Luận án đã đạt được các điểm mới về ý nghĩa khoa học và thực tiễn sau:
- Đã xác định được các thành phần lý hĩa của trấu IR 50404 gồm: Khối lượng thể tích, ẩm độ, nhiệt trị, chất bốc, carbon cố định, độ tro và phần trăm các nguyên tố carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen và sulfur.
- Đã xác định được cơng thức hĩa học tổng quát của trấu IR 50404, xây dựng được phương trình cân bằng phản ứng hĩa học tổng qt của q trình hĩa khí trấu IR 50404.
- Đã xây dựng được hệ phương trình phi tuyến gồm 6 phương trình và 6 ẩn số. Đây chính là mơ hình tốn học biểu diễn q trình hĩa khí trấu kiểu cân bằng hĩa học giả định các phản ứng của hệ đạt cân bằng mà khơng bị ảnh hưởng bởi hình dạng và kích thước của thiết bị. Ngơn ngữ lập trình Python được sử dụng để lập trình và giải hệ phương trình nêu trên.
- Đã thực nghiệm để kiểm chứng bài tốn lý thuyết và xây dựng phương trình dự đốn các sản phẩm thu được như: lượng than sinh học, phần trăm các khí CO, H2 và CH4.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và các khái niệm
1.1.1 Trấu
Trấu là lớp vỏ ngồi cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trấu do hai lá của gié lúa (vảy lá và mày hoa) tạo thành. Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau. Một kilogram lúa khi xay xát cho ra khoảng 200g – 230g trấu, chiếm khoảng 20 - 23% tổng khối lượng hạt lúa, cịn lại khoảng 77 – 80% là thành phần gạo, cám và mầm (Hình 1.1). Tỷ lệ này cĩ khác biệt tùy theo thời vụ, vùng canh tác và giống lúa.
Hình 1.1 Cấu tạo của hạt lúa Hình 1.2 Sản lượng lúa và trấu của cả nước
giai đoạn 2015-2020 [19].
Lúa nước được trồng ở nhiều nơi trên thế giới và đặc biệt là khu vực Châu Á, theo ước tính của FAO thì hằng năm sản lượng lúa thế giới khoảng 700 triệu tấn và khi xay xát cho ra khoảng 150 triệu tấn trấu. Ở Việt Nam, theo số liệu của tổng cục thống kê thì sản lượng lúa thu hoạch hằng năm là hơn 40 triệu tấn được trình bày ở hình 1.2 [19].
Riêng khu vực ĐBSCL, theo tổng cục thống kê sản lượng lúa trung bình từ năm 2015 – 2020 là 24,28 triệu tấn, trấu chiếm 20% thì cĩ 4,8 triệu tấn trấu [19].
Trấu sau khi xay xát thơng thường cĩ ẩm độ từ 8 – 12 %, ẩm độ của nguyên liệu sinh khối thích hợp để hĩa khí là ≤ 20%. Nguyên liệu cung cấp cho các hệ thống hĩa khí cĩ hàm lượng độ ẩm thấp sẽ tạo ra sản phẩm khí cĩ chất lượng tốt. Nếu ẩm độ cao sự thất thốt nhiệt do quá trình bay hơi ẩm là đáng kể và nĩ sẽ làm suy giảm nhiệt độ của quá trình
hĩa khí. Vì vậy để giảm hàm lượng ẩm độ của nhiên liệu, cần cĩ các phương pháp tiền xử lý đối với nhiên liệu hĩa khí.
Nhiệt trị là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hồn tồn 1 kg nhiên liệu (kcal/kg hay kJ/kg). Nhiệt trị của trấu khoảng 12,6 - 16,5 MJ/kg, nhiệt trị của trấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giống lúa, điều kiện canh tác và đất đai thổ nhưỡng. Để đốt cháy hồn tồn 1 kg trấu cần 4,3 – 4,7 kg khơng khí [33].
1.1.2 Hĩa khí
Hĩa khí sinh khối là q trình đốt cháy khơng hồn tồn của sinh khối, sản phẩm là các loại khí dễ cháy bao gồm Carbon Monoxide (CO), Hydro (H2) và khí methane (CH4). Hỗn hợp này được gọi là khí tổng hợp (Syngas), khí tổng hợp này cĩ thể được sử dụng để chạy động cơ đốt trong (cả nén và đánh lửa) [34-36], cĩ thể được sử dụng thay thế cho dầu đốt lị trong các ứng dụng nhiệt trực tiếp và cĩ thể được sử dụng trong hoạt động sản xuất mang lại hiệu quả kinh tế [37, 38].
Quá trính hĩa khí được chia làm bốn giai đoạn được biểu diễn như sau:
Hình 1.3 Bốn giai đoạn q trình hĩa khí [11]
a. Giai đoạn 1 (sấy sinh khối)
Sử dụng nhiệt (được cung cấp bằng cách đốt một lượng sinh khối nhỏ ban đầu) để bốc hơi nước từ bên trong sinh khối.
H2O (lỏng) → H2O (khí) (1.1)
b. Giai đoạn 2 (nhiệt phân)
Ở nhiệt độ trên 270oC, nguồn nhiệt cung cấp làm khơ sinh khối và làm thay đổi cấu trúc hĩa học của sinh khối. Nhiệt phân là một quá trình phức tạp do các sản phẩm được tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất thời gian ổn định và thất thốt nhiệt. Ban đầu khi nhiệt độ tăng lên đến 200oC chỉ cĩ nước bị bốc hơi. Khi nhiệt độ ở trong khoảng 200-280oC,
carbon dioxide, axit axetic và nước được đưa ra. Sự nhiệt phân thực, diễn ra giữa 280- 500oC, tạo ra số lượng lớn hắc ín và các loại khí chứa carbon dioxide. Bên cạnh các loại hắc ín nhẹ, một số rượu methyl cũng được hình thành. Từ 500-700oC lượng khí sản xuất ra ít và bao gồm hydro.
CxHyOz → gas bốc hơi + Chất lỏng (1.2)
H + OH → H2O (khí) (1.3)
c. Giai đoạn 3 (đốt cháy)
Các chất dễ cháy của nhiên liệu rắn thường bao gồm các nguyên tố carbon, hydro và oxy. Trong q trình đốt cháy hồn tồn, lượng khí carbon dioxide thu được từ carbon trong nhiên liệu và nước thu được từ hydro, thường là hơi nước. Phản ứng đốt cháy tỏa nhiệt, lượng nhiệt thu được từ phản ứng oxy hĩa lên đến 1.450oC.
Các phản ứng chính:
Sinh khối + Oxy → Nhiệt + Nước + Carbon dioxide
C3H8 + 5O2 → Nhiệt + 4H2O + 3CO2 (1.4)
C + O2 → CO2 -938,8 kJ/mol (1.5)
d. Giai đoạn 4 (khử)
Trong quá trình khử, các phản ứng xảy ra yêu cầu một lượng nhiệt khá lớn. Sau quá trình cháy, các sản phẩm sinh ra qua than nĩng đỏ, ta cĩ các phản ứng:
C + CO2 ⇋ 2CO + 172,6 kJ/mol (phản ứng Boudouard) (1.6)
C + H2O ⇋ CO + H2 + 131,4 kJ/mol (1.7)
CO2 + H2 ⇋ CO + H2O + 41,2 kJ/mol (1.8)
C + 2H2 ⇋ CH4 – 74,9 kJ/mol (1.9)
CO + H2O ⇋ CO + H2 (1.10)
1.1.3 Cơng nghệ hĩa khí
Dựa trên thiết kế của hệ thống hĩa khí, q trình di chuyển của nhiên liệu và sản phẩm khí để chia ra các loại cơng nghệ hĩa khí khác nhau [37]. Về tổng thể thì chia thành
3 loại cơng nghệ hĩa khí chính: Hệ thống hĩa khí cuốn theo dịng (Entrained flow), Hệ thống hĩa khí theo tầng (Moving bed) và Hệ thống hĩa khí tầng sơi (Fluidized bed).
a. b. c.
Hình 1.4 Phân loại hệ thống hĩa khí theo tầng [37]
Với hệ thống hĩa khí theo tầng chia thành 3 loại: Updraft, Downdraft và Crossdraft. - Updraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi lên” (Hình 1.4a). Loại này thích hợp cho sinh khối rắn cĩ hàm lượng tro cao (trên 25%), độ ẩm lớn (trên 20%), cũng thích hợp cho nguyên liệu dễ bay hơi như than. Ưu điểm: tổn thất áp suất thấp, hiệu suất nhiệt tương đối cao, ít cĩ khả năng tạo xỉ lỏng. Nhược điểm: tạo ra nhiều keo - nhựa, khả năng thay đổi tải kém.
- Downdraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi xuống” xun qua vùng khử. (Hình 1.4b). Vì dịng khí đi qua vùng cĩ nhiệt độ cao nên nhựa trong khí được vơ hiệu hĩa. Cũng vì lý do này mà tất cả các loại dịng khí đi xuống cĩ hàm lượng nhựa rất thấp. Ưu điểm: Khả năng tạo ra dịng khí chứa rất ít keo nhựa phù hợp để làm nhiên liệu cho các động cơ. Nhược điểm: Nhiệt trị của khí tổng hợp thấp, hàm lượng ẩm trong nhiên liệu đầu vào phải < 20%.
- Crossdraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi chéo” xun qua vùng cháy và khử. (Hình 1.4c). Một đặc tính quan trọng của loại hĩa khí này là vùng phản ứng tương đối nhỏ với cơng suất nhiệt thấp, cho phép thời gian hĩa khí nhanh hơn các loại hĩa khí kiểu di chuyển khác. Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, lượng keo nhựa trong sản phẩm khí ít, thời gian khởi động ngắn nên tạo khí ga rất nhanh, cĩ khả năng thay đổi tải linh động. Nhược điểm: Nhiệt độ làm việc cao nên dễ tạo xỉ lỏng và khĩ trong việc chọn vật liệu chế tạo, vận tốc khí ra thường lớn, khả năng chuyển đổi keo nhựa thấp nên yêu cầu nhiên liệu cĩ chất lượng cao.
Nhận xét
Việt Nam cĩ nguồn năng lượng sinh khối trấu rất lớn, đặc biệt tập trung ở khu vực Đồng bằng Sơng Cửu Long gần 5 triệu tấn/năm [19].
Hĩa khí là quá trình chuyển đổi nhiệt của nhiên liệu từ thể rắn sang thể khí thơng qua việc đốt cháy nhiên liệu khơng hồn tồn trong thiết bị được gọi là thiết bị hĩa khí [34-36].
Cĩ 3 cơng nghệ hĩa khí chính: Hĩa khí ngang dịng, hĩa khí theo tầng và hĩa khí tầng sơi. Trong đĩ, hĩa khí theo tầng được chia làm 3 loại: dịng khí đi lên, dịng khí đi xuống và dịng khí đi chéo. Một hệ thống hĩa khí thường gồm 4 giai đoạn: Sấy, nhiệt phân, đốt cháy và khử. Mỗi giai đoạn cĩ những đặc tính riêng, việc thay đổi thơng số cơng nghệ sẽ tác động đến chất lượng khí tổng hợp và các sản phẩm khác của q trình hĩa khí [37].
1.2 Tổng quan về hệ thống hĩa khí sinh khối
1.2.1 Một số hệ thống hĩa khí sinh khối ở Việt Nam.
Rất nhiều các nhà khoa học, các Viện, Trường quan tâm đến việc nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ hĩa khí vào thực tế tại Việt Nam trong những năm gần đây. Các kết quả nghiên cứu cho thấy các nhà khoa học Việt Nam hồn tồn cĩ thể chủ động nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cơng nghệ này trong cơng nghiệp và đời sống [38].
Hiện nay sinh khối vẫn cịn được sử dụng để đun nấu, sấy nơng sản tại các vùng nơng thơn Việt Nam, tuy nhiên việc sử dụng sinh khối cho đun nấu, sấy nơng sản tạo ra nhiều khĩi thải, bụi,... Để hạn chế các nhược điểm trên, các bếp hĩa khí sinh khối quy mơ hộ gia đình đã được áp dụng và đem lại hiệu quả thiết thực.
Đỗ Hữu Hồng và cộng sự đã nghiên cứu cơng nghệ đốt trấu hố khí và tính tốn, thiết kế, chế tạo bếp đun bằng trấu hố khí quy mơ hộ gia đình theo cơng nghệ tầng cố định loại dịng khí đi xuống tại Thành phố Cần Thơ (Hình 1.5).
Phan Hiếu Hiền và các cộng sự Trường ĐHNL Tp.HCM đã nghiên cứu một hệ thống hĩa khí củi vụn cĩ chiều dài 20 – 40mm với lượng tiêu thụ 2,5 kg/h đạt cơng suất 1,8 kW. Đây là hệ thống hĩa khí tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống với kết cấu đỉnh hở, làm việc liên tục; khí tổng hợp được lọc ướt và lọc khơ trước khi đưa đến động cơ diesel (Hình 1.6). Sau quá trình thực nghiệm nhĩm tác giả đã khẳng định hệ thống làm việc chưa ổn định vì phải thường xuyên dừng hệ thống để thay đổi lọc khơ; ngồi ra củi cĩ kích thước 20 – 40mm khi cho vào buồng phản ứng cĩ cĩ hiện tượng bị nghẹt vùng cháy làm hệ thống khơng hoạt động; khơng cĩ thiết bị phân tích khí tổng hợp nên chưa đánh giá được nhiệt trị và chất lượng thành phần khí tổng hợp; tỷ lệ thay thế nhiên liệu 27% là thấp so với các cơng bố phổ biến > 60%.
Hệ thống hĩa khí trấu theo cơng nghệ hĩa khí tầng sơi của tác giả Ngơ Chí [39] đã được thiết kế chế tạo và khảo nghiệm tại Trường ĐHNL Tp.HCM. Tác giả đã đưa ra kết quả là mối quan hệ lưu lượng khơng khí cấp và lượng tiêu thụ trấu với thành phần CO của khí tổng hợp. Điểm hạn chế của nghiên cứu này là chưa đánh giá được tất cả các thành phần khí tổng hợp mà chỉ đánh giá mỗi thành phần CO một cách gián tiếp (Hình 1.7).
Hình 1.7 Hệ thống khí tầng sơi [39] Hình 1.8 Hệ thống hĩa khí trấu 3 - 6 kW [40]
Trần Văn Tuấn và cộng sự [40] Trường ĐHNL Tp.HCM đã cơng bố nghiên cứu một hệ thống hĩa khí trấu theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống để phát điện 3 - 6 kW (Hình 1.8). Trấu sử dụng cho nghiên cứu là trấu thuộc khu vực ĐBSCL, hai yếu tố tác giả nghiên cứu là vận tốc giĩ bề mặt và gian cách tháo tro để đánh giá tốc độ hĩa khí
riêng và tỉ lệ thay thế diesel cho động cơ. Tác giả đã xác định được mối quan hệ tốc độ hĩa khí riêng, cơng suất phát điện và phần trăm thay thế diesel với vận tốc giĩ bề mặt và gian cách tháo tro. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa phân tích thành phần lý hĩa của nguyên liệu, chưa xác định được các thành phần và nhiệt trị của khí tổng hợp.
Việc ứng dụng quy trình hĩa khí sinh khối ở quy mơ cơng nghiệp vẫn được triển khai hạn chế vì những khĩ khăn về cơng nghệ và chi phí đầu tư.
Cơng ty TNHH một thành viên gốm Tân Mai, xã Tân Phú Đơng, TP Sa Đéc, tỉnh Đồng Tháp đã ứng dụng kỹ thuật hầm nung gạch, gốm kết hợp thiết bị hĩa khí từ trấu (80- 100 kg/h, cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống) vào sản xuất nhằm giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, các thơng số khí thải sau khi đốt thải ra mơi trường: CO, NOx, SO2, HF, bụi... đạt được tiêu chuẩn Việt Nam (QC VN 05:2009/BTNMT). Khắc phục được gần như hồn tồn khĩi bụi gây ơ nhiễm mơi trường so với bếp truyền thống. Tuy nhiên, chi phí đầu tư quá cao, khĩ cĩ thể áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất gạch, gốm vừa và nhỏ hiện nay (Hình 1.9).
Hình 1.9 Mơ hình hệ thống hĩa khí trấu
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