ĐỒ ÁN HỆ THỐNG KHÍ HÓA TRẤU

Lời Mở Đầu
Đồ án môn học chuyên ngành là cơ hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã
học,tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình & các thiết bị với
số liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết
những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau
này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Đình Quân đã chỉ dẫn tận tình trong quá
trình em thực hiện đồ án. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác
trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong
quá trình hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp nên trong đồ án
còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của
thầy cô và các bạn.
1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN









Xác nhận của giáo viên
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ

Xác nhận của hội đồng
2
MỤC LỤC
3
I Đặt Vấn Đề
Vào thế kỷ XIX, gỗ là nguồn năng lượng làm máy chạy bằng hơi nước phổ thông
trong ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh công nghiệp cơ giới. Sau đó, con người
chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công dụng cho đời
sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước. Khi tìm thấy nguồn
nhiên liệu trầm tích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người tăng tốc sử dụng loại
năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành vận tải, nhiệt và
điện năng. Loại nhiên liệu thể lỏng (xăng dầu) trở nên thông dụng hơn trong ngành
vận chuyển vì có tỉ trọng năng lượng cao, dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn,
và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụng giảm dần.[1]
Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm
khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ
lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng
40-50 năm nữa. Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là do nhu cầu dầu thô
ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ. Để đối phó
tình hình đó, chúng ta cần tìm ra các nguồn năng lượng mới, có thể tái sinh, thay thế
cho các nguồn năng lượng này.[1]
Nhu cầu sử dụng năng lượng trong các ngành công nghiệp và sinh hoạt gia tăng nhanh
chóng. Phần lớn là sử dụng nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá.
Việc tiêu thụ các loại nhiên liệu này gây ảnh hưởng rất nghiêm trong đến môi trường.
Nguồn năng lượng hóa thạch là không thể tái tạo, nguồn năng lượng này đang cạn kiệt
dần trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao và các vấn đề về môi
trường thúc đẩy việc tìm ra các nguồn năng lượng mới có thể thay thế nhiên liệu hóa
thạch trong tương lai. Những năm gần đây, con người đã tìm ra nhiều nguồn năng
lượng mới như nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió, địa nhiệt. Tuy

nhiên các nguồn năng lượng này chỉ đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu của con người và
cũng không khả thi về mặt kinh tế nên chưa được áp dụng rộng rãi.
Sinh khối đã nổi lên như một sự lựa chọn khả thi về mặt năng lượng, nhất là các nước
đang phát triển. Đặc biệt, nước ta là nước có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu
với thế mạnh chính là các ngành trồng trọt và chăn nuôi, đặc biệt là ngành
sản xuất lúa gạo.Sản phẩm của quá trình khí hóa là khí tổng hợp (syngas) có thể tạo
ra nguồn năng lượng để sản xuất điện, tạo nhiệt để cung cấp cho lò hơi, hoặc được sử
dụng để sản xuất pin nhiên liệu,hiện nay người ta cũng dùng nhiều trong sinh hoạt [6].
Hiện nay một số công ty và một số gia đình ở nông thôn cũng đã dùng…nhưng vẫn
còn hạn chế,chưa sản xuất và dùng đại tà
4
II.Năng Lượng Sinh Khối
2.1 Tổng Quan Sinh Khối
Sinh khối là một dạng năng lượng tái tạo, là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh
vật, có khả năng tái tạo trong thời gian ngắn.Trong quá trình sản xuất năng lượng và
công nghiệp, sinh khối được coi như là nguyên liệu có nguồng gốc từ sinh vật sống có
thể dung làm nguyên liệu cho sản xuất như: các phế phẩm từ nông nghiệp ( rơm rạ, vỏ
trấu,…), phế phẩm lâm nghiệp ( lá khô, vụn gỗ,…), phân chuồng,….[3]
Sinh khối được phân thành hai dạng chính:
+ Các loại phế thải nông nghiệp dạng hạt nhỏ: trấu, rơm rạ, vỏ hạt điều….
+ Sinh khối gỗ: các loại cây thân gỗ trong nông nghiệp: gỗ chàm, cao su, điều, bắp….
Thành phần chính của sinh khối: [6][3]
+ Lignin: chiếm khoảng 15%-25% khối lượng, công thức hóa học (C
10
H
12
O
4
)
n

, bền
với các chuyển hóa hóa học, để chuyển hóa cần nhiệt độ cao.
+ Hemicellulose: chiếm 23%-32% khối lượng, công thức hóa học [C
5
(H
2
O)4]
n
+Cellulose: chiếm 38%-50% khối lượng, công thức hóa học [C
6
(H
2
O)
5
]
n
, là thành
phần dễ bị biến đổi
Trên thế giới, hơn một nửa dân số sử dụng sinh khối làm nguồn năng lượng chính bởi
các ưu điểm như rẻ tiền, dễ kiếm, dễ sử dụng, chi phí đầu tư ban đầu không cao như
các loại năng lượng tái sinh khác (gió, năng lượng mặt trời…)
2.2 Ưu và nhược điểm của sinh khối
Các ưu điểm của năng lượng sinh khối [3],[9]
- Cùng lúc có thể vừa cung cấp nhiệt, vùa cung cấp điện năng.
- Tận dụng được nguồn phế thải nông, lâm nghiệp.
- Là loại chất đốt chứa ít lưu huỳnh, có chu trình tuần hoàn Cacbon ngắn nên lượng
cacbon trong môi trường ổn định góp phần giảm hiệu ứng nhà kính, giảm ô nhiễm.
- An toàn trong quá trình vận chuyển, có chất lượng khá đồng đều.
- Năng lượng sinh khối rẻ giúp giảm đáng kể về chi phí năng lượng.
Các khó khăn khi sử dụng năng lượng sinh khối.

- Mật độ năng lượng thấp hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch.
5
- Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp, khó sử dụng.
- Chi phí vận chuyển cao, cần không gian lưu trữ lớn
2.3 Thực trạng và phương pháp dùng mùn cưa
Mùn cưa là sản phẩm thải từ gỗ ,khi người ta dùng gỗ để chế tạo các thiết bị như
thiết bị sinh hoạt,đồ dùng thì thải ra một lượng lớn dăm bào và mùn cưa.
Mùn cưa chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và
khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và
Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ.
Lignin chiếm khoảng 25 - 30% và cellulose chiếm khoảng 35 - 40%.[6].Khối lượng
đổ đống của mùn cưa khoảng 230 kg/m
3
.Thành phần hoá học của mùn cưa thay đổi
theo loại cây, mùa vụ canh tác, điều kiện khí hậu và đặc trừng vùng miền. Tuy nhiên,
hầu hết các loại gỗ có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% theo khối lượng. Các hợp
chất chính có cấu trúc xốp dạng cellulo và lignin .
Tuy nhiên, điển hình nhất hiện nay là một trong số những phương pháp sau [9]:
• Đốt tự do: Mùn cưa được đổ thành đống và đốt tự do ngoài không khí. Phương pháp
này không điều chỉnh được nhiệt độ và sự đối lưu của không khí nên không quản lý
được chất lượng của tro.
• Đốt không tận thu năng lượng : Mùn cưa được đốt trong các loại lò có khống chế
nhiệt độ nhưng không tận thu nhiệt năng.
• Đốt sử dụng cho lò hơi : Nhiệt được từ quá trình đốt mùn cưa dùng để đun nóng
nước trong các lò hơi. Các loại lò này hiện nay chỉ quan tâm đến việc tận dụng nhiệt
lượng.
• Đốt trong lò đốt tầng sôi: Là loại lò đốt cho phép chuyển hoá nhanh mùn cưa thành
nhiệt lượng và tro ở điều kiện nhiệt độ không đổi định trước.
• Đốt trong lò đốt hoá hơi : Mùn cưa nhiên liệu được đốt ở chế độ nhiệt cao (trên
700

0
C) để chuyển hóa thành các nhiên liệu khí thương mại như CO, H
2
và CH
4
.
III. Khí Hóa Sinh Khối
3.1 Tổng quan về khí hóa sinh khối
Khí hóa sinh khối là quá trình chuyển nhiên liệu sinh khối từ dạng rắn sang dạng
nhiên liệu khí bằng quá trình phản ứng giữa không khí với sinh khối ở nhiệt độ cao.
Khí tạo ra có thành phần chủ yếu là CH
4
, CO, H
2
, dùng làm nguyên liệu tổng hợp
một số hợp chất và nhiên liệu thay thế khí hóa lỏng đắt tiền hiện nay trong dân dụng
và công nghiệp.[1][8]
6
Trong đó tùy yêu cầu sản phẩm mà ta có thể điều khiển được các phản ứng thông qua
các thông số nhiệt độ và áp suất sao cho tỉ lệ các thành phần của hỗn hợp khí theo
mong muốn. Mục đích của quá trình là dùng hết năng lượng thoát ra từ khói và nhờ đó
hạn chế ô nhiễm. Các thành phần cho tỉ lệ các thành phần của hỗn hợp khí theo mong
muốn.Các thành phần cháy sẽ phản ứng ngay trong lò để tổ hợp lại thành hơi nước và
khí carbonic trong khi giải phóng ra một lượng nhiệt rất lớn. [1][8]
Quá trình khí hóa là tổng hợp của 4 quá trình riêng biệt xảy ra trong thiết bị : quá trình
sấy, nhiệt phân, cháy, khí hóa. [3],[9]
+ Quá trình sấy : Là quá trình có nhiệt độ thấp nhất, giúp loại bỏ lượng hơi nước
trong vật liệu. xảy ra ở nhiệt độ từ 100
0
C, hơi nước thoát ra, vật liệu bị khô dần.

Thông thường, hơi nước được trộn vào dòng chảy khí.
+ Quá trình nhiệt phân : Xảy ra khi vật liệu chịu nhiệt độ cao khoảng 200
0
C – 300
0
C
trong môi trường thiếu oxi, sinh khối phân hủy theo những quá trình tỏa nhiệt. Các
sản phẩm hữu cơ thoát ra thành hắc ín và than có hàm lượng cacbon cao, khối lượng
của vật liệu giảm còn khoảng 70% so với ban đầu. Nhiệt độ khoảng 200
0
C – 300
0
C,
vật liệu bị phân hủy theo những quá trình tỏa nhiệt. Giai đoạn này phụ thuộc vào các
tính chất và thành phần của nguyên liệu ban đầu, thành phần của than được tạo thành
mà sau đó sẽ xảy ra các phản ứng khí hóa.
+ Quá trình cháy : Sinh khối cháy với ngọn lửa nhiệt độ cao, cung cấp nhiệt cho toàn
bộ quá trình khí hóa, hắc ín cháy cung cấp nhiệt lượng. Quá trình này tạo ra CO
2
và
H
2
. Quá trình kiểm soát lượng hắc ín trong sản phẩm. Ở giai đoạn này các sản phẩm
dễ bay hơi và phần lớn than phản ứng với oxy để tạo thành CO
2
và một lượng nhỏ
CO, cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa tiếp theo. Phản ứng chủ yếu trong giai
đoạn này: C + O
2
→ CO

2

Hydro trong nhiên liệu phản ứng với oxy trong không khí, tạo ra hơi nước:
H
2
+ O
2
→ H
2
O
Một chức năng quan trọng của giai đoạn cháy ngoài việc tạo ra nhiệt là để chuyển đổi
và oxy hóa hầu như tất cả các sản phẩm ngưng tụ từ các vùng nhiệt phân.
+ Quá trình khí hóa : khối lượng sinh khối giảm nhanh, là quá trình chính hình thành
CO và H
2
do phản ứng của CO
2
, H
2
O qua vùng C nóng thông qua phản ứng:
C + H
2
O → CO + H
2
C + O
2
→ CO
Đồng thời, xảy ra các phản ứng khác:
7
CO

2
+ C →
2
CO
CO
2
+ H
2
→ CO + H
2
O
C + H
2
→ CH
4
Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa sinh khối:
C + O
2
↔ CO
2
C + CO
2
↔ 2CO
C + H
2
O ↔ CO + H
2
C + 2H
2
↔ CH

4
Hình 1. Các quá trình trong lò khí hóa
8
Hình 2. Các giai đoạn trong lò
3.2 so sánh phương pháp khí hóa và đốt cháy trực tiếp
Bảng 1.So sáng phương pháp khí hóa và đốt cháy trực tiếp [3],[9]
Khí hóa sinh khối Đốt trực tiếp
- Hầu như không có khói, bụi, giảm đáng
kể lượng tro do sinh khối cháy gần như
hoàn toàn.
- Hạn chế thất thoát nhiệt năng do khói.
- Quá trình đốt cho nhiệt độ rất cao, đáp
ứng được nhu cầu của các ngành công
nghiệp hiện đại.
-Khí sinh ra có chất lượng đồng đều thuận
lợi cho việc vận hành hệ thống
và điều khiển tự động
- Khói thải không chứa các thành
phần cháy được (methanol, nhựa
than, acetone acid acetic, carbon
monoxide, hy-drô, mê-tan,bụi than)
- Nhiều khói, bụi, lượng tro lớn do
sinh khối chưa cháy hoàn toàn.
- Thất thoát nhiệt năng lớn do khói
- Quá trình đốt cho nhiệt độ khôngcao,
không đáp ứng được nhu cầu của một số
ngành công nghiệp hiện đại.
- Thành phần nhiên liệu không ổn
định gây khó khăn cho vận hành hệ
thống và thường tiêu tốn nhiều nhân

công
- Khói có chứa các thành phần cháy
được(methanol, nhựa than, acetone
acid acetic, carbon monoxide, hy-drô,
mê-tan,bụi than) gây ô nhiễm và
9
không gây ô nhiễm và tăng hiệu suất
sử dụng sinh khối
- Hỗn hợp khí không còn các thành phần ăn
mòn thiết bị, khí thải có hàm lượng các hợp
chất của Nito và Lưu Huỳnh thấp, an toản
cho môi trường
- Vận hành hệ thống cần it nhân lực nhưng
yêu cầu có trình độ, chi phí
vốn đầu tư ban đầu cao.
giảm hiệu suất sử dụng sinh khối.

- Thiết bị dễ bị ăn mòn, khí thải chứa
nhiều hợp chất của Nito và Lưu Huỳnh gây
ô nhiễm.
- Vận hành cần nhiều nhân lực, không yêu
cầu trình độ cao, chi phí vốn đầu tư ban đầu
thấp.
3.3 Các công nghệ khí hóa hiện nay
Khí hóa đã được dùng rất phổ biến ở Việt Nam trong thập kỷ 70 - 80, giai đoạn
khó khăn về nguồn năng lượng từ dầu mỏ. Tuy nhiên do kỹ thuật lạc hậu, công nghệ
này đã bị lãng quên. Gần đây, với sự tiến bộ của khoa học cộng với mối quan tâm về
môi trường, công nghệ này đang trở lại. Trên thế giới, việc khí hóa các nhiên liệu sinh
khối đã được sử dụng hơn 100 năm nay và ngày nay công nghệ này hầu như vẫn còn
nguyên giá trị. Khí từ hệ thống khí hóa sinh khối có thể dùng làm nhiên liệu cho các

động cơ đốt trong, các lò hơi, các máy phát điện. Hiện nay có 2 công nghệ khí hóa
chính đó là: khí hóa tầng cố định và khí hóa tầng sôi. Dựa vào chất lượng nguồn
nguyên liệu, sản phẩm chính mong muốn, kích cỡ của sinh khối mà lựa chọn công
nghệ thích hợp. [1][9]
3.3.1 Khí hóa tầng cố định
Công nghệ khí hóa tầng cố định: Sinh khối được nạp từ trên đỉnh lò xuống, không
khí đi vào từ đáy lò, trong lò chia ra các vùng phản ứng, vùng sấy, vùng nhiệt phân,
vùng cháy, vùng xỉ với nhiệt độ giảm dần từ vùng cháy đến vùng sấy.Sản phẩm được
lấy ra từ trên hoặc dưới lò, gió và nguyên liệu di ngược chiều nhau. Sản phẩm thích
hợp dùng cho quá trình đốt cấp nhiệt cho lò hơi,…[1][9]
Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia. Do có sự
phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì vùng cháy có nhiệt độ
cao nhất, tiếp đó là vùng khí hóa có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt,
vùng khử có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp hơn
nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước.
Nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện quá trình khí
hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng con
đường đối lưu.
10
Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần vì sinh
khối đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng
cháy. Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít
Hình 3 : Lò khí hóa tầng sôi cố định
Có 3 loại lò khí hóa tầng cố định cơ bản:
+ Lò Updraft: là loại lâu đời và đơn giản nhất
Đặc điểm của khí hóa mùn cưa trong lò này là Sinh khối được đưa từ trên
xuống, không khí được đưa vào từ phía dưới. Khí sản phẩm lấy ra ở trên trong khi
chất rắn lại từ phía dưới.Hình 3 minh họa chuyển động của sinh khối, khí đốt, và tar.
Nhiệt độ cao nhất ở vùng chuyển tiếp giữa khu vực cháy và khí hóa khoảng 1000
0

C,
khi oxy phản ứng với nguyên liệu .Khí nóng đi lên, cung cấp nhiệt cho phản ứng khí
hóa thu nhiệt,và đáp ứng khử sinh khối ở nhiệt độ thấp (200-500 ° C). tar chính
được sản xuất trong khoảng nhiệt độ này (hình 3). Tar đi lên qua vùng mát hơn và
do đó không có cơ hội để chuyển thành khí và nhựa thứ cấp. Vì lý do này, khí hóa
updraft tạo cao nhất số lượng tar-thường là 10 đến 20% tính theo trọng lượng của
nguyên liệu [3]
-Ưu điểm :
+ Đơn giản
+ Hiệu suất cao
+ Thích hợp với nhiều loại vật liệu.
11
- Nhược điểm:
- Trong quá trình nhiệt phân hóa chất, nhựa, các loại dầu được sinh ra và trở thành
một phần của khí gas.
- Hạn chế này ảnh hưởng rất lớn đến việc ứng dụng của khí hóa updraft.
Hình 4. Lò updraft gasifier
12
Hình 5. Nhiệt độ tại các vùng lò updraft
+ Lò Downdraft : Không khí được đưa vào từ vùng oxi hóa ( đốt cháy) khí gas được
lấy từ phía dưới, do đó nhiên liệu và không khí đi cùng chiều. Trên đường đi xuống
axít và những thành phần nhựa phải xuyên qua lớp than nóng vì thế được chuyển
thành CO, CO
2
, H
2
, CH
4
. [3]
Ở đây, cả khí và nguyên liệu đi xuống. Nhiệt độ cao nhất ở vùng chuyện tiếp giữa khu

vực cháy và khí hóa. Tar được sản xuất sau khi sấy khô ở nhiệt độ thấp (200-500 °
C) .Lượng oxy trong không khí, cùng với các tar, đi xuống các khu vực nóng hơn. Do
sự sẵn có của oxy và nhiệt độ cao, tar dễ dàng đốt cháy trong ngọn lửa, tăng nhiệt độ
khí đến 1000 để 1400 ° C. Ngọn lửa xảy ra trong các khe hở giữa các nguyên liệu, duy
trì ở mức 500 đến 700 ° C (Milne và các cộng sự., 1998, p. 14). Hiện tượng này được
gọi là flaming pyrolysis. Kể từ khi sản phẩm nhiệt phân, tar, oxy đi qua các khu vực
nhiệt độ cao nhất, nó có cơ hội lớn nhất để được chuyển đổi thành khí. Vì lý do này,
khí hóa downdraft đã sản xuất tar thấp (<1 g/Nm
3
) [3]
Ưu điểm : Khí tạo ra rất sạch, không có lẫn các chất nhựa . Thích hợp cho động cơ,
tuabin
- Nhược điểm : Hạn chế trên 1 số loại nhiên liệu và so với updraft thì hiệu suất gas
thấp hơn
13
Hình 6. Lò downdraft gasifier
Hình 7. Nhiệt độ tại các vùng lò downdraft
+ Crossdraft :
Được thiết kế như downdraft thay vì O
2
, không khí đi vào song song nhiên liệu thì ở
crossdraft là ở bên cạnh. [3]
-Nhiên liệu được đưa vào từ trên xuống.
-Không khí thổi từ bên thành thiết bị vào.
-Dòng khí syngas được đưa ra ngoài qua cửa.
-Ưu điểm: hiệu suất cao, gọn nhẹ , khí sạch.
- Chiều cao thiết bị thấp.
-Việc khí hóa linh động hơn.
-Năng suất thiết bị lớn.
-Nhược điểm: không phù hợp với nhiên liệu có nhiều tro.

- Độ giảm áp suất khí lớn.
14
- Tạo ra nhiều xỉ trong quá trình khí hóa
Hình 8. Lò crossdraft gasfier
3.3.2 Công nghệ khí hóa tầng sôi
Thiết bị khí hóa tầng sôi là bước đầu để khắc phục vấn đề của thiết bị khí hóa
tầng cố định như nhiên liệu với hàm lượng tro cao, nhưng rất phù hợp với năng suất
lớn. Các tính năng của khí hóa tầng sôi có thể so sánh với những buồng đốt tầng sôi.
Công nghệ khí hóa tầng sôi : Thích hợp với sinh kối có kích thước từ 0,5-3 mm, với
tốc độ gió thích hợp sẽ tạo trạng thái tầng sôi cho sinh khối. quá trình tầng sôi giúp
cung cấp không khí cho sinh khối, đảo trộn đều và quá trinh truyền nhiệt mạnh hơn,
nhiệt độ phân phối đểu theo lò, không phân chia ra các vùng như công nghệ khí hóa
tầng cố định. Không khí và sinh khối đi cùng chiề từ đáy lò vào. Sản phẩm thích hợp
cho làm nguyên liệu tổng hợp các hợp chất.
Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong quá trình, hỗn
hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi. [3]
15
Hình 9. Lò khí hóa tầng sôi
3.4 Ưu và nhược điểm của 2 công nghệ khí hóa
Bảng 2.Ưu và nhược điểm của 2 công nghệ khí hóa
Khí hóa tầng cố định Khí hóa tầng sôi
Ưu điểm - Sử dụng được tất cả các
loại nhiên liệu khac nhau (
độ ẩm, tro) ma không anh
hưởng chất lượng khí.
- Sản phẩm có thành phần
hidrocacbon cao cung cấp
nhiệt cháy cao, thích hợp
làm chất đốt.
- Mất mát Cacbon theo xỉ ít

- Có thể tiến hành liên tục
- Sinh khối được đảo trộn
đều
- Quá trình truyền nhiệt
diễn ra manh mẽ
- Sản phẩm tinh khiết thích
hợp cho tổng hợp các hợp
chất
Nhược điểm - Không sử dụng cho than
cám và than bụi
- Mất mát nhiệt theo xỉ lớn
-Sản phẩm có nhiều thành
phần hóa học khác nhau
không thích hợp dung làm
nghuyên liệu tổng hợp các
chất
- Nhiệt độ lò thấp, không
thể sử dụng các loại nhiên
liệu có tốc độ phản ứng
giữa C và không khí
không đủ lớn
- Sản phấm cung cấp nhiệt
cháy không cao không
thích hợp làm chất đốt
- Rất khó điều khiển ổn
định tầng sôi trong thiết bị
16
IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG
4.1 Quy trình công nghệ
4.1.1 Khởi động và hoạt động của lò khí hóa

Hình 10. Quy trình công nghệ
- Tiến hành kiểm tra trước khi vận hành :
+ Kiểm tra van nước giải nhiệt,các van qua cyclon
+ Kiểm tra các động cơ như motor ,quạt ,van nhập liệu
+ Chuẩn bị dầu lữa và giấy mồi,
+ Thùng đựng than,kiểm tra nguyên liệu
- Ta tiến hành cấp nguyên liệu vào lò : Cấp nguyên liệu đến ngập cánh khuấy ,rồi tiến
hành cho dầu vào trực tiếp trong lò,dùng giấy mồi lửa ,cho mùn cưa trong lò cháy
khoảng 5 phút ,tiến hành kiểm tra nhiệt độ vùng đốt và nhiệt độ của than ,nếu nhiệt độ
vùng đốt khoảng 700-800
o
C thì tiến hành cho nguyên liệu vào .Cho nguyên liệu ngập
đến gần thiết bị báo động ,nếu thấy nhiệt độ than thấp thì chứng tỏ là than đã cháy hết
thành tro còn nhiệt độ than quá cao thì chứng tỏ chưa đến giai đoạn khí hóa vì than
đang cháy .Ta tiến hành điều khiển quạt và cánh khuấy hoạt động quá trình này thông
17
qua bản điều khiển ,điều khiến vận tốc nhập khí và tốc độ cánh khấy để cho than cháy
ổn định ,rồi cho nhập liệu liên tục một cách bình thường 500kg/h.Sau khi nhập liệu
cũng phải điều khiển quạt và cánh gạt than,lượng khí syngas thoát ra qua cyclone để
lọc bụi,bụi được được đựng ở trong thùng chứa bụi.Khi syngas qua cyclone thì nó
được dùng để đốt cung cấp nhiệt cho các lò hơi,dùng để chạy máy phát điện…Than
được vít tải tải ra ngoài và than được làm nguội nhờ nước ở tháp giải nhiệt
- Kiểm tra lượng khí ra ,thùng đựng than (nếu đầy thì thay mới )
4.1.2 Khi tắt lò
+ Không nhập liệu nữa và tiến hành tắt quạt để không cung cấp khí nữa
+ Kiểm tra than rồi tắt thiết bị giải nhiệt
+ Khi nhiệt độ trong lò giảm đến nhiệt độ phòng thì ta tiến hành khóa các van
+ Tắt hệ thống
4.1.3 Quy trình điều khiển
- Điều khiển tháp giải nhiệt : Khi nhiệt độ dòng nước giải nhiệt cho than tăng →

chứng tỏ than đang cháy và tiến hành điều chỉnh lưu lượng nước bơm cho quá trình
giải nhiệt và ngược lại nếu nhiệt độ ở dòng nước ra giảm → chứng tỏ than đã thành
tro và tiến hành giảm lưu lượng nước cấp cho quá trình giải nhiệt
-Điều khiển Quạt : Khi cảm biến nhiệt độ báo là nhiệt độ trên khoảng 800
O
C,thì chứng
tỏ là lượng oxy trong lò khí hóa đã thừa làm cho quá trình cháy tăng và ta tiến hành
điều khiển lưu lượng kế và công suất quạt giảm để ổn định nhiệt độ trong lò khí hóa
khoảng 700
0
C-800
0
C và ngược lại ,nếu cảm biến nhiệt chỉ nhiệt độ thấp dưới 700
0
C
thì lúc đó quá trình cháy giảm không đủ lượng nhiệt để cung cấp cho quá trình khí
hóa,tiến hành điều chỉnh lưu lượng kế và công suất quạt tăng để đáp ứng cung cấp vừa
đủ lượng không khí cho quá trình khí hóa
-Điều khiển lượng nguyên liệu nhập vào: Khi quá trình cháy trong lò diễn ra chậm
làm cho vật liệu chúng ta nhập vào chưa cháy kịp nhưng mà vật liệu vẫn nhập
vào.Nếu cứ nhập vào thì làm cho không gian bên trong lò bị thu hẹp lại thì anh hưởng
đến năng suất làm việc…nên ở đây có gắn một thiết bị báo động,thiết bị báo động này
là một thiết bị quay,khi vật liệu đầy và nó sẽ cản trở tốc độ quay của thiết bị báo động
→ thì chứng tỏ vật liệu ta nhập vào là nhiều, tiến hành dừng van xoay để không cho
nhập liệu vào lò khí hóa nữa,trong van xoay cũng có bộ phận báo động nếu đầy thì
thiết bị sẽ báo và ngừng vít tải lại để không cho nhập quá nhiều vào van xoay.
- Thay thùng chứa than : ở thùng chứa than ta cũng gắng thêm một thiết bị báo
động ,nếu than đầy thiết bị sẽ báo và ta tiến hành thay thùng chứa than khác
18
4.2 Các thông số đầu vào

Nhập liệu mùn cưa 500kg/h trong đó lượng ẩm chiếm 20%
Có khối lượng riêng xốp là 230kg/m3
Bảng 3.Thành phần nguyên liệu đầu vào
Thành phần nguyên liệu C H O ash
thành phần phần trăm wt% 43.1 5.75 41.4 0.87
khối lượng kg 172.4 23 165.6 3.48
Khối lượng mol
kmo
l
14.3666
7 23 10.35
Bảng 4.Thành phần khí thoát ra
Thành phần khí H
2
O
2
N
2
CO CH
4
CO
2
Thành phần % về thể
tích 14,1 0,055 52,9 18,5 2,94 11,5
4.3 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng
Ta có phương trình đốt cháy hợp chất hữu cơ:
C
x
H
y

O
z
+ O
2
= CO
2
+ H
2
O
Từ phương trình trên ta tính được số mol oxi cần để đốt cháy hợp chất hữu cơ :
== 14,95 kmol (4.1)
Trong lò khí hóa thì quá trình đốt là thiếu oxi và có hệ số đốt cháy so với đốt cháy
hoàn toàn là ER=0,25-0,3 [10]
Trong quá trình đốt này ta chọn ER= 0.27
Vậy n
o2
= 14,95.0,27 =4,036 Kmol
Lượng khí nhập = 4,036 . 100/21 =19,215 Kmol (bao gồm cả khí trơ )
Thể tích khí cần nhập = 19,215 . 22,4 =430 m
3
/h
(xem như ở điều khiện tiêu chuẩn )
Lượng sygas sinh ra = = x 22,4 =980 m
3
/h
Khối lượng than sinh ra thường là 25% so với nhập liệu ban đầu
Vậy khoảng 125 kg/h
19
Nhiệt trị cao nhât HHV:
HHV=13,1% CO +41,2%CH

4
+ 13,2% H
2
=5,49 MJ/m
3
(4.2)
Nhiệt trị thấp nhất LHV :
LHV = 13,1% CO +37,1% CH
4
+11,2 % H
2
= 5,09MJ/m
3
(4.3)
Vậy lượng nhiệt trung bình đạt được :
Q= . V
syngas
. = 5184,2 . J/h = 1,44 MW (4.4)
Lượng nhiệt mất do dẫn nhiệt qua trường,đáy lò ,khe hở: nhiệt mất phụ thuộc vào thể
tích ,vật liệu xây lò…thường chiếm 10% năng lượng nhiên liệu tạo ra trong lò
Q
mất qua trường
= Q.10% = 0,144 MW
-Năng lượng đầu vào:
Nhiệt (sinh khối + hơi nước + oxy) ở nhiệt độ đầu vào + nhiệt trị của nhiên liệu sinh
khối + nhiệt bên ngoài.
-Năng lượng đầu ra:
Năng lượng của khí sản phẩm ở nhiệt độ khí hóa + gía trị nhiệt của sản phẩm + giá trị
nhiệt của than + Nhiệt thất thoát từ thiết bị phản ứng.
20

V. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ KHÍ HÓA
5.1 Tính toán thiết bị chính .
Ta có công thức tính toán đường kính và chiều cao của lò khí hóa updratf syngas
[10]
Ta có : SGR là tỉ lệ khí hóa thường nằm trong khoảng 100-250 kg/m
2
h (trong bài này
ta chọn SGR = 250 kg/m
2
h )
FRC :Lượng nhiên liệu sử dụng : 500kg/h
Nên F = = = 2 m
2
(4.5)
Đường kính của lò khí hóa
D = ( 4.6)
Trong đó : FRC là lưu lượng nhập, FRC = 500 kg/h
SGR là tỉ lệ khí hóa thường nằm trong khoảng 100-250 kg/m
2
h
Trong bài này ta chọn 250 kg/m
2
h
Vậy D = = = 1,6 m
21
Chiều cao của lớp vật liệu trong lò khí hóa
H = (4.7)
h : là thời gian lưu bởi vì ta nhập liệu là 500 kg/h nên h=1
: là khối lượng riêng xốp của vật liệu : vì vật liệu ta là mùn cưa nên
= 230 kg/m

3
Vậy H = = =1,1 m
Trong thiết bị ta có đặt thêm cánh khuấy và có khoảng không gian bên trong nên :
Chiều cao của là là : H =1,1/0,5 =2,2 m
5.2 Tính bền
+ Tính bền cho thân:
Chọn thép 1X18H9T là thép có thể chịu trên 1000
o
C [11]
Tuy bên trong thiết bị có nhiều lớp cách nhiệt nhưng mà ta tính bên nên chọn nhiệt độ
làm việc của thép là 700
o
C và có [ ]
*
= 26 N/mm
2
Áp suất làm việc bên trong lò khoảng P = 1 at = 0,1 N/mm
2
Φ= 0,8 η= 1
Ta có: [ ] =1.[ ]
*
= 26 N/mm
2
* Φ = = 208 > 25
Vậy : S
’
= = = 3,84 mm (trang 95) [11] (4.8)
Ta có : P : là áp suất trong lò
D
t

: là đường kính trong của lò khí hóa
[ ] : ứng suất cho phép
[ ]
*
: ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu
η : hệ số hiệu chỉnh
Φ : hệ số mối hàn
Ta có hệ số bổ sung : C = C
a
+C
b
+C
c
+C
o
= 0,1 + 0 +1,06 = 1,16 mm
S = S
’
+ C = 5 mm
22
Ta có : C
a
: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường , mm
C
b
: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường , mm
C
c
: hệ số bổ sung dosai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm
C

o
: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước , mm
S
’
: bề dày trước khi cộng thêm hệ số bổ sung
S : bề dày sau khi cộng thêm hệ số bổ sung
Kểm tra : = 0,0031 < 0,1
Kiểm tra áp suất : [ ] = = = 0.103 N/mm
2
> P (4.9)
Vậy nên thỏa điều kiện bền vậy : S = 5 mm
Vì trong thiết bị là lò khí hóa không chịu áp suất thủy tỉnh mà chỉ chịu trọng lượng
của mùn cưa nên bề dày của nắp và bề dày của đáy cũng bằng bề dày của thân
+ Tính bền cho đáy (nắp) [11]
Chọn thép 1X18H9T là thép có thể chịu trên 1000
o
C
Tuy bên trong thiết bị có nhiều lớp cách nhiệt nhưng mà ta tính bên nên chọn nhiệt độ
làm việc của thép là 700
o
C và có [ ]
*
= 26 N/mm
2
Áp suất làm việc bên trong lò khoảng P = 1 at = 0.1N/mm
2
không chịu áp suất thủy
tĩnh vì vật liệu trong lò khí hóa chúng ta là mùn cưa nên bề dày kích thước đáy cũng
chính là bề dày kích thước thân nó chỉ chịu áp lực chứ không chịu áp suất
S = 0,005 m

5.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt
Nhiệt độ cao nhất của quá trính khí hóa là 1000
o
C xảy ra tại vùng cháy của quá
trình, ta chọn nhiệt độ này để tính toán cách nhiệt cho thiết bị. Chọn vật liệu chế tạo
thành thiết bị là trong cùng gồm 1 lớp gạch samot chịu lửa có bè dày δ
g
= 0.065m, λ
g
= 0.7 +0.00064.t = 0.7 + 0.00064.1000 = 1,34. W/m.độ [12 ] . ở giữa là lớp bông cách
nhiệt có λ
b
= 0,0372 W/m.độ. Ngoài cùng là thép 1X18H9T có bè dày δ
t
=0.005 m ,
λ
b
= 16,85 W/m.độ
23
Hình 11. Truyền nhiệt qua trường nhiều lớp
Ta có : nhiệt trải riêng qua các lớp :[13]
Nhiệt trải trong lò đến lớp gạch samot
q
1
= α
t
(t
t
– t
v1

) (4.10)
Nhiệt trải qua lớp gạch samot
q
2
= (t
v1
– t
v2
) (4.11)
Nhiệt trải qua lớp bông
q
3
= (t
v2
– t
v3
) ( 4.12)
Nhiệt trải qua lớp thép
q
4
= (t
v3
– t
v4
) ( 4.13)
Nhiệt trải từ lớp thép đến không khí bên ngoài
q
5
= α
n

(t
v4
– t
n
) ( 4.14)
ta xem đây là trường hợp truyền nhiệt ổn định nên :
q
1
= q
2
= q
3
= q
4
= q
5
Giả sử : t
n
= 35
o
C ,t
v4
= 65
o
C
24
t
m
= = 50
o

C (4.15)
Bảng 5.Các thông số
Tra phụ lục 3 (trang 215) [12] ta được:
Thông số vật lý Giá trị
Hệ số dãn nở thể tích β , K
-1
1/323
Chuẩn số Pran 0.698
Hệ số dẫn nhiệt λ
k
, W/(m.
o
C) 0.0283
Độ nhớt
k
, m
2
/s 17,95.
Áp dụng công thức trong sách : [14]
G
r
= = = 3,00. (4.17)
G
r
. Pr = 0,698. 3,00. = 2,1.
Tra bảng ta có : C = 0.135 n = 1/3
Nu = C.( G
r
. Pr)
m

n
= 0,135.( 3,4.10^10 )
1/3
= 372,4 (4.18)
Vậy α
n
= = = 4,79 W/m
2
.độ (4.19)
Hệ số cấp nhiệt đối lưu bức xạ:
4 4
'
1
1
1
.
100 100
.
v
bx w o
v
l
l
T T
C
T T
α ε
 
   
= −

 
 ÷  ÷
−
   
 
 
= 0,886.5,7 = 6,82 W/m
2
.độ
Vậy α
bx
=6,82 , α
n
= 4,79 + 6,82 = 11,61 W/m
2
.độ
q
5
= α
n
(t
v4
– t
n
) = 11,61.30 = 348,3 W/m
2
theo kết quả tính lặp để chọn t
v1
thì t
v1

gần bằng 1000
o
C
q
2
= (t
v1
– t
v2
) ta tính được t
v2
= 983,1
o
C
q
4
= (t
v3
– t
v4
) ta tính được t
v3
= 65,2
o
C
q
3
= (t
v2
– t

v3
) ta tính được
b
= 0,098 m =0,1 m
vậy :
+Thép có :
t
= 0,005 m
+Bông thủy tinh :
b
= 0,1 m.chọn bông thủy tinh không mặt bạc T32 D50
25