Sinh khối Thực nghiệm Tài liệu
Thành phần kỹ
thuật (%) Keo Bạch đàn Cao su Keo
W 6,02 5,91 12,17 11,7 V 85,92 65,17 75,89 82,43 FC 13,78 28 11,43 16,8 Ash 0,3 0,91 0,51 0,78 Thành phần hóa học (%) C 47,68 - - 47,37 H 5,17 - - 6,06 O 44,38 - - 45,46 N 0,37 - - 1,11 S 0,02 - - - Thành phần xenlulôzơ, lignin (%) Xenlulôzơ 39-42 - - - Lignin 24-25 - - -
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
LHVb (MJ/kg) 17,67 18,65 18,11 16,96
Nhiệt trị của sinh khối phụ thuộc vào thành phần nguyên tố như C, H, O. Giá trị nhiệt trị thấp của gỗ keo có giá trị trung bình là 17,67 MJ/kg. Trong gỗ keo, thành phần chính chứa hemixenlulơzơ, xenlulơzơ và lignin, trong đó hàm lượng xenlulơzơ và lignin gỗ keo lần lượt trong khoảng từ 39-42% và 24-25%. Từ Bảng 2.2 còn nhận thấy rằng, giá trị hàm lượng cacbon (C) trong gỗ keo khoảng 47,68%, hàm lượng oxy trong gỗ keo khoảng 44,38%. Hàm lượng nitơ trong gỗ keo khơng đáng kể và có giá trị khoảng 0,37%. Đặc biệt, trong gỗ keo hàm lượng lưu huỳnh rất nhỏ khoảng 0,02%. Đây là một ưu điểm của gỗ keo cũng như sinh khối hơn so nhiên liệu khống vì lượng lưu huỳnh cao thì thành phần khí sản phẩm từ q trình khí hóa hoặc cháy sẽ chứa khí SOx gây ăn mịn và ơ nhiễm mơi trường.
2.2. Ngun lý cơ bản lị hóa khí Biomass:
Khí hóa năng lượng sinh khối là một cơng nghệ chuyển đổi nhiệt, nhiên liệu rắn được chuyển đổi, với một lượng oxy hạn chế, thành một loại khí đốt dễ cháy chủ yếu là cacbon, hydro và ơxy. Khí hóa than được thực hiện ở nhiệt độ cao (1.300oC - 1.500oC) và dưới áp suất (cao). Đối với năng lượng sinh khối, nhiệt độ và áp suất thấp từ 600oC -1.200oC. Khí tổng hợp được sản xuất chủ yếu là một hỗn hợp của khí cacbon monoxide (CO) và hydro (H2). Sự hình thành của các sản phẩm phụ như tro và hắc ín phải được xem xét kỹ lưỡng khi sử dụng các nguồn năng lượng sinh khối. Nhiệt độ thấp gây ra những sản phẩm dính như hắc ín, nhưng cần thiết do các điểm nóng chảy thành tro của năng lượng sinh khối thấp hơn.
Hiện nay, trên thế giới sử dụng hai cơng nghệ khí hóa sinh khối, chính là cơng nghệ khí hóa tầng cố định và cơng nghệ khí hóa tầng sơi, các cơng nghệ khí hóa này đều được áp dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, tuy nhiên mỗi cơng nghệ có những đặc điểm riêng về mặt yêu cầu về công nghệ chế tạo, nhiên liệu sử dụng, cụ thể:
2.2.1. Giới thiệu cơng nghệ khí hóa tầng cố định:
Cơng nghệ này ngun liệu được nạp vào từ trên đỉnh lị xuống phía dưới, gió (khơng khí, hơi nước...) đi vào lị từ đáy lị cịn sản phẩm khí đi ra ở cửa lị phía trên hoặc dưới.
Q trình có một số đặc điểm sau:
Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia, do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì
vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng nhiệt phân có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng sấy có nhiệt độ thấp hơn nữa: t° vùng cháy > t° vùng nhiệt phân> t° vùng sẩy.
Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện q trình khí hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng con đường đối lưu, còn bằng các con đường khác (như bức xạ và dẫn nhiệt) thì ít.
Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần vì sinh khối đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt, phản ứng khử, phản ứng cháy. Hàm lượng cacbon cịn lại trong xỉ cịn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lị và chuyển động ngược chiều với sinh khối.
Cơng nghệ này có 03 kiểu khí hóa đang nghiên cứu và ứng dụng vào một số lĩnh vực hiện nay, gồm: Khí hóa ngược chiều, khí hóa thuận chiều, khí hóa hỗn hợp cụ thể:
Khí hóa ngược chiều
Hệ thống khí hóa ngược chiều khơng khí được đưa từ phía dưới đáy lị và khí tạo ra ở phía trên đỉnh lò trong khi đó nhiên liệu lại tiếp tục đi xuống ngược lại với dòng khí tạo ra khoảng khơng trong lị như hình 2.5.
Ưu điểm: Đơn giản, hiệu
suất cao, thích hợp với nhiều loại vật liệu.
Nhược điểm: Trong quá trình nhiệt phân hóa chất, hắc ín, các loại dầu
được sinh ra và trở thành một phần của khí gas hạn chế này ảnh hưởng rất lớn Hình 2. 5: Mơ tả hệ thống khí hóa ngược chiều –
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
đến việc ứng dụng của khí hóa ngược chiều.
Khí hóa thuận chiều:
Hệ thống khí hóa thuận chiều khơng khí được đưa vào từ vùng oxi hóa (đốt cháy) khí gas được lấy từ phía dưới, do đó nhiên liệu và khơng khí đi cùng chiều. Trên đường đi xuống axít và những thành phần nhựa phải xun qua lớp than nóng vì thế được chuyển thành CO, CO2, H2, CH4 như hình 2.6.
Ưu điểm: Khí hóa này là rất sạch.
Nhược điểm: Hạn chế ở một số loại nhiên liệu và so với khí hóa ngược
chiều thì hiệu suất khí hóa thấp hơn. * Khí hóa hỗn hợp:
Hệ thống khí hóa hỗn hợp được thiết kế như khí hóa thuận chiều thay vì O2, khơng khí đi vào song song nhiên liệu thì ở khí hóa hỗn hợp như hình 2.7.
Ưu điểm: Hiệu suất cao, gọn nhẹ
Nhược điểm: Khơng phù hợp với nhiên liệu có nhiều tro.
2.2.2. Giới thiệu cơng nghệ khí hóa tầng sơi
Khí hóa tầng sơi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm. Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn. Ta có một số khái niệm sau: Sơi tĩnh đó là q trình mà chất rắn tập trung với mật độ cao khi
q trình cân bằng giữa tốc độ dịng khí và trọng lực. Ở tốc độ gió vừa phải, sự
khác nhau giữa chế độ sơi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sơi trong thiết bị. Q trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hod nước sẽ được sửdụng làm tác nhân thổi hình 2.8.
Hình 2. 7: Mơ tả hệ thống khí hóa hỗn hợp – tầng cố định
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sơi:
Nguyên liệu liên tục chuyển vào lị khí hóa.
Ngun liệu được đảo trộn trong lớp sơi nên q trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lị.
Khi thổi gió vào lị, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lị. Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàng bay ra ngồi lị theo gió. để làm giảm lượng bụi bay theo gió ra ngồi người ta đưa gió bậc 2 ở khoảng giữa lị để tăng cường q trình khí hóa. Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lò lên vẫn là chủ yếu.
Khi khí hóa tầng sơi, ngun liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao. Quá trình sấy, bán cốc cùng xảy ra trong vùng này. Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân. Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lị khơng có các sản phẩm lỏng, khơng có các loại hydrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi.
Vì khí hóa tầng sơi nên các hạt Biomass ln chuyển động và trong lị khơng có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân... trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lị giảm xuống. Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lị trong phương pháp khí hóa tầng sơi chỉ đạt từ 900°C đến 1000°C.
Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sơi
Để nâng cao nhiệt độ lị, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng khơng thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1.150°C, nhiệt độ có thể làm chảy xỉ. Do nhiệt độ lị khơng nâng cao được nên các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí khơng đủ lớn thì khơng thích hợp cho q trình khí hóa tầng sơi. Phương pháp khí hóa tầng sơi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc sinh khối vì điểm nóng chảy của sinh khối thấp và dễ phản ứng.
2.2.3. Lựa chọn phương án sản xuất khí Biomass từ xenlulơzơ
Từ những ưu nhược điểm phân tích trên ta thấy để cung cấp khí hóa sạch khi sử dụng hóa khí Biomass và phương pháp chế tạo đơn giản đồng thời giá thành rẻ ta chọn hệ thống sản xuất Biomass từ xenlulôzơ là hệ thống thuận chiều – tầng cố định.
Kết luận chương II:
Qua nghiên cứu cho thấy trữ lượng và chủng loại nhiên liệu sản xuất khí syngas rất phong phú và đa dạng, đây cũng là một trong những yếu tố thuận lợi cho việc nghiên cứu và sản xuất khí Syngas vào thực tiễn. Trên cơ sở một số cơng nghệ hóa khí khác nhau, đồ án đã phân tích và lựa chọn cơng nghệ khí hóa thuận chiều – tầng cố định và sử dụng nguồn sinh khối được sản xuất từ gỗ keo. Trước đó đã phân tích thiết kế và mơ phỏng cơ sở lị khí hóa cùng các bộ phận phụ trợ nhằm hồn thiện hệ thống lị khí hóa.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Chương 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỊ KHÍ HĨA
Tóm tắt phần thiết kế, mơ phỏng:
Trên cơ sở q trình thiết kế và mơ phỏng, cùng với các quy trình cơng nghệ sản xuất khí hóa trên cũng như nhu cầu năng lượng của Việt Nam hiện tại và trong tương lai, tiềm năng nguồn sinh khối của Việt Nam sử dụng cho cơng nghệ khí hóa để cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Đồng thời theo kết quả tính tốn thiết kế hệ thống hóa khí biomass thuận chiều – tầng cố định. Từ đó chế tạo hệ thống và đưa vào vận hành thử nghiệm để đánh giá một số thông số cơ bản.
3.1. Mơ tả hệ thống lị khí hóa:
1. Tay quay mở nắp; 2. Thanh chặn nắp; 3. Giá đỡ thanh chặn nắp; 4. Nắp đậy lò; 5. Giá gá cảm biến; 6. Cảm biến nhiệt độ thân lò; 7. Gá đỡ lò; 8. Bulong và đai ốc
gá lò M12; 9. Van bi cầu 59; 10. Cảm biến nhiệt độ ống lò; 11. Van bi cầu 34; 12.
Khung gá lị; 13. Thân lị khí hóa; 14. ống dẫn khí vào chính; 15. Ống dẫn khí vào phụ; 16. Lưới; 17. Ống dẫn khí ra;
3.2. Tiến hành chế tạo và lắp đặt lị khí hóa:
3.2.1. Chọn vật liệu:
Từ kết quả thiết kế mơ phỏng ta tiến hành chọn vật liệu gia công, với điều kiện sử dụng cho thử nghiệm đề tài chọn vật liệu gia công là thép tấm A36.
Thông số kỹ thuật vật liệu thép A36: