và CO tăng lên, trong khi đó lượng CO2 lại giảm đi rất nhiều theo tốc độ gia nhiệt của quá trình nhiệt phân nhẹ.
Trang 68
Sơ đồ 6. 1. Quy trình xử lý sinh khối kết hợp giữa quá trình nhiệt phân nhẹ và ép viên.
Trang 69
Trong quá trình nhiệt phân nhẹ thì tác động của tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến sản phẩm nhiều hơn so với thời gian gia nhiệt, đó là lý do để thí nghiệm tại nhiệt độ lớn hơn 2500C với thời gian là 1 giờ. Tuy nhiên, tốc độ và thời gian còn phụ thuộc vào một vài tính chất của loại sinh khối khác nhau, do đó mỗi loại cần có một khoảng nhiệt độ xác định để đạt được sản phẩm chất lượng như nhau.
IV.2.1. Nguyên tắc của quá trình nhiệt phân nhẹ.
Nhiệt phân nhẹ là một quá trình chuyển đổi hóa nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ 200-3000C ở áp suất khí quyển trong môi trường không có oxi, tốc độ gia nhiệt chậm < 500C/phút. Trong suốt quá trình này, sinh khối sẽ bị phân tách hết lượng ẩm và một chất bốc, đây chính là lý do làm cho khối lượng giảm và thành phần hóa học trong pha khí thay đổi. Có hai quá trình xảy ra trong khi nhiệt phân nhẹ đó là lượng ẩm luôn thoát ra và thành phần hóa học bị tách ra khỏi nguyên liệu ban đầu.
Trong khoảng nhiệt độ từ 200-3000C, trong giai đoạn bắt đầu gia nhiệt tốc độ thoát ẩm rất thấp, khi nhiệt độ tăng lên thì tốc độ thoát ẩm tăng, nhiệt độ đạt 2000C lượng ẩm thoát hết, một phân chất bốc bắt đầu bị thoát ra dẫn đến quá trình mất mát số khối lượng. Ở khoảng nhiệt độ này, chất bốc thoát ra chủ yếu từ hemixelulo, cấu tạo của hemixelulo dễ bị bẻ gãy liên kết thoát khí chuyển hóa cacbon, trong khi đó, thành phần celulo và ligin thì rất khó bẻ gãy liên kết nên lượng khí thoát ra từ hai thành phần này rất ít cũng như hai thành phần này ít bị cacbon hóa. Chính vì thế, sản phẩn của quá trình nhiệt phân nhẹ có tính chất trung gian của sinh khối thô và than hoa.
IV.2.2. Thực nghiệm nhiệt phân nhẹ và đốt kèm Hoạt động của hệ thống thí nghiệm nhiệt phân nhẹ:
Mẫu thí nghiệm được để trong thuyền nhôm (4) đặt trong ống phản ứng (3). Thiết bị phản ứng này được gia nhiệt ngoài bằng nguồn điện (6), nhiệt độ trong lò được xác định bằng que canh nhiệt (5), tại thiết bị canh nhiệt sẽ hiển thị nhiệt độ và điều khiển đóng ngắt nhiệt. Khí đưa vào cho quá trình nhiệt phân là khí trơ argon hoặc là nitơ, khí sau khi nhiệt phân mẫu đưa vào bình chứa làm lạnh và ngưng tụ hấp phụ bằng silicagel.
Trang 70
Sơ đồ 6. 2. Hệ thống thí nghiệm nhiệt phân nhẹ.
Sơ đồ 6. 3. Sơ đồ nhiệt phân nhẹ - E: đơn vị năng lượng, M: đơn vị khối lượng
IV.3. Đánh giá định tính khối lượng sinh khối sau quá trình nhiệt phân nhẹ
Dựa vào các đặc tính nguyên liệu sinh khối đã phân tích tính chất ở trên ta có thể định tính được tổng qua các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhẹ. Các loại vật
Nhiệt phân nhẹ 2000C- 3000C 1M 1E 0.1E 0.3 M 0.9E 07.M Sinh khối Khí Sản phẩm rắn
Trang 71
liệu biomass khác nhau có tỷ lệ các sản phẩm rắn khác trong nhiệt phân nhẹ, ta thấy khi tăng nhệt độ khối lượng ban đầu giảm, nhiệt độ càng tăng thì khối lượng càng giảm do quá trình thoát ẩm và thoát một phần chất bốc ra khỏi nguyên liệu, quá trình tăng thời gian cho nhiệt phân cũng làm giảm khối lượng rắn.
Các nguyên tố chứa trong sinh khối cũng thay đổi sau nhiệt phân, tỷ lệ cacbon tăng lên trong khi đó lượng hidro và oxi giảm rõ rệt theo nhiệt độ và theo thời gian, đây là kết quả của quá trình thoát ẩm, khí cacbon monoxit và cacbon đioxit. Khối lượng mất đi của sinh khối nhiệt phân nhẹ là do quá trình bốc hơi của pha khí bị tách ra,hợp chất chính của pha khí này là cacbonmonoxit và cacbondioxit, metan. Các thành phần chính thoát ra là hơi nước và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt tới thành của sản phẩm nhiệt phân nhẹ cũng tương đương với nhiệt phân ở nhiệt độ từ 2500C- 3000C.
Đối với sinh khối ở dạng thô năng lượng của chúng rất thấp, sau khi nhiệt phân nhẹ năng lượng của chúng tăng lên do lượng cacbon tăng lên trong khi đó hàm lượng oxi và hydro giảm, hàm lượng cacbon tăng rõ rệt ở nhiệt độ trên 2500C.
Sinh khối sau khi xử lý nhiệt phân nhẹ được tiến hành đánh giá lại các thông số kỹ thuật , so sánh với chất lượng của than và sinh khối trước khi nhiệt phân, các phương pháp phân tích thực hiện tương đương theo các tiêu chuẩn đánh giá sinh khối thô đã thực hiện ở chương 4 trước đó. Sau khi tiến hành thí nghiệm thu được kết quả:
IV.3.1.Thành phần kỹ thuật của sinh khối ở dạng nghiền
Bảng 6. 8. Hàm ẩm của sinh khối dạng nghiền trước và sau nhiệt phân
Mẫu Wad trước NP
(%) Wad sau NP (%) Trấu 12,2 2,06 Rơm 13,4 3,5 Mùn cưa 15,3 7,98 Than Vàng Danh - 4,04
Sinh khối có trạng thái cân bằng với môi trường có độ ẩm rất lớn. Tất cả sinh khối ban đầu đều có độ ẩm cao hơn than. Với quá trình nhiệt phân, ta giảm được đáng
Trang 72
kể lượng ẩm: Trấu giảm trên 80% và rơm giảm trên 70% so với trước khi nhiệt phân. Cả 2 sau nhiệt phân đều có độ ẩm thấp hơn than. Mùn cưa sau nhiệt phân có độ ẩm 7,98% cao hơn than (4,04%) nhưng độ ẩm của nó cũng giảm đến 50%.
IV.3.2. Hàm lượng tro
Bảng 6. 9. Hàm lượng tro của sinh khối trước và sau nhiệt phân
Mẫu Trước nhiệt phân Sau nhiệt phân
Aad (%) Adr (%) A (%) Adr (%)
Trấu 13,48 15,35 15,2 15,52
Rơm 12,05 13,91 13,5 13,98
Than Vàng Danh 19,96 0,82 - -
Mùn cưa 1,52 1,79 1,87 2,03
Tro là thành phần không thay đổi trước nhiệt phân và sau nhiệt phân. Tro của sinh khối sau nhiệt phân vẫn thấp hơn than. Như đánh giá ở trên, tuy tro của sinh khối thấp nhưng nhiệt độ nóng chảy của nó cũng thấp rất nhiều so với than, cho nên sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình cháy của than, cặn đóng xỉ trong lò khi đốt. Chính vì vậy, tỷ lệ sinh khối có thể đưa và lò cần được tính toán phù hợp với chế độ đốt của lò. Sinh khối có hàm lượng tro thấp hơn than. Đặc biệt là mùn cưa có hàm lượng tro rất ít (1,52%). Với quá trình nhiệt phân, tro của sinh khối tăng lên nhưng rất ít, không đáng kể.
IV.3.3.Hàm lượng bốc
Ta thấy, hàm lượng bốc trong sinh khối là rất cao. Than có bốc rất nhỏ, chỉ 3,86%. Sau khi loại tro và ẩm đi trong sinh khối còn chủ yếu là bốc (mùn cưa lên đến 99,76%). Khi nhiệt phân xong, hàm lượng bốc của sinh khối sau khi loại tro và ẩm đều giảm so với ban đầu. Do quá trình nhiệt phân nhẹ tiến hành ở 250 oC trong 1giờ nên hàm lượng chất bốc đã bay đi mất 1 phần. Do hàm lượng chất bốc cao như vậy nên trong quá trình cháy sinh khối dễ bắt cháy hơn than rất nhiều.
Trang 73
Bảng 6. 10. Hàm lượng bốc của sinh khối trước và sau nhiệt phân
Mẫu
Trước nhiệt phân Sau nhiệt phân
Vad(%) Vdr(%) Vdaf(%) V (%) Vdr(%) Vdaf(%) Trấu 67,38 76,74 90,66 67,05 68,46 81,04 Rơm 69,60 80,37 93,36 61,63 63,87 74,25 Mùn cưa 82,98 97,97 99,76 91,49 99,42 99,42 Than Vàng Danh 3,86 28,73 28,97 - - - IV.3.4. Hàm lượng FC
Bảng 6.11.Hàm lượng cacbon cố định (FC) của sinh khối trước và sau nhiệt phân
Mẫu Ban đầu Sau NP
FCad(%) FCdr(%) FCdaf(%) FC(%) FCdr(%) FCdaf(%)
Trấu 19,14 21,80 25,75 17,75 18,12 21,45
Rơm 18,35 21,19 24,61 24,87 25,77 29,96
Mùn cưa 15,50 18,30 18,63 6,64 7,22 7,37
Than Vàng Danh 72,14 70,45 71,03 - - -
Sinh khối có lượng FC rất thấp so với than (chỉ gần 20% so với than hơn