nung gốm ở Đồng Tháp
Hình 1.10 Hệ thống hĩa khí trấu kết hợp
động cơ diesel 150 kW [41]
Bùi Trung Thành và cộng sự [41] đã nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo 01 hệ thống hĩa khí theo cơng nghệ tầng cố định loại dịng khí đi xuống, cung cấp năng lượng cho các tổ hợp xay xát lúa cơng suất 6 - 10 tấn/giờ. Đây là một hệ thống hĩa khí trấu với tỉ lệ hĩa khí riêng 201,64 – 252,05 kg/m2.h, lượng tiêu hao nhiên liệu riêng 2,27 kg/kWe (tiêu thụ trấu 200 – 250 kg/h), tốc độ hĩa khí 2,46 Nm3/h/kWe, cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel phát điện cơng suất 150 kW, tỉ lệ thay thế diesel > 60% và đưa vào ứng dụng tại Xí nghiệp xay xát và chế biến lương thực số 1, Cơng ty lương thực Tiền Giang tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang (Hình 1.10).
1.2.2 Một số hệ thống hĩa khí sinh khối của thế giới
Bếp hĩa khí Robert Stickney [28], được tác giả nghiên cứu ứng dụng trong một chương trình hợp tác của IRRI về trang thiết bị cho vùng nơng thơn ở Philippines. Bếp cĩ thiết kế theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi lên gồm một buồng chứa vỏ trấu được hĩa khí, khí tổng hợp sinh ra đi lên qua một cuộn ống xoắn bên trong một bộ trao đổi nhiệt bằng nước trước khi khí tổng hợp được đưa tới béc đốt bởi quạt. (Hình 1.11). Kết quả thử nghiệm cho thấy thời gian cháy kéo dài từ 0,98 đến 1,25 giờ, lượng vỏ trấu tiêu thụ từ 1,96 – 2,72 kg.
Hình 1.11 Bếp hĩa khí ở Philippines [28] Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hĩa khí trấu
kiểu tầng sơi
Hệ thống hĩa khí trấu kiểu tầng sơi tại Philippines (Hình 1.12), bao gồm buồng hĩa khí tầng sơi, hệ thống làm sạch khí, hệ thống phát điện chạy bằng động cơ Diesel. Tốc độ trấu cấp 13,5-15,8 kg/h. Nhiệt độ trong lị 787-843oC. Hiệu suất lị 66%. Tro thải ra 19- 23%. Khí tổng hợp được cho qua lọc cyclone, lọc ướt và lọc khơ trước khi cấp vào động cơ. Lượng khí sinh ra cĩ thể thay thế 35-57% lượng dầu để chạy động cơ.
1. Buồng đốt 2. Tải tro
3. Cấp khí thứ 3 4. Khí sơ cấp 5. Quạt cấp trấu 6. Phễu chứa trấu 7. Quạt cấp khơng khí 8. Khơng khí thứ cấp 9. Cánh điều chỉnh 10. Ống dẫn khí 11. Quạt hút.
Hệ thống hĩa khí trấu cơng suất 120-150 kg/h lắp đặt cùng máy sấy tầng sơi 10 tấn/h tại Thái Lan (Hình 1.13). Kích thước buồng đốt cĩ đường kính 1370 mm. Hiệu suất lị đạt 50-58%. Ưu điểm: lị khơng ghi nên giảm được việc thay thế này bởi vì ghi lị rất mau hỏng. Cấp trấu bằng khí động nên giảm việc cấp trấu thủ cơng.
Panwar và cộng sự [42] đến từ khoa Năng lượng Tái tạo, trường Đại học Nơng nghiệp và Cơng nghệ Maharana Pratap, Ấn độ đã nghiên cứu thiết kế hệ thống hĩa khí quy mơ nơng hộ. Cơng suất của hệ thống hĩa khí 5kW, nhiệt độ hoạt động 712oC và hiệu suất đạt 36,38% so với bếp truyền thống hiệu suất khoảng 30%. Vì vậy, nếu thay thế bếp truyền thống bằng hệ thống hĩa khí của nhĩm tác giả thì mỗi năm tiết kiệm 4500 kg gỗ và hạn chế thải ra mơi trường 7155 kg CO2. Với kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ lệ thay thế dầu vẫn cịn thấp, hoạt động theo mẻ và đĩng mở nắp cấp liệu do vậy làm gián đoạn trong quá trình vận hành.
Nhận xét:
Các nghiên cứu trong và ngồi nước chỉ ra rằng việc lựa chọn cơng nghệ và loại hệ thống hĩa khí phù hợp với từng loại nhiên liệu và quy mơ sử dụng là vơ cùng quan trọng. Các bếp hĩa khí quy mơ nơng hộ được dùng phổ biến hiện nay thường được thiết kế theo cơng nghệ hĩa khí tầng cố định cĩ dịng khí đi xuống. Hệ thống hĩa khí này phù hợp với việc sử dụng nhiệt trực tiếp vì cĩ hàm lượng hắc ín thấp [40, 41]. Các kiểu hệ thống hĩa khí tầng sơi thường được áp dụng với quy mơ cơng nghiệp, các kiểu hệ thống này thường cĩ chi phí đầu tư lớn, kết cấu hệ thống và vận hành phức tạp, bảo trì bảo dưỡng tốn kém và khĩ khăn hơn các hệ thống khác.
Các nghiên cứu về hĩa khí sinh khối trong nước chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm, chưa cĩ nghiên cứu nào liên quan đến xây dựng hệ phương trình hĩa khí trấu và giải hệ phương trình nhằm dự đốn các sản phẩm của q trình hĩa khí trấu tại Việt Nam. Các nghiên cứu ngồi nước đã cơng bố gần như đầy đủ về cấu tạo của các hệ thống hĩa khí và đặc biệt là hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống. Vì vậy, trong những năm gần đây các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến nghiên cứu các thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí.
1.3 Tổng quan về thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí
Việc đốt cháy nhiên liệu khơng hồn tồn trong thiết bị hĩa khí phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: loại hệ thống hĩa khí, đặc tính của nhiên liệu gồm loại nhiên liệu, kích thước, ẩm độ,…tác nhân hĩa khí, lượng khơng khí cấp, nhiệt độ, áp suất,… Mỗi yếu tố sẽ
ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến chất lượng khí tổng hợp, than sinh học và hiệu suất tồn bộ hệ thống.
Rẳl và cộng sự [26] đã tổng hợp các cơng bố liên quan đến hĩa khí trên các tạp chí thuộc danh mục ISI từ 2007 đến 2018 cĩ hơn 4600 cơng bố, quốc gia cĩ số lượng cơng bố nhiều nhất là Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản. Số lượng cơng bố trung bình hằng năm giai đoạn năm 2007 là 200 bài và tăng dần đến năm 2018 là 300 bài.
Các cơng bố về hĩa khí trước đây cĩ đề cập đến cấu tạo các kiểu hệ thống hĩa khí. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong những năm gần đây cĩ xu hướng nghiên cứu về ứng dụng cơng nghệ số để mơ phỏng hay giải các bài tốn hĩa – nhiệt phức tạp xảy ra trong q trình hĩa khí hoặc các nghiên cứu thơng số cơng nghệ như: ẩm độ, nhiệt độ, lượng khơng khí cấp, loại nhiên liệu, kích thước của nhiên liệu,… ảnh hưởng đến sản phẩm và hiệu suất của q trình hĩa khí. Điều này cho thấy các nghiên cứu về hĩa khí vẫn cịn cĩ tính thời sự và đặc biệt là trong giai đoạn cơng nghệ số ngày một phát triển như hiện nay.
1.3.1 Cấu tạo hệ thống hĩa khí
Zhongqing Ma và các cộng sự [43] đã nghiên cứu thiết bị hĩa khí dịng khí đi xuống loại khơng cổ thắt. Buồng phản ứng dạng hình trụ cĩ đường kính tại các vùng sấy, nhiệt phân, oxy hĩa và khử bằng nhau. Bên trong buồng phản ứng cĩ lắp đặt thêm cánh khuấy nhằm giúp cho việc di chuyển nhiên liệu thuận lợi hơn và q trình hĩa khí được diễn ra liên tục. Cĩ 2 vị trí cấp khí vào buồng phản ứng tại vùng sấy và vùng oxy hĩa, dịng khí di chuyển ngược xuống xuyên qua vùng khử trước khi đi ra ngồi (Hình 1.14).
Nhĩm tác giả đã xác được được các thơng số làm việc chính và thơng số tối ưu khi khảo nghiệm với dăm gỗ với kích thước từ 10 – 30 mm đã cho năng suất tối đa của hệ thống như sau: khí tổng hợp đạt 500 Nm3/h và lượng than sinh học là 60 kg/h; nhiệt độ vùng oxy hĩa đạt 900oC nhờ vào dịng khí thứ cấp cấp vào vùng oxy hĩa của hệ thống. Nhiệt trị và các thành phần khí tổng hợp tương đối ổn định trong 3 giờ khảo nghiệm, nhiệt trị cao nhất đạt 5,28 MJ/Nm3 tại thời điểm 1 giờ 15 phút, nhiệt trị khí tổng hợp đạt trung bình 4,7 MJ/Nm3.
Chao Gai và Yuping Dong [44] đã đề xuất mơ hình hĩa khí dịng khí đi xuống loại khơng cổ thắt; buồng phản ứng cĩ đường kính 300mm, chiều cao 850mm; hai vị trí cung cấp khơng khí tại tâm và xung quang buồng phản ứng. Hệ thống làm việc ổn định với nhiên liệu là thân cây bắp, lượng cung cấp nhiên liệu từ 8,3 kg/h đến 9,9 kg/h (Hình 1.15).
Sadhan Mahapatra và các cộng sự [45] đã nghiên cứu hệ thống hĩa khí dịng khí đi xuống miệng hở với cổ thắt, 3 vị trí cấp khơng khí vào buồng phản ứng (Hình 1.16). Kết quả khảo nghiệm với dăm gỗ cĩ kích thước 25 x 22 x 4mm cho thấy tốc độ nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào diện tích bề mặt nhiên liệu, ở nhiệt độ càng cao thì nhiệt phân nhanh càng chiếm ưu thế, thời gian nhiên liệu tồn tại bên trong lị phản ứng cĩ ảnh hưởng rất lớn đến lượng hắc ín trong khí tổng hợp: thời gian lưu trú nhiên liệu trong buồng phản ứng tỷ lệ nghịch với lượng hắc ín trong khí tổng hợp. Vấn đề này cũng được trình bày trong nghiên cứu của Bhoi và cộng sự [46].
Hình 1.16 Thiết bị hĩa khí dăm gỗ kiểu
buồng phản ứng cĩ cổ thắt [45]
Hình 1.17 Thiết bị hĩa khí viên gỗ nén
kiểu buồng phản ứng cĩ cổ thắt [47] Lina Montuori và các cộng sự [47] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước cổ thắt đến q trình hĩa khí của thiết bị hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống (Hình 1.17). Nhĩm tác
giả đã khảo nghiệm với 2 kích thước đường kính cổ thắt là 70mm và 100mm với viên gỗ nén, hệ số khơng khí cấp là ER = 0,2 và 0,4. Kết quả xác định được đường kính cổ thắt là thơng số quan trọng cĩ tác động đến sản lượng khí tổng hợp và hiệu suất hĩa khí. Hiệu suất hĩa khí tăng từ 14% lên 21% khi tăng đường kính cổ thắt từ 70mm lên 100mm.
Chiang và các cộng sự [48] đã thực nghiệm hĩa khí rơm trên mơ hình hĩa khí dịng khí đi lên với tác nhân hĩa khí là khơng khí và chất tải nhiệt là hỗn hợp bùn Fe/Mn từ 5 – 15%. Nhiệt độ hĩa khí là 900oC và hệ số khơng khí cấp là ER = 0,3. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thành phần khí tổng hợp tăng 0,61 m3/kg đến 0,72 m3/kg khi cĩ sự tham gia của chất tải nhiệt là bùn Fe/Mn và nhiệt trị khí tổng hợp tăng từ 14,76 MJ/Nm3 lên 15,82 MJ/Nm3.
Pode Ramchandra và cộng sự [14] đã trình bày về các hệ thống hĩa khí trấu cho các nhà máy xay xát lúa gạo tại Cambodia. Hệ thống hĩa khí trấu được dùng phổ biến tại các nhà máy cĩ cơng suất từ 20 kW đến 50 kW. Các hệ thống hĩa khí trấu phát điện đều được bố trí chia thành 3 cụm: lị phản ứng, lọc khí tổng hợp và máy phát điện. Loại hệ thống hĩa khí trấu được lựa chọn tùy theo cơng suất của nhà máy. Cĩ 3 loại phổ biến được lựa chọn là dịng khí đi lên, dịng khí đi xuống và dịng khí đi chéo. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhà máy xay xát lúa gạo cĩ cơng suất từ 500 – 1.200 kg/h sử dụng hệ thống hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống là phù hợp nhất.
Nguyễn Đình Tùng [49] đã nghiên cứu tính tốn lị hĩa khí cùi bắp kiểu dịng khí đi lên liên tục năng suất 250 – 300 kg/h với kết quả tính tốn được kích thước buồng phản ứng: đường kính D = 1,17 m, chiều cao làm việc H = 1,33 m, lưu lượng khơng khí cấp 450 m3/h, vận tốc khí qua lớp vật liệu 0,12 cm/s và tốc độ hĩa khí đạt 1,3 m/h.
Pratik N. Sheth và cộng sự [50] đã nghiên cứu hĩa khí phụ phẩm của gỗ vừng và gỗ cẩm lai trên hệ thống hĩa khí dịng khí đi xuống. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng khi ẩm độ của nhiên liệu tăng thì lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm và khi lưu lượng khơng khí cấp tăng thì lượng tiêu thụ nhiên liệu tăng. Hệ số khơng khí cấp (ER) tăng thì lưu lượng khí thu được tăng, tuy nhiên nhiệt trị của khí tổng hợp giảm và nhiệt độ của vùng nhiệt phân và vùng oxi hĩa cao nhất khi ER = 0,205.
1.3.2 Ẩm độ nhiên liệu
Ẩm độ nhiên liệu là yếu tố quan trọng trong q trình hĩa khí và ảnh hưởng lớn đến các thơng số hoạt động của hĩa khí và các thành phần của khí tổng hợp. Nhiên liệu cĩ hàm
lượng độ ẩm thấp sẽ tạo ra sản phẩm khí cĩ chất lượng tốt, ngược lại sẽ làm suy giảm nhiệt độ của q trình hĩa khí vì một lượng nhiệt tổn thất cho quá trình bay hơi ẩm.
Các loại nhiên liệu cĩ độ ẩm cao như gỗ, mía, ngơ, than bùn,... muốn chuyển hĩa chúng thành nhiên liệu khí bằng q trình hĩa khí thường phải thực hiện sấy sơ bộ tách ẩm. Nếu độ ẩm của nhiên liệu tăng cao chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nĩng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà cịn làm giảm chất lượng khí.
Bhattacharya và cộng sự [51] đã chỉ ra sự ảnh hưởng của ẩm độ đến quá trình hĩa khí sinh khối, từ kết quả thực nghiệm tác giả chỉ ra rằng khi ẩm độ của sinh khối cao thì thành phần phần trăm khí CO2 và H2 tăng và thành phần phần trăm khí CO giảm.
Nguyễn Đình Tùng [52] đã khảo sát thực nghiệm hệ thống hĩa khí dịng khí đi xuống cho phụ phẩm lâm nghiệp/dăm gỗ. Tác giả đã nghiên cứu tối ưu theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm với 3 yếu tố đầu vào là ẩm độ (X1, %), lượng nhiên liệu tiêu thụ (X2, kg/h) và tốc độ cháy theo chiều cao (X3, m/h); yếu tố đầu ra được lựa chọn đánh giá là phần trăm chuyển đổi năng lượng (Y, %). Từ kết quả thực nghiệm tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui chuyển đổi năng lượng như sau:
Y = 85,707 + 1,353X1 + 1,204X2 – 2,136X3 – 0,406X12 – 1,908X22 + 3,187X32
– 2,848X1X2 + 0,133 X1X3 – 1,470 X2X3 (1.11)
Kết quả tối ưu hĩa đã xác định được phần trăm chuyển đổi năng lượng tối ưu là 86% với các thơng số đầu vào cĩ ẩm độ 11,04%, lượng tiêu hao nhiên liệu 1,5 kg/h và tốc độ hĩa khí 0,29 m/h.
Bùi Trung Thành [53] đã nghiên cứu và lựa chọn hai thơng số đầu ra là thời gian tồn tại ngọn lửa và hiệu suất thiết bị, các thơng số đầu vào được xác định là vận tốc khơng khí qua lớp trấu, khối lượng thể tích của trấu trong buồng hĩa khí và độ ẩm của trấu trên hệ thống hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định các thơng số vận tốc khí qua lớp nhiên liệu, mật độ và ẩm độ ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của buồng đốt trấu hĩa khí kiểu dịng khí đi lên quy mơ nhỏ như sau: vận tốc khí qua lớp nhiên liệu trong phạm vi 4 – 5 cm/s cho hiệu suất cao nhất; mật độ trấu bình thường thì quá trình cháy dễ dàng, ở mật độ 135 kg/m3 cho hiệu suất cháy cao nhất; độ ẩm của trấu nên < 16%, tốt nhất là < 10% và khơng thể sử dụng trấu cĩ độ ẩm > 20% để hĩa khí.
Antonopoulos và cộng sự [54] đã nghiên cứu hĩa khí thân cây ơ liu (Olive wood), cây cỏ lau (miscanthus) và cây cardoon (họ cây Atisơ) trên mơ hình hĩa khí kiểu dịng khí
đi xuống. Nhĩm tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của ẩm độ nguyên liệu đến nhiệt trị khí tổng hợp và hàm lượng của các thành phần khí tổng hợp thu được. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi ẩm độ của nguyên liệu tăng thì nhiệt trị của khí tổng hợp thu được giảm, điều này được thể hiện qua các khí thành phẩm giảm.
Plis và Wilk [55] đã thí nghiệm hĩa khí viên gỗ nén trên hệ thống hĩa khí tầng cố định kiểu dịng khí đi lên ở hai mức ẩm độ 7% và 13%, kết quả cho thấy thành phần khí H2, CO và CH4 đều giảm khi ẩm độ đầu vào của nhiên liệu cao hơn. Sự giảm chất lượng thành phần khí tổng hợp này được lý giải là do nhiệt bên trong lị cần tiêu tốn một lượng để làm bốc hơi ẩm nhiên liệu.
Gonzalez và cộng sự [56] đã nghiên cứu ảnh hưởng của ẩm độ đến hiệu quả kinh tế khi chuyển đổi sinh khối thành dầu sinh học bằng cơng nghệ hĩa khí. Nhĩm tác giả kết luận rằng độ ẩm sinh khối là một yếu tố quan trọng và độ ẩm thấp hơn trong nhiên liệu dẫn