Từ mô hình lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối mô tả trên hình 3 3, các thông số chính để thiết kế lò phản ứng là:
- Tính đường kính lò phản ứng:
Đường kính lò phản ứng xác định từ phương trình liên tục: Φ = 4VN 2 ωsπ
- Tính chiều cao lò phản ứng:
+ Chiều cao phần phản ứng trong lò được xác định theo công thức: hfu = ωs τ
(3 8)
(3 9) Với: τ là thời gian lưu sản phẩm phản ứng nhiệt phân trong lò, ωs là vận tốc tạo lớp sôi
+ Lò tầng sôi luôn có lớp cát tĩnh dưới đáy lò với chiều cao là hcát Do đó, chiều cao
của lò phản ứng là: hlò = hcát + hfu (3 10)
Để giảm nhiệt lượng tổn thất ra bên ngoài môi trường sử dụng vật liệu cách nhiệt bọc xung quanh lò phản ứng Vật liệu cách nhiệt được dùng có thể là bông gốm (ceramic fiber) có độ dày 150 mm, khối lượng riêng 128 kg/m3
3 4 3 Tính toán thiết kế cyclone thu hồi sản phẩm rắn
Hỗn hợp khí chiếm từ 70 % đến 90 % khối lượng Sinh khối
Chất rắn chiếm từ 10 % đến 30 % khối lượng
Hình 3 10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63]
Sản phẩm của quá trình nhiệt phân sinh khối trong lò phản ứng bao gồm hỗn hợp các chất rắn và hỗn hợp chất khí Khi đi qua cyclone, lực ly tâm (do chuyển động
xoáy tạo ra) sẽ cuốn lượng chất rắn trong hỗn hợp va đập vào thành cyclone, làm cho những hạt rắn mất động năng và rơi xuống phễu chứa Lượng khí không ngưng còn lại sẽ theo ống dẫn phía trên thoát ra khỏi cyclone và đi vào bình ngưng Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế cyclone sử dụng phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh, tỷ lệ các thành phần sản phẩm nhiệt phân được mô tả theo hình 3 10
k m = 0,45Dc F = (0,5 – 1)Dc S = 1,5Dc H = 2,5Dc E = 0,5Dc l = 0,5Dc k = 0,2Dc E Dc m
Hình 3 11: Quan hệ các kích thước của cyclone
Để tính toán thiết kế cyclone cần xác định khối lượng riêng và lưu lượng của hỗn hợp khí đi vào cyclone Với đặc trưng của quá trình nhiệt phân nhanh, các đại lượng này được xác định theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm như sau:
- Sản phẩm khí sinh ra từ phản ứng nhiệt phân nhanh là hỗn hợp gồm nhiều thành phần khác nhau như CO, CO2, H2, O2, N2, CxHy, CxHyOz… Tỷ lệ các khí này rất khó xác định chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của thiết bị phân tích thành phần khí không ngưng và thành phần khí sẽ ngưng tụ thành dầu sinh học Theo kết quả nghiên cứu phân tích thực nghiệm thành phần các sản phẩm trong khí không ngưng và trong dầu sinh học ở mục 4 6 2 trong chương 4 cho phép xác định được khối lượng riêng của hỗn hợp khí ra khỏi lò nhiệt phân nhanh ở nhiệt độ t2 = 420°C là ρghh = 2,1 kg/m3 (chi tiết tính toán thể hiện ở phụ lục 13)
l
H S F
- Khí nitơ là môi chất truyền nhiệt được sử dụng cấp nhiệt cho sinh khối và duy trì nhiệt độ cho lò phản ứng Nó không tham gia phản ứng nên hàm lượng khí nitơ không đổi sau khi ra khỏi lò Như vậy, lưu lượng khí đầu vào cyclone được tính bằng tổng lưu lượng khí nitơ cấp vào lò phản ứng và sản phẩm nhiệt phân dạng khí:
Vhh = VN2 + (0,7÷0,9)Gs0/ρghh, m3/s (3 11) Ngoài ra các kích thước hình học của cyclone được xác định theo đường kính Dc thể hiện trên hình 3 11 [23], [76]
3 4 4 Tính diện tích trao đổi nhiệtthiết bị ngưng tụ thiết bị ngưng tụ
Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hỗn hợp khí từ quá trình nhiệt phân thành dầu sinh học Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 3 12
1
t’d
5
t”H2O
Với quá trình nhiệt phân nhanh, hỗn hợp khí vào bình ngưng ở trạng thái hơi quá nhiệt Ta xem hỗn hợp khí vào bình ngưng sẽ gồm 2 phần: phần có thể ngưng tụ hoàn toàn tạo ra dầu sinh học, truyền ra môi trường làm lạnh nhiệt lượng Qd và phần khí không ngưng sẽ được làm lạnh đến nhiệt độ bão hòa, truyền ra môi trường làm lạnh nhiệt lượng Qg Như vậy, tổng lượng nhiệt hỗn hợp khí tỏa ra ở bình ngưng để ngưng tụ từ nhiệt độ t’d đến t”d
là: Q = Qd + Qg [W] 4 2 t’H2O 3 t”d
Hình 3 12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân 1 Ống dẫn hỗn hợp khí vào bình, 2 Ống dẫn hỗn hợp khí không ngưng ra khỏi
bình, 3 Ống xả dầu, 4 và 5 Ống dẫn nước giải nhiệt vào ra
(3 12) Các đại lượng Qd và Qg được xác định theo công thức sau:
* Qd = Qd1 + Qd2 [W] Trong đó: Qd1 = Gd Cpd (t'd – t"d)
Trong dầu nhiệt phân, hàm lượng nước chiếm khoảng 30 % [9], nên: Cpd = 0,3CpH2O + 0,7Cphcơ
(3 13) (3 14)
Qd2 = Gd rd rd = 0,3rH2O + 0,7rhcơ * Qg = Gg Cpg (t'd – t"d) [W] (3 16) (3 17) (3 18) Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng được tính theo công thức truyền nhiệt:
F = Q
k ∆t
(3 19)
Với độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được tính theo sơ đồ ngược chiều:
∆t = ( t − t H 2O ) − ( t d − t H 2O ' " d H 2O " ' d H 2O ) (3 20)
Bình ngưng tụ được giải nhiệt bằng nước, lưu lượng nước giải nhiệt được xác định theo công thức:
G H 2O =
CpH 2O ( t H 2O − t H 2O Q
) [kg/s] (3 21)
3 5 Tính toán thi ết kế h ệ thố ng thi ế t b ị nhiệ t phân nhanh sinh kh ố i s ả n xuất dầ u sinh h ọ c năng suấ t 500 g/h
Áp dụng kết quả mô phỏng ở mục 3 2 và các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học trong mục 3 4 ta tính toán thiết kế được cho hệ thống có năng suất nguyên liệu gỗ cấp là 500g/h Chi tiết tính toán thiết kế thể hiện trong phụ lục 5 và 6; các hình ảnh thiết bị của hệ thống thể hiện trong phụ lục 7
3 6 Kế t luận chương 3
Các kết quả nghiên cứu chính của chương 3 là:
- Trên cơ sở các phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lượng, mô hình k-epsilon cùng với sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys Fluent tác giả đã tính toán mô phỏng xác định được vận tốc khí nitơ duy trì lớp sôi là 0,3 m/s; trở lực của lớp sôi khoảng 1900 ÷ 2200 Pa và vị trí của trục vít tải cấp nguyên liệu cách đáy lò hcl = 82 mm Kết quả này là cơ sở thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh bột gỗ sản xuất nhiên liệu sinh học có năng suất 500 g/h
t − t
ln
t − t " " '
- Từ phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình nhiệt phân và kết quả mô phỏng khí động lực học, tác giả đã xây dựng được các bước tính toán thiết kế các thiết bị cho hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học Kết quả nghiên cứu này được sử dụng thiết kế, chế tạo thành công hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi có năng suất 500 g/h
- Ngoài ra, kết quả nghiên cứu ở chương 3 còn góp phần hoàn thiện xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc tính toán thiết kế các thiết bị trong hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Trên cơ sở hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối đã được thiết kế và chế tạo ở chương 3, tác giả thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá các yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học từ quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi Qua đó xác định được khoảng giá trị các thông số vận hành phù hợp của hệ thống để khối lượng dầu sinh học thu hồi đạt được giá trị lớn nhất
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng xác định được tính chất vật lý, thành phần hóa học của bột gỗ, bã mía, dầu sinh học Đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng dầu sinh học được tạo từ kết quả nghiên cứu và xác định được khối lượng riêng của hỗn hợp khí nhiệt phân ra khỏi lò phản ứng
4 1 Dụng cụ, nguyên li ệu và các phương pháp nghiên c ứu thực nghiệ m
4 1 1 Các dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Nguyên lý làm việc của hệ thống thí nghiệm được thể hiện trong mục 3 1 Theo đó quá trình hoạt động của hệ thống thí nghiệm được điều khiển và kiểm soát bởi các dụng cụ đo lường có độ chính xác cao Các thông số vận hành được theo dõi và thu thập số liệu như: độ ẩm nguyên liệu sinh khối, lưu lượng và áp suất khí nitơ cấp vào hệ thống, tần số của biến tấn, nhiệt độ khí nitơ sau khi được gia nhiệt, nhiệt độ và áp suất trong lò phản ứng, nhiệt độ khí không ngưng, nhiệt độ nước giải nhiệt, khối lượng dầu sinh học và hỗn hợp chất rắn, các thành phần trong hỗn hợp khí không ngưng Các dụng cụ đo lường và điều khiển được liệt kê trong bảng 4 1
Bảng 4 1: Các thiết bị đo lường và điều khiển sử dụng trong hệ thống thí nghiệm
Stt Tên thiết bị Mã hiệu Xuất xứ Số
lượng Dải đo Sai số
1 Biến tần FR-S520SE-
0 2K
Mitshubishi/
Nhật 1 0÷50 Hz
4 1 2 Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Sinh khối được sử dụng nghiên cứu thực nghiệm là các phế phẩm phổ biến từ quá trình khai thác nông lâm nghiệp tại khu vực thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam Đó là bột gỗ từ cây cao su giống PB260 trồng tại huyện Hiệp Đức, tỉnh Quảng Nam và bã mía từ giống mía QĐ93-159 trồng tại xã Hòa Sơn, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Cả hai loại sinh khối này đều được sấy đến độ ẩm là 7 %
Khối lượng riêng của những sinh khối này được xác định thực tế, với gỗ cao su là ρ = 705 kg/m3 và của bã mía là ρ = 350 kg/m3 Các giá trị này tương đương với khối lượng riêng của một số loại gỗ và bã mía trong các nghiên cứu [54], [84] nên
3 Nhiệt kế (kiểu số) SKG Đài Loan 3 0 ÷ 1300°C ±2% 4 Đầu dò nhiệt độ Pt 100 Đài Loan 3 0÷600°C
5 Van giảm áp Messer Đức 3 0÷10 bar
6 Áp kế Wise Hàn Quốc 3 0÷6 bar ±2,5%
7 Đồng hồ đo lưu
lượng Ar Đài Loan 2
0÷40
ml/phút ±1%
8 Bơm nước giải
nhiệt VipSun fish Trung Quốc 1
0÷3,5 lít/phút 9 Máy xác định CO2, O2 GA 2000 plus Anh 1 ±1% 10 Máy phân tích khí CxHy Rasi 900-1 Anh 1 ±1%
11 Rây tiêu chuẩn - Việt Nam 3 <0,5;0,5÷1 1÷1,5mm
12 Máy nén khí Pony Air Đài Loan 1
13 Máy xác định độ ẩm
Ohaus
Moisture Thụy sỹ 1 0,01%
14 Máy sấy Nabertherm Đức 1
trong nghiên cứu này sử dụng các thông số vật lý (nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) theo các số liệu đã công bố trong tài liệu [54], [84], chi tiết thể hiện trong bảng 2 1
4 1 3 Các phương pháp phân tích xác định thành phần của sinh khối và sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh
4 1 3 1 Phương pháp xác định thành phần hóa học và nguyên tố sinh khối
Mỗi loại sinh khối có các thành phần hóa học hemicellulose, cellulose, lignin khác nhau Các thành phần này được xác định theo phương pháp Van Soest [42] và phương pháp cân bằng khối lượng Phương pháp Van Soest dựa vào khả năng chịu được axit khác nhau của hemicellulose, cellulose và lignin Theo đó, hemicellulose dễ dàng bị phân giải bởi axit loãng, cellulose sẽ chuyển thành glucose khi đun với axit đậm đặc, lignin có đặc tính không tan trong nước và axit vô cơ Chi tiết xác định thành phần hóa học được thể hiện trong phụ lục 8 Ngoài ra sử dụng phương pháp này ta cũng xác định được hàm lượng sinh khối chưa tham gia phản ứng có trong sản phẩm chất rắn của quá trình nhiệt phân nhanh bằng cách xác định tổng hàm lượng của hemicellulose, cellulose, lignin có trong mẫu sản phẩm rắn
Các thành phần nguyên tố C, H, O, N trong sinh khối được xác định theo các tiêu chuẩn thể hiện trong bảng 4 2 Các kết quả phân tích được thực hiện tại trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 2
Bảng 4 2: Các tiêu chuẩn phân tích thành phần nguyên tố sinh khối
4 1 3 2 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA
Trong quá trình nghiên cứu nhiệt phân sinh khối, việc xác định nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình nhiệt phân cũng như xác định khoảng nhiệt độ phù hợp cho quá trình nhiệt phân thường dựa trên kết quả phân tích mức độ phân hủy khối lượng sinh khối theo sự gia tăng nhiệt độ Nghiên cứu này được thực hiện trên thiết bị phân tích nhiệt khối lượng (TGA) Perkin Elmer STA6000, thuộc phòng thí nghiệm Công nghệ
Thành phần nguyên tố Tiêu chuẩn phân tích
Cac bon (C) ASTM D5373-08
Hydro (H) ASTM D5373-08
Nitơ (N) AOAC 993 13 (2012)
chế biến dầu khí - trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Mẫu sinh khối thực hiện TGA được nghiền nhỏ và sấy khô đến độ ẩm 7 % Điều khiển tốc độ gia nhiệt và khoảng nhiệt độ nhiệt phân theo yêu cầu Quá trình nhiệt phân thực hiện trong môi trường khí nitơ Trong nghiên cứu này, chọn tốc độ gia nhiệt của thiết bị là 80 độ/phút, khoảng nhiệt độ sinh khối thực hiện quá trình nhiệt phân từ 30 đến 700 °C Độ giảm khối lượng sinh khối theo sự gia tăng nhiệt độ được ghi lại trong suốt quá trình nhiệt phân
4 1 3 3 Phương pháp xác định thành phần và tính chất của các sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh
Các thành phần nguyên tố và tính chất của dầu sinh học được phân tích theo các tiêu chuẩn và các thiết bị được giới thiệu trong bảng 4 3
Bảng 4 3: Tiêu chuẩn và thiết bị phân tích thành phần nguyên tố, tính chất của dầu
Thành phần các khí trong hỗn hợp khí không ngưng được xác định trực tiếp trên hệ thống thiết bị thí nghiệm Trong nghiên cứu này sử dụng máy GA 2000 Plus để phân tích thành phần khí CO2, O2; máy Rasi 900-1 để phân tích thành phần các khí hydro cacbon
Ngoài ra, để định hướng việc nghiên cứu nâng cấp dầu sinh học ứng dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế cần phải xác định các cấu tử chính có trong dầu sinh học
Chỉ tiêu Tiêu chuẩn Thiết bị đo Xuất xứ
Nhiệt trị ASTM D4809 C2000 IKA / Đức
Độ nhớt ASTM D445 20090006/JETVISC Poulten / Anh Hàm lượng ôxy ASTM 4815 JC 6890N A Technologies / Mỹ Hàm lượng lưu
huỳnh
ASTM D5453 TS100V Mitshubishi / Nhật
Hàm lượng cacbon
ASTM D6866 TOC-V Analyzer Shimadzu / Nhật
pH ASTM E70 Sevenexcellence M Toledo/ Thụy sỹ Hàm lượng
nước
ASTM 6304 CA-200 Mitshubishi / Nhật
Điểm chớp cháy cốc kín
ASTM D93 Pensky-Martens LOIP –
Công việc này được thực hiện trên máy sắc ký khí phối phổ GCMS ISQ – GC Trace 1300 với thư viện phổ Nist, Wiley
Các kết quả phân tích thành phần và tính chất các mẫu sản phẩm của quá trình nhiệt phân từ các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công nghệ chế biến dầu khí - Trường Đại học Bách khoa, trung tâm Nghiên cứu bảo vệ môi trường – Đại học Đà Nẵng và phòng thử nghiệm xăng dầu (Vilas 027) – Công ty xăng dầu khu vực 5
4 2 Mô tả quá trình v ậ n hành hệ thố ng nhiệt phân nhanh sinh kh ố i trong lò tầ ng sôi s ản suấ t dầ u sinh họ c
- Chuẩn bị nhiên liệu:
Sinh khối được nghiền nhỏ, sàng sơ bộ để loại bỏ tạp chất và được sàng tinh bằng các rây tiêu chuẩn để thu được kích thước hạt theo yêu cầu (0,18 ÷ 0,5 mm; 0,5÷
1 mm; 1 ÷ 1,5 mm và 1,5 ÷ 2 mm) Sinh khối tiếp tục được đưa vào máy sấy và sấy trong thời gian khoảng 50 ÷ 60 phút đến khi độ ẩm đạt giá trị theo yêu cầu là 7 % Sau khi sấy, sinh khối sẽ được trích mẫu để kiểm tra độ ẩm, nếu độ ẩm trong mẫu