So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 750oC được trình bày ở
hình 3.52a – 3.52d. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng so với mơ hình tính tốn lý thuyết
thì phần trăm C (than sinh học) và nhiệt trị khí tổng hợp của thực nghiệm cao hơn lý thuyết (Hình 3.52a). Tuy nhiên mức độ cao hơn khơng đáng kể, giá trị độ lệch chuẩn của than sinh học giữa lý thuyết và thực nghiệm tại 5 mức khơng khí cấp là RMSE = 2,627. Các thành phần khí tổng hợp gồm CO, CH4 và H2 của giải lý thuyết thấp hơn thực nghiệm (Hình 3.52b, c, d).
3.4.1.2 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 800oC
Bảng 3.12 biểu diễn các kết quả giải mơ hình lý thuyết và thực nghiệm khi nhiệt độ vùng khử T2 = 800oC và 5 mức khơng khí cấp khi ER = 0,2 ÷ 0,4. Giá trị trung bình độ lệch chuẩn của phần dư giữa lý thuyết và thực nghiệm là RMSE = 1,882. Điều này cho
thấy độ chênh lệch kết quả lý thuyết và thực nghiệm ở 5 mức khơng khí cấp là khơng đáng kể.
Bảng 3.12 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 800oC
Thực nghiệm (%) Mơ hình (%) ER RMSE Biochar CO CO 2 H 2 CH 4 Biochar CO CO 2 H 2 CH 4 0,2 36,40 18,12 1,42 5,40 5,44 33,02 16,97 1,63 4,82 5,02 1,631 0,25 36,10 19,16 1,54 6,10 6,49 32,59 17,72 1,79 5,37 5,55 1,782 0,3 35,80 21,17 1,59 6,50 7,10 32,15 18,43 1,91 5,65 5,87 2,153 0,35 35,20 20,74 1,62 6,20 5,89 31,86 17,98 2,14 5,43 5,46 1,991 0,4 34,90 19,18 1,74 5,80 4,30 31,34 17,34 2,34 5,17 4,91 1,854 Average 1,882
a. C (than sinh học) và Nhiệt trị syngas b. Khí CO
c. Khí CH4 d. Khí H2
Hình 3.53a biểu diễn phần trăm than sinh học và nhiệt trị khí tổng hợp của kết quả nghiên cứu giải lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Lượng than sinh học thu được từ thực nghiệm cao hơn so với lý thuyết, độ lệch chuẩn của phần dư là RMSE = 3,489. Đồng thời, nhiệt trị của thực nghiệm cao hơn nhiệt trị của q trình tính tốn lý thuyết. Hình 3.53b, c và d biểu diễn kết quả thực nghiệm và giải lý thuyết của khí tổng hợp gồm CO, CH4 và H2, các giá trị thực nghiệm đều cao hơn lý thuyết.
3.4.1.3 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 850oC
So sánh hàm lượng than sinh học, các thành phần khí tổng hợp và nhiệt trị giữa kết quả giải mơ hình lý thuyết và thực nghiệm khi nhiệt độ T2 = 850oC.
Bảng 3.13 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 850oC
Thực nghiệm (%) Mơ hình (%) ER RMSE Biochar CO CO2 H 2 CH4 Biochar CO CO2 H 2 CH4 0,2 34,70 19,12 1,44 5,60 5,45 30,78 18,96 1,80 5,58 5,50 1,762 0,25 33,80 19,16 1,47 6,30 6,50 30,11 19,88 1,91 6,12 5,86 1,719 0,3 32,50 21,11 1,59 7,10 7,30 29,34 20,86 2,11 6,34 6,22 1,553 0,35 30,30 20,74 1,67 6,20 5,90 28,53 19,11 2,45 6,42 6,05 1,137 0,4 29,40 18,87 1,75 5,50 4,32 27,74 18,58 2,82 5,66 5,56 1,053 Average 1,445
Giá trị trung bình độ lệch chuẩn của phần dư giữa lý thuyết và thực nghiệm của 5 mức khơng khí cấp khi ER = 0,2 ÷ 0,4 là RSME = 1,445. Điều này cho thấy độ chênh lệch kết quả lý thuyết và thực nghiệm là khơng cĩ ý nghĩa.
a. C (than sinh học) và Nhiệt trị syngas b. Khí CO
c. Khí CH4 d. Khí H2
Hình 3.54 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 850oC
Hình 3.54a là phần trăm C (than sinh học) và nhiệt trị của khí biểu diễn kết quả nghiên cứu giải lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Quan sát đồ thị thấy rằng khi nhiệt độ lớn hơn thì lượng than sinh học thu được từ kết quả thực nghiệm cũng như lý thuyết đều giảm, đồng thời tại cùng mức nhiệt độ vùng khử nếu tăng lượng khơng khí cấp thì lượng than sinh học cũng giảm.
3.4.1.4 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 900oC
Sau cùng là kiểm chứng kết quả giải lý thuyết và thực nghiệm khi nhiệt độ vùng khử T2 = 900oC.
Bảng 3.14 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 900oC
Thực nghiệm (%) Mơ hình (%)
ER RMSE
Biochar CO CO2 H2 CH4 Biochar CO CO2 H2 CH4
0,2 29,10 20,15 1,63 6,92 6,53 27,14 21,00 1,98 6,95 6,84 0,978 0,25 28,60 21,16 1,69 7,10 7,02 26,28 22,29 2,18 7,08 7,03 1,175 0,3 28,20 24,02 1,70 7,69 7,62 25,45 23,58 2,36 7,54 7,37 1,287 0,35 27,50 22,45 1,88 6,74 6,08 24,66 22,43 2,70 7,40 7,03 1,420 0,4 27,10 21,18 1,98 6,30 4,66 23,88 21,31 2,95 7,31 6,91 1,866 Average 1,345
Bảng số kết quả so sánh cho thấy giá trị trung bình độ lệch chuẩn của phần dư giữa lý thuyết và thực nghiệm của là RMSE = 1,345.
Hình 3.55a là phần trăm C (than sinh học) và nhiệt trị của khí tổng hợp biểu diễn kết quả nghiên cứu giải lý thuyết và kết quả thực nghiệm khi T2 = 900oC. Quan sát đồ thị ở 3 mức nhiệt độ trên và với mức nhiệt độ T2 = 900oC thấy rằng cả lý thuyết và thực nghiệm đều cĩ một quy luật chung đĩ là đồ thị biểu diễn lượng than sinh học của q trình hĩa khí là dạng đường tuyến tính theo quy tắc là nhiệt độ tăng hoặc khi lượng khơng khí cấp tăng thì than sinh học giảm. Giá trị độ lệch chuẩn của phần dư của lượng than sinh học giữa lý thuyết và thực nghiệm tại 5 mức khơng khí cấp khi nhiệt độ vùng khử T2 = 900oC là RMSE = 2,654.
a. C (than sinh học) và Nhiệt trị syngas b. Khí CO
c. Khí CH4 d. Khí H2
Hình 3.55 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 900oC
Quan sát tồn bộ các đồ thị của khí tổng hợp thấy rằng kết quả của thực nghiệm cĩ sự biến động lớn hơn kết quả giải lý thuyết. Điều này là do trong quá trình thực nghiệm các điều kiện giả thiết khơng phải lúc nào cũng chính xác như ở điều kiện lý thuyết, do vậy số liệu cĩ độ dao động lớn hơn kết quả giải lý thuyết. Hình 3.55b, c và d biểu diễn kết quả
thực nghiệm và giải lý thuyết của khí tổng hợp gồm CO, CH4 và H2, các giá trị thực nghiệm đều lớn hơn lý thuyết.
Qua quá trình kiểm chứng giữa lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng mơ hình bài tốn lý thuyết mơ tả quá trình hĩa khí trấu được thiết lập hồn tồn phụ hợp với thực nghiệm với 2 thơng số cơng nghệ là nhiệt độ vùng khử T2 từ 750oC đến 900oC và lưu lượng khơng khí cấp khi hệ số khơng khí cấp ER từ 0,2 đến 0,4. Đối với thành phần khí CH4 thì kết quả thực nghiệm và mơ hình rất phù hợp ở mức nhiệt độ 750oC và 800oC với hệ số khơng khí cấp ER từ 0,2 đến 0,4. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 850oC hoặc 900oC và hệ số khơng khí cấp ER > 0,3 thì thành phần khí CH4 của thực nghiệm thấp hơn mơ hình lý thuyết.
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