(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại việt nam

luan an tien si

luan an tien si 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

NGUYỄN VĂN LÀNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN SẢN PHẨM KHÍ VÀ THAN
TRONG THIẾT BỊ HĨA KHÍ TRẤU TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Cơ khí

Mã ngành

9 52 01 03

:

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2022

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

NGUYỄN VĂN LÀNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN SẢN PHẨM KHÍ VÀ THAN
TRONG THIẾT BỊ HĨA KHÍ TRẤU TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành

: 9 52 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HUY BÍCH
TS. BÙI NGỌC HÙNG

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2022

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Văn Lành xin cam đoan rằng cơng trình “Nghiên cứu ảnh hưởng
các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt
Nam” được trình bày trong luận án này là do chính bản thân tơi thực hiện. Các số liệu và
kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tp. HCM, năm 2022
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Lành

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin chân thành cảm ơn tồn thể q Thầy Cô và Cán bộ viên chức
Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tơi làm nghiên cứu sinh
chun ngành Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2015.
Xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Thầy Cơ khoa Cơ Khí Cơng Nghệ, Phịng Đào tạo
Sau Đại học và Phòng Quản trị - Vật tư đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi trong suốt q
trình nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS.
Nguyễn Huy Bích và TS. Bùi Ngọc Hùng, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động
viên trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến GS. Keng Tung-Wu và

các cộng sự tại Biomass Energy Research Lab, National Chung Hsing University, Taiwan
đã hỗ trợ, phối hợp thực hiện một số phân tích liên quan đến trấu. Đặc biệt, em xin gửi lời
cảm ơn sâu sắc đến GS. TS. Nguyễn Hay, PGS.TS. Lê Anh Đức, TS. Nguyễn Thanh Nghị
và TS. Nguyễn Đức Khuyến đã tận tình giúp đỡ, góp ý xây dựng cho những nội dung của
luận án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn đến GS. TS. Dương Nguyên Khang, TS. Huỳnh Văn Biết,
TS. Phạm Đức Tồn đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi thực hiện một số nghiên cứu trong
luận án.
Cảm ơn các đồng nghiệp Phạm Duy Lam, Trần Minh Hải và Nguyễn Nam Quyền
đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, năm 2022
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Lành

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
iii

TÓM TẮT
Luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và
than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam
Nghiên cứu sinh: Nguyễn Văn Lành

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9 52 01 03
Hiện nay, thế giới đang đối mặt với biến đổi khi hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng
hóa thạch. Ngun nhân chính của hiện tượng này là lượng khí thải có hại như CO2 tăng
vì con người sử dụng quá nhiều nhiên liệu hóa thạch và diện tích rừng ngày càng giảm.
Một trong những giải pháp làm giảm tình trạng này là việc tăng cường khai thác và sử dụng
các nguồn năng lượng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Trong đó, sinh khối là một
trong những nguồn năng lượng có triển vọng có thể thay thế nguồn năng lượng hóa thạch.
Sinh khối có nguồn cung cấp dồi dào nhưng chủ yếu là ở thể rắn, điều này dẫn đến hạn chế
rất lớn trong việc khai thác và sử dụng. Do đó, để tiện lợi và sử dụng sinh khối có hiệu quả
địi hỏi phải đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp chẳng hạn như hóa khí,
hóa lỏng từ nguồn sinh khối thể rắn.
Sinh khối thể rắn có thể chuyển đổi sang dạng khí được gọi là q trình hóa khí để
tạo ra khí tổng hợp (syngas). Hóa khí sinh khối là q trình chuyển đổi hóa nhiệt được thực
hiện trong mơi trường yếm khí. Q trình này chia làm bốn giai đoạn chính là sấy, nhiệt
phân, cháy và khử. Q trình hóa khí là một q trình rất phức tạp trong đó chất lượng khí,
hiệu suất hóa khí, chất lượng than sinh học (biochar) là những thông số chính đánh giá tính
kinh tế kỹ thuật của hệ thống. Để góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên, luận án được
tiến hành với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến thành phần
khí tổng hợp và than sinh học trong thiết bị hóa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống tại Việt
Nam gồm các nội dung chính như sau:
- Thực nghiệm xác định các thơng số lý hóa của trấu để làm cơ sở xác định cơng thức
hóa học tổng qt; xác định tác nhân hóa khí; xác định các sản phẩm hóa khí.
- Nghiên cứu lý thuyết lập phương trình tổng qt hóa khí trấu và hệ phương trình
gồm: các phương trình cân bằng khối lượng của nguyên tố C, H2 và O2; phương trình cân
bằng phản ứng tạo khí CH4 và phương trình cân bằng phản ứng chuyển H2O; phương trình

TIEU LUAN MOI download :

luan an tien si

luan an tien si 1
iv

cân bằng năng lượng. Giải hệ phương trình phi tuyến tính để xác định các thành phần khí
tổng hợp và lượng than sinh học bằng ngơn ngữ lập trình Python.
- Thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống.
- Kiểm chứng mức độ phù hợp của mơ hình lý thuyết và xây dựng các phương trình
dự đốn sản phẩm của q trình hóa khí trấu trong thiết bị hóa khí kiểu dịng khí đi xuống.
- Thực nghiệm tìm các giá trị hợp lý của các thông số công nghệ để thu được sản
phẩm khí tổng hợp và than sinh học phù hợp nhất.
- Đánh giá sơ bộ chất lượng của than sinh học thông qua thực nghiệm tác động của
than sinh học đến sự phát triển của cây trồng.
Kết quả đạt được của luận án tóm tắt như sau:
Đã xác định được các thơng số lý hóa của trấu IR 50404.
Dung

Ẩm

trọng

độ

(kg/m3)

(%)

100,42

9,99

Nhiệt trị
(MJ/kg)
15,55

Phân tích nguyên tố (%)
C

H

O

N

41,26 4,75 35,46 0,48

Phân tích thành phần (%)
S
0,01

Chất

Carbon

bốc

cố định

58,28

13,98

Tro

17,71

Đã lập được phương trình tổng quát hóa khí trấu IR 50404:
CH1,38 O0,64 + 0,146H2 O(l) + qH2 O(g) + mO2 + 3,76mN2 = n1 C+ n2 H2 +
n3 CO + n4 CO2 + n5 H2 O + n6 CH4 + 3,76mN2
Đã xây dựng được mơ hình tốn là hệ phương trình phi tuyến tính 6 ẩn
n1 , n2 , n3 , n4 , n5 , n6 được biểu diễn dưới đây.
n1 + n3 + n4 + n6 = 1
2n2 + 2n5 + 4n6 = 1,672 + 2q
n3 + 2n4 + n5 = 0,786 + q + 2m
n
K1 = 6 2
K2 =

(n2 )
n 2 n4
n 3 n5

dHtrau + 0,146dHH2 O(l) + qdHH2O(k) = n1 dHC + n2 dHH2 + n3 dHCO + n4 dHCO2
n5 dHH2O(k) + n6 dHCH4 + 3,76mdHN2
{
Tiến hành giải mơ hình tốn bằng ngơn ngữ lập trình Python nhằm dự đốn được các
thành phần khí tổng hợp (syngas) và hàm lượng than sinh học (biochar) khi thay đổi 2
thông số công nghệ là hệ số khơng khí cấp ER và nhiệt độ vùng khử T 2.

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
v

Đã tính tốn, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống để thực
nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy khi
nhiệt độ tăng lên thì lượng than sinh học thu được từ kết quả thực nghiệm cũng như lý
thuyết đều giảm; Bên cạnh đó, tại cùng một mức nhiệt độ vùng khử nếu tăng hệ số khơng
khí cấp (ER) từ 0,2 đến 0,4 thì lượng than sinh học cũng giảm, tuy nhiên hàm lượng khí
tổng hợp tăng khi ER = 0,2 ÷ 0,3 và hàm lượng khí tổng hợp giảm khi ER = 0,3 ÷ 0,4.
So sánh kết quả giữa mơ hình tốn học và thực nghiệm cho thấy hàm lượng than sinh
học và thành phần khí tổng hợp của mơ hình tốn thấp hơn nghiên cứu thực nghiệm. Độ
lệch chuẩn RMSE của mơ hình tốn và thực nghiệm ở các mức nhiệt độ vùng khử T2 =
750oC, 800oC, 850oC và 900oC lần lược là 1,642; 1,882; 1,445 và 1,345. Từ kết quả phân
tích và xử lý số liệu cho thấy sự sai khác giữa mơ hình tốn và thực nghiệm ở tất cả các
trường hợp đều không có ý nghĩa, vì vậy mơ hình tốn đã xây dựng là phù hợp.
Căn cứ vào kết quả kiểm chứng lý thuyết phù hợp với thực nghiệm, luận án cũng đã
xây dựng các phương trình dự đốn thể tích các khí thành phần (H2, CO và CH4) và khối
lượng than sinh học (C) ứng với nhiệt độ vùng khử T2 và hệ số khơng khí cấp ER.
+ Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YH2 với T2 và ER
YH2 = 35,569 – 0,099.T2 + 28,439.ER – 55,721.ER2 với R2 = 0,98
+ Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCO với T2 và ER
YCO = 50,124 – 0,153.T2 + 109,009.ER – 152,271.ER2 với R2 = 0,97
+ Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCH4 với T2 và ER
YCH4 = 30,952 – 0,083.T2 + 23,750.ER – 66,529.ER2 với R2 = 0,97
+ Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YC với T2 và ER

YC = 84,174 – 0,061.T2 – 12,684.ER với R2 = 0,98
Kết quả quy hoạch thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc phù hợp của hệ thống
hóa khí trấu kiểu dịng khí đi xuống cũng được thực hiện. Kết quả giải bài toán đa mục tiêu
đã xác định được các thông số và chỉ tiêu phù hợp như sau:
+ Thông số phù hợp: T2 = 745 (oC) và ER = 0,29
+ Chỉ tiêu phù hợp: LHVmax = 5,53 (MJ/Nm3) và Cmax = 37,5 (%).
Đánh giá tác động của than sinh học đến cây trồng cũng được thực hiện. Thông qua
thực nghiệm đã chỉ ra rằng chất lượng than sinh học phụ thuộc vào nhiệt độ vùng khử và
hệ số khơng khí cấp. Sự phát triển của cây bắp sau 35 ngày chỉ ra rằng có sự ảnh hưởng
của than sinh học là rất rõ ràng.

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
vi

SUMMARY
Doctoral dissertation title: Study the effects of downdraft gasifier technological
parameters on the syngas and biochar production for Viet Nam rice husk gasification.
PhD Student: Nguyen Van Lanh
Major: Mechanical Engineering
Code: 9 52 01 03
Currently, the world is facing climate change and the depletion of fossil energy
resources. The main reasons are the increase in harmful emissions, such as CO2, due to the
extensiveuse of fossil fuels and the deforestation. One of the solutions to reduce this
situation is to increase the exploitation and use of other energy forms alternative to fossil
energy. Among them, biomass is one of the potential energy sources that can replace fossil

energy. Biomass is an abundant source from agricultural production, but it is mainly in
solid form that limits itsutilization and use. Therefore, developing gasification or
liquefaction technology from this biomass source is necessary.
Solid biomass can be converted to gas through a gasification process to produce
syngas. Biomass gasification is a thermochemical conversion process under limited air
supply condition. Gasification is a complex process, which includes four main stages:
drying, pyrolysis, combustion and reduction. In this process, gas quality, gasification
efficiency, biochar quality are the main parameters to be evaluated for the technical and
economic viability of the system. To contribute to solving the mentioned problems, this
study was conducted to study the effects of technological parameters on the syngas and
biochar production in a downdraft rice husk gasifier in Vietnam, including the following
main activities:
- To conduct the composition and physico-chemical parameters of IR 50404 rice husk
as baseline data for determining its general chemical formula, and the gasified agents and
products
- To establish general gasification reaction and set of equationsinclude: three balanced
equations for C, H2 and O2; two equations of the equilibrium constants for reactions of CH4
and H2O; one equation of the heat balance for the gasification process. Python program
was used to solve the set of non-linear equations to determine syngas components and
biochar quantity.

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
vii

- To conduct experiments on the rice husk downdraft gasifier.

- To verify the theoretical model and build equations for predicting the products of
rice husk downdraft gasifier.
- To investigate the technological parameters appropriate for syngas components and
biochar products.
- To carry out a pre-assessment on the biochar quality through testing biochar effect
on the growth of maize.
The obtained results are summarized as follows:
IR 50404 rice husk ultimate and proximate analysis.
Density

Moisture

(kg/m3)

(%)

100.42

9.99

Ultimate analysis (%)

Heating

Proximate analysis (%)

value
(MJ/kg)
15.55

C

H

O

N

S

41.26

4.75

35.46

0.48

0.01

Volatile

Fixed

matter

carbon

58.28

13.98

Ash

17.71

The general equation of gasification reaction can be written as follows:
CH1.38 O0.64 + 0.146H2 O(l) + qH2 O(g) + mO2 + 3.76mN2 = n1 C+ n2 H2 +
n3 CO + n4 CO2 + n5 H2 O + n6 CH4 + 3.76mN2
In which, there are six unknowns n1, n2, n3, n4, n5 and n6.
The set of six equations was formulated as follows:
n1 + n3 + n4 + n6 = 1
2n2 + 2n5 + 4n6 = 1.672 + 2q
n3 + 2n4 + n5 = 0.786 + q + 2m
n
K1 = 6 2
K2 =

(n2 )
n2 n4
n3 n5

dHtrau + 0.146dHH2O(l) + qdHH2O(k) = n1 dHC + n2 dHH2 + n3 dHCO + n4 dHCO2
n5 dHH2O(k) + n6 dHCH4 + 3.76mdHN2
{
The set of equations was solved using the Newton-Raphson method. The Python
program was used to code for predicting the the syngas composition and biochar products,
based on the two technological parameters (equivalence ratio ER and temperature T2 at
reduction zone).
In order to verify the model, a rice husk downdraft gasifier was calculated, designed

and manufactured. Experimental results showed that the produced amount of biochar
decreased when the temperature increased. This outcome was in agreement with

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
viii

thedeveloped model. Besides, at the same temperature at the reduction zone, the amount of
biochar decreased if the ER increased from 0.2 to 0.4. Regarding the syngas, its amount
increased whenthe ER was from 0.2 to 0.3 but decreased with increasing ER from 0.3 to
0.4.
The comparison between the developed model and experiment results showed that
the syngas composition and biochar predicted by the model waslower than those of the
experiment. The root mean square errors (RMSE) of model and experiment at the reduction
zone temperature T2 = 750oC, 800oC, 850oC and 900oC were 1.642; 1.882; 1.445 and 1.345,
respectively. These values indicated that the difference between the mathematical model
and the experiment is negligible in all cases; thus the model is considered reasonable.
Based on the verification results, the equations for prediction of volume of syngas
(H2, CO and CH4) and mass of biochar (C) with the reduction zone temperature T2 and the
equivalence ratio ER were found as follow:
+ Equation represents the relationship between YH2 with T2 and ER
YH2 = 35.569 – 0.099.T2 + 28.439.ER – 55.721.ER2; R2 = 0.98
+ Equation represents the relationship between YCO with T2 and ER
YCO = 50.124 – 0.153.T2 + 109.009.ER – 152.271.ER2; R2 = 0.97
+ Equation represents the relationship between YCH4 with T2 and ER
YCH4 = 30.952 – 0.083.T2 + 23.750.ER – 66.529.ER2; R2 = 0.97

+ Equation represents the relationship between YC with T2 and ER
YC = 84.174 – 0.061.T2 – 12.684.ER; R2 = 0.98
Experimental planning to evaluate the reasonable working of the rice husk downdraft
gasifier. Based on the results of solving the multi-objective problem, the parameters and
suitable targets were determined as follows:
+ The reasonable parameters: T2 = 745 (oC) and ER = 0.29
+ The suitable targets: LHVmax = 5.53 (MJ/Nm3) and Cmax = 37.5 (%).
An assessment of the biochar affecting the crop development was also carried out.
The results showed that the quality of biochar depends on the reduction temperature and
the equivalence ratio. The growth of maize in 35 days indicated that biochar's effect was
pronounced.

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
ix

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ................................................................................................................. ix
CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................................ xii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................. xiv
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................. xv
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xix
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1
1.

Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu ................................................................. 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 2

3.

Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 3

4.

Giới hạn của đề tài .......................................................................................... 3

5.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 4

6.

Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 4

7.

Điểm mới và đóng góp của luận án ................................................................. 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 6
1.1

Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và các khái niệm........................................... 6

1.1.1

Trấu ........................................................................................................... 6

1.1.2

Hóa khí ...................................................................................................... 7

1.1.3

Cơng nghệ hóa khí ..................................................................................... 8

1.2

Tổng quan về hệ thống hóa khí sinh khối ...................................................... 10

1.2.1

Một số hệ thống hóa khí sinh khối ở Việt Nam. ........................................ 10

1.2.2

Một số hệ thống hóa khí sinh khối của thế giới ......................................... 13

1.3

Tổng quan về thông số công nghệ của hệ thống hóa khí ................................ 14

1.3.1

Cấu tạo hệ thống hóa khí .......................................................................... 15

1.3.2

Ẩm độ nhiên liệu ...................................................................................... 17

1.3.3

Kích thước nhiên liệu ............................................................................... 19

1.3.4

Nhiệt độ hệ thống ..................................................................................... 20

1.3.5

Hệ số khơng khí cấp ER ........................................................................... 21

1.4

Than sinh học................................................................................................ 25

1.4.1

Đặc tính của than sinh học........................................................................ 26

TIEU LUAN MOI download :

luan an tien si

luan an tien si 1
x

1.4.2

Phương pháp sản xuất than sinh học ......................................................... 26

1.4.3

Lợi ích của than sinh học trong nơng nghiệp ............................................ 30

1.5

Mơ hình mơ phỏng q trình hóa khí ............................................................ 32

1.5.1

Mơ hình động lực học lưu chất tính tốn .................................................. 32

1.5.2

Mơ hình động học .................................................................................... 32

1.5.3

Mơ hình cân bằng nhiệt động lực học ....................................................... 33

1.6

Cơ sở lựa chọn hướng nghiên cứu ................................................................. 35

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ....................... 37
2.1

Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 37

2.2

Phương pháp xác định các thơng số lý hóa của trấu....................................... 38

2.2.1

Xác định khối lượng thể tích của trấu ....................................................... 38

2.2.2

Xác định ẩm độ ........................................................................................ 38

2.2.3

Phân tích xác định các thành phần ............................................................ 39

2.2.4

Phân tích xác định các nguyên tố C, H, O , N và S ................................... 40

2.2.5

Xác định nhiệt trị của trấu ........................................................................ 40

2.2.6

Xác định nhiệt trị của khí tổng hợp ........................................................... 41

2.3

Phương pháp xây dựng mơ hình tốn hóa khí trấu ......................................... 41

2.4

Phương pháp giải hệ phương trình của mơ hình tốn ..................................... 42

2.4.1

Phương pháp giải hệ phương trình theo Newton - Raphson ...................... 42

2.4.2

Ngơn ngữ lập trình giải hệ phương trình theo Newton - Raphson ............. 45

2.4.3

Cấu trúc mã nguồn bằng ngơn ngữ lập trình Python ................................. 46

2.5

Phương pháp điều khiển thông số công nghệ và thu thập số liệu .................. 46

2.5.1

Điều khiển lưu lượng khơng khí cấp ......................................................... 46

2.5.2

Điều khiển nhiệt độ vùng khử T2 .............................................................. 47

2.5.3

Thu thập số liệu thành phần khí ................................................................ 48

2.5.4

Phân tích và so sánh hai tổ hợp số liệu ..................................................... 49

2.6

Phương tiện nghiên cứu ................................................................................ 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. 52
3.1

Kết quả xác định các thông số lý hóa của trấu IR 50404................................ 52

3.2

Xây dựng và giải mơ hình tốn hóa khí trấu .................................................. 53
Mơ hình hóa khí trấu ................................................................................ 53
Xây dựng mơ hình tốn hóa khí trấu ......................................................... 55

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xi

Giải mơ hình tốn hóa khí trấu ................................................................. 59
3.3

Kết quả thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu ................................................... 87

3.3.1

Kết quả tính tốn, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu ...................... 87

3.3.2

Thực nghiệm ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm hóa khí ... 89

3.4

Kết quả kiểm chứng mơ hình tốn và xây dựng phương trình hồi quy ......... 104

3.4.1

Kiểm chứng mơ hình tốn ...................................................................... 104

3.4.2

Xây dựng các phương trình hồi quy........................................................ 110

3.5

Kết quả thực nghiệm xác định chế độ hóa khí trấu phù hợp......................... 115

3.5.1

Phát biểu bài tốn hộp đen...................................................................... 115

3.5.2

Xây dựng kế hoạch thực nghiệm bậc hai và lập ma trận thực nghiệm ..... 115

3.5.3

Kết quả thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm .......................... 116

3.5.4

Xác định các thông số và chỉ tiêu phù hợp .............................................. 118

3.6

Kết quả đánh giá sơ bộ chất lượng than sinh học ......................................... 118

3.6.1

Tiêu chí đánh giá chất lượng than sinh học ............................................. 118

3.6.2

Kết quả đánh giá than sinh học ở tiêu chí diện tích bề mặt riêng ............. 119

3.6.3

Kết quả thí nghiệm tác động của than sinh học đến với cây trồng ........... 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 122
1.

Kết luận ...................................................................................................... 122

2.

Kiến nghị .................................................................................................... 123

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ..................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 125
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................ 132
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................ 138
PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................ 150
PHỤ LỤC 4 ............................................................................................................ 160
PHỤ LỤC 5 ............................................................................................................ 164
PHỤ LỤC 6 ............................................................................................................ 170
PHỤ LỤC 7 ............................................................................................................ 175

TIEU LUAN MOI download :

luan an tien si

luan an tien si 1
xii

CÁC KÝ HIỆU
Ý nghĩa

Ký hiệu

Đơn vị

̅̅̅̅̅
∆GT0

Hàm Gibbs tiêu chuẩn

kJ/kmol

Hf0

Nhiệt hình thành

kJ/kmol

∆H

Biến thiên Enthalpy

kJ/kmol

∆T

Biến thiên nhiệt độ

K

a

Số nguyên tử hydro của trấu

b

Số nguyên tử oxy của trấu

CmHn

Hydrocarbon

CP

Nhiệt dung riêng

D

Đường kính buồng phản ứng

dH

Nhiệt lượng

ER

Hệ số khơng khí cấp

Gtr

Lượng trấu tiêu thụ trong 1 giờ

kg/h

Gtro

Lượng tro tạo thành trong 1 giờ

kg/h

Chiều cao buồng phản ứng

mm

H
HHV

Nhiệt trị cao

K1

Hệ số cân bằng phản ứng tạo khí CH4

K2

Hệ số cân bằng phản ứng chuyển nước

kJ/kmol K
mm
kJ/kmol

MJ/kg

Nhiệt trị thấp

MJ/Nm3

LHVCH4

Nhiệt trị của khí Methane

MJ/Nm3

LHVCO

Nhiệt trị của khí Carbon monoxide

MJ/Nm3

LHVH2

Nhiệt trị của khí Hydrogen

MJ/Nm3

LHVsyngas

Nhiệt trị của khí tổng hợp

MJ/Nm3

LHV

LHVtr

Nhiệt trị của trấu

MJ/kg

m

Số mol của oxy

mol

m1

Khối lượng lon

kg

m2

Khối lượng trấu và lon

kg

mc

Khối lượng lọ

kg

mf

Khối lượng cuối cùng gồm trấu khô và lọ

kg

Mg

Lưu lượng khí sinh ra trong 1 giờ

m3/h

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1

xiii

Mgi

Lưu lượng khí đi vào cyclone

mi

Khối lượng ban đầu gồm trấu và lọ

Mlt

Lưu lượng khơng khí lý thuyết

m3/h

mlt

Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu.

m3/kg

Mq

Lưu lượng khơng khí cấp

m3/h

Mtt

Lưu lượng khơng khí thực

m3/h

n1

Số mol của C

mol

n2

Số mol của H2

mol

n3

Số mol của CO

mol

n4

Số mol của CO2

mol

n5

Số mol của H2O

mol

n6

Số mol của CH4

mol

Nv

Năng suất cấp trấu của vít tải

kg/h

P

Cơng suất hệ thống hóa khí

kW

q

Số mol của nước trong khơng khí

mol

Q

Nhiệt lượng cần thiết cho hệ thống hóa khí

MJ/h

R

Hằng số khí lý tưởng (R= 8,314)

T

Nhiệt độ vùng phản ứng

K

T1

Nhiệt độ môi trường

K

T2

Nhiệt độ vùng khử

K

v0

Thể tích lon chứa trấu

m3

vs

Vận tốc khí qua lớp trấu

m/s

Vth

Thể tích thùng chứa trấu

m3

Vvt

Thể tích cấp trấu của vít tải

W

Ẩm độ của trấu

w

Số mol của nước trong trấu

mol

Z

Tốc độ cháy

m/h

ρkk

Khối lượng riêng khơng khí

kg/m3

ρtr

Khối lượng thể tích của trấu

kg/m3

η

Hiệu suất hệ thống khí hóa

%

m3/h
kg

kJ/kmol K

m3/h
%

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xiv

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Chữ viết
ASTM

American Society for Testing and Materials
Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ

ĐBSCL
ĐHNL Tp.HCM
IEA

Đồng bằng Sông Cửu Long
Đại học Nơng Lâm Thành phố Hồ Chí Minh
International Energy Agency
Cơ quan năng lượng quốc tế

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change
Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu

IRRI

The International Rice Research Institute
Viện nghiên cứu lúa quốc tế

RMSE

Root Mean Square Error
Độ lệch chuẩn của phần dư

SPIN

Sustainable Product Innovation
Đổi mới sản phẩm bền vững

Tp.HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xv

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo của hạt lúa ..................................................................................... 6

Hình 1.2 Sản lượng lúa và trấu của cả nước giai đoạn 2015-2020 [19]. ...................... 6
Hình 1.3 Bốn giai đoạn q trình hóa khí [11]............................................................ 7
Hình 1.4 Phân loại hệ thống hóa khí theo tầng [37] .................................................... 9
Hình 1.5 Bếp hóa khí quy mơ nơng hộ ..................................................................... 10
Hình 1.6 Hệ thống hóa khí phát điện 1,8 kW............................................................ 10
Hình 1.7 Hệ thống khí tầng sơi [39] ......................................................................... 11
Hình 1.8 Hệ thống hóa khí trấu 3 - 6 kW [40] .......................................................... 11
Hình 1.9 Mơ hình hệ thống hóa khí trấu nung gốm ở Đồng Tháp ............................. 12
Hình 1.10 Hệ thống hóa khí trấu kết hợp động cơ diesel 150 kW [41]...................... 12
Hình 1.11 Bếp hóa khí ở Philippines [28]................................................................. 13
Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu kiểu tầng sơi ................................................ 13
Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu trong máy sấy tầng sơi ................................. 13
Hình 1.14 Thiết bị hóa khí dăm gỗ [43].................................................................... 15
Hình 1.15 Thiết bị hóa khí thân cây bắp [44] ........................................................... 15
Hình 1.16 Thiết bị hóa khí dăm gỗ kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [45] .................. 16
Hình 1.17 Thiết bị hóa khí viên gỗ nén kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [47] ........... 16
Hình 1.18 Than sinh học [70] ................................................................................... 25
Hình 1.19 Đặc tính TSH thay đổi theo nhiệt độ quá trình nhiệt phân [71] ................ 26
Hình 1.20 Các doanh nghiệp sản xuất than sinh học [32] ......................................... 27
Hình 1.21 Số doanh nghiệp sử dụng phương pháp sản xuất than sinh học [32]......... 27
Hình 1.22 Cơng nghệ chuyển đổi hóa nhiệt của sinh khối [72] ................................. 27
Hình 1.23 Phương pháp sản xuất và ứng dụng than sinh học [31] ............................ 28
Hình 1.24 Lượng than sinh học thu được ứng với nhiệt độ [73] ............................... 28
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu dùng trong nghiên cứu ................................... 37
Hình 2.2 Nghiệm của hệ phương trình theo Newton - Raphson ................................ 42
Hình 2.3 Ý tưởng của thuật tốn Newton-Raphson .................................................. 43
Hình 2.4 Lưu đồ thuật tốn của phương pháp Newton Raphson ............................... 44
Hình 2.5 Cấu trúc mã nguồn (sourcecode structure) ................................................. 46
Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển lượng khơng khí cấp .............. 47

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xvi

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển nhiệt độ T2 ............................. 48
Hình 2.8 Biểu diễn vị trí đo các thành phần khí ........................................................ 48
Hình 2.9 Thiết bị thí nghiệm 1 ................................................................................. 50
Hình 2.10 Thiết bị thí nghiệm 2 ............................................................................... 50
Hình 2.11 Thiết bị phân tích khí trực tiếp GABOARD 3100P .................................. 51
Hình 3.1 Thực nghiệm xác định thơng số lý hóa của trấu tại Việt Nam .................... 52
Hình 3.2 Thực nghiệm xác định thơng số lý hóa của trấu tại Đài Loan ..................... 52
Hình 3.3 Mơ hình buồng phản ứng của hệ thống hóa khí trấu kiểu dịng khí đi
xuống ................................................................................................................ 54
Hình 3.4 Hộp đen mơ tả q trình hóa khí trấu ........................................................ 55
Hình 3.5 Lưu đồ thuật tốn giải hệ phương trình theo phương pháp Newton
Raphson ............................................................................................................ 68
Hình 3.6 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,2 ............................... 71
Hình 3.7 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,25 ............................. 72
Hình 3.8 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,3 ............................... 72
Hình 3.9 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,35 ............................. 73
Hình 3.10 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,4 ............................. 74
Hình 3.11 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC ................................................. 74
Hình 3.12 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 750oC .............................. 75
Hình 3.13 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 800oC ................................................. 76
Hình 3.14 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 800oC .............................. 77
Hình 3.15 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 850oC ................................................. 78

Hình 3.16 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 850oC .............................. 78
Hình 3.17 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 900oC ................................................. 79
Hình 3.18 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 900oC .............................. 80
Hình 3.19 So sánh thành phần các khí ...................................................................... 80
Hình 3.20 Phân bố năng lượng của hệ thống hóa khí trấu [106] ............................... 81
Hình 3.21 So sánh lượng than sinh học và khí tổng hợp ........................................... 81
Hình 3.22 So sánh nhiệt trị nhiên liệu và nhiệt trị khí tổng hợp ................................ 82
Hình 3.23 So sánh nhiệt trị của khí tổng hợp dùng thay thế nhiên liệu diesel ........... 83
Hình 3.24 Biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ với than sinh học và khí tổng hợp ... 84
Hình 3.25 So sánh phần trăm và nhiệt trị khí tổng hợp ............................................. 85

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xvii

Hình 3.26 Hệ thống hóa khí trấu đã thiết kế ............................................................. 88
Hình 3.27 Hệ thống hóa khí trấu dùng trong thực nghiệm ........................................ 89
Hình 3.28 Hệ thống hóa khí trấu và thiết bị đo ......................................................... 89
Hình 3.29 Kiểm tra lưu lượng khơng khí cấp bằng Testo 400................................... 91
Hình 3.30 Lượng khơng khí cấp đo bằng Testo 400 ................................................. 92
Hình 3.31 Thành phần khí tổng hợp được phân tích bằng Gasboard 3100P .............. 92
Hình 3.32 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 750oC ........................................... 93
Hình 3.33 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 750oC ...................................... 93
Hình 3.34 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 800oC ........................................... 94
Hình 3.35 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 800oC ...................................... 95
Hình 3.36 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 850oC ........................................... 96

Hình 3.37 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 850oC ...................................... 96
Hình 3.38 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 900oC ........................................... 97
Hình 3.39 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 900oC ...................................... 98
Hình 3.40 Nhiệt trị của khí tổng hợp ........................................................................ 99
Hình 3.41 Lượng than sinh học ứng với nhiệt độ và hệ số ER .................................. 99
Hình 3.42 Hiệu suất của hệ thống hóa khí ứng với nhiệt độ và ER ......................... 100
Hình 3.43 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh
học thu được khi ER = 0,2 .............................................................................. 101
Hình 3.44 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh
học thu được khi ER = 0,25 ............................................................................ 101
Hình 3.45 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh
học thu được khi ER = 0,3 .............................................................................. 102
Hình 3.46 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh
học thu được khi ER = 0,35 ............................................................................ 102
Hình 3.47 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh
học thu được khi ER = 0,4 .............................................................................. 102
Hình 3.48 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh
học thu được khi nhiệt độ hóa khí 750oC ......................................................... 103
Hình 3.49 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh
học thu được khi nhiệt độ hóa khí 800oC ......................................................... 103

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xviii

Hình 3.50 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh

học thu được khi nhiệt độ hóa khí 850oC ......................................................... 103
Hình 3.51 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh
học thu được khi nhiệt độ hóa khí 900oC ......................................................... 103
Hình 3.52 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 750oC ............................................. 105
Hình 3.53 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 800oC ............................................. 106
Hình 3.54 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 850oC ............................................. 108
Hình 3.55 Kiểm chứng mơ hình tốn khi T2 = 900oC ............................................. 109
Hình 3.56 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa C với T2 và ER ................................ 111
Hình 3.57 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa H2 với T2 và ER ............................... 112
Hình 3.58 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa CO với T2 và ER.............................. 113
Hình 3.59 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa CH4 với T2 và ER ............................ 114
Hình 3.60 Bài tốn mơ tả q trình nghiên cứu ...................................................... 115
Hình 3.61 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ C – ER – T2 ............................................. 117
Hình 3.62 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ LHV – ER – T2........................................ 118
Hình 3.63 Chiều cao của bắp ứng với tỉ lệ than sinh học trong đất ......................... 119
Hình 3.64 Chiều cao bắp ứng với lượng chứa nước và tỉ lệ của than sinh học ........ 120

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
xix

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thơng số hóa khí của các loại nhiên liệu khác nhau [57] ........................... 19
Bảng 1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần khí tổng hợp ............................... 21
Bảng 1.3 Kết quả của thực nghiệm hóa khí thân cây bắp [44]................................... 22
Bảng 1.4 Giá trị các khí thành phần ứng với ER khác nhau [65] ............................... 23

Bảng 1.5 Tác động của than sinh học đến việc hấp thụ dinh dưỡng cây trồng [81] ... 31
Bảng 2.1 Thành phần khí tổng hợp được phân tích bằng Gasboard 3100P ................ 51
Bảng 3.1 Kết quả phân tích thơng số lý hóa của trấu IR 50404 ................................. 53
Bảng 3.2 Giá trị của hàm Gibbs ở nhiệt độ chuẩn (25oC) [105] ................................ 61
Bảng 3.3 Giá trị các hằng số A, B, C và D [105] ...................................................... 63
Bảng 3.4 Giá trị nhiệt tạo thành ở nhiệt độ chuẩn (25oC) [105] ................................ 63
Bảng 3.5 Kết quả giải hệ phương trình với T2 = 750oC và ER = 0,2 ......................... 70
Bảng 3.6 So sánh thành phần khí tổng hợp ............................................................... 84
Bảng 3.7 Các thông số của sinh khối và thông số công nghệ của các nghiên cứu...... 85
Bảng 3.8 Kết quả so sánh thực nghiệm đã công bố với mơ hình ............................... 86
Bảng 3.9 Các thơng số cơ bản của hệ thống hóa khí trấu đã được tính toán .............. 87
Bảng 3.10 Thành phần phần trăm các nguyên tố của trấu ......................................... 90
Bảng 3.11 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 750oC ...................... 104
Bảng 3.12 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 800oC ...................... 106
Bảng 3.13 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 850oC ...................... 107
Bảng 3.14 So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi T2 = 900oC ...................... 108
Bảng 3.15 Các thông số hồi quy của YC ................................................................. 110
Bảng 3.16 Các thông số hồi quy của YH2 ................................................................ 111
Bảng 3.17 Các thông số hồi quy của YCO ............................................................... 113
Bảng 3.18 Các thông số hồi quy của YCH4 .............................................................. 114
Bảng 3.19 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào. ................................ 116
Bảng 3.20 Kết quả thí nghiệm trồng bắp ................................................................ 120

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, thế giới đặc biệt quan tâm và đang phải đối mặt với sự
cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch và vấn đề nóng lên của trái đất [1, 2]. Nguyên nhân chính
của hiện tượng này là do tăng các khí thải có hại như CO2 vì con người sử dụng q nhiều
nhiên liệu hóa thạch và diện tích rừng ngày càng giảm [3, 4]. Theo Ủy ban Liên chính phủ
về Biến đổi Khí hậu (IPCC), như tình hình hiện nay thì nhiệt độ bề mặt Trái Đất sẽ có thể
tăng 1,1 đến 6,4°C trong suốt thế kỷ XXI [5]. Hậu quả nghiêm trọng của việc nóng lên của
trái đất là làm tan băng dẫn đến mực nước biển dâng, đe dọa nghiêm trọng các quốc gia
ven biển vì ngập. Một trong những giải pháp giảm tình trạng nóng lên của trái đất là việc
tăng cường khai thác và sử dụng các dạng năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch nhằm
trung hịa và khơng làm tăng CO2 như: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng
sinh khối (biomass) [6, 7]. Đồng thời, năng lượng sinh khối đã và đang dần phát triển theo
hướng tích cực như một sự thay thế thích đáng, giảm thiểu áp lực ơ nhiễm mơi trường, bảo
vệ trái đất, giảm khí độc gây ra hiệu ứng nhà kính phá hủy tầng Ozon [8]. Hiện nay trên
quy mơ tồn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14 - 15% tổng năng
lượng tiêu thụ của thế giới [9]. Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang
là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép trong quá trình sử
dụng nhiên liệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai.
Sinh khối là một trong những nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch có
triển vọng và nguồn cung cấp dồi dào dưới dạng thể rắn là chủ yếu [10]. Điều này hạn chế
rất lớn trong khai thác và sử dụng sinh khối. Vì vậy, để tiện lợi và sử dụng sinh khối có
hiệu quả địi hỏi phải đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp chẳng hạn như
hóa khí, hóa lỏng từ nguồn sinh khối thể rắn. Sinh khối thể rắn có thể chuyển đổi sang dạng
khí hoặc lỏng trong đó phổ biến là dạng khí, được gọi là khí tổng hợp (syngas) vì những
ưu điểm như tiện lợi trong sử dụng, có thể lưu trữ, nhiệt trị cao và nhiều ứng dụng trong
công nghiệp [11, 12]. Ở nhiều nước trên thế giới, khí tổng hợp được sử dụng rất phổ biến
cho các động cơ đốt trong để chạy máy phát điện [13-16].
Việt Nam là đất nước nơng nghiệp có tiềm năng sinh khối rất lớn từ phụ phẩm nông
nghiệp. Tiềm năng về năng lượng sinh khối của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng và

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
2

có trữ lượng khá lớn [17]. Theo tính tốn của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh
khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm tương đương 80,7 triệu tấn dầu, gấp 2 lần tổng lượng
khai thác dầu khí của Việt Nam [18]. Các nguồn sinh khối của Việt Nam bao gồm: phụ
phẩm nông lâm nghiệp; chất thải chăn nuôi; chất thải thành phố và cơng nghiệp. Trong đó
phụ phẩm nơng lâm nghiệp chiếm tỉ trọng lớn nhất, đặc biệt là trấu [19].
Hóa khí sinh khối là q trình chuyển đổi hóa nhiệt được thực hiện trong mơi trường
yếm khí. Q trình này chia làm bốn giai đoạn chính là sấy, nhiệt phân, cháy và khử [2022]. Q trình hóa khí là một q trình rất phức tạp trong đó chất lượng khí, hiệu suất hóa
khí, chất lượng than sinh học (biochar) là những thơng số chính đánh giá tính kinh tế kỹ
thuật của hệ thống. Các thông số này bị tác động và phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm sinh
khối (thành phần hóa học, kích thước và độ ẩm của sinh khối) và các thơng số cơng nghệ
hóa khí bao gồm đặc điểm khơng khí cấp vào hệ thống hóa khí (lưu lượng, nhiệt độ và áp
suất); nhiệt độ vùng cháy, vùng khử và kết cấu của hệ thống hóa khí như hóa khí kiểu dịng
khí đi xuống, dịng khí đi lên, dịng khí đi chéo,... [23-25].
Nghiên cứu về hóa khí sinh khối thường được thực hiện theo hai hướng chính là
nghiên cứu về cấu tạo của thiết bị hóa khí và nghiên cứu về các thơng số cơng nghệ của hệ
thống hóa khí [11, 26]. Các nghiên cứu về cấu tạo của thiết bị hóa khí đã được thực hiện
nhiều năm về trước [20, 27, 28]. Hiện nay, các cơng trình nghiên cứu về hóa khí sinh khối
thường tập trung vào các thơng số cơng nghệ nhằm hướng đến chất lượng khí tổng hợp
[25, 29, 30]. Một vài cơng trình cơng bố hóa khí sinh khối có thể thu đồng thời khí tổng
hợp và than sinh học [31, 32]. Tuy nhiên, chưa có cơng bố nào đánh giá ảnh hưởng của các
thơng số cơng nghệ đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học trong thiết bị hóa khí

trấu kiểu dịng khí đi xuống tại Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu sự ảnh hưởng một số thơng số cơng nghệ của q
trình hóa khí kiểu dịng khí đi xuống (downdraft) đối với trấu tại vùng Đồng bằng Sơng
Cửu Long, Việt Nam đến sản phẩm khí tổng hợp (syngas) và than sinh học (biochar) sử
dụng cho sản xuất nhỏ và nông hộ tại các vùng nông thôn.
Mục tiêu cụ thể:
-

Xác định các thơng số lý hóa của trấu vùng Đồng bằng Sông Cửu Long làm cơ

sở cho nghiên cứu q trình hóa khí trấu về lý thuyết và thực nghiệm bao gồm xây dựng

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
3

các phương trình và phản ứng xảy ra, xây dựng phương trình cân bằng năng lượng,…
-

Xây dựng mơ hình mơ tả q trình hóa khí theo kiểu dịng khí đi xuống qua đó

bằng lý thuyết mơ phỏng có thể dự đốn các thành phần của sản phẩm khí từ thành phần
của nhiên liệu trấu. Đồng thời hệ phương trình mơ tả có thể mở rộng cho nhiều loại sinh
khối khác nhau.
-

Xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm xác định sự ảnh hưởng của các thơng số

cơng nghệ chính đến hiệu quả của q trình hóa khí trấu theo kiểu dịng khí đi xuống bao
gồm thành phần khí tổng hợp, chất lượng khí tổng hợp và lượng than sinh học.
-

Xây dựng mơ hình bài toán nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm nhằm xác định

các thông số công nghệ đáp ứng yêu cầu để quá trình hóa khí trấu theo kiểu dịng khí đi
xuống đạt hiệu quả thu đồng thời khí và than.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng của nghiên cứu này là hệ thống hóa khí sinh khối kiểu dịng khí đi xuống,
nhiên liệu sử dụng để hóa khí là trấu thu được từ một số nhà máy xay xát lúa ở vùng Đồng
bằng Sơng Cửu Long.
4. Giới hạn của đề tài
Có rất nhiều thơng số cơng nghệ tác động đến q trình hóa khí sinh khối như: đặc
tính của nhiên liệu (loại nhiên liệu, ẩm độ, kích thước, khối lượng thể tích,…); thơng số
hoạt động của hệ thống hóa khí (tác nhân hóa khí là khơng khí, oxy, hơi nước; hệ số khơng
khí cấp ER; nhiệt độ; tốc độ hóa khí riêng,…). Tuy nhiên, kế thừa các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nước nhiều năm qua, cho thấy khi nghiên cứu cho một đối tượng nhiên liệu
cụ thể thì các yếu tố tác động đến từ nhiên liệu thường được ổn định và không gây ảnh
hưởng nhiều. Các thông số ảnh hưởng lớn đến q trình và hiệu quả hóa khí là nhóm các
thơng số của hệ thống hóa khí. Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào nghiên cứu sâu
theo hướng này.
Trong nghiên cứu hóa khí với đối tượng nhiên liệu là trấu sau khi xay xát thì các
thơng số ẩm độ, kích thước, khối lượng thể tích,... của trấu gần như ổn định, ít ảnh hưởng
và vì vậy rất phù hợp cho kiểu hóa khí dịng khí đi xuống. Do đó, tác giả chọn kiểu hóa khí
dịng khí đi xuống với hai thơng số cơng nghệ chính là hệ số khơng khí cấp ER và nhiệt độ
vùng khử T2 để nghiên cứu nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của chúng đến thành phần khí

tổng hợp và than sinh học.

TIEU LUAN MOI download :


luan an tien si

luan an tien si 1
4

Ngoài ra, với mục tiêu nghiên cứu cụ thể như trên nên thực nghiệm được tiến hành
nghiên cứu trên mơ hình nhỏ, qui mô nông hộ.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu lý thuyết và nghiên
cứu thực nghiệm. Về tổng quan, luận án đã nghiên cứu phân tích các nghiên cứu về hóa
khí của các tác giả trong và ngồi nước đã cơng bố, qua đó kế thừa các kết quả đã có đồng
thời phát hiện bổ sung một số vấn đề còn tồn tại nhằm đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu
của luận án. Về nghiên cứu lý thuyết, luận án tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hóa
khí sinh khối, tiến hành xây dựng mơ hình tốn nhằm mơ phỏng và phân tích q trình hóa
khí trấu trong thiết bị hóa khí dịng khí đi xuống. Hệ phương trình dự đốn các khí thành
phần và lượng than sinh học tương ứng với các thông số công nghệ của hệ thống hóa khí
đã được xây dựng. Ngơn ngữ lập trình Python đã được sử dụng để giải hệ các phương trình
phi tuyến của mơ hình. Thành phần và khối lượng của sản phẩm khí và than sinh học tương
thích với sự thay đổi của một số thông số công nghệ của hệ thống hóa khí đã được xác
định. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được tiến hành với mục tiêu kiểm
chứng lại sự phù hợp và đúng đắn của mơ hình tính tốn đã xây dựng. Ngồi ra luận án còn
sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm nhằm tìm các giá trị hợp lý của các thơng số
cơng nghệ để thu được sản phẩm khí tổng hợp và than sinh học phù hợp nhất khi hóa khí
trấu theo kiểu dịng khí đi xuống. Vấn đề lợi ích của việc sử dụng than sinh học trong thực
tế như dùng bón cho cây trồng và ảnh hưởng của than sinh học đến sự sinh trưởng và phát

triển của cây trồng cũng đã được thực nghiệm.
6. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung được triển khai nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu tổng quan những vấn đề liên quan đến năng lượng, sinh khối, hệ thống
hóa khí, các thơng số cơng nghệ, khí tổng hợp và than sinh học để làm cơ sở cho việc lựa
chọn, phân tích và đánh giá ở nội dung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
- Thực nghiệm xác định các thơng số lý hóa của trấu để làm cơ sở xác định cơng thức
hóa học tổng qt; xác định tác nhân hóa khí; xác định các sản phẩm hóa khí.
- Nghiên cứu lý thuyết xây dựng hệ phương trình từ phương trình tổng qt hóa khí
trấu gồm: các phương trình cân bằng khối lượng của nguyên tố C, H 2 và O2; phương trình

TIEU LUAN MOI download :