Biomass là dạng nhiờn liệu sinh khối cú nguồn gốc từ động và thực vật. Trong cỏc loại biomass thỡ mạt cưa, thõn, cành cõy thải ra trong quỏ trỡnh khai thỏc chế biến gỗ chiếm tỉ trọng lớn. Việc nghiờn cứu sử dụng hiệu quả cỏc lại phế phẩm trờn là quan trọng và cần thiết.
Phế thải lõm nghiệp là một loại nhiờn liệu sinh khối, một loại sản phẩm phụ của quỏ trỡnh cắt, mài, khoan gỗ, hoặc sản phẩm xay ra từ thõn, cành cõy trong quỏ trỡnh khai thỏc, chế biến gỗ bao gồm cỏc hạt mạt cưa, dăm bào, đầu mẩu của gỗ. Thành phần chớnh của nú là cacbon, chiếm khoảng 50% tựy theo loại gỗ. Mạt cưa cú kớch cỡ
từ 1mm đến 5 mm, dăm bào cú hỡnh dỏng dẹp và cú thể bị cuộn nhiều vũng kớch cỡ khoảng từ 5mm đến 20mm và đầu mẩu gỗ cú dạng khối cú kớch thước khoảng từ 10mm đến 50mm. [9]
Hỡnh 3.3. Một số mẫu mạt cưa, dăm bào
a. Thành phần húa học của mạt cưa [9]
Trong mạt cưa, cỏc nguyờn tố cấu thành bao gồm cỏc thành phần sau:
Cacbon: Cacbon là thành phần chỏy chủ yếu trong nhiờn liệu rắn, nhiệt lượng phỏt ra khi chỏy của 1 kg Cacbon gọi là nhiệt trị của Cacbon, khoảng 34,150 kj/kg.
Hyđrụ: Hydro là thành phần chỏy quan trọng của nhiờn liệu rắn, khi chỏy toả ra nhiệt lượng 144,500 kj/kg.
Oxy và Nitơ: Oxy và Nitơ là những chất trơ trong nhiờn liệu rắn và lỏng. Sự cú mặt của Oxy và Nitơ làm giảm thành phần chỏy của nhiờn liệu làm cho nhiệt trị của nhiờn liệu giảm xuống
Tro, xỉ (A): Là thành phần cũn lại sau khi nhiờn liệu được chỏy kiệt. Đối với mạt cưa thỡ tro, xỉ rất ớt.
Độ ẩm (M): Là thành phần nước cú trong nhiờn liệu thường được bốc hơi vào giai đoạn đầu của quỏ trỡnh chỏy.
Như vậy, về thành phần hoỏ học của nhiờn liệu thỡ ta cú cỏc thành phần cú thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm
C + H + O + N + A + M = 100%.
b. Nhiệt trị của nhiờn liệu [9]
Việc lựa chọn nhiờn liệu húa khớ được dựa trờn cơ sở xỏc định nhiệt trị của nú. Cú 2 khỏi niệm nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp: nhiệt trị cao của nhiờn liệu khi đạt được trong trường hợp đoạn nhiệt, nghĩa là được thực hiện khi ngưng tụ nước sinh ra trong quỏ trỡnh đốt chỏy. Do việc thu hồi nhiệt của quỏ trỡnh ngưng tụ trong cỏc lũ húa khớ gas rất khú, đặc biệt là trong trường hợp đốt chỏy một số phế thải nụng lõm nghiệp
trị cao. Vỡ vậy, trong thực tiễn khi đốt cỏc nhiờn liệu trờn người ta thường dựng khỏi niệm nhiệt trị thấp.
Kết quả tớnh toỏn và đo đạc, người ta đó xỏc định được nhiệt trị thấp của nhiờn liệu húa khớ gas là: Qt = 4500 ( kJ/kg nl).
c. Hàm lượng ẩm của nhiờn liệu [12]
Hàm lượng ẩm của nguyờn liệu đưa vào húa khớ cú ảnh hưởng một phần đến nhiệt trị của khớ gas. Hàm lượng ẩm cao làm giảm hiệu suất nhiệt khi nhiệt được dựng để bay hơi nước và do đú năng lượng này khụng cú sẵn trong việc giảm cỏc phản ứng và cho việc biến đổi nhiệt năng thành năng lượng liờn kết hoỏ học trong gas.
Do đú hàm lượng ẩm cao dẫn đến nhiệt trị của gas thấp. Khi gas được sử dụng cho cỏc mục đớch đốt chỏy trực tiếp, nhiệt trị thấp cú thể chấp nhận được và việc sử dụng cỏc nguyờn liệu đầu vào cú hàm lượng ẩm (gốc khụ) lờn tới 40 – 50% là khả thi, đặc biệt là khi sử dụng lũ đốt húa khớ dạng xuụi chiều. Trong cỏc lũ đốt húa khớ xuụi chiều hàm lượng ẩm cao làm tăng khụng chỉ nhiệt trị của gas, mà cũn tạo ra nhiệt độ thấp trong vựng oxy hoỏ và điều này cú thể dẫn tới biến đổi muội than khụng đầy đủ nếu gas được dựng trong động cơ.
Cỏc vật chất ở dạng khoỏng chất trong mạt cưa khi chỏy biến thành tro. Một trong những đặc tớnh quan trọng làm ảnh hưởng đến điều kiện chỏy là độ núng chảy của tro. Do cả nhiệt trị của gas (động cơ cần gas ớt nhất 4200kJ/m3 để duy trỡ hiệu suất hợp lý) và vấn đề muội than, lũ đốt húa khớ xuụi chiều cần nhiờn liệu khụ hợp lý (ẩm nhỏ hơn 35% dựa trờn gốc khụ).
d. Hàm lượng tro và thành phần hoỏ học của tro [13]
Tro cú thể gõy ra nhiều vấn đề, đặc biệt là trong cỏc lũ đốt húa khớ dạng xuụi chiều hoặc ngược chiều. Việc tạo xỉ hoặc hỡnh thành xỉ tảng trong lũ phản ứng gõy ra do việc núng chảy và kết tụ của tro. Nếu khụng thực hiện cỏc cỏch xử lý đặc biệt, xỉ cú thể làm tắc hoàn toàn lũ phản ứng. Trường hợp xấu nhất cú thể gõy ra nguy cơ nổ, đặc biệt là trong cỏc lũ đốt ngược chiều. Sự tạo xỉ xuất hiện hay khụng xuất hiện là phụ thuộc hàm lượng tro của nhiờn liệu, cỏc đặc tớnh núng chảy của tro và dạng nhiệt độ trong lũ đốt.
Nhỡn chung khụng cú hiện tượng tạo xỉ nếu nhiờn liệu cú hàm lượng tro thấp dưới 5 - 6 %. Với nhiờn liệu cú hàm lượng tro 12% hoặc cao hơn thỡ xuất hiện sự tạo xỉ nghiờm trọng, đối với cỏc nhiờn liệu cú hàm lượng tro giữa 6 và 12, sự tạo xỉ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ núng chảy của tro, mà bị ảnh hưởng do sự cú mặt của cỏc nguyờn tố làm tăng sự hỡnh thành cỏc hỗn hợp cú điểm núng chảy thấp…Đối với mục đớch húa khớ khả năng núng chảy của tro nhiờn liệu nờn được xỏc định trong cả hai mụi
trường oxy hoỏ khử. Như hàm lượng tro được đề cập, gỗ tươi và than củi hiếm khớ cú vấn đề, hàm lượng tro thụng thường từ 0,75 đến 2,5%.
Tuy nhiờn nhiều loại gỗ vựng nhiệt đới hàm lượng tro than củi cú thể cao hơn nhiều và cỏc loại than củi này khụng thớch hợp với mục đớch húa khớ. Bảng 3.2 liệt kờ cỏc phế phế thải nụng lõm nghiệp đó được thử nghiệm về cỏc đặc tớnh tạo xỉ của chỳng ở cỏc thiết bị tạo gas nhỏ dạng xuụi chiều trong phũng thớ nghiệm.
Thiết bị húa khớ xuụi chiều và ngược chiều cú khả năng hoạt động tốt với cỏc nhiờn liệu tạo xỉ nếu được thay đổi về kết cấu (cỏc ghi lũ chuyển động liờn tục hoặc quỏ trỡnh chỏy của gas được thực hiện ở bờn ngoài lũ đốt tạo khớ gas). Cỏc thiết bị húa khớ dạng khớ đi ngang, làm việc ở nhiệt độ rất cao khoảng 12000C hoặc cao hơn, cần bộ phận an toàn đặc biệt đối với hàm lượng tro của nhiờn liệu. [13]
Bảng 3.2. Sự tạo xỉ của nguyờn liệu là phế thải của nụng lõm nghiệp trong lũ húa khớ
Cỏc loại nguyờn liệu Hàm lượng xỉ
Lừi ngụ 1,5
Gỗ thụng 0,2
Phế phẩm của nhà mỏy chế biến gỗ đó được cắt ngắn 0,3
Vỏ bào của gỗ đốn cả khỳc 0,1
e. Khả năng phản ứng của nhiờn liệu
Khả năng phản ứng là một yếu tố quan trọng quyết định tốc độ khử CO2 thành CO trong lũ đốt húa khớ. Khả năng phản ứng ảnh hưởng đến loại phản ứng đến mức nú quyết định chiều cao cần thiết trong vựng khử.
Nhiệt độ của quỏ trỡnh húa khớ được lựa chọn trờn cơ sở của trạng thỏi tro (trạng thỏi dưới điểm mềm của tro và trờn điểm núng chảy của xỉ). Đối với sinh khối điểm núng chảy của tro rất cao, đú là sự thuận lợi để thờm chất húa khớ vào sinh khối để giảm nhiệt độ núng chảy của tro xuống. Húa khớ ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiờu thụ của quỏ trỡnh và sẽ giảm toàn diện hiệu suất của quỏ trỡnh húa khớ. Vỡ vậy trong quỏ trỡnh húa khớ ta luụn đảm bảo nhiệt độ trong lũ khụng được vượt quỏ giỏ trị cho phộp. Với sự gia tăng của hệ số khụng khớ thừa sẽ làm quỏ trỡnh chỏy tốt hơn, nhiệt độ vựng chỏy cao hơn dẫn đến hiệu quả quỏ trỡnh húa khớ sinh khối tốt hơn, tuy nhiờn đến một giỏ trị nào đú sự gia tăng của hệ số khụng khớ thừa sẽ làm cho quỏ trỡnh chỏy hoàn toàn xảy ra và giảm thời gian lưu của khụng khớ trong lũ, kết quả là hiệu quả quỏ trỡnh húa khớ lại giảm đi.
Wang nhận thấy rằng với mức tăng hệ số khụng khớ thừa từ 0,16 đến 0,26, nhiệt độ vựng chỏy tăng dẫn đến tăng hiệu quả húa khớ từ 57% đến 74%, tăng hàm lượng H2 từ 8,5% đến 13,9%, và sự gia tăng khớ CO từ 12,3% đến 14%. [10]
Tốc độ tỏc nhõn húa khớ trờn mặt cắt ngang (SV) cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quỏ trỡnh húa khớ sinh khối, Yamazaki cho rằng đối với lũ húa khớ thuận chiều ở cựng điều kiện như nhau nếu SV bằng 0,7m/s thỡ lượng tar sẽ nhiều hơn so với SV bằng 0,4m/s. Tốc độ khụng khớ trờn mặt cắt ngang tối ưu được xỏc định trong khoảng từ 0,4 đến 0,6 m/s. [11] [10]
f. Kớch thước và sự phõn bố của nguyờn liệu
Nếu kớch thước nguyờn liệu nhỏ thỡ tổng diện tớch tiếp xỳc của cỏc hạt nguyờn liệu với tỏc nhõn húa khớ tăng lờn do đú độ hoạt tớnh tăng lờn, tốc độ phản ứng trong quỏ trỡnh húa khớ tăng. Tuy nhiờn nếu kớch thước hạt quỏ nhỏ thỡ sức cản thủy lực tăng, dễ gõy tắc lũ làm cản trở quỏ trỡnh húa khớ. Nếu kớch thước hạt quỏ to thỡ quỏ trỡnh húa khớ cú thể xảy ra khụng hoàn toàn. Vỡ vậy, việc tạo ra kớch thước hợp lý để cho quỏ trỡnh húa khớ tiến hành thuận lợi cũng cú ý nghĩa quyết định.
Cỏc dạng lũ đốt húa khớ xuụi chiều và ngược chiều bị hạn chế về khoảng kớch thước của nguyờn liệu, đối với mạt cưa, dăm bào và đầu mẩu thỡ cú thể chấp nhận được. Nguyờn liệu đầu vào dạng khối, hoặc bột cú thể gõy ra sự cản trở dũng khớ trong lũ húa khớ, cũng như việc giảm ỏp trờn khắp vựng khử và tỷ lệ bụi trong gas cao. Sự giảm ỏp suất lớn sẽ dẫn tới giảm tải trọng gas của thiết bị xuụi chiều, dẫn tới nhiệt độ thấp và sản sinh ra muội than. [8]
Núi chung lũ đốt húa khớ gỗ sử dụng cỏc loại mạt cưa, dăm bào và đầu mẩu gỗ. Cỏc lũ đốt kiểu tầng sụi thường cú thể sử dụng cỏc nhiờn liệu cú đường kớnh hạt trong khoảng từ 0,1 đến 20 mm. [9]
g. Khối lượng thể tớch của nguyờn liệu
Khối lượng thể tớch được định nghĩa là khối lượng của nguyờn liệu trong một thể tớch nhất định. Cỏc nhiờn liệu cú khối lượng thể tớch cao rất thuận lợi vỡ chỳng tương ứng với giỏ trị năng lượng đối với thể tớch cao. Vỡ vậy cỏc nguyờn liệu này cần ớt trong khoảng thời gian tỏi nạp nhiờn liệu đó cho. Nhiờn liệu cú khối lượng thể tớch thấp dẫn tới lượng lưu thụng khụng khớ quỏ lớn dẫn đến nhiệt trị của gas thấp và cuối cựng dẫn đến đốt chỏy than trong vựng khử. Khối lượng thể tớchtrung bỡnh của gỗ, than củi và than bựn được đưa ra trong bảng 3.2. Khối lượng thể tớch khụng đủ cú thể được cải thiện bằng cỏch đúng bỏnh hoặc đúng viờn. [13]
Bảng 3.3. Khối lượng thể tớch trung bỡnh
Loại nguyờn liệu Khối lượng thể tớch (kg/m3)
Trấu 110 – 130
Gỗ 300 – 550
Than củi 200 – 300