Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích tổng quan cho thấy cĩ rất nhiều cơng bố nghiên cứu về hĩa khí và đặc biệt là hĩa khí sinh khối Các nghiên cứu thường tập trung vào 2 lĩnh vực: Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hĩa khí [28, 33, 42, 49, 96, 97] và nghiên cứu về cơng nghệ hĩa khí [52-54, 59, 98, 99] Hiện nay các nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý
hĩa khí ít được thực hiện vì các cơng trình trước đây đã nêu ra hầu hết các nguyên lý cơ bản của q trình hĩa khí Các nghiên cứu được quan tâm nhiều hiện nay là nghiên cứu về cơng nghệ hĩa khí [61, 100] Vì vậy, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu về cơng nghệ của q trình hĩa khí
Các nghiên cứu trong và ngồi nước hiện nay chủ yếu tập trung nâng cao hiệu suất và chất lượng của khí tổng hợp mà ít quan tâm đến thành phần than sinh học thu được sau khi hĩa khí [61, 62] Khí tổng hợp được sử dụng để phát điện, cấp nhiệt cho thiết bị lị đốt, lị hơi hoặc phục vụ cho nhu cầu trong đời sống hằng ngày như đun nấu và sấy nơng sản [101] Các hệ thống hĩa khí phát điện đã triển khai ở Việt Nam đã cho thấy những nhược điểm sau: Chi phí sản xuất điện cao, vấn đề làm sạch khí để chạy động cơ phát điện rất phức tạp và tốn kém, nước thải trong q trình lọc khí nếu khơng được xử lý đúng cách sẽ ảnh hưởng rất lớn đến mơi trường [41] Vì vậy, cần lựa chọn giải pháp sử dụng khí tổng hợp hợp lý như đốt trực tiếp cho nhu cầu đun nấu, hoặc sấy nơng sản,… tại Việt Nam
Than sinh học đĩng vai trị quan trọng trong việc ứng dụng làm phân hữu cơ bĩn vào đất nhằm giúp đất tăng độ xốp, giữ nước và chất dinh dưỡng và hạn chế khí CH4 thốt ra mơi trường [82] Phương pháp sản xuất than sinh học phổ biến ở Việt Nam hiện nay là sử dụng kỹ thuật đốt gián tiếp, trong q trình đốt lượng khí thốt ra khơng sử dụng được vì thành phần và nhiệt trị quá thấp, điều này gĩp phần làm lãng phí nguồn năng lượng cĩ sẵn đồng thời các khí thải này cũng gây nên ơ nhiễm mơi trường [70]
Một số nghiên cứu về hĩa khí đã được thực hiện trong những năm gần đây cũng đã quan tâm đồng thời khí tổng hợp và than sinh học Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ tính tốn lượng than sinh học thu được bằng thực nghiệm mà chưa đưa vào bài tốn lý thuyết mơ hình cân bằng nhiệt động lực học để giải [94, 95]
Như đã phân tích ở phần trên, q trình hĩa khí phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Ẩm độ nhiêu liệu, nhiệt độ buồng hĩa khí hay hệ số khơng khí cấp ER,… Phương pháp hĩa khí cĩ thể được sử dụng để sản xuất đồng thời khí tổng hợp và than sinh học trên cơ sở lựa chọn và điều chỉnh một số thơng số cơng nghệ [31, 32] [68, 80, 81] Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ khảo sát hai thơng số là lượng khơng khí cấp và nhiệt độ buồng phản ứng mà cụ thể là nhiệt độ vùng khử để đánh giá ảnh hưởng đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học từ trấu tại ĐBSCL bằng thiết bị hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
2 1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng của nghiên cứu này là hệ thống hĩa khí sinh khối tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống (Hình 2 1)
Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống hĩa khí trấu dùng trong nghiên cứu
Nguyên lý hoạt động:
Trấu được vít tải cấp trấu cấp vào buồng phản ứng, tại buồng phản ứng trấu dịch chuyển từ trên xuống qua vùng sấy, vùng nhiệt phân, vùng cháy và vùng khử tạo ra khí tổng hợp và than sinh học Dựa vào nhiệt độ cài đặt mà than sinh học được bộ điều khiển mơ tơ gạt than ra khỏi vùng khử Than sinh học sau khi bị gạt xuống đáy buồng phản ứng được vít tải tháo than tải đến thùng chứa Trong quá trình hoạt động lượng khơng khí cấp được điều khiển bởi quạt hút, khơng khí cấp trực tiếp vào vùng cháy của buồng phản ứng Khí tổng hợp tạo thành và được quạt hút hút qua cyclone để lọc những tạp chất lớn, đến cụm làm mát để hạ nhiệt độ khí tổng hợp và qua cụm lọc tinh để lọc những tạp chất nhỏ cịn sĩt lại trước khi đưa ra ngồi qua béc đốt
Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu này là trấu của giống lúa IR 50404 vụ Đơng Xuân, thu được từ các nhà máy xay xát tại tỉnh Đồng Tháp
Giống lúa IR 50404 là giống được chọn lọc từ tập đồn giống nhập nội của IRRI, được cơng nhận giống theo Quyết định số 126 NN-KHCN/QĐ, ngày 21 tháng 5 năm 1992 của Bộ trưởng Bộ NN&PTNT Đây là giống lúa được trồng chủ yếu và chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất lúa gạo tại vùng ĐBSCL nên cũng là giống lúa cĩ lượng trấu hàng năm lớn nhất trong vùng
Khi xay xát, trấu chiếm khoảng 20% tổng khối lượng [33]: -
- - -
Độ ẩm của trấu sau khi xay khoảng 10% Khối lượng thể tích khoảng 100 kg/m3 Chiều dài trung bình: 6,74 mm
Tỷ lệ chiều dài/ chiều rộng là: 3,10
2 2 Phương pháp xác định các thơng số lý hĩa của trấu
2 2 1 Xác định khối lượng thể tích của trấu
Khối lượng thể tích là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên Được xác định bằng cơng thức:
ρtr = m trv0 (kg/m3) (2 1) Trong đĩ: ρtr : Khối lượng thể tích của trấu, kg/m3
mtr : Khối lượng trấu, kg
v0 : Thể tích lon chứa trấu, m3
Việc xác định khối thể tích của trấu nhằm phục vụ cho việc tính tốn các bộ phận chứa, thiết bị cung cấp và vận chuyển trấu trong hệ thống hĩa khí
2 2 2 Xác định ẩm độ
Ẩm độ của trấu được xác định theo cơng thức:
Ẩ� đ ộ��ấ�, % = �ℎố� �ượ�� ��ấ� (�ℎố� �ượ�� �ướ� ����� ��ấ��ℎấ� �ℎơ �à �ướ�) �100
Cĩ nhiều phương pháp xác định ẩm độ trấu, trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp tủ sấy theo tiêu chuẩn ASTM: E871 – 82
Như vậy ẩm độ (W) được tính theo cơng thức:
W= (m i −m f )
(mi−mc) x100 (2 2)
mi : Khối lượng ban đầu gồm trấu tươi và lọ, g mc : Khối lượng lọ, g
mf : Khối lượng cuối cùng gồm trấu khơ và lọ, g
2 2 3 Phân tích xác định các thành phần
Thành phần của trấu được phân tích xác định bao gồm: thành phần tro, chất bốc, carbon cố định
Phương pháp phân tích xác định thành phần tro (Ash) được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM: E1755 với thiết bị nung nhiệt độ cao (High temperature furnace) Trình tự thực hiện được tĩm tắt như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị 2 – 3g mẫu được nghiền mịn đạt khoảng 425 - 450 μm - Bước 2: Đun nĩng lị nung và lọ chứa mẫu ở 900oC, trong khoảng thời gian từ 5 đến 6 giờ, sau đĩ để nguội lọ chứa mẫu trong mơi trường hút ẩm và cân lọ chứa mẫu
- Bước 3: Cho 2 – 3g mẫu vào lọ chứa mẫu, xác định khối lượng và đặt vào lị - Bước 4: Cài đặt nhiệt độ ở 105oC cho đến khi khối lượng khơng thay đổi - Bước 5: Cài đặt nhiệt độ lị nung ở 800oC và duy trì trong 3 giờ
- Bước 6: Cài đặt nhiệt độ lị nung ở 900oC và tiếp tục duy trì trong 3 giờ - Bước 7: Cân xác định khối lượng cịn lại đĩ chính là lượng tro cần xác định Phương pháp phân tích xác định chất bốc (Volatile Matter) và carbon cố định (Fixed Carbon) được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM: E872 – 82 với thiết bị lị nung ống đứng (Vertical Electric Tube Furnace) Trình tự thực hiện được tĩm tắt như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị 2 – 3g mẫu được nghiền mịn đạt khoảng 425 – 450 μm - Bước 2: Đun nĩng lị nung và lọ chứa mẫu ở 900oC, trong khoảng thời gian từ 5 đến 6 giờ, sau đĩ để nguội lọ chứa mẫu trong mơi trường hút ẩm và cân lọ chứa mẫu
- Bước 3: Cho 2 – 3g mẫu vào lọ chứa mẫu, xác định khối lượng và đặt vào lị - Bước 4: Cài đặt nhiệt độ lị nung ở 950± 20 oC và duy trì trong 7 phút
- Bước 5: Tiếp theo để nguội mẫu trong mơi trường hút ẩm và xác định khối lượng cịn lại
Vậy chất bốc được xác định là lượng khí bốc ra trừ đi lượng ẩm đã được xác định trước đĩ
Carbon cố định được xác định như sau:
2 2 4 Phân tích xác định các nguyên tố C, H, O , N và S
Phân tích nguyên tố được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM: D5373 với thiết bị phân tích thành phần nguyên tố (Elementar Vario EL III, Varain Inc) Trình tự thực hiện được tĩm tắt như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị 1 – 5g mẫu được nghiền mịn gĩi lại bằng vật liệu thiếc - Bước 2: Điều chỉnh các thơng số: O2: 2 kg/cm2, He: 1150 - 1250 mbar (1,5kg/cm2)
- Bước 3: Cài đặt thơng số hoạt động của hệ thống: Nhiệt độ đốt 1020oC, Nhiệt độ khử 850oC
- Bước 4: Đặt mẫu vào cơ cấu cấp mẫu tự động và khởi động thiết bị, thời gian phân tích tối ưu là 10 phút
2 2 5 Xác định nhiệt trị của trấu
Nhiệt trị của trấu là lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hồn tồn một đơn vị khối lượng trấu với oxy, nhiệt trị của trấu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM: E711 với thiết bị bom nhiệt lượng (A bomb calorimeter) Trình tự thực hiện được tĩm tắt như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị 4 – 5 g mẫu được nghiền mịn, nén thành cục và 2 lít nước - Bước 2: Dùng 10 cm dây chì kết nối với 2 điện cực tiếp xúc với cốc nhiên liệu đặt trong bình chứa nhiên liệu
- Bước 3: Cung cấp oxy vào đầy bình chứa nhiên liệu và đặt bình chứa nhiên liệu vào trong bom nhiệt
- Bước 4: Rĩt 2 lít nước vào bom nhiệt và cài đặt hệ thống, khi nhiệt độ ổn định ta ghi nhiệt độ T1
- Bước 5: Đốt cháy nhiên liệu (khi nhiên liệu cháy sẽ truyền nhiệt làm cho dây chì nối 2 đầu điện cực bị đứt), nước sẽ hấp thụ nhiệt khi nhiên liệu cháy với oxy và tỏa nhiệt ra mơi trường nước xung quanh
- Bước 6: Khi nhiên liệu cháy hết và nhiệt độ trong bom nhiệt ổn định ta ghi nhiệt độ T2
Như vậy, đã xác định được nhiệt trị của trấu
Ngồi ra, khi cĩ bảng phân tích nguyên tố, cĩ thể ước lượng nhiệt trị bằng các cơng thức như của Mendeleev hay của Dulong-Petit
HHV [kJ/kg] = 338,58 * C% + 1254,0 * H% – 108,68 * O% + 108,68 * S% (2 3) với C% + H% + O% + N% + S% + Ash% + W% = 100%
Cơng thức Dulong-Petit (Perry & Green, 1997):
HHV [kJ/kg] = 337 * C% + 1428 * H% – 178,5 * O% + 95 * S%
2 2 6 Xác định nhiệt trị của khí tổng hợp
Nhiệt trị của khí tổng hợp được xác định bằng cơng thức sau [11, 88]:
LHVsyngas = xCH4LHVCH4 + xCOLHVCO + xH2LHVH2
(2 4)
(2 5) Trong đĩ: xCH4, xCO, xH2 lần lượt là phần trăm của khí CH4, CO và H2
LHVCH4 = 35,88 (MJ/Nm3) LHVCO = 12,63 (MJ/Nm3) LHVH2 = 10,78 (MJ/Nm3)
2 3 Phương pháp xây dựng mơ hình tốn hĩa khí trấu
Trong nghiên cứu này, tác giả áp dụng mơ hình cân bằng nhiệt động lực học Như đã trình bày phần tổng quan thì mơ hình này chỉ liên quan đến các phản ứng mà khơng liên quan đến cấu tạo, hình dáng của thiết bị Trước tiên cần lập phương trình phản ứng hĩa học tổng quát của hệ thống hĩa khí, sau đĩ kết hợp với các điều kiện giả thiết để thiết lập hệ phương trình với số phương trình tương ứng với số nghiệm cần tìm [2, 25]
- Phương pháp lập phương trình tổng quát: Để lập phương trình phản ứng hĩa học tổng quát cần xác định cơng thức hĩa học tổng quát của trấu, xác định tác nhân hĩa khí, xác định các sản phẩm của q trình hĩa khí [102, 103]:
+ Cơng thức hĩa học tổng quát của trấu được xác định trên cơ sở phân tích các
thành phần lý hĩa của trấu [92, 104]
+ Vì mục tiêu của nghiên cứu là hướng đến sử dụng hiệu quả năng lượng sinh
khối nhằm giảm khí thải ra mơi trường và phát triển nơng nghiệp bền vững ở vùng nơng thơn nên mơ hình hĩa khí phải đơn giản dễ sử dụng và tác nhân hĩa khí phải là khơng khí cĩ tỉ lệ N/O = 79/21
+ Sản phẩm của q trình hĩa khí gồm khí tổng hợp và than sinh học
- Phương pháp lập hệ phương trình:
+ Điều kiện cân bằng khối lượng của phương trình tổng quát, lập 03 phương trình:
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 [89, 105]
+ Điều kiện cân bằng nhiệt động, lập 02 phương trình: Phương trình cân bằng
phản ứng tạo khí methane và phương trình cân bằng phản ứng chuyển nước [29, 59]
+ Điều kiện cân bằng năng lượng lập 01 phương trình cân bằng năng lượng của
phương trình phản ứng hĩa học tổng quát [50]
2 4 Phương pháp giải hệ phương trình của mơ hình tốn
2 4 1 Phương pháp giải hệ phương trình theo Newton - Raphson
Phương pháp Newton – Raphson là một cách để nhanh chĩng tìm ra một xấp xỉ tốt cho nghiệm nguyên của một hàm cĩ giá trị thực f (x) = 0 Với ý tưởng rằng một hàm liên tục và cĩ thể phân biệt thì hàm đĩ cĩ thể được xấp xỉ bởi một đường thẳng tiếp tuyến với nĩ để ứng dụng vào việc giải một hệ phương trình Phương pháp này được rất nhiều tác giả sử dụng để giải hệ phương trình mơ tả q trình hĩa khí [91, 93, 104]
Phương pháp Newton–Raphson với một biến được thực hiện như sau: Phương pháp này bắt đầu với một hàm f được xác định qua số thực x, với đạo hàm f ′, và một số gần đúng x0 ban đầu sát với nghiệm của f Nếu chức năng đáp ứng các giả định được đưa ra trong cơng thức đạo hàm và số dự đốn ban đầu gần với nghiệm số, thì một phép xấp xỉ tốt hơn x1 là
�1 = �0 − �′(�0)� ( � 0 ) (2 6)
Về mặt hình học, (x1, 0) là điểm giao giữa trục x và tiếp tuyến của đồ thị của f tại (x0, f (x0))
Hình 2 2 Nghiệm của hệ phương trình theo Newton - Raphson
Quá trình được lặp lại với
��+1 = �� − � (�′(�) � � ) (2 7)
- Cho hàm số � = �(�) cĩ đồ thị như trên, yêu cầu đặt ra là tìm nghiệm của phương trình �(�) = 0
Hình 2 3 Ý tưởng của thuật tốn Newton-Raphson
- Tại điểm �(�0, �0) bất kì thuộc hàm f(x) ta cĩ các thơng tin sau:
+ Phương trình tiếp tuyến với điểm �(�0, �0) cĩ cơng thức:
(�): � = � ′(�0)(� − �0) + �0 (2 8)
+ Gĩc tạo bởi tiếp tuyến tại điểm �(�0, �0) và trục hồnh (Ox) cĩ giá trị �
được tính bằng cơng thức:
��� � = ���� (2 9)
+ Giả sử giao điểm của tiếp tuyến (d) và trục hồnh là điểm �1, ta nhận xét thấy
điểm này gần với nghiệm của phương trình �(�) = 0 Vì vậy nếu tìm được giá trị �1thì sẽ càng xấp xỉ tốt nghiệm của phương trình �(�) = 0 Làm thế nào tìm được giá trị �1 ?
- Ta cĩ một số mối liên hệ như sau:
� ′(�0) = ��� � = ���� = 0∆�� = �0
� −�0 (2 10)
- Từ đĩ ta suy ra được giá trị nghiệm tiếp theo được xác định bởi cơng thức:
�1 = �0 − �′(�0)� ( � 0 ) (2 11)
- Khi cĩ được giá trị �1, ta lại tiếp tục tính được giá trị �2và �2 càng gần với nghiệm của phương trình �(�) = 0
- thức:
Tổng quát, tại thời điểm thứ n, giá trị nghiệm tiếp theo được xác định với cơng
��+1 = �� − �′(��)� ( � � ) (2 13)
với sai số tương ứng là � ( � � )
�′(��)
- Cơng thức trên chính là cơng thức cập nhật nghiệm của thuật tốn Newton- Raphson và thường được viết dưới dạng ngắn gọn là:
��+1 = �� − �� (2 14)
với �� = �′(�� )� ( � � ) là sai số
Chi tiết thuật tốn được diễn giải như sau:
- Đầu vào của thuật tốn:
+ ε: sai số cho phép + N: số lần lặp
- Đầu ra của thuật tốn:
+ Vector nghiệm xn tìm được