Nhiên liệu Trấu
Lưu lượng cấp liệu (g/min) 10 10 10 10
Lưu lượng khơng khí cấp (L/min) 9.5 9.5 9.5 9.5
Lượng khí sinh ra (L/min) 41 41 41 41
Nhiệt độ oC 700 800 900 1000 H2/CO 0.26 0.28 0.48 0.65 H2/CO2 0.46 0.41 0.55 0.84 CO/CO2 1.79 1.46 1.16 1.3 Nhiệt trị (MJ/Nm3) 4.00 3.72 3.63 4.36 Lượng khí tạo thành (Nm3/kg) 1.22 1.22 1.27 1.45 Tỷ lệ chuyển đổi Carbon (%) 60.66 59.69 60.4 74.88
Hiệu suất khí lạnh (%) 35.88 33.25 33.6 46.17
Khi nhiệt độ tăng từ 700oC đến 900oC thì hàm lượng khí CO giảm, trong khi đĩ hàm lượng khí CO2 và H2 tăng. Điều này cĩ nghĩa là phản ứng nước – khí giữa CO và H2O chiếm ưu thế hơn, hay chúng ta cĩ thể dễ dàng nhận thấy (Bảng 1.2) tỷ lệ H2/CO tăng và tỉ lệ CO/CO2 giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ hơn 900oC thì hàm lượng khí CO và H2 tăng vượt bậc, trong khi đĩ hàm lượng khí CO2 rất ít.
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 T T NL cấp KK cấp KK/NL ER Thành phần khí tổng hợp (%) Tar LHV Gp η kg/h Nm3/h Nm3/kg H2 CO CO2 CH4 CnHm O2 N2 mg/Nm3 MJ/m3 Nm3/kg % 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.
1.4 Than sinh học
Than sinh học là thuật ngữ dùng để chỉ carbon đen hay biochar, nĩ đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới ví như là “vàng đen” cho ngành nơng nghiệp [70].
Hình 1.18 Than sinh học [70]
Than sinh học cĩ thể cung cấp dinh dưỡng khống ở dạng dễ tiêu và tạo điều kiện cho sự phát triển của bộ rễ cây trồng, chúng cĩ khả năng giữ dinh dưỡng, cải thiện độ chua của đất. Than sinh học cĩ cấu trúc xốp tồn tại nhiều năm trong đất, diện tích bề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao, nhờ đĩ cải thiện đặc điểm vật lý cũng như tăng cường khả năng giữ ẩm của đất.
1.4.1 Đặc tính của than sinh học
Mỗi loại than sinh học được sản xuất từ các loại vật liệu và điều kiện sản xuất khác nhau sẽ cĩ đặc tính khác nhau.
Hình 1.19 Đặc tính TSH thay đổi theo nhiệt độ q trình nhiệt phân [71]
- Độ pH: Đối với các vật liệu giàu xenlulơzơ và hemi-xenlulơzơ thì cĩ thể phân hủy ở 200 – 300oC tạo ra các sản phẩm axit hữu cơ và phenolic làm giảm pH của sản phẩm. Khi nhiệt độ lớn hơn 300oC, muối kiềm bắt đầu tách ra khỏi hữu cơ và làm pH tăng lên, pH sẽ tăng cao ở nhiệt độ hơn 600oC. Than sinh học từ trấu cĩ pH khoảng 8,0.
- Diện tích bề mặt riêng: Diện tích bề mặt riêng là chìa khĩa để biết sự tương tác giữa đất và than sinh học. Nĩ chịu ảnh hưởng bởi nguyên liệu sinh khối và điều kiện sản xuất.
- Khả năng trao đổi cation (CEC): Than sinh học mới sản xuất cĩ ít khả năng trao đổi cation hơn vì tuổi của than sinh học hay q trình chín trong đất làm tăng khả năng trao đổi cation. Than sinh học cĩ khả năng trao đổi cation sẽ hấp thụ kim loại nặng và các hĩa chất nơng nghiệp như thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ.
1.4.2 Phương pháp sản xuất than sinh học
Than sinh học được sản xuất bằng các phương pháp phổ biến sau: Nhiệt phân liên tục, nhiệt phân gián đoạn, hĩa khí,…
Stefan và các cộng sự [32] đã khảo sát 84 doanh nghiệp nghiên cứu phát triển cơng nghệ và chế tạo thiết bị sản xuất than sinh học quy mơ cơng nghiệp ở nhiều nước và châu lục trên tồn Thế giới (Hình 1.20). Trong đĩ, cĩ 37 doanh nghiệp áp dụng phương pháp nhiệt phân liên tục; 16 doanh nghiệp sử dụng phương pháp nhiệt phân gián đoạn; 13 doanh
nghiệp sử dụng phương pháp hĩa khí; cịn lại một số doanh nghiệp sử dụng phương pháp lị đun, nhiệt phân một phần, thủy phân, nhiệt phân vi sĩng, nhiệt phân gián đoạn (Hình 1.21).
Hình 1.20 Các doanh nghiệp sản
xuất than sinh học [32]
Hình 1.21 Số doanh nghiệp sử dụng phương
pháp sản xuất than sinh học [32]
Mausam Verma và cộng sự [72] đã trình bày các cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt của sinh khối nơng nghiệp thành than sinh học nhằm đánh giá vịng luân chuyển của CO2 và khả năng cải tạo đất của than sinh học. Nhĩm tác giả đã cơng bố các cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt để sản xuất than sinh học (Hình 1.22).
Hình 1.22 Cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt của sinh khối [72]
Trong những năm gần đây, do tình hình ơ nhiễm mơi trường và biến đổi hĩa khí trở nên trầm trọng nên việc hạn chế thải CO2 ra mơi trường luơn được các nhà khoa học quan tâm. Bên cạnh đĩ, đất canh tác nơng nghiệp trên tồn thế giới đang ngày càng giảm đi thành phần dinh dưỡng tự nhiên vốn cĩ của nĩ, thay vào đĩ là những thành phần dinh dưỡng do con người tạo nên. Việc thay thế này nếu phù hợp sẽ làm cho nơng nghiệp phát triển bền vững, nếu khơng sẽ là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường sống của muơn lồi.
Duo Wang và cộng sự [31] đã tổng hợp một số nghiên cứu về sản xuất và ứng dụng của than sinh học bằng biểu đồ (Hình 1.23). Nhĩm tác giả đã kết luận các phương pháp sản xuất than sinh học gồm: Nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh, hĩa khí,… Các ứng dụng của than sinh học gồm: Cải thiện đất, phục hồi đất, xử lý nước,…
Hình 1.23 Phương pháp sản xuất và ứng dụng than
sinh học [31]
Hình 1.24 Lượng than sinh học
thu được ứng với nhiệt độ [73] Wen-Tien Tsai và cộng sự [73] đã cơng bố kết quả sản xuất than sinh học ở nhiệt độ 400 – 900oC (Hình 1.24). Theo kết quả cơng bố tại 900oC, sản lượng than sinh học thu được khoảng 33%, diện tích bề mặt 280 m2/g và độ xốp 0,316. Dựa trên các đặc tính hĩa lý đã được phân tích, tác giả khẳng định than sinh học được sản xuất từ trấu cĩ thể được sử dụng để lọc nước, xử lý nước thải và cải tạo đất.
Blasi C D và cộng sự [74] đã cơng bố kết quả nghiên cứu sản xuất than sinh học của trấu ở nhiệt độ 580oC cĩ thành phần C (carbon) là 51,52%. Maiti và cộng sự [75] cho rằng than sinh học của trấu từ 350oC đến 650oC chủ yếu là C (65,9% đến 69,3%). Theeba và cộng sự [76] kết luận than sinh học từ trấu tại 550oC đến 600oC cũng chủ yếu là C (77,9%). Bayu Dume và cộng sự [77] đã thực nghiệm sản xuất than sinh học từ vỏ cà phê và cùi bắp theo phương pháp nhiệt phân chậm ở nhiệt độ 350oC và 500oC. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng than sinh học được sản xuất từ vỏ cà phê và cùi bắp ở nhiệt độ 500oC cĩ diện tích bề mặt, độ pH và khả năng trao đổi cation tốt hơn ở nhiệt độ 350oC.
Mai Thị Lan Anh và cộng sự [78] đã cơng bố kết quả sản xuất than sinh học từ rơm, gỗ keo lai và tre theo phương pháp nhiệt phân chậm với nhiệt độ từ 300 – 850oC. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tỷ lệ than sinh học thu được 46,98% khi nhiệt độ 300 – 450oC; 39,98% khi nhiệt độ 450 – 600oC; 23,8% khi nhiệt độ 600 – 850oC.
Swapan Suman [79] đã thực nghiệm sản xuất than sinh học từ cùi bắp và gáo dừa theo cơng nghệ nhiệt phân chậm với nhiệt độ 800oC. Tác giả đánh giá than sinh học ở chỉ