7. Điểm mới và đĩng gĩp của luận án
1.3 Tổng quan về thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí
1.3.5 Hệ số khơng khí cấp ER
Ngơ Chí [39] đã nghiên cứu chế tạo và khảo nghiệm thiết bị hĩa khí trấu theo nguyên lý tầng sơi, điều khiển tự động bằng PLC. Kết quả tính tốn với lượng trấu cung cấp 70 kg/h, lượng khơng khí cấp 140 kg/h với ER = 0,38, thể tích buồng đốt 0,091 m3 và diện tích ghi lị 0,056 m2. Kết quả khảo nghiệm và xử lý qui hoạch thực nghiệm đa yếu tố. Thí
nghiệm đối với 2 yếu tố đầu vào là lưu lượng khơng khí cấp Qkk và tốc độ tiêu thụ trấu G. Yếu tố đầu ra là hàm lượng khí COppm và lượng khí tổng hợp tạo thành Qgas.
Tác giả đã tìm được phương trình mơ tả mối quan hệ của Qkk và G đến COppm:
COppm = 1939570,29 + 633,48*G – 333,03*Qkk – 68,95*G2 – 125,55*Qkk2 (1.12) Tác giả đã tìm được phương trình mơ tả mối quan hệ của Qkk và G đến Qgas: Qgas = – 1314,42 + 29,25*G + 11,72*Qkk – 0,24*G*Qkk – 0,21*Qkk2 (1.13)
Nguyễn Đình Tùng [63] đã nghiên cứu thực nghiệm hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi lên liên tục quy mơ cơng nghiệp năng suất 100 – 110 kg/h. Xây dựng phương trình hồi qui với 3 yếu tố cơng nghệ được lựa chọn làm yếu tố đầu vào là ẩm độ (X1, %), lưu lượng giĩ cấp (X2, m3/h) và lượng nhiên liệu tiêu thụ (X3, kg/h); các yếu tố đầu ra được lựa chọn đánh giá là tỷ lệ khí CO (Y1, %), CH4 (Y2, %) và H2 (Y3, %).
Từ kết quả thực nghiệm tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui như sau: Y1= 15,85 – 0,01X1 – 0,094X2 + 0,034X3 + 0,125X12 + 0,228X22 + 0,057X32 –
0,063X1X2 + 0,033 X1X3 – X2X3 (1.14)
Y2= 3,39 + 0,087X1 – 0,001X2 + 0,156X3 – 0,045X12 – 0,243X22 – 0,167X32 +
0,128X1X2 + 0,142X1X3 + 0,135X2X3 (1.15)
Y3 = 12,59 – 0,019X1 + 0,012X2 + 0,204X3 – 0,786X12 + 0,131X22 – 0,136X32
– 0,02X1X2 + 0,108X1X3 – 0,07X2X3 (1.16) Gai và cộng sự [44] khảo nghiệm trên hệ thống hĩa khí thân cây bắp kiểu dịng khí
đi xuống với ER = 0,18; 0,21; 0,24; 0,28; 0,32; 0,36 và 0,41 (Bảng 1.3).
Bảng 1.3 Kết quả của thực nghiệm hĩa khí thân cây bắp [44]
S NL KK KK/NL Thành phần khí tổng hợp (%) Tar LHV Gp η cấp cấp T ER T kg/h 3 /h 3/kg H2 CO CO2 CH4 CnHm O2 N2 mg/Nm3 MJ/m 3 3 /kg % Nm Nm Nm 1 8,3 10,7 1,29 0,18 6,91 11,35 23,93 1,27 0,98 1,64 48,58 7215 2,69 1,35 21,17 2 8,8 12,9 1,47 0,21 8,23 13,55 20,37 1,84 1,12 1,94 51,15 6852 3,32 1,47 28,46 3 9,4 15,7 1,67 0,24 10,92 16,72 16,48 2,98 1,27 1,63 52,73 6321 4,43 1,62 41,85 4 9,1 17,8 1,96 0,28 12,78 18,99 13,11 3,96 1,75 1,38 53,49 5686 5,3 1,81 55,94 5 9,5 21,4 2,25 0,32 13,51 19,81 11,58 3,72 1,62 0,81 55,67 5125 5,39 2,14 67,26 6 9,6 24,3 2,53 0,36 12,26 17,97 13,82 3,65 1,54 1,22 56,88 4873 4,99 2,53 73,61 7 9,9 28,5 2,88 0,41 10,58 15,16 18,41 1,57 1,31 1,64 59,71 4617 3,69 2,86 61,54 NL: Nhiên liệu; KK: Khơng khí;
Tác giả đã xác định được thành phần các khí CO, H2 và CH4 tăng khi hệ số khơng khí cấp ER = 0,18 đến ER = 0,32 và giảm khi hệ số khơng khí cấp ER > 0,32. Nhiệt trị của
khí tổng hợp đạt cao nhất khi ER = 0,32 là LHV = 5,39 MJ/Nm3, sản lượng khí tổng hợp thu được 2,14 Nm3/kg với hiệu suất hĩa khí đạt 67,26%.
Hayati và cộng sự [64] đã khảo nghiệm hệ thống hĩa khí gỗ dăm kiểu dịng khí đi xuống với hệ số khơng khí cấp ER = 0,2 đến 0,5 nhằm đánh giá nhiệt trị của khí tổng hợp và các khí thành phần. Kết quả khảo nghiệm cho thấy nhiệt trị của khí tổng hợp đạt cực đại LHV = 5,5 MJ/Nm3 khi ER = 0,35 khi đĩ phần trăm của khí CO = 24%; H2 = 13,5% và CH4 = 3,5%.
Chang và cộng sự [65] nghiên cứu hĩa khí một số phụ phẩm nơng nghiệp gồm như: thân cây bắp, cỏ khơ, rơm, bã mía và phụ phẩm cây nấm,… với các mức ER = 0,2; ER = 0,27 và ER = 0,34 trên hệ thống hĩa khí kiểu tầng sơi. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng hoặc khi hệ số khơng khí cấp bằng 0,34 thì sản lượng khí tổng hợp được đánh giá qua thành phần H2 và nhiệt trị khí tổng hợp giảm. Nguyên nhân được kết luận là do thành phần khí tổng hợp sinh ra được đốt cháy nhiều hơn khi lượng khơng khí cấp cao hơn. Bảng 1.4 cho thấy khi tăng ER thì phần trăm các khí CO, H2 và CH4 đều giảm. Thành phần khí CO đạt 12,13% khi ER = 0,2 và giảm cịn 8,38% khi ER = 0,34.
Bảng 1.4 Giá trị các khí thành phần ứng với ER khác nhau [65]
Thơng số Hệ số khơng khí cấp (ER)
0,2 0,27 0,34 Thành phần khí tổng hợp (%) H2 16,08 ± 2,29 13,50 ± 1,79 10,23 ± 2,96 N2 42,47 ± 4,37 45,42 ± 2,49 51,20 ± 4,45 CO 12,13 ± 2,04 11,21 ± 1,06 8,38 ± 1,68 CH4 4,21 ± 1,21 3,58 ± 0,85 2,21 ± 0,56 CO2 25,12 ± 0,80 26,30 ± 0,98 27,98 ± 0,49 Khí tổng hợp 28,21 24,71 18,61 Tốc độ khơng khí cấp (L/min) 11,16 13,91 15,43 Sản lượng khí (L/min) 5,16 5,91 5,43
Sản lượng khí tổng hợp (L/g sinh khối) 0,77 0,88 0,81
LHVkhí tổng hợp (MJ/Nm3) 8,3 7,61 6,05
Guo và cộng sự [66] thực nghiệm hĩa khí thân cây bắp được cắt cĩ độ dài từ 2 đến 5cm, nhiệt trị LHV = 15,527 MJ/kg trên thiết bị hĩa khí dịng khí đi xuống với hệ số khơng
khí cấp ER = 0,18 đến 0,37 nhằm đánh giá nhiệt trị, các thành phần của khí tổng hợp và lượng hắc ín hình thành. Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra nhiệt trị khí tổng hợp đạt cao nhất LHVmax = 5,4 MJ/Nm3 và hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 65% khi ER = 0,27. Lượng hắc ín thấp nhất 0,52 g/Nm3 khi ER = 0,32.
Son và cộng sự [23] đã thí nghiệm trong hệ thống hĩa khí dịng khí đi xuống, nhiên liệu hĩa khí là gỗ, sản phẩm khí tổng hợp dùng để chạy phát điện. Nhĩm tác giả kết luận nhiệt độ hĩa khí từ 700 – 1000oC; hệ số khơng khí cấp ER = 0,3 – 0,35; nhiệt trị thấp thu được là 1100 – 1200 kcal/Nm3; hiệu suất khí lạnh là 69 – 72%.
Makwana và cộng sự [67] nghiên cứu hĩa khí trấu trên hệ thống hĩa khí tầng sơi dùng CaMg(CO3)2 làm chất xúc tác. Nhiệt độ 750 – 850oC, tốc độ cấp liệu 25 - 31,3 kg/h và ER = 0,3 – 0,38. Kết quả nghiên cứu được về hiệu suất chuyển đổi carbon (CCE) là 91%, và khi ER tăng thì CCE giảm.
Hussein và cộng sự [24] đã nghiên cứu hĩa khí trấu trên bếp khi hĩa Belonio. ER = 0,2 – 0,4, tốc độ hĩa khí riêng SGR = 85 kg/m2h; chất lượng than sinh học được đánh giá thơng qua độ pH, chất bốc, carbon cố định và thành phần tro. Khi ER tăng thì SGR, chất bốc và than sinh học giảm, carbon cố định và pH tăng. Thu được sản lượng than sinh học khoảng 26% tại ER = 0,29.
Nhận xét:
Qua kết quả phân tích một số cơng trình nghiên cứu về thơng số cơng nghệ: cấu tạo hệ thống hĩa khí, ẩm độ, kích thước của nhiên liệu, nhiệt độ hệ thống, hệ số khơng khí cấp,… cĩ ảnh hưởng đến kết quả hĩa khí bao gồm: thành phần khí tổng hợp CO, CH4, H2, hệ số chuyển đổi năng lượng, thành phần than thu được,…
Các nghiên cứu về kết cấu hệ thống hĩa khí được thực hiện cách đây nhiều năm [43] [44] [45] [47]. Trong những năm gần đây các nghiên cứu về kỹ thuật hĩa khí thường tập trung vào việc nâng cao chất lượng khí tổng hợp và tỷ lệ chuyển đổi đổi năng lượng [62] [63].
Ẩm độ và kích thước nhiên liệu là 2 thơng số cơng nghệ được nhiều tác giả nghiên cứu. Ẩm độ và kích thước của nhiên liệu cĩ ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống hĩa khí, thành phần khí tổng hợp và hiệu suất hĩa khí [53-55, 57].
Nhiệt độ hĩa khí thường được nghiên cứu nằm trong khoảng T = 700oC - 1000oC [60-62], nhiệt độ của q trình hĩa khí cĩ ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất và chất lượng
khí tổng hợp. Hĩa khí sinh khối ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình để chuyển hĩa carbon và hiệu suất chuyển đổi năng lượng sẽ cao hơn.
Các nghiên cứu về thơng số cơng nghệ hệ số khơng khí cấp ER vào hệ thống hĩa khí từ 0,2 đến 0,4 là rất phổ biến [44, 64, 65]. Hệ số khơng khí cấp ER là một trong những thơng số cơng nghệ quan trọng trong q trình hĩa khí, hệ số khơng khí cấp phù hợp sẽ nâng cao hiệu suất hĩa khí và nhiệt trị của khí tổng hợp.
Nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối cùng với bảo vệ mơi trường và phát triển nơng nghiệp bền vững, một số nghiên cứu về hĩa khí gần đây quan tâm đồng thời hai sản phẩm là khí tổng hợp và than sinh học [31, 68, 69]. Tuy nhiên, đây chỉ là những nghiên cứu thực nghiệm xác định lượng than sinh học và thành phần khí tổng hợp, chưa thấy cơng bố liên quan đến nghiên cứu 2 thơng số cơng nghệ là nhiệt độ vùng khử và hệ số khơng khí cấp ảnh hưởng đến sản phẩm khí tổng hợp và than sinh học trong hệ thống hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống.