học khép kín của hệ thống lị khí hóa diễn ra trong quy trình đốt khí hóa. Tầng làm khơ đặt trên tầng nhiệt phân (Pyrolysis). Thành phần hóa học tổng quát của nguyên liệu biomass là CxHyOz:
CxHyOz.nH2O CxHyOz + nH2O
Q trình nhiệt phân: Đây là q trình oxi hóa khơng có ơxi khơng khí dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Nhiệt được cung cấp ở tầng đốt cháy trong lị khí hóa. Tầng nhiệt phân đặt giữa tầng đốt cháy (Combustion) và tầng làm khô:
CxHyOz C + CO +H2 + CO2 + H20 + Tạp chất
Sau quá trình nhiệt phân thành phần chủ yếu là than (C) và hệ thống khí và hơi (CO + H2 + CO2 + H2O) và những tạp chất với thành phần nguyên tố hóa học khác như H2S.
Q trình đốt cháy: Q trình đốt cháy được thực hiện ở tầng đốt có đường ống dẫn khơng khí chứa oxy vào và đốt cháy hỗn hợp C + CO + H2 + CO2 + H2O. Sản phẩm khí sau khi đốt sẽ chỉ cịn lại là CO2 + H2O và một phần khí N2 trong khơng khí có thể được coi là khí tạp chất (sẽ được làm sạch trong hệ thống làm nguội và lọc sau hệ thống lị khí hóa):
C + CO + H2 + CO2 + H2O CO2 + H2O
Một phần C rắn nóng khơng cháy hết được chuyển sang tầng nén phía dưới. Q trình sinh khí: Đây là q trình thực hiện trong tầng sinh khí của lị khí hóa. Các khí CO2 + H2O sau quá trình đốt được dẫn qua than nóng (của q trình nhiệt phân lắng xuống) để thực hiện quy trình phản ứng hóa học tạo ra khí đốt cháy CO và H2:
CO2 + H2O + 2C 3CO + H2
Như vậy sau khi qua lị khí hóa, hệ thống khí thu được gồm các khí đốt CO + H2 và một phần khí tạp chất. Hỗn hợp khí này sau khi qua hệ thống lọc và làm nguội sẽ chỉ cịn khí CO + H2 và được chuyển tới động cơ đốt trong. Q trình sinh khí này là hồn tồn tự động.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Các phản ứng hóa học chính được tổng hợp:
Bảng 4. 1: Bốn giai đoạn chính của q trình khí hóa biomass tạo syngas
Giai đoạn khí hóa Phương trình phản ứng Số phản ứng/ loại phản ứng Nhiệt phản ứng (KJ/Kmol)
Sấy CxHvOz.nH2O CxHvOz + nH2O Để hydro hóa (1) <0
Nhiệt phân
CxHvOz CaHb + CO Nhiệt phân (2) <0 CxHvOz CnHmOp Nhiệt phân (3) <0
Đốt cháy
2C + O2 2CO Oxy hóa một phần (4) +110,700 C + O2 CO2 Oxy hóa CO (5) +283,000 2CO + O2 2CO2 Oxy hóa hồn tồn (6) +393,790 CxHvOz CO2 + H2O Oxy hóa hồn tồn (7) >>0
2H2 +O2 2H2O Oxy hóa H2 (8) +241,820 CO + H2O CO2 + H2 Oxy hóa khử H2O/CO (9) +41,170 CO2 + 3H2 CH4 + H2O Oxy hóa khử metan (10) +206,300
Sinh khí
C + H2O CO+ H2 Oxy hóa khử sinh khí hóa
(11) -131,400
C + CO2 2CO Oxy hóa khử sinh khí CO
(12) -172,580
CO2 + H2 CO+ H2O Oxy hóa khử sinh khí CO
(13) -41,170
C + H2 CH4 Oxy hóa khử sinh khí
Các sản phẩm khí hóa có thể được diễn tả tổng quát bằng phương trình sau: Carbohydrate thành phần chính (C6H10O5)n + O2 CxHy + ClHmOn + CO +H2 + Q (Nhiệt lượng)
Các phản ứng khí hóa diễn ra ở nhiệt độ khá cao trong môi trường thiếu oxy từ khơng khí.
4.2. Vận hành hệ thống:
Q trình vận hành hệ thống lị khí hóa biomass tạo syngas như sau: Trước tiên ta cho quạt gió chạy, mở đường cấp gió hồn tồn cho lị thơng thống, cho một lượng ít biomass vào lị (khoảng 5kg), sau đó mồi một ít biomass cháy rồi cho vào lò. Khi thấy biomass bắt đầu cháy lan đều ra xung quanh thì từ từ cấp thêm biomass đến đầy lị khí hóa. Trong suốt q trình này vẫn tăng lượng gió cấp vào để biomass được oxy hóa hồn tồn và nhiệt độ vùng cháy tăng lên đến 400oC thì bắt đầu điều chỉnh giảm lượng khơng khí cấp vào để q trình hóa khí thuận chiều – tầng cố định diễn ra. Tiếp theo ta tiến hành giảm dần lượng khơng khí cấp vào đến khi hỗn hợp sản phẩm khí thốt ra có thể cháy được thì giữ ngun lượng khơng khí cấp và tiến hành phân tích khí tạo thành, đo đạc lưu lượng gió cấp, gió ra, kiểm tra nhiệt độ trong lị.
Quy trình vận hành chi tiết được thể hiện dưới đây:
Bước 1 : Chuẩn bị các dụng cụ, cảm biến nhiệt độ, quạt hút và các ống dẫn
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Bước 2 : Tiến hành lắp đặt hệ thống
Tiến hành lắp đặt quạt hút, các ống dẫn khí, các cảm biến nhiệt độ,…
Bước 3 : Tiến hành vận hành lò
- Đổ một lượng biomass vừa đủ (khoảng 5kg) vào lò để chuẩn bị nhóm lị Hình 4. 3: Lắp đặt hệ thống lị khí hóa
- Nhóm lị
Ta đốt cháy một lượng ít biomass bên ngồi sau đó bỏ vào lị, lúc này mở song song với các van điều chỉnh oxy, đồng thời khởi động quạt hút và mở van khí hóa.
- Sau khi quan sát thấy lửa đã cháy đều ta tiếp tục đổ nhiên liệu vào lị và đóng nắp lị, đồng thời điều chỉnh các van cấp oxy cho phù hợp.
Hình 4. 5: Nhóm lị
Hình 4. 6: Đổ đầy biomass vào lịHình 4. 7: Điều chỉnh van cấp khí vào Hình 4. 7: Điều chỉnh van cấp khí vào
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
- Thường xuyên theo dõi nhiệt độ để chiều chỉnh van cho phù hợp
- Tiếp tục điều chỉnh van để biomass được cháy trong mơi trường thiếu oxy từ đó quạt hút sẽ hút hỗn sản phẩm khí ra ngồi
- Tiếp tục điều chỉnh van và mồi lửa kiểm tra chất lượng sản phẩm khí tạo ra
Hình 4. 9: Theo dõi nhiệt độ trong lị
Bước 4 : Xử lý thành phần hắc ín và vệ sinh lị khí hóa
Hắc ín sinh ra trong q trình khí hóa, tồn tại trong lị khí hóa và trong hỗn hợp sản phẩm khí. Hắc ín có thể gây ra một số vấn đề nghiêm trọng như bám dính làm tắc đường ống trong q trình hoạt động của hệ thống, làm giảm tuổi thọ của thiết bị sử dụng khí sản phẩm.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Bước 5 : Kiểm tra lượng biomass còn lại trong lò sau khi vận hành
4.3. Kết quả thực nghiệm:
Hình 4. 14: Mẫu biomass tại vùng sinh khí
Hình 4. 15: Mẫu biomass tại vùng cháyHình 4. 16: mẫu biomass tại vùng nhiệt phân Hình 4. 16: mẫu biomass tại vùng nhiệt phân
Các kết quả thu được thể hiện lị khí hóa biomass thuận chiều - tầng cố định đã hoạt động ổn định. Hình 4.17 là hình chụp của viên nén sinh khối (biomass) sản xuất
từ gỗ keo, được sử dụng cho thí nghiệm này. Ngồi ra các kết quả trên cịn thể hiện rằng lượng khí CO tạo thành phụ thuộc lớn vào nhiệt độ trong lò và nhiệt độ này lại phụ thuộc chủ yếu vào lượng khơng khí cấp vào. Hình 4.18, 4.19 là các hình ảnh của ngọn lửa theo nhiệt độ buồng hóa khí khác nhau. Khi nhiệt độ vùng cháy tăng lên thì có thể nhận thấy màu của ngọn lửa thay đổi, điều này thể hiện nồng độ CO trong hỗn hợp sản phẩm khí thay đổi khi nhiệt độ trong vùng cháy thay đổi.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận chung:
Hiện trạng phát triển về cơng nghệ khí hóa sinh khối cơng suất nhỏ trong khoảng 10 năm gần đây trên Thế giới và trong khu vực đã tạo tiền đề cho việc thực hiện, triển khai các hoạt động nghiên cứu ứng dụng loại hình cơng nghệ này ở Việt Nam. Các nghiên cứu ban đầu về thành phần và nhiệt trị của khí sản phẩm từ buồng khí hóa sinh khối cho thấy loại nhiên liệu này có thể thay thế khí hóa lỏng (LPG) trong các lị nung gốm sứ, góp phần cải thiện sức mạnh cạnh tranh của ngành công nghiệp này trên thị trường trong nước và quốc tế.
Việt Nam có nguồn nguyên liệu sinh khối dồi dào và hiện nay đã có một số đề
tài nghiên cứu sản xuất syngas để tận dụng năng lượng này. Tuy nhiên việc sử dụng nguồn năng lượng này chưa hợp lý, thường sử dụng ở dạng nhiệt, còn nghiên cứu sử dụng cho ĐCĐT vẫn cịn hạn chế. Cần phải có các nghiên cứu đầy đủ về việc sử dụng syngas thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống để nâng cao hiệu quả sử dụng syngas.
Q trình thực hiện đồ án này nhóm đã thu được một số kết quả như sau:
Phân tích đánh giá được thực trạng chất thải rắn hiện nay trên Thế Giới và Việt Nam
Lựa chọn nguồn nguyên liệu sinh khối được sản xuất từ gỗ keo. Phân tích đánh giá về thành phần kỹ thuật và hóa học của gỗ keo.
Lựa chọn cơng nghệ khí hóa thuận chiều – tầng cố định và chế tạo thành cơng mơ hình lị khí hóa để thí nghiệm.
Vận hành thành cơng việc đốt thử nghiệm biomass tạo syngas trong lị hóa khí thuận chiều – tầng cố định đạt kết quả hết sức khả quan.
Sự thành công của đồ án góp phần mở ra một hướng mới trong việc sử dụng năng lượng sinh khối thân thiện với môi trường. Khi kết quả của đồ án này được nhân rộng sẽ mang lại lợi ích khơng nhỏ về kinh tế, góp phần thúc đẩy nền nơng nghiệp phát triển bền vững, giải quyết mối lo thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường.
Hướng phát triển:
Nghiên cứu đã đạt được những kết quả hết sức khả quan, tuy nhiên để có thể ứng dụng rộng rãi và phát triển trong tương lai thì cần tiếp tục thực hiện những việc sau:
Với hệ thống khí hóa: Cần nghiên cứu hồn thiện hệ thống cấp liệu liên tục, quá trình thải tro xỉ liên tục, quá trình lọc sạch và làm mát sản phẩm khí hóa, xử lí chất thải từ khí hóa (tro, bụi tha, hắc ín,..). Nghiên cứu điều khiển tự động hóa cho hệ thống. Nghiên cứu thực nghiệm với nhiều loại nguyên liệu khác có sẵn ở Việt Nam.
Với hệ thống động cơ – máy phát: Cần nghiên cứu chế tạo bộ hòa trộn và cấp hỗn hợp khí vào động cơ. Cần có những nghiên cứu về tỷ lệ hòa trộn, khả năng vận hành, công suất động cơ,…
Với hệ thống phụ trợ: Đảm bảo vận hành hệ thống quạt hút khí, phương án tích trữ khí,..
Kiến nghị:
Nước ta là một đất nước có nguồn phế thải nơng lâm nghiệp dồi dào, vì vậy cần phát triển hơn nữa các công nghệ tận dụng được nguồn năng lượng này để tái tạo nguồn năng lượng quý giá này góp phần phát triển nền kinh tế vừa góp phần bảo vệ mơi trường.
Cần có giải pháp khuyến khích sử dụng nguồn năng lượng hóa khí từ phế thải nơng lâm nghiệp phục vụ cho đời sống và sản xuất ở các vùng nông thôn và các cơ sở sản xuất kinh doanh nhỏ.
Cần nghiên cứu về lĩnh vực hóa khí nhằm khắc phục những khó khăn khi sử dụng nguồn năng lượng này so việc sử dụng các nguồn năng lượng khác.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
TÀI LIỆU THAM KHẢO
ST
T Tài liệu tham khảo
1 Báo cáo môi trường Quốc gia 2011 – Chất thải rắn 2 Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia 2019
3 Đánh giá công tác quản lý chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn công nghiệpnguy hại: các phương án và hành động nhằm thực hiện chiến lược quốc gia 4 Giải pháp tinh chế rác thải
5 Nguyễn Minh Việt, Đỗ Anh Tuấn: Cơng nghệ khí hóa sử dụng phụ phẩm nơng nghiệp, lâm nghiệp để phát điện cơng suất nhỏ. Tạp chí khoa học và công nghệ thủy lợi số 12/2012
6 Phạm Hoàng Lương, Nguyễn Xuân Quang, Đỗ Văn Quân: Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối cơng suất nhỏ để sản xuất năng lượng. KH&CNN – 74*3/2007*15
7 Phạm Duy Vũ: Nghiên cứu quá trình nhiệt phân Biomass sản xuất nhiên liệu sinh học. Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật.
8
Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP.HCM với sự cộng tác của Bùi Trung Thành: Hướng ứng dụng cơng nghệ khí hóa từ trấu thải để sử dụng năng lượng nhiệt sấy nông sản và năng lượng điện phục vụ nhà máy xay xát quy mô vừa và nhỏ
9 Trần Thanh Sơn: Nghiên cứu quá trình khí hóa than và thiết kế, chế tạo lị khíhóa phục vụ thí nghiệm 10 Trần Thanh Sơn: Nghiên cứu q trình hóa khí Biomass trong tầng sơi
11 Trương Quang Trung: Nghiên cứu sử dụng Biomass cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ 12 Bùi Văn Chinh: Nghiên cứu sử dụng khí tổng hợp từ sinh khối cho động cơ Diesel phát điện cỡ nhỏ
13 Phạm Xuân Cát: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lị đốt hóa khí gas từ phế phẩm lâm nghiệp cấp nhiệt cho lò sấy gỗ kiểu hơi đốt gián tiếp với công suất 10 m3/mẻ sấy
14 Đinh Quốc Việt: Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và q trình khí hóa tạo khí nhiên liệu 15 Thomas B. Reed and Agua Das: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier
Phụ lục 1. 1 Bản vẽ lắp ghép chi tiết lị khí hố
Phụ lục 1. 2 Bản vẽ cắt mơ hình lắp ghép chi tiết lị khí hố Phụ lục 1. 3 Bản vẽ thân lị khí hố Phụ lục 1. 4 Bản vẽ khung chân Phụ lục 1. 5 Bản vẽ lưới tổ ong Phụ lục 1. 6 Bản nắp đậy Phụ lục 1. 7 Bản vẽ thanh chặn nắp Phụ lục 1. 8 Bản vẽ tay quay mở nắp
Phụ lục 1. 9 Bản vẽ cảm biến nhiệt độ thân lò Phụ lục 1. 10 Bản vẽ cảm biến nhiệt độ trên ống