d Giai đoạn 4 (khử)
Trong quá trình khử, các phản ứng xảy ra yêu cầu một lượng nhiệt khá lớn Sau quá trình cháy, các sản phẩm sinh ra qua than nĩng đỏ, ta cĩ các phản ứng:
C + CO2 ⇋ 2CO + 172,6 kJ/mol (phản ứng Boudouard)
C + H2O ⇋ CO + H2 + 131,4 kJ/mol CO2 + H2 ⇋ CO + H2O + 41,2 kJ/mol C + 2H2 ⇋ CH4 – 74,9 kJ/mol CO + H2O ⇋ CO + H2 (1 6) (1 7) (1 8) (1 9) (1 10) 1 1 3 Cơng nghệ hĩa khí
Dựa trên thiết kế của hệ thống hĩa khí, quá trình di chuyển của nhiên liệu và sản phẩm khí để chia ra các loại cơng nghệ hĩa khí khác nhau [37] Về tổng thể thì chia thành
3 loại cơng nghệ hĩa khí chính: Hệ thống hĩa khí cuốn theo dịng (Entrained flow), Hệ thống hĩa khí theo tầng (Moving bed) và Hệ thống hĩa khí tầng sơi (Fluidized bed)
a b c
Hình 1 4 Phân loại hệ thống hĩa khí theo tầng [37]
Với hệ thống hĩa khí theo tầng chia thành 3 loại: Updraft, Downdraft và Crossdraft - Updraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi lên” (Hình 1 4a) Loại này thích hợp cho sinh khối rắn cĩ hàm lượng tro cao (trên 25%), độ ẩm lớn (trên 20%), cũng thích hợp cho nguyên liệu dễ bay hơi như than Ưu điểm: tổn thất áp suất thấp, hiệu suất nhiệt tương đối cao, ít cĩ khả năng tạo xỉ lỏng Nhược điểm: tạo ra nhiều keo - nhựa, khả năng thay đổi tải kém
- Downdraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi xuống” xun qua vùng khử (Hình 1 4b) Vì dịng khí đi qua vùng cĩ nhiệt độ cao nên nhựa trong khí được vơ hiệu hĩa Cũng vì lý do này mà tất cả các loại dịng khí đi xuống cĩ hàm lượng nhựa rất thấp Ưu điểm: Khả năng tạo ra dịng khí chứa rất ít keo nhựa phù hợp để làm nhiên liệu cho các động cơ Nhược điểm: Nhiệt trị của khí tổng hợp thấp, hàm lượng ẩm trong nhiên liệu đầu vào phải < 20%
- Crossdraft: là hệ thống hĩa khí cĩ “dịng khí đi chéo” xuyên qua vùng cháy và khử (Hình 1 4c) Một đặc tính quan trọng của loại hĩa khí này là vùng phản ứng tương đối nhỏ với cơng suất nhiệt thấp, cho phép thời gian hĩa khí nhanh hơn các loại hĩa khí kiểu di chuyển khác Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, lượng keo nhựa trong sản phẩm khí ít, thời gian khởi động ngắn nên tạo khí ga rất nhanh, cĩ khả năng thay đổi tải linh động Nhược điểm: Nhiệt độ làm việc cao nên dễ tạo xỉ lỏng và khĩ trong việc chọn vật liệu chế tạo, vận tốc khí ra thường lớn, khả năng chuyển đổi keo nhựa thấp nên yêu cầu nhiên liệu cĩ chất lượng cao
Nhận xét
Việt Nam cĩ nguồn năng lượng sinh khối trấu rất lớn, đặc biệt tập trung ở khu vực Đồng bằng Sơng Cửu Long gần 5 triệu tấn/năm [19]
Hĩa khí là q trình chuyển đổi nhiệt của nhiên liệu từ thể rắn sang thể khí thơng qua việc đốt cháy nhiên liệu khơng hồn tồn trong thiết bị được gọi là thiết bị hĩa khí [34-36]
Cĩ 3 cơng nghệ hĩa khí chính: Hĩa khí ngang dịng, hĩa khí theo tầng và hĩa khí tầng sơi Trong đĩ, hĩa khí theo tầng được chia làm 3 loại: dịng khí đi lên, dịng khí đi xuống và dịng khí đi chéo Một hệ thống hĩa khí thường gồm 4 giai đoạn: Sấy, nhiệt phân, đốt cháy và khử Mỗi giai đoạn cĩ những đặc tính riêng, việc thay đổi thơng số cơng nghệ sẽ tác động đến chất lượng khí tổng hợp và các sản phẩm khác của q trình hĩa khí [37]
1 2 Tổng quan về hệ thống hĩa khí sinh khối
1 2 1 Một số hệ thống hĩa khí sinh khối ở Việt Nam
Rất nhiều các nhà khoa học, các Viện, Trường quan tâm đến việc nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ hĩa khí vào thực tế tại Việt Nam trong những năm gần đây Các kết quả nghiên cứu cho thấy các nhà khoa học Việt Nam hồn tồn cĩ thể chủ động nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cơng nghệ này trong cơng nghiệp và đời sống [38]
Hiện nay sinh khối vẫn cịn được sử dụng để đun nấu, sấy nơng sản tại các vùng nơng thơn Việt Nam, tuy nhiên việc sử dụng sinh khối cho đun nấu, sấy nơng sản tạo ra nhiều khĩi thải, bụi, Để hạn chế các nhược điểm trên, các bếp hĩa khí sinh khối quy mơ hộ gia đình đã được áp dụng và đem lại hiệu quả thiết thực
Đỗ Hữu Hồng và cộng sự đã nghiên cứu cơng nghệ đốt trấu hố khí và tính tốn, thiết kế, chế tạo bếp đun bằng trấu hố khí quy mơ hộ gia đình theo cơng nghệ tầng cố định loại dịng khí đi xuống tại Thành phố Cần Thơ (Hình 1 5)
Phan Hiếu Hiền và các cộng sự Trường ĐHNL Tp HCM đã nghiên cứu một hệ thống hĩa khí củi vụn cĩ chiều dài 20 – 40mm với lượng tiêu thụ 2,5 kg/h đạt cơng suất 1,8 kW Đây là hệ thống hĩa khí tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống với kết cấu đỉnh hở, làm việc liên tục; khí tổng hợp được lọc ướt và lọc khơ trước khi đưa đến động cơ diesel (Hình 1 6) Sau quá trình thực nghiệm nhĩm tác giả đã khẳng định hệ thống làm việc chưa ổn định vì phải thường xuyên dừng hệ thống để thay đổi lọc khơ; ngồi ra củi cĩ kích thước 20 – 40mm khi cho vào buồng phản ứng cĩ cĩ hiện tượng bị nghẹt vùng cháy làm hệ thống khơng hoạt động; khơng cĩ thiết bị phân tích khí tổng hợp nên chưa đánh giá được nhiệt trị và chất lượng thành phần khí tổng hợp; tỷ lệ thay thế nhiên liệu 27% là thấp so với các cơng bố phổ biến > 60%
Hệ thống hĩa khí trấu theo cơng nghệ hĩa khí tầng sơi của tác giả Ngơ Chí [39] đã được thiết kế chế tạo và khảo nghiệm tại Trường ĐHNL Tp HCM Tác giả đã đưa ra kết quả là mối quan hệ lưu lượng khơng khí cấp và lượng tiêu thụ trấu với thành phần CO của khí tổng hợp Điểm hạn chế của nghiên cứu này là chưa đánh giá được tất cả các thành phần khí tổng hợp mà chỉ đánh giá mỗi thành phần CO một cách gián tiếp (Hình 1 7)
Hình 1 7 Hệ thống khí tầng sơi [39] Hình 1 8 Hệ thống hĩa khí trấu 3 - 6 kW [40]
Trần Văn Tuấn và cộng sự [40] Trường ĐHNL Tp HCM đã cơng bố nghiên cứu một hệ thống hĩa khí trấu theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống để phát điện 3 - 6 kW (Hình 1 8) Trấu sử dụng cho nghiên cứu là trấu thuộc khu vực ĐBSCL, hai yếu tố tác giả nghiên cứu là vận tốc giĩ bề mặt và gian cách tháo tro để đánh giá tốc độ hĩa khí
riêng và tỉ lệ thay thế diesel cho động cơ Tác giả đã xác định được mối quan hệ tốc độ hĩa khí riêng, cơng suất phát điện và phần trăm thay thế diesel với vận tốc giĩ bề mặt và gian cách tháo tro Tuy nhiên, nghiên cứu chưa phân tích thành phần lý hĩa của nguyên liệu, chưa xác định được các thành phần và nhiệt trị của khí tổng hợp
Việc ứng dụng quy trình hĩa khí sinh khối ở quy mơ cơng nghiệp vẫn được triển khai hạn chế vì những khĩ khăn về cơng nghệ và chi phí đầu tư
Cơng ty TNHH một thành viên gốm Tân Mai, xã Tân Phú Đơng, TP Sa Đéc, tỉnh Đồng Tháp đã ứng dụng kỹ thuật hầm nung gạch, gốm kết hợp thiết bị hĩa khí từ trấu (80 - 100 kg/h, cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống) vào sản xuất nhằm giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm Đặc biệt, các thơng số khí thải sau khi đốt thải ra mơi trường: CO, NOx, SO2, HF, bụi đạt được tiêu chuẩn Việt Nam (QC VN 05:2009/BTNMT) Khắc phục được gần như hồn tồn khĩi bụi gây ơ nhiễm mơi trường so với bếp truyền thống Tuy nhiên , chi phí đầu tư quá cao , khĩ cĩ thể áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất gạch , gốm vừa và nhỏ hiện nay (Hình 1 9)
Hình 1 9 Mơ hình hệ thống hĩa khí trấu
nung gốm ở Đồng Tháp
Hình 1 10 Hệ thống hĩa khí trấu kết hợp
động cơ diesel 150 kW [41] Bùi Trung Thành và cộng sự [41] đã nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo 01 hệ thống hĩa khí theo cơng nghệ tầng cố định loại dịng khí đi xuống, cung cấp năng lượng cho các tổ hợp xay xát lúa cơng suất 6 - 10 tấn/giờ Đây là một hệ thống hĩa khí trấu với tỉ lệ hĩa khí riêng 201,64 – 252,05 kg/m2 h, lượng tiêu hao nhiên liệu riêng 2,27 kg/kWe (tiêu thụ trấu 200 – 250 kg/h), tốc độ hĩa khí 2,46 Nm3/h/kWe, cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel phát điện cơng suất 150 kW, tỉ lệ thay thế diesel > 60% và đưa vào ứng dụng tại Xí nghiệp xay xát và chế biến lương thực số 1, Cơng ty lương thực Tiền Giang tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang (Hình 1 1 0)
1 2 2 Một số hệ thống hĩa khí sinh khối của thế giới
Bếp hĩa khí Robert Stickney [28], được tác giả nghiên cứu ứng dụng trong một chương trình hợp tác của IRRI về trang thiết bị cho vùng nơng thơn ở Philippines Bếp cĩ thiết kế theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi lên gồm một buồng chứa vỏ trấu được hĩa khí, khí tổng hợp sinh ra đi lên qua một cuộn ống xoắn bên trong một bộ trao đổi nhiệt bằng nước trước khi khí tổng hợp được đưa tới béc đốt bởi quạt (Hình 1 11) Kết quả thử nghiệm cho thấy thời gian cháy kéo dài từ 0,98 đến 1,25 giờ, lượng vỏ trấu tiêu thụ từ 1,96 – 2,72 kg
Hình 1 11 Bếp hĩa khí ở Philippines [28] Hình 1 12 Sơ đồ hệ thống hĩa khí trấu
kiểu tầng sơi Hệ thống hĩa khí trấu kiểu tầng sơi tại Philippines (Hình 1 12), bao gồm buồng hĩa khí tầng sơi, hệ thống làm sạch khí, hệ thống phát điện chạy bằng động cơ Diesel Tốc độ trấu cấp 13,5-15,8 kg/h Nhiệt độ trong lị 787-843oC Hiệu suất lị 66% Tro thải ra 19- 23% Khí tổng hợp được cho qua lọc cyclone, lọc ướt và lọc khơ trước khi cấp vào động cơ Lượng khí sinh ra cĩ thể thay thế 35-57% lượng dầu để chạy động cơ
1 Buồng đốt 2 Tải tro 3 Cấp khí thứ 3 4 Khí sơ cấp 5 Quạt cấp trấu 6 Phễu chứa trấu 7 Quạt cấp khơng khí 8 Khơng khí thứ cấp 9 Cánh điều chỉnh 10 Ống dẫn khí 11 Quạt hút
Hệ thống hĩa khí trấu cơng suất 120-150 kg/h lắp đặt cùng máy sấy tầng sơi 10 tấn/h tại Thái Lan (Hình 1 13) Kích thước buồng đốt cĩ đường kính 1370 mm Hiệu suất lị đạt 50-58% Ưu điểm: lị khơng ghi nên giảm được việc thay thế này bởi vì ghi lị rất mau hỏng Cấp trấu bằng khí động nên giảm việc cấp trấu thủ cơng
Panwar và cộng sự [42] đến từ khoa Năng lượng Tái tạo, trường Đại học Nơng nghiệp và Cơng nghệ Maharana Pratap, Ấn độ đã nghiên cứu thiết kế hệ thống hĩa khí quy mơ nơng hộ Cơng suất của hệ thống hĩa khí 5kW, nhiệt độ hoạt động 712oC và hiệu suất đạt 36,38% so với bếp truyền thống hiệu suất khoảng 30% Vì vậy, nếu thay thế bếp truyền thống bằng hệ thống hĩa khí của nhĩm tác giả thì mỗi năm tiết kiệm 4500 kg gỗ và hạn chế thải ra mơi trường 7155 kg CO2 Với kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ lệ thay thế dầu vẫn cịn thấp, hoạt động theo mẻ và đĩng mở nắp cấp liệu do vậy làm gián đoạn trong quá trình vận hành
Nhận xét:
Các nghiên cứu trong và ngồi nước chỉ ra rằng việc lựa chọn cơng nghệ và loại hệ thống hĩa khí phù hợp với từng loại nhiên liệu và quy mơ sử dụng là vơ cùng quan trọng Các bếp hĩa khí quy mơ nơng hộ được dùng phổ biến hiện nay thường được thiết kế theo cơng nghệ hĩa khí tầng cố định cĩ dịng khí đi xuống Hệ thống hĩa khí này phù hợp với việc sử dụng nhiệt trực tiếp vì cĩ hàm lượng hắc ín thấp [40, 41] Các kiểu hệ thống hĩa khí tầng sơi thường được áp dụng với quy mơ cơng nghiệp, các kiểu hệ thống này thường cĩ chi phí đầu tư lớn, kết cấu hệ thống và vận hành phức tạp, bảo trì bảo dưỡng tốn kém và khĩ khăn hơn các hệ thống khác
Các nghiên cứu về hĩa khí sinh khối trong nước chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm, chưa cĩ nghiên cứu nào liên quan đến xây dựng hệ phương trình hĩa khí trấu và giải hệ phương trình nhằm dự đốn các sản phẩm của q trình hĩa khí trấu tại Việt Nam Các nghiên cứu ngồi nước đã cơng bố gần như đầy đủ về cấu tạo của các hệ thống hĩa khí và đặc biệt là hĩa khí kiểu dịng khí đi xuống Vì vậy, trong những năm gần đây các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến nghiên cứu các thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí
1 3 Tổng quan về thơng số cơng nghệ của hệ thống hĩa khí
Việc đốt cháy nhiên liệu khơng hồn tồn trong thiết bị hĩa khí phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: loại hệ thống hĩa khí, đặc tính của nhiên liệu gồm loại nhiên liệu, kích thước, ẩm độ,…tác nhân hĩa khí, lượng khơng khí cấp, nhiệt độ, áp suất,… Mỗi yếu tố sẽ
ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến chất lượng khí tổng hợp, than sinh học và hiệu suất tồn bộ hệ thống
Rẳl và cộng sự [26] đã tổng hợp các cơng bố liên quan đến hĩa khí trên các tạp chí thuộc danh mục ISI từ 2007 đến 2018 cĩ hơn 4600 cơng bố, quốc gia cĩ số lượng cơng bố nhiều nhất là Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản Số lượng cơng bố trung bình hằng năm giai đoạn năm 2007 là 200 bài và tăng dần đến năm 2018 là 300 bài
Các cơng bố về hĩa khí trước đây cĩ đề cập đến cấu tạo các kiểu hệ thống hĩa khí Tuy nhiên, các nghiên cứu trong những năm gần đây cĩ xu hướng nghiên cứu về ứng dụng cơng nghệ số để mơ phỏng hay giải các bài tốn hĩa – nhiệt phức tạp xảy ra trong q trình hĩa khí hoặc các nghiên cứu thơng số cơng nghệ như: ẩm độ, nhiệt độ, lượng khơng khí cấp, loại nhiên liệu, kích thước của nhiên liệu,… ảnh hưởng đến sản phẩm và hiệu suất của q trình hĩa khí Điều này cho thấy các nghiên cứu về hĩa khí vẫn cịn cĩ tính thời sự và đặc biệt là trong giai đoạn cơng nghệ số ngày một phát triển như hiện nay
1 3 1 Cấu tạo hệ thống hĩa khí
Zhongqing Ma và các cộng sự [43] đã nghiên cứu thiết bị hĩa khí dịng khí đi xuống loại khơng cổ thắt Buồng phản ứng dạng hình trụ cĩ đường kính tại các vùng sấy, nhiệt phân, oxy hĩa và khử bằng nhau Bên trong buồng phản ứng cĩ lắp đặt thêm cánh khuấy nhằm giúp cho việc di chuyển nhiên liệu thuận lợi hơn và q trình hĩa khí được diễn ra liên tục Cĩ 2 vị trí cấp khí vào buồng phản ứng tại vùng sấy và vùng oxy hĩa, dịng khí di chuyển ngược xuống xuyên qua vùng khử trước khi đi ra ngồi (Hình 1 14)
Nhĩm tác giả đã xác được được các thơng số làm việc chính và thơng số tối ưu khi khảo nghiệm với dăm gỗ với kích thước từ 10 – 30 mm đã cho năng suất tối đa của hệ thống như sau: khí tổng hợp đạt 500 Nm3/h và lượng than sinh học là 60 kg/h; nhiệt độ vùng oxy hĩa đạt 900oC nhờ vào dịng khí thứ cấp cấp vào vùng oxy hĩa của hệ thống Nhiệt trị và các thành phần khí tổng hợp tương đối ổn định trong 3 giờ khảo nghiệm, nhiệt trị cao nhất đạt 5,28 MJ/Nm3 tại thời điểm 1 giờ 15 phút, nhiệt trị khí tổng hợp đạt trung bình 4,7 MJ/Nm3
Chao Gai và Yuping Dong [44] đã đề xuất mơ hình hĩa khí dịng khí đi xuống loại khơng cổ thắt; buồng phản ứng cĩ đường kính 300mm, chiều cao 850mm; hai vị trí cung cấp khơng khí tại tâm và xung quang buồng phản ứng Hệ thống làm việc ổn định với nhiên liệu là thân cây bắp, lượng cung cấp nhiên liệu từ 8,3 kg/h đến 9,9 kg/h (Hình 1 15)