Đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm

Một phần của tài liệu Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học 65 (Trang 95)

Để đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm, thực hiện các đợt thí nghiệm trong cùng 1 điều kiện: thời gian thực hiện một lượt thí nghiệm, lượng bột gỗ cấp vào có cùng độ ẩm và dải kích cỡ, lưu lượng khí nitơ, áp suất khí nitơ, nhiệt độ khí nitơ cấp vào lò phản ứng Các thông số được đánh giá độ ổn định của hệ thống bao gồm nhiệt độ khí ra khỏi lò phản ứng, nhiệt độ khí không ngưng ra khỏi hệ thống, khối lượng dầu sinh học và khối lượng chất rắn Các số liệu được ghi nhận sau khi hệ thống bắt đầu vận hành ổn định

Kết quả các thông số vận hành của hệ thống được thể hiện trong bảng 4 5

Bảng 4 5: Kết quả các thông số vận hành của hệ thống thí nghiệm

Từ kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 4 5 cho thấy, khi điều khiển các thông số vận hành liên quan đến việc cung cấp nguyên liệu sinh khối và nitơ ổn định thì các thông số vận hành liên quan đến các sản phẩm quá trình nhiệt phân nhanh thay đổi trong phạm vi nhỏ là ± 4 %

Ngoài ra, giá trị các thông số vận hành của hệ thống còn phụ thuộc vào sai số của thiết bị đo Hầu hết sai số của các thiết bị đo sử dụng trong hệ thống đều được

Thông số vận hành Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4

Thời gian thực hiện thí nghiệm (phút) 30 30 30 30

Lượng bột gỗ cấp (g/30 phút) 250 250 250 250

Kích cỡ trung bình bột gỗ (mm) 0,5 ÷ 1 0,5 ÷ 1 0,5 ÷ 1 0,5 ÷ 1

Độ ẩm gỗ (%) 7 7 7 7

Lưu lượng khí nitơ cấp (lít/phút) 28 28 28 28

Áp suất nitơ trong lò phản ứng (bar) 1,4 1,3 1,41 1,33

Nhiệt độ khí nitơ cấp vào lò (°C) 500 503 498 504

Nhiệt độ khí ra khỏi lò phản ứng (°C) 419 422 417 418 Nhiệt độ khí không ngưng ra khỏi hệ thống (°C) 22 21 20 24

Khối lượng dầu sinh học (g) 128 125 129 124

công bố theo các tiêu chuẩn của nhà sản xuất Trong quá trình lắp đặt và hiệu chỉnh tác giả luôn tuân thủ theo hướng dẫn của nhà sản xuất để hạn chế sai số đến mức tối thiểu

Như vậy, hệ thống thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học năng suất 500 g/h hoạt động ổn định

4 4 Kế t quả xác đị nh thành ph ần hóa h ọ c, nguyên t ố và phân tích nhi ệ t khối lượ ng TGA c ủa bộ t gỗ và bã mía

4 4 1 Kết quả xác định thành phần hóa học và nguyên tố của bột gỗ, bã mía

Sinh khối sử dụng nghiên cứu là bột gỗ và bã mía có độ ẩm 7 % Thực hiện phân tích các thành phần hóa học và thành phần nguyên tố được mô tả theo mục 4 1 3 1, kết quả thu được thể hiện trong bảng 4 6

Bảng 4 6: Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của sinh khối

4 4 2 Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía

Thực hiện phân tích TGA 4,62 mg bột gỗ và 4,31 mg bã mía trong máy Perkin Elmer STA6000 Đặc điểm quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào nhiệt độ của bột gỗ và bã mía thể hiện trên hình 4 2 và 4 3

Kết quả phân tích TGA cả hai loại nguyên liệu đều cho thấy quá trình nhiệt phân được chia thành ba giai đoạn Giai đoạn 1 là quá trình thoát toàn bộ lượng ẩm

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Bột gỗ Bã mía

1 Thành phần hóa học 1 1 Hemicellulose % 20,5 24,4 1 2 Cellulose % 41,5 44,5 1 3 Ligin % 27,0 18,6 2 Thành phần nguyên tố 2 1 C % 47,5 45,1 2 2 H % 6,8 6,2 2 3 N % 0,1 0,46 2 5 O % 44,8 41,5 2 4 S % 0,1 < 0,01 2 5 Tro % 0,62 2

tự do và ẩm liên kết có trong vật liệu Giai đoạn 2 là quá trình phân hủy các thành phần hemicellulose và cellulose [29] Giai đoạn 3 là quá trình phân hủy lignin và các thành phần vô cơ có trong sinh khối [83], [100] Trong quá trình phân hủy sinh khối, thành phần hemicellulose và cellulose phân hủy trước, tiếp đến là lignin Đặc điểm của mỗi giai đoạn phụ thuộc vào từng loại sinh khối Độ chuyển hóa và tốc độ chuyển hóa của từng loại sinh khối phụ thuộc vào nhiệt độ

100 90

0 25 0,0 -10

80 Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

-20 70 -30 60 -40 50 40 30 20 14 -50 -60 -70 -76 29,6 100 200 300 400 Nhiệt độ, °C 500 6 00 700

Hình 4 2: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bột gỗ

0 25 100

90

5 0

80 Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 -5

-10 70 60 50 40 -15 -20 -25 -30 -35 -40 30 -45 20 14 -50 -55 29,7 100 200 300 400 500 600 700

Hình 4 3: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bã mía

z = m s c z = m sc / m s d z / d τ d z / d τ ,

Với bột gỗ: Từ hình 4 2 cho thấy giai đoạn 1 diễn ra từ khoảng nhiệt độ 29,6 đến 290 °C Quá trình này chủ yếu là giải phóng hơi ẩm liên kết vật lý, tốc độ giải phóng ẩm cao nhất ở nhiệt độ 82 °C Khi nhiệt độ tăng từ 130 đến 290 °C quá trình giải phóng hơi ẩm liên kết hóa học diễn ra khá chậm Giai đoạn 2 diễn ra từ 290 đến 465 °C, trong đó tốc độ phân hủy khối lượng lớn nhất tại 394 oC Các chất hữu cơ được nhiệt phân trong giai đoạn này lên đến 62 % khối lượng hydrocarbon có trong sinh khối, đây là cơ sở dự đoán khả năng thu được dầu sinh học khá cao khi nhiệt phân bột gỗ Trong giai đoạn này có hình thành đỉnh (không rõ ràng) tại nhiệt độ 340°C tương ứng với sự phân hủy của cellulose [29] Giai đoạn 3 diễn ra ở nhiệt độ lớn hơn 465 oC và tốc độ phân hủy rất chậm Phần chất rắn không bị phân hủy ở nhiệt độ 550 °C chiếm khoảng 22 % tổng khối lượng nguyên liệu ban đầu

Với bã mía: Từ hình 4 3 cho thấy giai đoạn 1 diễn ra từ khoảng nhiệt độ 29,7 đến 245 °C, tốc độ giải phóng ẩm cao nhất ở nhiệt độ 79 °C Giai đoạn 2 diễn ra từ 245 đến 447 °C, trong đó tốc độ phân hủy khối lượng lớn nhất tại 381 oC Giai đoạn này hình thành 3 đỉnh, đỉnh thứ 1 ở nhiệt độ 251 °C tương ứng với sự phân hủy thành phần đường có trong bã mía, đỉnh thứ 2 ở nhiệt độ 310 oC tương ứng với sự phân hủy hemicellulose, đỉnh thứ 3 ở nhiệt độ 381 °C tương ứng với sự phân hủy cellulose Các chất hữu cơ ở giai đoạn này phân hủy lên đến 69 % khối lượng hydrocarbon có trong sinh khối, đây là cơ sở dự đoán khả năng thu được dầu sinh học rất cao khi nhiệt phân bã mía Giai đoạn 3 lớn hơn 447 °C và tốc độ phân hủy rất chậm Phần chất rắn không bị phân hủy ở nhiệt độ 550 °C chiếm 19 % tổng khối lượng nguyên liệu ban đầu

Như vậy, dựa vào kết quả phân tích thành phần hóa học, thành phần nguyên tố và phân tích kết quả phân tích TGA cho bột gỗ và bã mía, ta có các kết luận sau:

- Dựa vào kết quả phân tích TGA trên hình 4 2 và 4 3 cho thấy khả năng phân hủy các chất hữu cơ cao nhất của bột gỗ là 394 oC, của bã mía là 381 oC Đồng thời, khi nhiệt độ vượt trên các giá trị này thì tốc độ phân hủy có xu hướng giảm dần Khi nhiệt độ đạt đến 550 oC thì khả năng phân hủy đạt gần đến giá trị thấp nhất Vì vậy, để nâng cao hiệu quả về mặt năng lượng của quá trình nhiệt phân thì nhiệt độ phản ứng nhỏ hơn 550 oC

hemicellulose, cellulose có trong mỗi loại sinh khối

- Hàm lượng nguyên tố lưu huỳnh trong sinh khối rất bé, nên dầu sinh học tạo ra từ quá trình nhiệt phân gần như không có các hợp chất của lưu huỳnh Ngược lại, hàm lượng nguyên tố oxy trong sinh khối chiếm tỷ lệ khá cao nên dầu sinh học có rất nhiều hợp chất của oxy

4 5 Kế t quả nghiên c ứu th ực nghiệ m mộ t số y ế u tố v ậ n hành chính ả nh hưởng đến hi ệ u quả thu hồi sả n ph ẩ m nhi ệ t phân nhanh

Từ mô hình thực nghiệm xây dựng ở chương 3, tác giả tiến hành các thí nghiệm khác nhau để đánh giá ảnh hưởng các thông số vận hành đến hiệu quả thu hồi các sản phẩm quá trình nhiệt phân nhanh Mỗi bài thí nghiệm được tiến hành 5 lần, các kết quả thí nghiệm chỉ được ghi lại khi

hệ thống vận hành ở tình trạng ổn định Kết Hình 4 4: Dầu sinh học quả thu được cuối cùng là giá trị trung bình

của của 5 lần đo Lượng dầu sinh học thu hồi từ nghiên cứu thực nghiệm được đem phân tích thành phần và chất lượng của chúng

4 5 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm

Thực hiện nhiệt phân nhanh 500 g/h bột gỗ và bã mía, lưu lượng khí nitơ cấp 28 lít/phút và kích cỡ hạt từ 0,5 đến 1 mm Các kết quả thí nghiệm xác định khối lượng các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào nhiệt độ được trình bày trong bảng 1, bảng 2 của phụ lục 9 và hình 4 5, hình 4 6

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hình 4 5 và 4 6 cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng dần thì hàm lượng dầu có xu hướng tăng lên và đạt giá trị cao nhất Với bột gỗ và bã mía có kích cỡ hạt từ 0,5 đến 1 mm thì hiệu quả thu hồi dầu cao nhất tương ứng với nhiệt độ lần lượt là ttu = 500 oC và 475 oC Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng giá trị này thì hàm lượng dầu giảm nhanh Bên cạnh đó, nhiệt độ phản ứng tăng đến ttu

thì lượng khí sinh ra tăng vọt đáng kể Đồng thời, hàm lượng chất rắn có xu hướng giảm đều theo chiều tăng của nhiệt độ Từ đó ta nhận thấy rằng với mỗi loại sinh khối khác nhau thì giá trị nhiệt độ thích hợp để hiệu quả thu hồi dầu nhiệt phân đạt giá trị cao nhất sẽ khác nhau Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu của B M Phan (2014) [9], Qingang Xiong (2013) [80] và K Papadikis (2009) [54] Ngoài ra, hiện tượng hàm lượng khí sinh ra tăng vọt khi nhiệt độ phản ứng vượt quá ngưỡng giá trị nhiệt độ ttu cũng minh chứng cho việc các phản ứng phân hủy nhiệt thứ cấp sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn, làm chuyển dịch hiệu suất thu sản phẩm rắn và dầu về phía sản phẩm khí 60 50 40 30 20 10 0 Khí Dầu Rắn 425 450 475 500 525 550 Nhiệt độ, oC

Hình 4 5: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ

60 50 40 30 20 10 0 Khí Dầu Rắn 425 450 475 500 525 550 Nhiệt độ, oC

Hình 4 6: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ

mi/ ms 0 x 10 0, % mi/ ms 0 x1 00, %

4 5 2 Ảnh hưởng của kích cỡ đến khối lượng các sản phẩm60 60 50 40 30 20 10 0 Rắn Dầu Khí <0,5 0 , 5 -1 1 -1 , 5 1 , 5 -2 Kích cỡ, mm

Hình 4 7: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ

60 50 40 30 20 10 0 Rắn Dầu Khí <0,5 0 , 5 -1 1 -1 , 5 1 , 5 -2 Kích cỡ, mm

Hình 4 8: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ

Tiến hành thí nghiệm nhiệt phân nhanh 500 g/h bột gỗ và bã mía, lưu lượng khí nitơ cấp 28 lít/phút, nhiệt độ khí nitơ cấp cho lò phản ứng 500 oC, kích cỡ nguyên liệu cấp cho các lượt thí nghiệm lần lượt là: ≤ 0,5 mm; 0,5 ÷ 1 mm, 1 ÷ 1,5 mm và 1,5 ÷ 2 mm Các kết quả thí nghiệm xác định khối lượng các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào kích cỡ hạt được trình bày trong bảng 1, bảng 2 của phụ lục 10 và hình 4 7, hình 4 8

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hình 4 7 và 4 8 cho thấy hiệu quả thu hồi dầu phụ thuộc vào kích cỡ hạt sinh khối Với lưu lượng khí nitơ là 28 lít/phút và nhiệt độ lò phản ứng tf = 500 oC, khối lượng dầu thu hồi đạt cực đại khi kích cỡ hạt gỗ từ 0,5 đến 1 mm; bã mía từ 1 đến 1,5 mm Nếu kích cỡ vượt quá giá trị này thì

mi/ ms0 x 100 , % m i/ m s 0 x 1

hàm lượng dầu giảm nhanh Ngược lại, nếu kích cỡ hạt nhỏ hơn dtu thì quá trình nhiệt phân diễn ra nhanh hơn, có một lượng dầu tiếp tục phân hủy thành khí nên hiệu quả thu hồi dầu thấp và hàm lượng khí sinh ra tăng lên Khi tăng kích cỡ hạt sinh khối, thời gian phản ứng hoàn toàn diễn ra lâu hơn, khả năng trao đổi nhiệt từ bề mặt hạt đến tâm giảm dần nên hàm lượng chất rắn tăng dần Vì vậy để hiệu quả thu hồi dầu cao nhất, với mỗi khoảng kích cỡ của mỗi loại sinh khối thì thời gian nhiệt phân sẽ khác nhau

4 5 3 Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng các sản phẩm

Thực hiện thí nghiệm nhiệt phân nhanh 500 g/h bột gỗ với nhiệt độ khí nitơ cấp vào t = 500 oC, kích cỡ hạt 0,5 ÷ 1 mm và 500 g/h bã mía với nhiệt độ khí nitơ cấp vào t = 475 oC, kích cỡ hạt từ 1 ÷1,5 mm Khoảng giá trị lưu lượng khí nitơ lựa chọn để thực hiện các thí nghiệm phải đảm bảo duy trì lớp sôi trong lò phản ứng và thời gian lưu hỗn hợp sản phẩm phản ứng nhiệt phân phải nhỏ hơn 2 s Với đặc điểm cấu tạo của hệ thống thí nghiệm này, khoảng lưu lượng khí nitơ phù hợp cấp cho các thí nghiệm thay đổi từ 26 đến 29 lít/phút

Các kết quả thí nghiệm xác định khối lượng các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ được trình bày trong bảng 1, bảng 2 của phụ lục 11 và hình 4 9, hình 4 10

Từ kết quả thí nghiệm trên trên hình 4 9 và 4 10 cho thấy lưu lượng khí nitơ cung cấp cho lò phản ứng ảnh hưởng đến khối lượng dầu thu hồi Hiệu quả thu hồi dầu của bột gỗ đạt giá trị lớn nhất là 49 % khi lưu lượng khí 28 lít/phút; của bã mía là 50,2 % khi lưu lượng khí 27 lít/phút Nếu lưu lượng khí lớn hơn các giá trị này thì hiệu quả thu hồi dầu giảm dần và chất rắn thu được tăng dần Qua đó cho thấy nếu lưu lượng khí tăng thì khả năng hòa trộn sinh khối với lớp cát tăng lên làm tăng khả năng trao đổi nhiệt nên lượng dầu thu hồi có xu hướng tăng dần đến giá trị lớn nhất Tiếp tục tăng lưu lượng khí thì lớp sôi dâng cao lên, thời gian lưu hạt sinh khối trong lò phản ứng giảm xuống nhiều dẫn đến lượng dầu thu hồi giảm dần và lượng chất rắn tăng dần Ngoài ra, khi lưu lượng khí tăng thì các hạt sinh khối mịn sẽ cuốn ra khỏi lò phản ứng làm tăng lượng chất rắn thu hồi được

60 50 40 30 20 10 0 Rắn Dầu Khí 25 26 27 28 29 30

Lưu lượng khí nitơ, lít/phút

Hình 4 9: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ

60 50 40 30 20 10 0 Rắn Dầu Khí 25 26 27 28 29

Lưu lượng khí nitơ, lít/phút

Hình 4 10: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ

Như vậy, từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến khối lượng các sản phẩm thu hồi từ quá trình nhiệt phân nhanh cho thấy rằng:

- Khả năng thu hồi các loại sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối

trong lò tầng sôi phụ thuộc vào loại sinh khối, nhiệt độ phản ứng, kích cỡ nguyên liêu

Một phần của tài liệu Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học 65 (Trang 95)

Tải bản đầy đủ (DOCX)

(172 trang)
w