CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
3.3.1.Thiết bị thu khí
3.3. Thiết bị phụ
3.3.1.Thiết bị thu khí
Có lẽ yếu tố lớn nhất trong việc xác định kích thước của bình đệm cần thiết là kích thước và bản chất của nguồn nhiệt. Ví dụ như về một lò hơi đốt sinh khối đốt bằng gỗ, chúng có xu hướng đốt cháy nhiên liệu "mạnh và nhanh" và mặc dù chúng có nhiều điểm mạnh nhưng không lý tưởng để thường xuyên tắt và bật. Trong trường hợp này, bể đệm cung cấp một bình chứa lý tưởng vì bể sẽ tận dụng nhiệt để gia tăng hiệu suất lò hơi sau này với khả năng tiếp cận linh hoạt ngay lập tức mà không cần nguồn nhiệt tăng đến nhiệt độ; điều này có thể rất hữu ích để duy trì sản lượng ổn định hơn.
Quy tắc chung đối với các nguồn khí sinh khối khác cũng có thể khác. Nếu chúng ta chuyển đổi lò đốt gỗ cho một lị đốt khí gas, khi đó chỉ cần tính đến khoảng cơng suất của nguồn nhiên liệu cho một bể đệm vì lị đốt khí gas có điều chế tốt hơn nhiều so với 3% công suất chứa việc tắt và bật nguồn cung của lò cung cấp nhiên liệu dạng rắn [43,6].
Thiết bị thu khí nằm sau cyclone nhằm đảm bảo 2 yêu cầu sau [43]:
+ Đảm bảo lượng khí cấp cho lị hơi tránh nhiễu động trên đường di chuyển. + Chống cháy ngược.
Với Vsyngas = 50,39 m3/h. Chúng ta chọn bể đệm cho syngas có tổng thể tích bằng 3% [43] tổng lượng thể tích syngas được sinh ra. Trong trường hợp này khí ga được đưa thẳng
47 đến lò hơi nên chỉ cần bể đệm có thể tích nhỏ đảm bào được 2 yêu cầu nhỏ của một bình đệm trong hệ thống hóa khí. 𝑉đệ𝑚 = 0,3% . 𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 3 100 × 50,39 = 1,5 𝑚 3 Chọn thể tích bình đệm có thể tích Vđệm = 1,5 m3 3.3.2. Chọn Quạt.
Tổn thất khí trong buồn đốt, để có cơ sở chọn quạt cấp khí ta tiến hành tổn thất khí, vì khi ta chọn quạt chúng ta phải chọn trên cơ sở tổng lưu lượng gồm có hữu ích và vơ ích:
Theo [58] tổn thất được tính tốn theo cơng thức:
ℎ𝑙 = 𝛿𝑙 × 𝑣𝑎
2
2 × (1 + 𝛽 × 𝑡 ) Trong đó
𝑣𝑎 : vận tốc trung bình của khí trong đường ống (cm/s)
𝛿𝑙 : là hệ số trở lực của lớp nhiên liệu, ςl phụ thuộc vào hệ số Reynolds t: nhiệt độ bên trong lị hóa khí.
Với nhiên liệu có nhiệt độ cháy từ 700 – 1400oC cùng với nhiệt độ đói lưu tự nhiên của khơng khí ta chon nhiệt cháy t = 1000 oC.
Hệ số nhiệt của khí 𝛽 = 1
273+𝑡 (1
𝐾)
Tiêu chuẩn Reynolds được xác định theo công thức sau:
𝑅𝑒 = 𝑣𝑘 × 𝐷 𝜗 Trong đó
Re: hệ số Reynolds.
D: đường kính buồng phản ứng (m).
48 𝜗 : độ nhớ động học của dịng khí (m2/s). Ở t= 1000oC ta có 𝜗 = 174,3 × 10−6 𝑚2/s. 𝑅𝑒 = 𝑣𝑘 × 𝐷 𝜗 = 0,30 × 0.22 174,3 × 10−6 = 378,65 Dịng chảy có Re > 7 là dòng chảy rối:
𝛿𝐿 = 1800 378.65+
46
378,650.08 = 33,36 Vậy trở lực khi đi qua lớp nhiên liệu trong buồng phản ứng:
ℎ𝑙 = 𝛿𝑙 × 𝑣𝑎 2 2 × (1 + 𝛽 × 𝑡 ) = 33,36 × 0,32 2 × ( 1 + 1 273 + 1000 × 1000) = 0,26 (𝑚𝑚𝐻2𝑂)~ 254,97 𝑃𝑎
Tổn thất qua khe hẹp ở đáy lị hóa khí, kênh dẫn khí và tại đầu vào của ống dẫn khí ra khỏi thiết bị:
Nhận thấy quãng đường khí đi ngắn nên ta chỉ xét tới tổn thất cục ở hai vị trí này. Theo [33] tổn thất áp suất cục bộ trong kênh dẫn và các khe hẹp được xác định theo công thức:
∆𝑝 = 𝜉 × 𝜌𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 × 𝑣
2
2 Trong đó:
𝜉: hệ số tổn thất cục bộ ở các bị trí đang xét. 𝜌𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠: khối lượng riêng của khí m/s.
V: vận tốc trung bình của khí m/s.
Tra theo Bảng 5: Thơng số vật lý của khói [58] 𝜌𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 0,3465𝑘𝑔/𝑚3
Theo [58] Chọn hệ số trở lực cục bộ như sau:
+ Tại vị trí khe hẹp ở đáy lị hóa khí 𝜉 = 2,0.
49 + Tại vị trí ống ra của khí chọn 𝜉 = 0,5
Vậy tổn thất cục bộ ở thiết bị lị hóa khí viên nén RDF là:
∆𝑝 = 𝜉 × 𝜌 × 𝑣
2
2 = (2 + 0,055 + 0,5) ×
0,3465 × 0,32
2 = 0,04 𝑚𝑚𝐻2𝑂 ~ 39,2 𝑃𝑎 Vậy tổng trở lực ở thân lị hóa khí và các đường ống dẫn kênh gas của thiết bị hóa khí là:
∆𝑝𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 254,97 + 39,2 = 294,17 𝑃𝑎 Chọn quạt có cột áp 300Pa và lưu lượng 50m3/h.
3.3.3. Thiết bị lọc bụi
Lọc bụi là một quá trình quan trọng để đảm bảo chất lượng syngas cấp cho lị hơi. Trong đồ án này, nhóm lựa chọn thiết bị lọc bụi kiểu cyclone.
Nguyên lý hoạt động của cyclone: Dịng khí nhiễm bị được đưa vào phần trên của cyclone ống khí dẫn vào được bố trí với phương tiếp tuyến với cyclone, khí sau khí xử lý thốt ra theo ống phía trên đặt tại tâm trụ khí vào cyclone thực hiện chuyển động xoắn ốc dịch chuyển xuống dưới và hình thành dịng xốy ngoài các hạt bụi với tác dụng của lực ly tâm văng vào thành cyclone. Dịng khí tiếp tục tiến gần đến đáy và quay ngược trở lại và chuyển động lên trên hình thành dịng xoắn trong. Các hạt bụi văng đến thành chuyển động xuống dưới nhờ lực đẩy của dịng xốy và trọng lực.
𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 50,39𝑚
3
ℎ = 0,014 𝑚3
ℎ Chọn tốc độ qui ước của cyclone 𝑤𝑞 = 2,2 𝑚/𝑠 [57].
Đường kính của cyclone được tính theo cơng thức sau: 𝐷𝑐 = √ 𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠
0,785 × 𝑤𝑞 = √ 0,014
0,785 × 2,2 = 0,09 m.
Chọn đường kính cyclone theo tiêu chuẩn ta được cyclone có Dc = 100mm.
50 Lưu lượng của khí ra khỏi thiết bị hóa khí ở nhiệt độ trên.
Thơng số của cyclone được tính theo bảng sau:
Bảng 3.19: Thơng số Cyclone.
Kích thước Cơng thức Giá trị Đơn vị
Đường kính cyclone 4,75b Dc 100 mm
Chiều rộng ống vào b 0,21 Dc 21 mm
Chiều cao ống vào 3,14b 0,66 Dc 66 mm
Đường kính ống ra 2,75b 0,58 Dc 58 mm Chiều cao phần hình trụ 7,6b 1,6 Dc 160 mm Chiều cao phần hình nón 9,5b 2 Dc 200 mm Đường kính thốt bụi Dc/4 25 mm Tốc độ khí vào cyclone: 𝑣𝑐 = 𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 𝑆𝑖𝑐 = 0,014 0,021 × 0,066 = 10,1 𝑚/𝑠 Trong đó
Vsyngas : Lưu lượng syngas (m3/s) Sic: diện tích ống đi vào cyclone (m2)
𝑣𝑐 : vận tốc dịng khí đi vào cyclone (m/s)
Chênh lệch áp suất trong cyclone:
∆𝑝 = 6,5 × 𝜌𝑔 × 𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 × 𝑆𝑖𝑐 𝐷𝑒2 = 6,5 × 0,493 × 50,39 × 0,021 × 0,066 0,0252 = 409,2 (𝑁/𝑚2) Trong đó
51 𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 : lưu lượng syngas (m3/h)
𝑆𝑖𝑐 : diện tích cửa vào cyclone (m2)
52
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ CÁC ĐÁNH GIÁ. 4.1. Thông số tổng quát. 4.1. Thông số tổng quát.
Dưới đây là các thông số thuộc tính của lị dưới sự kết hợp các đặc tính nhiên liệu đầu vào, nhiên liệu, xỉ thải ở đầu ra. Cùng với việc tham khảo các tài liệu có giá trị liên quan nhóm đưa ra thơng số sơ bộ cho q trình thiết kế lị hóa khí thuận chiều sử dụng viên nén RDF.
Bảng 4.1: Thông số tổng qt sau q trình tính tốn.
Thơng số Kích thước Đơn vị
Chiều cao vùng phản ứng (h) 0,8 m
Đường kính vùng phản ứng (d) 0,22 m
Diện tích ghi lị hóa khí (S) 0,038 m2
Số ống dẫn khí (n) 9 m
Đường kính ống dẫn khí (dtuyere) 0,015 m
Chiều cao đai khí 0,065 m
Đường kính lớn của phễu chứa nhiên liệu 0,36 m
Đường kính nhỏ của phễu chứa nhiên liệu 0,22 m
Vị trí đặt ống dẫn khí [39] 0,26 (tính từ đáy lị) m Vận tốc dịng khí trong lị hóa khí (𝑣𝑎 ) 0,42 m/s Vận tốc dịng khí trong tuyere (𝑣𝑡𝑢𝑦𝑒𝑟𝑒 ) 7,2 m/s
Hệ số khơng khí lý thuyết 0,3 -
Khối lượng viên nén RDF 17,87 Kg/h
Lưu lượng syngas (𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠) 50,39 m3/h
Lưu lượng khơng khí (𝑉𝑎𝑖𝑟) 32,66 m3/h
Tỷ trọng đổ 733 Kg/m3
Đường kính thốt tro 0,24 m
Tổng chiều cao lị hóa khí 1,7 m
Đường kính ống cấp khí 0,046 m
Đường kính thốt khí 0,1 m
53 Đây là nhưng thơng số hình học được tính tốn dựa trên căn cứ lý thuyết từ các tài liệu có liên quan. Kết quả này cần được tiến hành trong thực nghiệm để kiểm tra khả năng hoạt động và cân chỉnh dựa theo tình hình thực tế với kết quả trên các số liệu mang tính tham khảo cho q trình gia cơng và chế tạo lị. Ngồi ra với kết quả trên để biết được khả năng vận hành lị chúng ta có thể tiến hành mơ phỏng dựa trên các kích thước đã tính tốn từ đó đưa ra một kết quả mang tính khả thi khi tiến hành chế tạo gia cơng thành phẩm.
54
4.2. Mơ hình hình học.
4.2.1 Hình vẽ lị hóa khí.
55
56
Hình 4.3: Hình 3D lị hóa khí.
4.2.2 Sơ đồ dây chuyền hóa khí 3d SolidWork
57
58
4.3. Sơ đồ bố trí mặt bằng.
Hình 4.6: Sơ đồ bố trí mặt bằng.
4.4. Thông số tổng quát của cyclone.
Với kết quả tính tốn ở mục 3.3.3 các kết quả tính tốn liên quan đến thiết bị cyclone ta có kích thước như trong hình được trình bày dưới đây:
Bảng 4.2: Thơng số cyclone
Kích thước Cơng thức Giá trị Đơn vị
Đường kính cyclone 4,75b Dc 100 mm
Chiều rộng ống vào b 0,21 Dc 21 mm
59 Đường kính ống ra 2,75b 0,58 Dc 58 mm Chiều cao phần hình trụ 7,6b 1,6 Dc 160 mm Chiều cao phần hình nón 9,5b 2 Dc 200 mm Đường kính thốt bụi Dc/4 25 mm Vận tốc khí vào 10,1 m/s Tổn thất áp 409,2 N/m2 Hình 4.7: Hình và thơng số cyclone.
4.5. Thơng số tổng quát của quạt.
Với các kết quả tính tốn ở mục 3.3.2 thì thơng số tổng qt của quạt được kiệt kê dưới bảng và các thông số lựa chọn được theo bảng sau:
Bảng 4.3: Thông số quạt
60
Cột áp 300 Pa
Lưu lượng 50 m3/h
61
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 5.1 . Kết luận. 5.1 . Kết luận.
Qua một khoảng thời gian dài tìm hiểu, học hỏi các tài liệu, đến nay chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: Thiết kế hệ thống hóa khí viên nén RDF công suất 50kW.
Đồ án này đã đưa ra những vấn đề sau:
- Nguồn năng lượng từ rác thải vô cùng tiềm năng.
- Những lợi ích to lớn mà cơng nghệ hóa khí mang lại về mặt kinh tế cũng như mơi trường.
- Sơ lược về q trình hóa khí.
- Thiết kế hệ thống hóa khí viên nén.
- Đề tài còn cho thấy khả năng ứng dụng cũng như chế tạo được các hệ thống hóa khí là trong khả năng chúng ta.
5.2. Kiến nghị.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu nhưng đồ án tốt nghiệp vẫn cịn có các hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu cụ thể là:
- Nghiên cứu chỉ dừng lại ở trên lý thuyết tính tốn thiết kế và so sánh sơ bộ với các đề tài đi trước, chưa chế tạo ra mơ hình thực tế từ đó chưa đánh giá được chất lượng của khí sản phẩm.
Với hạn chế này, nhóm nghiên cứu đưa ra một số kiến nghị sau để hoàn thiện đề tài:
- Kế thừa những kết quả tính tốn và bản vẽ của nhóm nghiên cứu để tiến hành chế tạo mơ hình thực tế để đánh giá chất lượng của khí sản phẩm.
62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] Ye Min Htut, May Myat Khine, Myo Min Win, Using a Simple Modeling and Simulation Scheme for Complicated Gasification System, Mandalay Technological
University.
[2] Z. A. Zainal, R. Ali, C. H. Lean, K. N. Seetharamu, Prediction of performance of
a downdraft gasifier using equilibrium modeling of different biomass materials, University
Sains Malaysia.
[3] Sérgio Ferreira, Eliseu Monteiro, Paulo Brito, Cândida Vilarinho, A Holistic Review
on Biomass Gasification Modified Equilibrium Models, CT2M—Centre for Mechanical and
Materials Technologies.
[4] Nguyễn Tiến Cường, Nghiên cứu phát triển hệ thống hóa khí sinh khối để cung cấp
năng lượng quy mô nhỏ ở Việt Nam, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[5] Prabir Basu, Biomass Gasification, Pyrolysis, and Torrefaction: Practical Design and Theory, Elsevier.
[6] Prabir Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis Practical Design and Theory: Practical Design and Theory, Elsevier.
[7] Prabir Basu, Combustion and Gasification in Fluidized beds, Taylor & Francis
Group.
[8] Patrizia Frontera, Anastasia Macario, Marco Ferraro and PierLuigi Antonucci,
Supported Catalysts for CO2 Methanation: A Review, University Mediterranea of Reggio
Calabria.
[9] Yusuke Furusawa, Haruka Taguchi, Siti Norazian Ismail, Sivasakthivel Thangavel, Koichi Matsuoka, Chihiro Fushimi, Estimation of cold gas efficiency and reactor size of low-
temperature gasifier for advanced-integrated coal gasification combined cycle systems,
63 [10] C. Koroneos and S. Lykidou, Equilibrium modeling for a dοwndraft Biomass gasifier for cotton stalks RDF biomass in comparison with experimental data, University of
Thessaloniki.
[11] P. E. Akhator, A. I. Obanor and E. G. Sadjere, Design and Development of a Small-
Scale Biomass Downdraft Gasifier, University of Benin, Nigeria.
[12] Jan Venselaar, Design Rules for Downdraft Wood Gasifier a short review, Institut Teknologi Bandung, Indonesia.
[13] Krushna Patil, Prakash Bhoi, Raymond Huhnke, Danielle Bellmer, Biomass downdraft gasifier with internal cyclonic combustion chamber: Design, construction, and experimental results, Oklahoma State University, USA.
[14] Robert Kramreiter, Michael Url, Jan Kotik, Hermann Hofbauer, Experimental investigation of a 125 kW twin-fire fixed bed gasification pilot plant and comparison to the results of a 2 MW combined heat and power plant (CHP), Vienna University of Technology,
Austria.
[15] Sunil, Rahul Sinha, Bathina Chaitanya, Birendra Kumar Rajan, Anurag Agarwal, Ajay D. Thakur, Rishi Raj, Design, fabrication, and performance evaluation of a novel biomass-gasification-based hot water generation system, Indian Institute of Technology
Patna, India.
[16] Isaac Osei, Francis Kemausuor, Michael Kweku Commey, Joseph Oppong Akowuah, Lovans Owusu-Taky, Design, Fabrication and Evaluation of Non-Continuous Inverted Downdraft Gasifier Stove Utilizing Rice husk as feedstock, Department of Renewable
Energy Engineering, Ghana.
[17] Sunday Ojolo, Sogo Abolarin, Oluwole Adegbenro, Development of Laboratory Scale Updraft RDF Biomass Gasifier, University of Lagos, Nigeria.
[18] Darshit S. Upadhyay, Anil Kumar Sakhiya, Krunal Panchal, Amar H. Patel, Rajesh N. Patel, Effect of Equivalence Ratio on the Performance of the Downdraft Gasifier – An Experimental and Modelling Approach, Institute of Technology, India.
64 [19] Domenico Borello, Antonio M. Pantaleo, Michele Caucci, Benedetta De Caprariis, Paolo De Filippis and Nilay Shah, Modeling and Experimental Study of a Small Scale Olive
Pomace Gasifier for Cogeneration: Energy and Profitability Analysis, DIMA—Dipartimento
di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Sapienza Università di Roma, Italy.
[20] Avdhesh Kr. Sharma, Experimental study on 75 kWth downdraft (RDF biomass)
gasifier system, University of Science & Technology, India.
[21] Nguyễn Tô Hạc, Nghiên cứu phát triển lị đốt cơng nghiệp sử dụng nhiên liệu sinh
khối (trấu) phục vụ nung gạch, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật.
[22] R. P. Overend, T. A. Milne, L. K. Mudge, Fundamentals of Thermochemical biomass RDF Conversion, National Research Council of Canada, Canada.
[23] Alan K. Burnham, Estimating the Heat of Formation of Foodstuffs and Biomass,
Stanford University, USA.
[24] Ayhan Demirba, Calculation of higher heating values of Biomass fuels, Technical
University of the Black Sea, Turkey.
[25] Thomas J. Buckley, Calculation of higher heating values of Biomass materials and waste components from elemental analyses, National Institute of Standards and
Technology Gaithersburg, USA.
[26] Changdong Sheng, J.L.T. Azevedo, Estimating the higher heating value of Biomass fuels from basic analysis data, Instituto Superior Te´cnico, Portugal.
[27] Martin Gräbner, Industrial Coal Gasification Technologies Covering Baseline and
High-Ash Coal, Wiley-VCH.
[28] Ting Wang, Gary Stiegel, Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) Technologies, Elsevier.
[29] I.S. Antonopoulos, A. Karagiannidis, A. Gkouletsos, G. Perkoulidis, Modelling of
a downdraft gasifier fed by agricultural residues, Aristotle University of Thessaloniki,
65 [30] Niladri Sekhar Barman, Sudip Ghosh, Sudipta De, Gasification of Biomass in a fixed bed downdraft gasifier – A realistic model including tar, Jadavpur University, India.
[31] Andrés Z. Mendiburu, João A. Carvalho Jr, Christian J.R. Coronado,
Thermochemical equilibrium modeling of Biomass downdraft gasifier: Stoichiometric models,
Campus of Guaratinguetá, Brazil.
[32] Esa Kurkela, Review of Finnish Biomass gasification technologies, VTT Technical Research Centre of Finland.
[33] Shweta Sharma, Pratik N. Sheth, Air–steam Biomass gasification: Experiments, modeling and simulation, Birla Institute of Technology and Science Pilani, India.
[34] Marcio L.de Souza-Santos, Solid Fuels Combustion and Gasification Modeling, Simulation, and Equipment Operation, State University at Campinas São Paolo, Brazil.
[35] Robert C. Brown, Thermochemical Processing of Biomass Conversion into Fuels,
Chemicals and Power, Department of Mechanical Engineering, Iowa State University, USA.