7. Điểm mới và đĩng gĩp của luận án
3.4.2 Xây dựng các phương trình hồi quy
- Căn cứ vào kết quả giải hệ phương trình và kiểm chứng mơ hình lý thuyết với thực nghiệm, luận án đã tiến hành xây dựng các phương trình hồi quy theo phương pháp bình phương nhỏ nhất để dự đốn mối quan hệ của các sản phẩm hĩa khí trấu như C, H2, CO và CH4 với nhiệt độ vùng khử T2 và hệ số khơng khí cấp ER.
- Gọi YC, YH2, YCO và YCH4 lần lượt là phần trăm của các thành phần C, H2, CO và CH4.
a. Phương trình dự đốn mối quan hệ giữa YC với T2 và ER
Căn cứ vào giá trị P của bảng kết quả hồi quy (Bảng 3.15), cĩ thể khẳng định rằng các hệ số tự do và của 2 biến T2 và ER đều cĩ nghĩa với độ tin cậy > 95%.
Vì vậy phương trình dự đốn lượng Carbon YC như sau: YC = 84,174 – 0,061.T2 – 12,684.ER với R2 = 0,98
Hình 3.56 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa C với T2 và ER
b. Phương trình dự đốn mối quan giữa YH2 với T2 và ER
Căn cứ vào giá trị P của bảng kết quả hồi quy (Bảng 3.16), cĩ thể thấy rằng một số hệ số đều cĩ nghĩa với độ tin cậy cao; riêng hệ số của T22 quá nhỏ và hệ số T2.ER khơng đạt độ tin cậy > 95% nên khơng đưa vào phương trình.
Vì vậy phương trình dự đốn lượng Hydro YH2 như sau:
YH2 = 35,569 – 0,099.T2 + 28,439.ER – 55,721.ER2 với R2 = 0,98
Hình 3.57 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa H2 với T2 và ER
c. Phương trình dự đốn mối quan giữa YCO với T2 và ER như sau:
Căn cứ vào giá trị P của bảng kết quả hồi quy (Bảng 3.17), chỉ loại bỏ hệ số của
T2.ER vì cĩ độ tin cậy thấp, các hệ số cịn lại đều cĩ độ tin cậy >95%, chỉ riêng hệ số tự do cĩ độ tin cậy khoảng 93%.
Vì vậy phương trình dự đốn lượng khí Carbon monoxide của YCO như sau: YCO = 50,124 – 0,153.T2 + 109,009.ER – 152,271.ER2 với R2 = 0,97
Bảng 3.17 Các thơng số hồi quy của YCO
d. Phương trình dự đốn mối quan giữa YCH4 với T2 và ER
Bảng 3.18 Các thơng số hồi quy của YCH4
Căn cứ vào giá trị P của bảng kết quả hồi quy (Bảng 3.18), cĩ thể thấy rằng các hệ số đều cĩ nghĩa với độ tin cậy > 95%, chỉ riêng hệ số của T22 là quá nhỏ và hệ số của T2.ER cĩ độ tin cậy < 95% nên khơng đưa vào phương trình.
Vì vậy phương trình dự đốn lượng khí Methane YCH4 như sau: YCH4 = 30,952– 0,083.T2 + 23,750.ER – 66,529.ER2 với R2 = 0,97
3.5 Kết quả thực nghiệm xác định chế độ hĩa khí trấu phù hợp 3.5.1 Phát biểu bài tốn hộp đen
Lượng than sinh học và nhiệt trị khí tổng hợp là hai chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng trong q trình hĩa khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ ẩm ban đầu nhiên liệu, nhiệt độ mơi trường, nhiệt độ vùng khử, hệ số khơng khí cấp, áp suất khơng khí cấp,… Do cĩ nhiều thơng số ảnh hưởng đến chỉ tiêu nghiên cứu, vì vậy trong quá trình nghiên cứu một số thơng số bị loại bỏ vì mức độ ảnh hưởng ít hoặc chúng ta cĩ thể kiểm sốt được. Một số thơng số sẽ trở thành điều kiện của khơng gian nghiên cứu hoặc trở thành các yếu tố ngẫu nhiên tác động nhiễu đến quá trình nghiên cứu.
Chọn các thơng số đầu ra của bài tốn hộp đen: C: lượng carbon thu được (%).
LHV: nhiệt trị khí tổng hợp (MJ/m3). Các thơng số đầu vào của bài tốn hộp đen:
Cơ sở lựa chọn: Căn cứ vào lý thuyết mơ hình hĩa, sau khi loại bỏ các yếu tố ngẫu nhiên khơng thể điều khiển được như tốc độ phản ứng hoặc các yếu tố ảnh hưởng quá nhỏ khơng đưa vào nghiên cứu như ẩm độ trấu, tác giả quyết định chọn hệ số khơng khí cấp ER và nhiệt độ vùng khử T2 là các thơng số đầu vào bài tốn hộp đen bởi vì q trình hĩa khí phụ thuộc vào hệ số khơng khí cấp, đây là yếu tố quyết định của hệ thống đạt yêu cầu hay khơng, bên cạnh đĩ nhiệt độ vùng khử T2 là yếu tố quyết định đến nhiệt trị khí tổng hợp và lượng than sinh học thu được.
ER: hệ số khơng khí cấp T2: Nhiệt độ vùng khử.
Hình 3.60 Bài tốn mơ tả quá trình nghiên cứu
3.5.2 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm bậc hai và lập ma trận thực nghiệm
Phương án thực nghiệm bậc hai được chọn dạng bất biến quay. Cánh tay địn α được xác định theo cơng thức:
1
= 2 4 = 2 2 = 1,414
Trong đĩ: k là số yếu tố đầu vào, k=2. Điểm sao trên: += 0 + . ∆ ; Điểm sao dưới: −= 0 − . ∆
Với Δ là khoảng biến thiên và x0 là giá trị của yếu tố x tại mức cơ sở. Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào được trình bày trong bảng 3.19.
Bảng 3.19 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào.Mức Nhiệt độ vùng khử Hệ số khơng khí cấp Mức Nhiệt độ vùng khử Hệ số khơng khí cấp
(T2, oC) (ER)
Điểm sao trên 820 0,37
Mức trên 800 0,35
Mức cơ sở 750 0,30
Mức dưới 700 0,25
Điểm sao dưới 680 0,23
Khoảng biến thiên 50 0,05
Ma trận thí nghiệm bậc hai theo phương án bất biến quay, số lượng thí nghiệm được xác định theo cơng thức sau: N = 2k + 2.k + n0 = 22 + 2.2 + 5 = 13 thí nghiệm Trong đĩ: k: số yếu tố nghiên cứu, k=2.
2k: số lượng thí nghiệm ở mức trên và mức dưới, 2k = 4. 2.k: số lượng thí nghiệm ở mức điểm sao, 2.k = 4. n0: số lượng thí nghiệm lặp ở mức cơ sở, n0= 5.
Ma trận thí nghiệm được lập và ngẫu nhiên hĩa trật tự bằng chương trình Statgraphic XV.
3.5.3 Kết quả thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm
Tiến hành thực nghiệm theo ma trận thí nghiệm đã lập với các thơng số đầu vào khơng thuộc các thí nghiệm đã được trình bày ở trên. Phân tích phương sai cho cả hai hàm tốn đa thức bậc hai, kiểm tra các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra mơ hình theo tiêu chuẩn Fisher. Kết quả xử lý số liệu xác định các hệ số hồi quy cĩ ý nghĩa (P
< 0,05) và các phương trình hồi quy như sau:
- Phương trình mơ tả ảnh hưởng của nhiệt độ vùng khử (oC) và hệ số khơng khí cấp ER đến lượng carbon thu được C (%).
C= – 82,4 + 0,35.T2 – 5,68.ER – 0,0002513.T22
- Phương trình mơ tả ảnh hưởng của nhiệt độ vùng khử (oC) và hệ số khơng khí cấp ER đến nhiệt trị khí tổng hợp (MJ/m3).
LHV = – 63,73 + 0,136.T2 + 90,24.ER – 0,00008.T22 – 150,4.ER2 *Phân tích kết quả thực nghiệm:
- Hàm lượng than sinh học thu được C:
Kết quả phân tích phương sai cho thấy các hệ số hồi qui đều đảm bảo độ tin cậy nên khơng bị loại khỏi mơ hình (Phụ lục 5).
Kết quả kiểm tra các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra mơ hình theo tiêu chuẩn Fisher cho thấy các hệ số hồi quy đảm bảo độ tin cậy và mơ hình hồi quy là phù hợp.
Dựa vào hàm C để vẽ đồ thị với các yếu tố ảnh hưởng đến lượng carbon C – ER – T2 (Hình 3.61).
C
Estimated Response Surface
39 38 37 36 35 34 0.38 33 0.34 670 0.3 710 750 790 0.26 830 0.22 ER T
Hình 3.61 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ C – ER – T2
- Hàm nhiệt trị LHV:
Kết quả phân tích phương sai cho thấy hệ số hồi qui T2*ER khơng đảm bảo độ tin cậy nên bị loại khỏi mơ hình (Phụ lục 5).
Kết quả kiểm tra các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra mơ hình theo tiêu chuẩn Fisher cho thấy các hệ số hồi quy đảm bảo độ tin cậy và mơ hình hồi quy là phù hợp.
Dựa vào hàm LHV để vẽ đồ thị yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt trị LHV – ER – T2 đồ thị (hình 3.62).
Estimated Response Surface
LHV 6.9 5.9 4.9 3.9 0.38 2.9 0.34 670 0.3 710 750 790 0.26 830 0.22 ER T
Hình 3.62 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ LHV – ER – T2
3.5.4 Xác định các thơng số và chỉ tiêu phù hợp
Chỉ tiêu phù hợp về lượng than sinh học thu được và nhiệt trị của khí tổng hợp là chỉ tiêu đồng thời lượng than thu được lớn nhất và nhiệt trị cao nhất.
Thơng số phù hợp là giá trị các thơng số đảm bảo trị số chỉ tiêu phù hợp.
Các bài tốn được giải trên máy tính bằng phần mềm Microsoft Excel (Xem phụ lục
5).
Kết quả giải bài tốn đa mục tiêu đã xác định được các thơng số phù hợp và chỉ tiêu phù hợp như sau:
+ Thơng số phù hợp: khi T2 = 745 (oC) và ER = 0,29
+ Chỉ tiêu phù hợp: LHVmax = 5,35 (MJ/Nm3) và Cmax = 37,5 (%).
3.6 Kết quả đánh giá sơ bộ chất lượng than sinh học 3.6.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng than sinh học
Cĩ nhiều tiêu chí để đánh giá than sinh học như: diện tích bề mặt riêng, thành phần carbon, độ pH và khả năng trao đổi cation.
Trong nghiên cứu này, than sinh học được đánh giá chất lượng ở diện tích bề mặt riêng thơng qua khả năng chứa nước và tác động của than sinh học đến với cây trồng.
3.6.2 Kết quả đánh giá than sinh học ở tiêu chí diện tích bề mặt riêng
Kết quả thực nghiệm cho thấy tại lượng khơng khí cấp khi ER = 0,2 và nhiệt độ vùng khử T2 = 750oC thì lượng than sinh học thu được là lớn nhất 37,8%. Tuy nhiên, thực nghiệm lượng chứa nước đạt nhỏ nhất 3,9 ml/gram. Bên cạnh đĩ, tại lượng khơng khí cấp khi ER = 0,4 và nhiệt độ vùng khử T2 = 900oC thì lượng than sinh học thu được là nhỏ nhất 27,1%. Tuy nhiên, thực nghiệm lượng chứa nước đạt lớn nhất 5,6 ml/gram.
Lượng chứa nước của than sinh học cĩ sự khác biệt như trên là do quá trình hình thành than sinh học cĩ sự tác động rất lớn của nhiệt độ và lượng khơng khí cấp. Khi nhiệt độ và lượng khơng khí cấp thấp q trình hình thành cấu trúc than sinh học với diện tích bề mặt riêng thấp hơn khi nhiệt độ và lượng khơng khí cấp cao. Điều này đã làm cho than sinh học thu được từ nhiệt độ và lượng khơng khí cấp cao cĩ khả năng chứa nước nhiều hơn than sinh học thu được từ nhiệt độ thấp và lượng khơng khí cấp thấp.
3.6.3 Kết quả thí nghiệm tác động của than sinh học đến với cây trồng
Thí nghiệm đánh giá tác động của than sinh học đến với cây trồng được trình bày chi tiết ở Phụ lục 6. Kết quả thí nghiệm cho thấy chiều dài của thân và rễ cây bắp tăng khi tăng tỉ lệ than sinh học trong đất (Hình 3.63), điều này cho thấy khả năng giữ nước của than sinh học cĩ ảnh hưởng đến sự phát triển của cây bắp là rõ rệt [83]. Trong thí nghiệm này, chiều cao cây bắp sau 35 ngày khi trồng trong chậu chỉ chứa đất đạt 70 cm, trong khi đĩ chiều cao của thân cây bắp ở các chậu cĩ tỉ lệ than sinh học 1%, 3% và 5% lần lược là 80 cm, 93 cm và 107 cm. 120 bắ p (c m ) 100 80 câ y th ân 60 y = -0.143x2 + 7.82x + 69.5 R² = 0.996 ca o 40 Ch iề u 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Tỉ lệ biochar trong đất (%)
Bảng 3.20 Kết quả thí nghiệm trồng bắp
Lượng chứa nước, Tỉ lệ biochar trong đất,
ml/g %
3,9 4,5 5,6 SEM p 1 3 5 SEM p
Thân, cm 85,7 91 99,1 1,16 0,001 79,5 90,9 105 1,84 0,001
Rễ, cm 37,8 42,4 54,4 2,7 0,28 42,4 43,7 48,6 1,74 0,001
Rễ, g 20,4 22,6 20,7 1,74 0,62 13,7 21,6 28,4 1,74 0,001
Bảng 3.20 biểu diễn giá trị trung bình về chiều cao bắp, chiều dài rễ bắp và trọng lượng của rễ sau khi trồng 35 ngày ứng với lượng chứa nước của than sinh học và tỉ lệ than sinh học được thêm vào đất.
Chiều cao thân (cm)
WRC 3.9 WRC 4.5 WRC 5.6 140 120 100 80 60 40 20 0 1 3 5 Tỉ lệ biochar trong đất (%)
Hình 3.64 Chiều cao bắp ứng với lượng chứa nước và tỉ lệ của than sinh học
Kết luận
- Cùng là than sinh học cĩ lượng chứa nước như nhau, nhưng nếu tăng tỉ lệ trộn than sinh học thì chiều cao của thân cây bắp cũng lớn hơn. Điều này là do khi tỉ lệ lượng than sinh học trộn vào tăng lên thì khả năng giữ nước của đất tăng lên, giúp kéo dài thời gian cung cấp nước cho nhu cầu sinh trưởng và phát triển của cây bắp, vì vậy cây bắp phát triển tốt hơn. Bên cạnh đĩ, việc tăng lượng than sinh học trong đất cịn giúp cho đất cĩ thể giữ được tốt hơn các khống chất vốn cĩ của đất và các loại phân bĩn bổ sung vào đất.
- Đặc biệt là biểu đồ chỉ ra rằng cùng với tỷ lệ trộn than sinh học vào đất nhưng với loại than cĩ lượng chứa nước lớn hơn thì sự phát triển của cây bắp cũng tốt hơn.
- Cĩ sự khác biệt về chất lượng của than sinh học khi thay đổi các thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống. Vì vậy, tùy theo nhu cầu sử dụng than sinh học hoặc khí tổng hợp mà cĩ thể lựa chọn thơng số cơng nghệ cho q trình hoạt động của hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
- Luận án đã xác định các thơng số lý hĩa của trấu IR 50404, cơng thức hĩa học tổng quát của trấu, thành phần của tác nhân cấp vào hệ thống hĩa khí, các thành phần sản phẩm hĩa khí, phương trình tổng qt hĩa khí trấu, xây dựng các phương trình cân bằng khối lượng của các nguyên tố C, H2 và O2, phương trình cân bằng phản ứng tạo khí CH4
và phương trình cân bằng phản ứng chuyển H2O, phương trình cân bằng năng lượng từ phương trình tổng quát.
- Đã xây dựng mơ hình tốn học và giải mơ hình tốn bằng ngơn ngữ lập trình Python nhằm dự đốn được các thành phần khí tổng hợp và hàm lượng than sinh học khi thay đổi 2 thơng số cơng nghệ là lượng khơng khí cấp và nhiệt độ vùng khử.
- Đã chế tạo hồn thiện hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống gồm bốn cụm chính: cụm hĩa khí và tháo than; cụm cyclone lọc và ống dẫn khí; cụm làm mát và cụm lọc tinh và bét đốt cho thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết.
- Kết quả thực nghiệm đã cho thấy một số quy luật biến đổi chung giữa giải mơ hình tốn học và thực nghiệm là hồn tồn phù hợp như: Khi nhiệt độ tăng lên thì lượng than sinh học thu được từ kết quả thực nghiệm cũng như lý thuyết đều giảm; Bên cạnh đĩ, tại cùng một mức nhiệt độ vùng khử nếu tăng lượng khơng khí cấp khi ER = 0,2 ÷ 0,4 thì lượng than sinh học cũng giảm, tuy nhiên hàm lượng khí tổng hợp tăng khi ER = 0,2 ÷ 0,3 và hàm lượng khí tổng hợp giảm khi ER = 0,3 ÷ 0,4.
- So sánh kết quả mơ hình tốn học và thực nghiệm cho thấy hàm lượng than sinh học và thành phần khí tổng hợp của mơ hình tốn thấp hơn nghiên cứu thực nghiệm. Độ lệch chuẩn của phần dư RMSE của hai tổ hợp số liệu tương ứng ở các mức nhiệt độ vùng khử T2 = 750oC, 800oC, 850oC và 900oC lần lược là 1,642; 1,882; 1,445 và 1,345. Giá trị này chỉ ra rằng sự khác biệt giữa mơ hình tốn và thực nghiệm ở tất cả các trường hợp đều