II. Quá trình thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
I.3.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
a/ Xây dựng mối quan hệ giữa nhiệt độ ( ), chiều cao thân lò (H) theo thời gian
Ví dụ hình 2.14
Hình 2.14. Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
b/ Xây dựng mối quan hệ giữa thành phần, lưu lượng, nhiệt trị sản phẩm khí
Ví dụ hình 2.15
III. Kết quả thí nghiệm và thảo luận
Dưới đây là kết quả của các lần chạy thực nghiệm.
III.1. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa III.1.1. Trường hợp khí hóa 1 cấp
Thí nghiệm 1, nhóm lửa tai T6 cách ghi lò 295 mm, lưu lượng không khí tổng 220lít/phút.
Hình 2.1.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.1.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.1.4: Đồ thì mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian
Nhận xét:
Giai đoạn 16 phút đầu là giai đoạn nhóm lò. Tại khoảng thời gian này nhiệt độ vùng cháy còn thấp và tăng dần từ 200-800oC và chiều rộng vùng cháy khoảng 100 -200 mm (hình 2.1.1). Thành phần khí (CO, CO2, CH4, H2) còn thấp vì giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Lưu lượng khí sản phẩm và lượng sản cũng tăng dần theo thời gian.
Giai đoạn từ 16 đến 50 phút đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 800oC với chiều rộng 190mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 600 đến 800oC với chiều rộng khoảng 130mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 140mm. Tại vùng nhiệt phân một lượng lớn chất bốc thoát ra đi qua vùng cháy, sẽ góp phần cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 800mm.
Giai đoạn từ 50 đến 65 phút đây là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở gian đoạn này nhiệt độ chiều rộng vùng khí hóa cũng như nồng độ, lưu lượng khí sản phẩm cũng thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định.
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 15,49 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 3,45 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 111.00 mg/m3>50 mg/m3
Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,64 kg/h Hiệu suất khí hóa: 38,85 %
Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 84.70 % Hệ số ER = 0,33
Hệ số SV = 0,24 m/s Thảo luận:
Từ kết quả trên cho thấy đối quá trình khí hóa 1 cấp cho ta chất lượng khí sản phẩm rất kém nhiệt trị thấp và tar nhiều. Đồng thời hiệu suất khí hóa rất thấp, do đó đối khí hóa 1 cấp thì không phù hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện, và các muc đích công nghiệp khác đổi hỏi chất lượng khí sản phẩm cao.
III.1.2. Trường hợp khí hóa 2 cấp a/ Thí nghiệm 2
Mồi lửa tại T5 cách ghi lò 480mm, lưu lượng không khí tổng 260lít/phút.
Hình 2.2.1:Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.2.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.2.4: Đồ thị mối quan hệ lượng sản phẩm khí theo thời gian
Nhận xét:
Nhìn vào đồ thị hình 2.2.1 ta thấy quá trình khí hóa rất ổn định, do đó nồng độ sản phẩm khí cũng như lưu lượng ổn định theo thời gian.
Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định.
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 19,17 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,03 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 60,10 mg/m3>50 mg/m3
Hiệu suất khí hóa: 63,17 %
Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 90,68 % Hệ số ER = 0,44
Hệ số SV = 0,30 m/s
b/ Thí nghiệm 3
Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665mm, lưu lượng không khí tổng 280lít/phút.
Hình 2.3.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.3.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.3.4: Đồ thi mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian
Nhận xét:
Nhìn vào đồ thị hình 2.3.1 ta thấy quá trình khí hóa không ổn định, vùng cháy có xu hướng chuyển dịch xuống dưới, do đó chất lượng khí sản phẩm cũng kém. Kết quả tính toán:
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 21,03 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,37 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 92,3 mg/m3>50 mg/m3
Hiệu suất khí hóa: 62,43 %
Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 88,63 % Hệ số ER = 0,39
Hệ số SV = 0,33 m/s
Thảo luận:
Cùng là quá trình khí hóa 2 cấp, nhưng ở thí nghiệm 2 quá trình cháy rất ổn định, còn thí nghiệm 3 thì quá trình cháy kém ổn định và có xu hướng chuyển dần xuống dưới. Do đó nồng độ khí sẩn phẩm, lưu lượng, lượng của thí nghiêm 2 ổn định hơn thí nghiệm 3. Nhìn vào đồ thị hình 2.2.1 ta thấy nhiệt độ tại ghi lò là 6000C phù hợp với công nghệ khí hóa downdraft (nhiệt độ ghi lò không quá 7000C), còn nhiệt độ ghi lò hình 2.3.1 4000C với chiều rộng tính từ ghi lò lên vùng khử là 100mm. Do đó ở vùng này sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân, đây là quá trình không mong muốn của khí hóa downdraft, quá trình này sẽ tạo ra nhiều tar đi theo khí sản phẩm, làm giảm chất lượng khí sản phẩm (thí nghiệm 2 lượng tar 60,1mg/m3, thí nghiệm 3 lượng tar 92,3 mg/m3). Như vậy thí nghiệm 2 cho sản phẩm khí chất lượng tốt hơn thí nghiêm 3, nhưng hàm lượng tar còn cao 60mg/m3 >50mg/m3, để chạy cho động cơ đốt trong phát điện và các mục đích công nghiệp khác với yêu cầu chất lượng cao thì cần phải tiếp trục loại tar.
III.1.3. Trường hợp khí hóa 3 cấp a/ Thí nghiệm 4
Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 300 lít/phút
Hình 2.4.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.4.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.4.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian
Nhận xét:
Giai đoạn 40 phút đầu là giai đoạn nhóm lò. Tại khoảng thời gian này nhiệt độ vùng cháy còn thấp và tăng dần từ 200-800oC và chiều rộng vùng cháy khoảng 150mm (hình 2.4.1). Thành phần khí (CO, CO2, CH4, H2) còn thấp vì giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Lưu lượng khí sản phẩm và lượng sản cũng tăng dần theo thời gian.
Giai đoạn từ 40 đến 85 phút đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 800oC với chiều rộng 270mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 600 đến 800oC với chiều rộng khoảng 260mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 270mm. Tại vùng nhiệt phân một lượng lớn chất bốc thoát ra đi qua vùng cháy, sẽ góp phần cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 450mm.
Giai đoạn từ 85 đến 95 phút đây là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở gian đoạn này nhiệt độ chiều rộng vùng khí hóa cũng như nồng độ, lưu lượng khí sản phẩm thay đổi.
Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định.
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 23 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,51 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 20,89 mg/m3<50 mg/m3
Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,25 kg/h Hiệu suất khí hóa: 84,05 %
Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 95,76 % Hệ số ER = 0,49
b/ Thí nghiệm 5
Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 300 lít/phút
Hình 2.5.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian
Hình 2.5.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.5.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định.
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 22,54 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,3 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 20,45 mg/m3<50 mg/m3
Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,69 kg/h Hiệu suất khí hóa: 70,45 %
Hệ số ER = 0,45 Hệ số SV = 0,35 m/s
c/ Thí nghiệm 6
Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 420 lít/phút
Hình 2.6.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.6.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.6.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định.
Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 32,49 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,49 MJ/m3
Độ chứa tar gtar= 37,21 mg/m3<50 mg/m3
Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 7,9 kg/h Hiệu suất khí hóa: 65,15 %
Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 94,17 % Hệ số ER = 0,37
Hệ số SV = 0,51 m/s
Cùng là quá trình khí hóa 3 cấp với lưu lượng cấp gió ở các cấp khác nhau. Do đó các vùng khí hóa cũng như chất lượng khí sản phẩm cũng khác nhau. Ở thí nghiệm 4 và 5 quá trình cháy rất ổn định, còn thí nghiệm 6 thì quá trình cháy kém ổn định và có xu hướng chuyển dần xuống dưới. Do đó nồng độ, lưu lượng, lượng sản phẩm của thí nghiệm 4, 5 ổn định hơn thí nghiệm 6. Nhìn vào đồ thị hình 2.4.1, 2.5.1, 2.6.1 ta thấy chiều rộng vùng nhiệt phân cũng như vùng khử khác nhau không nhiều. Nhưng vùng cháy khác nhau nhiều do đó chất lượng khí sản phẩm cũng khác nhau. Chứng tỏ việc cấp gió đối với từng cấp ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng khí sản phẩm.
Đối với thí nghiệm 4, 5 với tổng lưu lượng cấp gió không đổi 300 íit/phút, và gió ở cấp 1 là 80 lít/phút. Đối với thí nghiệm 4 lưu lượng gió cấp 2 là 120 lítt/phút, gió cấp 3 là 100lit/phut. Vì lưu lượng ở hai cấp này gần bằng nhau nên vùng cháy sẽ kéo dài từ cấp 2 đến cấp 3. Còn thí nghiệm 5 lưu lượng gió cấp 2 160 íit/phút, lớn hơn nhiều lưu lượng gió cấp 3 60 lít/phút. Do đó vùng cháy chỉ tập trung tại cấp 1 nên chiều rộng vùng cháy hẹp hơn thí nghiệm 4 (hình 2.4.1 và 2.5.1).
Đối với thí nghiệm 5 và 6 với lưu lượng gió cấp 1 là 80 lít/phút, lưu lượng gió cấp 2 là 160lít/phút. Nhưng thí nghiệm 5 với lưu gió cấp 3 là 60 lít/phút, nên vúng cháy duy trì chủ yếu ở gió cấp 2, do đó quá trình khí hóa ổn định. Còn ở thí nghiệm 6 lưu lượng cấp gió 3 là 180 lít/phút rất lớn. Nên quá trình cháy ở đây rất mạnh nên vùng cháy có xu hướng kéo xuống dưới, quá trình khí hóa kém ổn định. Chứng tỏ lưu lượng cấp gió ở cấp 3 ảnh hưởng rất lớn đến kết quả khí hóa cũng như chất lượng khí sản phẩm.
Như vậy việc cấp gió đối với thí nghiệm 3 cấp, ở các cổng cấp gió với lưu lượng khác nhau ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng khí sản phẩm. Như ta thấy ở trường hợp thí nghiệm 4 thì cho chất lượng khí sản phẩm tốt nhất với nhiệt trị 4,51Mj/m3, lượng tar rất nhỏ 20,89mg/m3, thích hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện và các mục đích công nghiệp khác.
So sánh trường hợp 1 cấp, 2 cấp, 3 cấp
Nhìn vào đồ thị hình 2.1.1, 2.2.1 và 2.4.1 ta thấy quá trình nhóm lò đều mất khoảng 30 phút đây là khoảng thời gian lò chưa ổn định. Ta xét trong khoảng thời gian ổn định. Thí nghiệm 1 vùng cháy với nhiệt độ tử 800 đến 10000C với chiều rộng 190mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 130mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 140mm, vùng sấy với nhiệt
độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 800mm. Thí nghiệm 2 vùng cháy với nhiệt độ từ 800 đến 10000C với chiều rộng 200mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 300mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 150mm, vùng sấy với nhiệt độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 600mm. Đối với thí nghiệm 4 vùng cháy với nhiệt độ từ 800 đến 10000C với chiều rộng 270mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 260mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 270mm, vùng sấy với nhiệt độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 450mm.
Đối với thí nghiệm 1 cấp chiều rộng vùng nhiệt phân cũng như vùng khử rất nhỏ, do đó chất lượng khí sản phẩm kém, chứa nhiều tar. Đối với thí nghiệm 2 khí hóa 2 cấp chiều rộng vùng khử mặc dù có tăng lên 300mm nhưng vùng nhiệt phân có chiều rộng rất nhỏ 150mm. Còn đối với thí nghiệm 4 khí hóa 3 cấp, chiều rộng vùng nhiệt phân lớn 270mm. Với chiều rộng vùng nhiệt phân lớn nên chất bốc sẽ thoát ra nhiều hơn, chất bốc này sẽ qua vùng cháy, tại đây chất bốc sẽ cháy cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Như vậy tại nhờ cháy 1 phần chất bốc mà vùng cháy sẽ giảm quá trình cháy charcoal. Trong công nghệ khí hóa downdraft người ta mông muốn tạo ra khí sản phẩm chất lượng tốt (ít tar, nhưng vẫn đảm bảo nhiệt trị khí sản phẩm cao). Như vậy ưu điểm của quá trình khí hóa 3 cấp là tạo được vùng nhiệt phân có chiều rộng lớn hơn, và vùng cháy rộng hơn. Do đó quá trình khử tar sẽ tốt hơn, nhưng chất lượng khí sản phẩm vẫn cao. Thí nghiệm 1, khí hóa 1 cấp lượng tar 111mg/m3, nhiệt trị 3,45Mj/m3, thí nghiệm 2, khí hóa 2 cấp lượng tar 60,1 mg/m3, nhiệt trị 4,03MJ/m3, thí nghiệm 3 khí hóa 3 cấp lượng tar 20,89mg/m3, nhiệt trị 4,51MJ/m3. Vì vậy đối với khí hóa 3 cấp cho ta chất lượng khí sản phẩm cao hơn nhiều so với khí hóa 1 cấp và 2 cấp. Với lượng tar rất nhỏ nên rất thích hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện và mục đích công nghiệp khác.
III.2. Kết quả thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa
Ta những kết quả đã đạt được khi chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa, nhóm em tiếp trục chạy thử nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa được một số kết quả sau:
III.2.1. Thí nghiệm 7
Hình 2.7.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò
Hình 2.7.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian
Hình 2.7.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian
Nhận xét:
Nhìn vào đồ thị hình 2.7.1 ta thấy nhiệt độ các vùng khí hóa rất thấp, không ổn định cao nhất chỉ được 6000C ở thời gian cuối. Vì nhiệt độ thấp nên chủ yếu là quá trình nhiệt phân, cracking bẽ gãy mạch cacbon do đó nồng độ CO thấp, H2 cao (hình 2.7.2). Đối nhiên liệu viên nén mùn cưa hàm lượng chất bốc rất cao (Vdr =82,09%)