1.3 TÌM HIỂU VỀ TRẤ U
1.3.6 Thành phần của trấ u
Việc nghiên cứu, thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm về đặc tính nhiên liệu trấu được trình bày ở đây dựa trên việc tham khảo nhiều nguồn tài liệu khác nhau.
Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơdễbay hơi sẽ cháy trong q trìnhđốt và khoảng 25% cịn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngồi ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40%. Các chất hữu cơ của trấu
là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thểsửdụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễcháy nên có thểdùng làm chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt, đây là thành phần được sửdụng trong rất nhiều lĩnh vực.
Bảng 1.6: Thành phần chính của vỏtrấuởmột sốgiống lúa [3]
Trong đó sựphân bố hàm lượng thành phần trong vỏtrấu cũng khác nhau ởtừng vùng cấu trúc vỏtrấu (bảng 2.6)
29 Bảng 1.8: Kết quả xác định thành phần nguyên tốcủa vỏtrấu [6]
Bảng 1.9: Thành phần công nghệcủa trấu (% theo khối lượng)
(Nguồn:IOSR Tạp chí Hóa học ứng dụng (IOSR-JAC); e-ISSN: 2278-5736. Volume 7, Số5 Ver.II (May, 2014), PP 100-105) Bảng 1.10: Thành phần làm việc của trấu (%) [7] C H O N S A W 33,80 5,42 34,03 0,95 0,04 19,26 6,5 Bảng 1.11: Thành phần hóa học của tro đốt từvỏtrấu [6] 1.3.7 Các đặc tính cơng nghệcủa trấu
Tro trấu có mức đóng cáu thấp/trung bình. Nhiệt độnóng chảy 975,890C. Trấu có hàm hàm lượng chất bốc cao khoảng 56,57%, do vậy khả năng bắt cháy của trấu sẽrất nhanh.
Hàm lượng tro trong trấu khá lớn khoảng 18,05%, gây khó khăn cho việc thiết kế và vận hành liên tục các hệthống - thiết bịsửdụng nhiên liệu trấu.
Trấu chứa hàm lượng nitơ khoảng 0,46%. Nitơ có trong nhiên liệu là nguyên nhân sinh ra NH3 trong q trình khí hố và đóng góp một phần vào phát thải NOx trong quá trình cháy nhiên liệu trấu.
Độ ẩm trong nhiên liệu trấu khá cao khoảng 10,94% và có dãy thay đổi khá rộng. Đặc biệt, hàm lượng này còn bị ảnh hưởng bởi các hoạt động thu hoạch và lưu trữtrong kho.
a. Lượng oxi và khơng khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1kg trấu = 22,4. ( 12 2 32 32) = 22,4. ( 0,338 12 0,0542 2 0,0004 32 0,3403 32 ) = 1,000043 = .10021 = 1,000043.10021 = 4,76211 = 32 12 162 0,23 = 32.0,338 12 16.0,05422 0,0004 0,3403 0,23 = 4,32632 ( )
b. Lượng sản phẩm cháy lý thuyết:
= 0,01866. 0,375 = 0,01866. 33,80 0,375.0,04 = 0,63099 = 0,111. 0,0124. 0,0161. = 0,111.5,42 0,0124.6,5 0,0161.4,76211 = 0,75889 = 0,79. 0,008. = 0,79.4,76211 0,008.0,95 = 3,768869 = = 0,63099 0,75889 3,768869 = 5,158749 c. Nhiệt trịcao của trấu: = 33858. 125400. 10868. = 33858.0,338 125400.0,0542 10868. 0,3403 0,0004 = 14546,651 ( ) d. Nhiệt trịthấp: = 2500. 9. = 14546,6508 2500. 9.0,0542 0,065 = 13164,65 ( )
31
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU VỀ CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA
2.1 TỔNG QUAN VỀNHU CẦU NGHIÊN CỨU
Hóa khí nhiên liệu rắn và sửdụng nhiên liệu khí hóa vào trong đời sống dân sinh được biết tới từthếkỷ 17. Ngày nay, trước những thách thức của vấn đềô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng do sựcạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch do việc sửdụng nguồn năng lượng này gây ra, kỹthuật hóa khí đang dần trởlại, nhận được sựquan tâm của nhiều quốc gia trên thếgiới.
Cơng nghệ khí hóa than ngày nay đã có những bước phát triển vượt bậc, kỹthuật ngày càng phức tạp và hiện đại hơn. Kỹthuật hóa khí than giúp chuyển đổi triệt để hóa năng trng than thành nhiên liệu khí có hiệu suất cao, sạch và dễ điều chỉnh hơm. Sản phẩm khí hóa than đã được sửdụng đểcung cấp nhiên liệu cho động cơ nổ, dùng làm khí đốt trong lị hơi, lị nung, cung cấp nhiệt cho tuabin khí… Kỹthuật này đã góp phần khơng nhỏvào vấn đềgiải quyết năng lượng của nhiều quốc gia trên thếgiới như Thái Lan, Trung Quốc, Ấn Độ, Myanmar, Brazil, Indonêsia…
Để giải quyết thực trạng thiếu hụt than đá nói riêng và các loại nhiên liệu hóa thạch nói chung, kỹthuật hóa khí được nghiên cứu và áp dụng cho nhiên liệu sinh khối, đặc biệt là từnguồn nhiên liệu trấu. Việc sửdụng loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thốngnhư:
✓ Tính chất thân thiện với mơi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít gây ơ nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.
✓ Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từhoạt động sản xuất nơng nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệthuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu khơng tái sinh truyền thống.
Với những lý do đó, việc nghiên cứu và nắm bắt cơng nghệ khí hóa là điều cần thiết, đáp ứng nhu cầu sửdụng hiệu quảvà tiết kiệm nhiên liệu cùng kết hợp với sửdụng nhiên liệu sạch có thểtái sinh đang được quan tâm hiện nay.
2.2 Q TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆKHÍ HĨA2.2.1 Trên thếgiới 2.2.1 Trên thếgiới
Lịch sửcủa các lị hóa khí có từthếkỷthứ17. Từkhi sựhóa khí cịn là những ý tưởng cho đến nay thì nó đã trải qua nhiều sựbiến đổi đểphát triển.Các năm mà sự hóa khí được phát triển rộng rãi đã được ghi ởbảng bên dưới.
1669 Thomas Shirley đã chỉ đạo thực hiện các thí nghiệm với carbonate hydrogen. 1699 Dean Clayton đã thành cơng trong việc hóa khí than đá thành gas.
1788 Robert Gardner có bằng sáng chế đầu tiên liên quan đến sựhóa khí.
1792 Báo cáo chứng thực đầu tiên về gas, Murdock đã dùng gas tạo ra từ than đá để thắp sáng đèn trong nhà của ơng ta. Kểtừ đó, gas từ than đá được dùng đểnấu nướng và cho các ứng dụng nhiệt.
1801 Lampodium đã chứng minh khả năng tạo gas từrác nhờ đặc tính hóa than của gỗ. 1804 Fourcroy đã tìm ra phản ứng gas – nước bằng phản ứng của nước với carbon nóng. 1812 Phát minh đầu tiên vềmáy sản xuất gas dùng dầu làm nhiên liệu.
1840 Lị hóa khí thương mại đầu tiên được xây dựng ởPháp.
1861 Siemens đã giới thiệu kỹthuật về lị hóa khí. Lị hóa khí này được quan tầm và trởthành thiết bịthành cơng.
1878 Các lị hóa khí thành cơng được dùng kết hợp với động cơ cho việc phát điện
1900 Lị hóa khí 600 HP đầu tiên được triễn lãm ở Paris. Sau đó, các động cơ lớn đến 5400 HP được kết nối vào thiết bịnày.
1901 J.W. Parker đã chạy xe bằng gas tạo ra từlị hóa khí. Sau
1901
Hình 2.2: Sửdụng nhiên liệu khí hố phục vụ phương tiện vận tải
Trong giai đoạn 1901-1920, nhiều hệ thống động cơ – lị hóa khí đã được bán và dùng cho mục đích phát điện.
1930 Nazi Germany đã cố gắng chuyển đổi các xe cộ thành các động cơ chạy bằng gas như là một dựán an ninh quốc gia và độc lập với sựnhập khẩu dầu.
1930 Bắt đầu phát triển các ô tô nhỏ và di động chạy bằng gas. Chính phủ Anh và Pháp đã nhận thấy rằng các ô tô chạy bằng gas sinh ra từ than đá có thểphù hợp cho các thuộc địa của họ nơi mà xăng khan hiếm và gỗbiến thành than củi thì lại rất dồi dào.
33 1939
Khoảng 250 000 xe cộ được đăng kí ởThụy Điển. Ngồi con số đó, 90% đã chuyển đổi sang dạng dùng gas. Gần nhưtất cả20 000 máy kéo dùng gas làm nhiên liệu. 40 % nhiên liệu được dùng là gỗvà phần còn lại là than đá.
Sau 1945
Sau khi kết thúc Chiến Tranh ThếGiới II, với sự dồi dào về xăng và diesel với giá rẻ, kỹthuật hóa khí dần mất đi danh tiếng và tầm quan trọng.
1950- 1970
Trong suốt những năm này, kỹ thuật hóa khí bị bỏ qn. Nhiều chính phủ ở Châu Âu đã cảm thấy rằng tốc độtiêu thụgỗngày càng nhanh sẽdẫn đến nạn phá rừng, sẽ tạo ra các vấn đềvề môi trường.
Sau 1970
Trong những năm 1970 đã có những kỹ thuật mới trong việc phát điện ở quy mô nhỏ. Từ đó, người ta đã dùng các nhiên liệu khác thay cho gỗ và than đá.
Như vậy kể từ sau năm 1970, trước những cuộc khủng hoảng của thế giới về dầu mỏ, cơng nghệ khí hóa từ phụ phẩm nơng nghiệp lại được phục hồi và phát triển mạnh mẽ, từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch, kỹ thuật hóa khí trở nên hiện đại hơn, phục vụ được nhiều nhu cầu đời sống dân sinh , phục vụ sản xuất công nghiệp dưới nhiều dạng năng lượng phức tạp hơn.
Ưu điểm của kỹ thuật này là cho phép chuyển đổi năng lượng để sử dụng tiết kiệm bao gồm cả quy mô nhỏ.
Bằng các thí nghiệm của một số tác giả hàng đầu trên thế giới cho thấy, tác nhân nhiệt độ cao (> 1.000 oC) trong thiết bị khí hóa cho phép khí hóa được một dải rộng nhiên liệu cung cấp bao gồm những nhiên liệu sinh học hạng thấp và chất thải như bùn xỉ.Khơng khí được đốt nóng trước ở nhiệt độ cao sẽ làm lượng nhựa tạo ra thấp hơn, sản phẩm khí sinh ra cao hơn và giàu H2.
Năm 2005,Carlos đã nghiên cứu ra q trình khí hóa ở nhiệt độ cao cho phép khí hóa các loại vỏ cây, than gỗ, gỗ bào và gỗ dạng viên trong thiết bị khí hóa cấp khí từ trên xuống trong cơng nghệ hóa khí dạng mẻ.Khơng khí được đốt nóng trước, hơi nước và khơng khí là hỗn hợp được sử dụng làm mơi trường khí hóa. Khơng khí cấp vào được đốt nóng lên đến 830oC và giữ nhiệt độ trong vùng ơxy hóa của thiết bị khí hóa trên 1000oC, điều này sẽ thức đẩy mạnh quá trình bẻ gãy keo-nhựa (tag) và làm cho nhiệt trị tăng lên từ 4,6 đến 7,3 MJ/Nm3.
Năm 2006, Yang đã khám phá cơng nghệ khí hóa với tác nhân ở nhiệt độ cao cho nhiên liệu hố khí là gỗ dạng viên trong lị khí hóa có lớp cố định dạng mẻ, cấp khí theo hướng dịng ngang
Singh (2006) đã tiến hành khí hóa vỏ hạt điều có cơng suất 1.500.000 kcal/h. Hiệu suất khí hóa đạt 70%, tốc độ khí hố 167 kg/m2h. Năng suất dịng khí sinh ra là 130 m3/h và nhiệt trị thấp là 1.081kcal/m3.Nhiên liệu khí hố sinh ra được sử dụng cấp nhiệt cho các lị
hơi dưới dạng đốt cháy trực tiếp hoặc đốt nóng khơng khí qua thiết bị trao đổi nhiệt để cấp tác nhân cho các thiết bị sấy nông sản, thực phẩm.
Hiện nay Mỹ, Canada, Trung Quốc, Ấn độ, Úc, Thụy Điển, ... là các quốc gia đạt được nhiều thành tựu trong nghiên cứu về cơng nghệ, thiết bị hóa khí liên tục, cũng như ứng dụng sản phẩm hóa khí vào đời sống cơng nghiệp đạt hiệu quả cao. Ở khu vực châu á Ấn Độ hiện là quốc gia có nhiều phát minh, cũng là đất nước đang sử dụng nhiều thành tưu của cơng nghệ hố khí từ ngun liệu sinh khối. Theo báo cáo của cơng ty AlKure Tại Ấn độ có tới 2000 hệ thống khí hố với dải cơng suất khí hố từ 3 ÷ 500kWe. Bang tây BENGAL (West Bengal) và
bang UTTAR PRADESH là hai bang có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thành cơng cơng nghệ
hố khí này.
Trung Quốc, những năm gần đây cơng nghệ khí hóa cũng được phát triển mạnh ở nhiều tỉnh và đạt được nhiều thành tựu. Trong số các tỉnh triển khai cơng nghệ thì tại tỉnh An Huy là tỉnh có nhiều thành cơng nhất trong việc nghiên cứu và triển khai hệ thống khí hóa liên tục, ngun lý cấp khí từ trên xuống. Sản phẩm hóa khí có thể kết nối với tổ hợp phát điện công suất đầu ra 200 kWe.
2.2.2 ỞViệt Nam
Đối với trong nước, cơng nghệ hóa khí từ nhiên liệu sinh khối đã có mặt ở Việt Nam từ những năm trước 1975, đặc biệt trong hơn 10 năm đất nước vừa giải phóng, cả nước khan hiếm xăng, dầu. Trong thời gian này hầu hết trên các tuyến đường giao thông, các xe tải chở khách đã ứng dụng cơng nghệ hóa khí từ than củi (đây là loại nhiên liệu được đánh giá có nhiều ưu điểm nhất khi ứng dụng cơng nghệ hóa khí) để làm nhiên liệu cho các động cơ xe cải biên từ động cơ xăng. Do kỹ thuật hóa khí cịn sơ khai, đặc biệt là cơng nghệ lọc và xử lý khí gas cịn rất thô sô, nên chi sau một thời gian ngắn các động cơ bị hỏng hóc, các lái xe thường xuyên phải làm lại máy, làm phát sinh chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ, cao hơn so chi phí sử dụng nhiên liệu
dầu mỏ, do vậy cơng nghệ hóa khí sử dụng cho xe hơi và xe tải chấm dứt vào những năm 1991-
1994.
Cơng nghệ hố khí từ trấu cũng đã có một số tác giả nghiên cứu và đưa ra một số mơ hình buồng đốt, tuy nhiên các mơ hình buồng đốt mới chỉ ở dạng pilot, cơng suất bé, hóa khí
dưới dạng mẻ. Nổi bật trong những năm 1993 ÷ 1996, có tác giảBùi Trung Thành, Trung tâm
Nghiên cứu Cơ điện- Bộ Nông nghiệp công bố kết quả nghiên cứu và chuyển giao 10 buồng
đốt trấu hố khí với năng suất nhiệt là 160 ÷ 200.000 kcal/giờ ,cung cấp nhiệt trực tiếp cho các máy sấy nông sản dạng máy sấy tháp, năng suất sấy 5 tấn/mẻ cho Trung tâm Nghiên cứu Nông
35 nghiệp Đồng Tháp Mười, Nông trường Cờ đỏ tỉnh, Nông trường Sông Hậu tỉnh Cần Thơ. Kết quả nghiên cứu đã được nhận giải thưởng khoa học kỹ thuật thanh niên của Trung Ương Đoàn và Trung tâm khoa và cơng nghệ quốc gia năm 1995. Do lị hố khí được thiết kế theo ngun lý hóa khí dạng mẻ nên gặp hạn chế trong khâu nạp trấu vào lò và thải tro ra khỏi buồng. Để giải quyết vấn đề cấp nhiệt gián đoạn khi sấy, tác giả phải thiết kế và chế tạo hai lị hố khí và bố trí song song để đấu nối với tmáy sấy khi hết mẻ trấu. Các buồng đốt trấu hố khí này hoạt động liên tục được nhiều năm nhưng đến năm 2003 thì các ghi lị và vật liệu cách nhiệt bị hỏng, các nhà máy sấy ngưng bảo dưỡng và khơng cịn được bảo trì để sử dụng tiếp.
Hình 2.5: Buồng đốt trấu hố khí cấp cho máy sấy lúa liên tục kiểu tháp năng suất 5 tấn/giờcủa tác giảBùi Trung Thành công bố9.1993
Tháng 5/2010 một đề tài nghiên cứu thiết kế bếp đun gas trấu sử dụng cho hộ gia đình nơng thơn khu vực ngoại thành Tp. Cần Thơ của Trung tâm R&D Tech -trường Đại học Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh được Sở Khoa học & Cơng nghệ Tp. Cần Thơ xét duyệt cấp kinh phí thực hiện, hiện đề tài đang năm trong giai đoạn chế tạo, chưa cơng bố kết quả chính thức, tuy nhiên đề tài này chỉ nằm ở mức độ hố khídạng thơ, quy mơ nhỏ sử dụng trong gia đình.
Hình 2.6: Bếp đốt khí hóa trấu thửnghiệm của Trung tâm R&D Tech -Đại học Công nghiệp TP HCM công bố5-2010
Tháng 3/2010, Công ty cổ phần Vina Silic, công bố kết quả thử nghiệm loại bếp gas đun bằng trấu và than đá cho người nghèo, đặc biệt là vùng nông thôn ĐBSCL. Bếp được áp dung cơng nghệ hóa khí bao gồm hai loại nhiên liệu trấu và than đá kết hợp, cho kết quả khả quan.
Hình 2.7: Các mẫu bếp đun trấu hóa khí của Công ty cổphần Vina Silic công bố tháng 3/2010
Ứng dụng trong sản suất quy mô công nghiệp: