Một số dụng cụ và thiết bị được dùng trong nghiên cứu như sau:
a Thiết bị xác định ẩm độ của trấu : Dùng thiết bị phân tích ẩm AND MX-50
Thiết bị phân tích ẩm AND MX-50 (Hình 2 9a) cĩ thơng số như sau: - Kích thước cân: Rộng * Dài * Cao = 215 * 320 * 173 mm - Trọng lượng: 6kg
- Trọng lượng mẫu lớn nhất : 51g - Độ chính xác: 0,001g
- Độ chính xác về độ ẩm: ± 0,10%
- Cơng nghệ sấy: đèn Halogen (Loại thẳng, Cơng suất 400W max, 5000h) - Nhiệt độ sấy: 50-200°C
b Thiết bị xác định độ tro của trấu: Lị nung FURNACE 48000 (Hình 2 9b)
- Kích thước lị nung : Rộng * Cao * Sâu = 336 * 480 * 495 mm - Kích thước buồng nung: Rộng * Cao * Sâu = 178 * 127 * 254 mm - Trọng lượng: 25 kg
- Nhiệt độ nung: 100 – 1200oC - Độ chính xác: ± 2oC
a Thiết bị AND MX-50 b Lị nung Furnace 48000 c Cân CX 301
Hình 2 9 Thiết bị thí nghiệm 1
c Cân điện tử 4 số (Hình 2 9c)
- Model: CX 301
- Khối lượng tối đa: 300g - Sai số: 0,0001g
- Nhiệt độ: 10- 40oC - Xuất xứ: Ấn Độ
d Nhiệt kế và đầu dị (Hình 2 10a)
Nhiệt kế dùng trong nghiên cứu này là loại nhiệt kế kỹ thuật số kênh đơi 6802 II với đầu dị cảm biến cặp nhiệt điện 2K của Ω thang đo từ 0 đến 1300oC, độ chính xác ±1oC
a Nhiệt kế kỹ thuật số kênh đơi 6802 II và đầu dị Ω
b Thiết bị phân tích nguyên tố Vario EL III
c Testo 400 với ống pitot
Hình 2 10 Thiết bị thí nghiệm 2
e Thiết bị phân tích ngun tố (Hình 2 10b)
- Kích thước: Rộng * Cao * Sâu = 480 * 570 * 550 mm - Phân tích 5 thành phần: C H O N S
- Khối lượng mẫu: 50 mg - Thang đo: 0 – 100%
- Độ chính xác: ± 0,001%
f Thiết bị đo lưu lượng khơng khí cấp (Hình 2 10c)
Để đo lưu lượng khơng khí thực cung cấp vào hệ thống, trong nghiên cứu này dùng thiết bị đo Testo 400 với ống pitot
Testo 400 là một thiết bị dùng để đo các tham số khơng khí trong đĩ cĩ các phép đo về lưu lượng, vận tốc giĩ Độ chính xác của lưu lượng ± 0,1 m3/h và độ chính xác của vận tốc là ± 0,01 m/s Thiết bị đo testo 400 rất thuận tiện và tuân thủ các tiêu chuẩn về cơng nghệ đo lường chất lượng cao, trực quan
g Thiết bị phân tích khí tổng hợp (syngas)
Thiết bị phân tích khí trực tiếp GASBOARD 3100P được sử dụng để xác định các thành phần khí: H2, CO, CO2, CH4, CmHn, O2 và nhiệt trị khí sinh ra GASBOARD 3100P là một thiết bị cĩ độ chính xác cao, thời gian phản hồi ngắn, vận hành đơn giản [106]
Hình 2 11 Thiết bị phân tích khí trực tiếp GABOARD 3100P Bảng 2 1 Thành phần khí tổng hợp được phân tích bằng Gasboard 3100P
Thành phần CO2 CO H2 O2 CH4 CnHm Thang đo 0 ⁓ 60% 0 ⁓ 40% 0 ⁓ 40% 0 ⁓ 25% 0 ⁓ 20% 0 ⁓ 10% Độ chính xác ±1% ±1% ±1% ±1% ±1% ±1%
Thiết bị phân tích khí tổng hợp Gasboard 3100P được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau từ quy mơ nghiên cứu trong phịng thí nghiệm đến quy mơ cơng nghiệp, bao gồm lĩnh vực sản xuất năng lượng: Sinh khối hoặc hĩa khí/nhiệt phân than; Chất thải thành năng lượng
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3 1 Kết quả xác định các thơng số lý hĩa của trấu IR 50404
Các thơng số lý hĩa của trấu IR 50404 được thực hiện tại phịng nghiên cứu Năng lượng tái tạo, khoa Cơ khí Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM, Việt Nam và Trung tâm nghiên cứu năng lượng Sinh khối, Khoa Lâm nghiệp, trường Đại học Quốc Gia Chung Hsing, Đài Loan
Trong đĩ, khối lượng thể tích và ẩm độ của trấu được thực hiện tại phịng nghiên cứu Năng lượng tái tạo, khoa Cơ khí Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM
a Xác định khối lượng thể tích b Xác định ẩm độ c Mẫu thí nghiệm
Hình 3 1 Thực nghiệm xác định thơng số lý hĩa của trấu tại Việt Nam
Các thơng số lý hĩa của trấu như: độ tro, chất bốc, carbon cố định, nhiệt trị và thành phần các nguyên tố được phối hợp với Trung tâm nghiên cứu năng lượng Sinh khối, Khoa Lâm nghiệp, trường Đại học Quốc Gia Chung Hsing, Đài Loan phân tích
a Xác định độ tro b Cân mẫu c Phân tích ngun tố
Kết quả phân tích các thơng số lý hĩa của trấu IR 50404 được trình bày tĩm tắt trong bảng sau (Kết quả chi tiết được trình bày tại Phụ lục 1):
Bảng 3 1 Kết quả phân tích thơng số lý hĩa của trấu IR 50404
Thơng số Giá trị Khối lượng thể tích (kg/m3) 100,42 ± 1,49 Nhiệt trị (MJ/kg) 15,55 ± 0,46 Phân tích nguyên tố (%) C H O N S Khác 41,26 ± 0,46 4,75 ± 0,16 35,46 ± 0,68 0,48 ± 0,05 0,01 ± 0,005 18,04 ± 0,28 Phân tích thành phần (%) Chất bốc Carbon cố định 58,28 ± 0,34 13,98 ± 0,32 Ẩm độ Tro 9,99 ± 0,76 17,71 ± 0,37
Thực hiện tại phịng nghiên cứu Năng lượng tái tạo, khoa Cơ khí Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM
Thực hiện tại Biomass Energy Research Lab, National Chung Hsing University, Taiwan
3 2 Xây dựng và giải mơ hình tốn hĩa khí trấu
Mơ hình hĩa khí trấu
Ngun lý hoạt động của mơ hình hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống như sau: Trấu được cung cấp vào buồng phản ứng từ phía trên và dịch chuyển dần xuống vùng sấy và vùng nhiệt phân đến vùng cháy Khơng khí cấp vào thiết bị tại vùng cháy, do lượng khơng khí cấp thấp khi ER = 0,2 ÷ 0,4 nên tại vùng này xảy ra hiện tượng cháy yếm khí và hình thành khí tổng hợp [11, 20] Khí tổng hợp sau khi được hình thành sẽ di chuyển qua vùng khử trước khi ra khỏi thiết bị Vì khí tổng hơp đi qua vùng khử cĩ nhiệt độ cao nên hắc ín
(tar) trong khí tổng hợp được khử gần như hồn tồn [50] Vì lý do này mà tất cả các loại hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống cĩ hàm lượng hắc ín rất thấp
Hình 3 3 Mơ hình buồng phản ứng của hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống
Từ mơ hình buồng phản ứng của hệ thống hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống nêu trên, phương trình tổng qt được xây dựng với các giả thiết và điều kiện như sau:
- -
Trấu cĩ độ đồng nhất về tính chất lý hĩa
Khơng khí cung cấp vào hệ thống hĩa khí trấu là khơng khí cĩ tỉ lệ khí
nitrogen/oxygen là 79/21; nhiệt độ 25oC; ẩm độ tương đối 75%; áp suất 1 atm [107] Giả sử trong q trình thí nghiệm khơng khí cấp luơn ở cùng nhiệt độ, ẩm độ và áp suất
- Các phản ứng xảy ra trong hệ thống hĩa khí trấu ở điều kiện cân bằng nhiệt động lực học [91, 94]
- - -
Tất cả các khí trong các phương trình phản ứng được xem là khí lý tưởng [93] Nitrogen khơng tham gia vào bất kỳ phản ứng hĩa học nào bên trong hệ thống [94] Sản phẩm của hệ thống hĩa khí trấu là các khí: hydrogen (H2), carbon dioxide (CO2), nước (H2O), methane (CH4), carbon monoxide (CO), nitrogen (N2) và than sinh học (C) [24];
- Trong thiết bị hĩa khí theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống hàm lượng hắc ín là rất thấp <1 g/Nm3 [11] Vì vậy, trong nghiên cứu này giả thiết hắc ín khơng hình thành trong q trình hĩa khí
Xây dựng m ơ hình tốn hĩa khí trấu
Mơ hình tốn của hệ thống hĩa khí trấu được xây dựng trên cơ sở cân bằng hĩa lý Sản phẩm của q trình hĩa khí bao gồm khí tổng hợp và than sinh học Vì vậy, khơng phải tất cả carbon tham gia vào các phản ứng cân bằng để tạo khí
Hình 3 4 Hộp đen mơ tả q trình hĩa khí trấu
Mơ hình tốn q trình hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống được sử dụng trong nghiên cứu này là mơ hình cân bằng nhiệt động lực học Đây là mơ hình cân bằng hĩa học giả định các phản ứng của hệ đạt cân bằng mà khơng quan tâm đến hình dạng và kích thước của thiết bị Mơ hình này cĩ ý nghĩa cho hệ thống phịng thí nghiệm giúp khảo sát các thơng tin về thành phần hĩa học và nhiệt trị của sản phẩm, vì nĩ khơng bị ảnh hưởng nhiều của các yếu tố kỹ thuật như truyền nhiệt, truyền khối, thủy lực,… Mơ hình giúp đơn giản q trình tính tốn vì khơng cần tính tốn các q trình riêng lẻ như sấy, nhiệt phân, oxy hĩa và khử mà gộp lại thành một hệ phương trình dựa vào cân bằng hĩa lý (cân bằng khối lượng, năng lượng và cân bằng hĩa học giả định hệ lý tưởng) Mơ hình cĩ thể giúp khảo sát các thành phần sản phẩm khi thay đổi lượng khơng khí cấp, nhiệt độ vùng khử, đặc tính nguyên liệu,… Trong mơ hình này, trấu cĩ các thành phần C, H, O và lượng chứa ẩm là wH2O; thơng số cơng nghệ thứ nhất được lựa chọn trong nghiên cứu của mơ hình là lượng khơng khí cấp (thơng qua hệ số khơng khí cấp ER) gồm mO2, 3,76mN2 và lượng chứa ẩm của khơng khí cấp là qH2O và thơng số cơng nghệ thứ hai được đưa vào nghiên cứu là nhiệt độ vùng khử T2 Thơng số cơng nghệ là “thời gian” khơng đưa vào nghiên cứu vì thơng số cơng nghệ “thời gian” phụ thuộc với thơng số cơng nghệ nhiệt độ vùng khử Sản phẩm của
q trình hĩa khí là khí tổng hợp gồm H2, CO, CH4, CO2, H2O và than sinh học (C – carbon khơng tham gia phản ứng)
Tĩm lại, từ các nghiên cứu được trích dẫn phần tổng quan cho thấy sinh khối là phụ phẩm nơng nghiệp thì thường được xác định cĩ 3 thành phần nguyên tố chính là carbon, hydrogen và oxygen [93-95] Bên cạnh đĩ, trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành phân tích thành phần nguyên tố của trấu (kết quả được trình bày trong phần 3 1) cho thấy hàm lượng N và S của trấu đều < 1% Vì vậy, tác giả xác định cơng thức hĩa học tổng quát của trấu là CHaOb Sản phẩm của q trình hĩa khí sinh khối được xác định gồm 3 thành phần gồm: khí tổng hợp được tạo ra từ 13 phương trình phản ứng điển hình [11], tar (hắc ín) và than Tuy nhiên, tùy theo cơng nghệ và mục tiêu của nghiên cứu mà các tác giả đã giả thiết sản phẩm của q trình hĩa khí được đưa ra Nhiều nghiên cứu giả thiết rằng sản phẩm của q trình hĩa khí gồm H2, CO, CO2, H2O và CH4 [91, 93] vì các nghiên cứu chỉ quan tâm đến hiệu suất, thành phần và chất lượng của khí tổng hợp và đồng thời để đơn giản trong quá trình giải bài tốn lý thuyết Bên cạnh đĩ cũng cĩ một số tác giả đưa ra giả thiết sản phẩm của hĩa khí sinh khối gồm H2, CO, CO2, H2O, CH4 và than [94, 104]
Từ các kết quả nghiên cứu, phân tích ở phần tổng quan và kết quả phân tích thành phần nguyên tố của trấu, kế thừa [91, 93-95, 104] tác giả sử dụng phương trình tổng qt hĩa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống như sau:
CHaOb + wH2O(l) + qH2O(g) + mO2 + 3,76mN2 → n1C+ n2H2 + n3CO + n4CO2 + n5H2O + n6CH4 + 3,76mN2
Trong đĩ:
a : số nguyên tử hydro của trấu; b : số nguyên tử oxy của trấu; w : số mol của nước trong trấu;
q : số mol của nước trong khơng khí;
m : số mol của Oxygen; 3,76m : số mol của Nitrogen
n1: Số mol của C (biochar) n2: Số mol của khí H2
n3: Số mol của khí CO n4: Số mol của khí CO2 n5: Số mol của hơi H2O
n6: Số mol của khí CH4
Các thơng số a, b và w cĩ được từ kết quả phân tích thành phần và phân tích nguyên tố của trấu Thơng số q và m cĩ được từ lượng khơng khí cấp cho hệ thống hĩa khí
Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây khơng giải bài tốn lý thuyết để xác định số mol của carbon sau phản ứng mà chỉ tính lượng carbon cịn lại bằng các cơng thức thực nghiệm Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả sẽ xây dựng hệ phương trình và giải bài tốn lý thuyết nhằm xác định thành phần carbon sau phản ứng của phương trình tổng quát
Để giải phương trình tổng quát (3 1) cĩ 6 ẩn số n1, n2, n3, n4, n5, n6, cần phải lập được hệ gồm 6 phương trình, các phương trình được lập như sau:
- 03 phương trình cân bằng khối lượng: phương trình cân bằng khối lượng của carbon, phương trình cân bằng khối lượng của hydro và phương trình cân bằng khối lượng của oxy:
- Phương trình cân bằng carbon:
n1 + n3 + n4 +n6 = 1 (3 2)
- Phương trình cân bằng hydrogen:
2n2 + 2n5 + 4n6 = a + 2(w+q) (3 3)
- Phương trình cân bằng oxygen:
n3 +2n4+ n5 = b + w + q + 2m (3 4)
- 02 phương trình cân bằng nhiệt động: Giả thiết tất cả các phản ứng đều ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học Phương trình cân bằng nhiệt động phản ứng tạo khí methane và phương trình cân bằng nhiệt động phản ứng chuyển nước
- Phản ứng tạo khí methane (methane formation): C + 2H2 ⇋ CH4
Phản ứng Boudouard: C + CO2 ⇋ 2CO
Phản ứng Nước – khí: C + H2O ⇋ CO + H2 Phương trình (3 6) và (3 7) cĩ thể được viết thành:
(3 5) (3 6) (3 7)
- Phản ứng chuyển nước (water – gas shift reaction):
CO + H2O ⇋ CO2 + H2 (3 8)
Giả thiết các khí được tạo ra là khí lý tưởng và các phản ứng xảy ra ở áp suất khí quyển Từ hai phương trình cân bằng nhiệt động cho phản ứng (3 5) và phản ứng (3 8), xác định:
- Hệ số cân bằng cho phản ứng (3 5) là: K1 = exp [− ̅̅̅̅ RT ]= n6 (n2)2 (3 9) ∆G̅̅0T̅
̅̅ T R = 8,314 kJ/kmolK là hằng số khí lý tưởng T là nhiệt độ của vùng phản ứng - Hệ số cân bằng cho phản ứng (3 8) là: K2 = exp [− ̅̅̅̅ RT ]= n 2 n 4 n3n5 (3 10)
- 01 phương trình cân bằng năng lượng của hệ thống Giả thiết q trình hĩa khí là q trình đoạn nhiệt Ta cĩ, phương trình cân bằng năng lượng cho q trình hĩa khí như sau:
o o o o o o o o o o o o
∆T(n1CPC + n2CPH2 + n3CPCO + n4CPCO2 + n5CPH2O + n6CPCH4 + 3,76mCPN2 ) (3 11)
Ở điều kiện tiêu chuẩn thì:
o o o o Vậy phương trình (3 11) là: o o o o o o o n6CPCH4 + 3,76mCPN2 ) (3 12) Trong đĩ: o o
H(k): nhiệt lượng làm bốc hơi nước; o
o o o
CPC, CPH2 , CPCO, CPCO2 , CPH2O, CPCH4 và CPN2 : nhiệt dung riêng của carbon và của các khí thành phần;
∆T = T2 − T1, T2 : nhiệt độ vùng khử; T1 : nhiệt độ mơi trường
dHtrau + wdHH2O(l) + qdHH2O(k) = n1dH� + n2dHH2 + n3dHCO + n4dHCO2 +
n5dHH2O(k) + n6dHCH4 + 3,76mdHN2 (3 13)
∆
̅̅ G̅̅0̅ là hàm Gibbs tiêu chuẩn
∆G̅̅0T̅
Hftrau + w(HfH2O(l) + H(k)) + q(HfH2O(k) + H(k)) + mHfO2 + 3,76mHfN2 = n1HfC + n2HfH2 + n3HfCO + n4HfCO2 + n5HfH2O(k) + n6HfCH4 + 3,76mHfN2 +
HfC, HfH2 , HfN2 , HfO2 = 0
Hftrau + w(HfH2O(l) + H(k)) + q(HfH2O(k) + H(k)) = n3HfCO + n4HfCO2 + n5HfH2O(k) + n6HfCH4 + ∆T(n1CPC + n2CPH2 + n3CPCO + n4CPCO2 + n5CPH2O +
Hftrau: nhiệt hình thành của trấu;
HfH2O(l): nhiệt hình thành của dung dịch nước;
HfH2O(k): nhiệt hình thành của hơi nước;
Trong đĩ: dH(khi) = Hfo + ∆H, ∆H = ∆T(Cp(g)) (3 14)
o o o
Như vậy, hệ phương trình biểu diễn q trình hĩa khí trấu gồm 6 phương trình (3 2), (3 3), (3 4), (3 9), (3 10) và (3 13) với 6 ẩn số là n1, n2, n3, n4, n5 và n6 được lập như sau:
n1 + n3 + n4 + n6 = 1 2n2 + 2n5 + 4n6 = a + 2(w + q) n3 + 2n4 + n5 = b + w + q + 2m n6 2 n 2 n 4 n3n5
dHtrau + wdHH2O(l) + qdHH2O(k) = n1dHC + n2dHH2 + n3dHCO + n4dHCO2
(3 15)
{ n5dHH2O(k) + n6dHCH4 + 3,76mdHN2
Trong đĩ:
a, b, w, dHtrau, dHH2O(l), dHH2O(k) là các hằng số
q, m, K1, K2, dHC, dHH2 , dHCO, dHCO2 , dHH2O, dHCO2 , dHCH4 , dHN2 là các tham số được xác định khi biết giá trị ER, T2
Giải mơ hình tốn hĩa khí trấu
Từ hệ phương trình (3 15) đã xây dựng và kết quả kiểm tra mơ hình tốn hĩa khí trấu phù hợp nêu trên, tiến hành giải mơ hình tốn hĩa khí trấu với các thơng số cơng nghệ khác nhau Các bước tiến hành giải mơ hình tốn được thực hiện như sau:
3 2 3 1 Xác định các hằng số và tham số của hệ phương trình
Các hằng số a, b, w, dHtrau, dHH2O(l), dHH2O(k) của hệ phương trình (3 15) được xác