Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối theo công nghệ downdraft
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.97 MB, 20 trang )
Đồ án tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, em xin bày tỏ lòng cảm ơn
sâu sắc tới thầy hướng dẫn: PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ người đã tận tình giúp
đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ
hữu cơ hóa dầuViện kỹ thuật Hóa họcTrường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu
để hoàn thành tốt đồ án này.
Em cũng xin chân trọng cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Cương và các anh chị
trong xưởng Thiết Bị Áp Lực trường Đại học BKHN đã giúp đỡ và tạo điều
kiện cho em trong quá trình thực hiện đồ án.
Cuối cùng em xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người
thân, nhóm đề tài khí hóa, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em
hoàn thành đồ án này.
Do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu, thời gian
có hạn nên đồ án này không tránh khỏi nhiều thiếu sót, em kính mong thầy cô
góp ý giúp đỡ để bản đồ án được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 03 tháng 07 năm 2013
SVTH: Lê Tuấn Linh
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 1
Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
..................................................................................................................................
1
MỤC LỤC
........................................................................................................................................
2
DANH MỤC CÁC BẢNG
................................................................................................................
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
........................................................................
4
LỜI NÓI ĐẦU
..................................................................................................................................
5
PHẦN 1: TỔNG QUAN
...................................................................................................................
7
I. Tổng quan về nhiên liệu sinh khối
...............................................................................................
7
I.1. Nhiên liệu sinh khối [1]
..........................................................................................................
7
I.1.1. Năng lượng từ sinh khối
................................................................................................
7
I.1.2. Vai trò của nhiên liệu sinh khối
......................................................................................
8
I.2. Thành phần và tính chất hóa học của nguyên liệu sinh khối [12]
.......................................
10
I.2.1. Thành phần hoá học
......................................................................................................
10
I.2.2. Thành phần nguyên tố hóa học
.....................................................................................
12
I.3. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam [10]
.............................................................................
13
I.4. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam [8]
................................................................
14
II. Tổng quan về công nghệ khí hóa
...............................................................................................
16
II.1. Lý thuyết về quá trình
.........................................................................................................
16
II.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khôí
.......................................................
17
II.3. Công nghệ khí hóa tầng cố định
.........................................................................................
19
II.3.1. Phân loại khí hóa tầng cố định [9]
..............................................................................
19
II.3.2. Ưu nhược điểm và những tồn tại của công nghệ khí hóa sinh khối
..........................
23
II.4. Hiện trạng sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam [9]
....................................
24
PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 8 kg/h
............................................
25
I. Hệ thống khí hóa
.........................................................................................................................
25
I.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống.
.......................................................................................
32
II. Quá trình thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
............................................
34
II.1. Trình tự thí nghiệm
............................................................................................................
34
II.1.1. Chuẩn bị nhiên liệu
.....................................................................................................
34
II.1.2. Thông gió và kiểm tra hệ thống
...................................................................................
35
II.1.3. Khởi động hệ thống
.....................................................................................................
35
II.1.4. Vận hành hệ thống và thu thập số liệu
.......................................................................
35
II.1.5. Ngừng thí nghiệm
........................................................................................................
36
II.2. Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích
............................................................................
36
II.2.1. Đo áp suất
....................................................................................................................
36
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 2
Đồ án tốt nghiệp
II.2.2. Đo nhiệt độ
..................................................................................................................
37
II.2.3. Đo lưu lượng không khí
...............................................................................................
38
II.2.4. Phân tích thành phần sản phẩm khí
............................................................................
38
II.2.5. Đo tar
...........................................................................................................................
38
II.3. Phương pháp phân tích tính toán và xử lí số liệu
...............................................................
40
II.3.1. Công thức tính toán
......................................................................................................
40
I.3.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
......................................................................
44
III.2. Kết quả thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa
......................................................
65
III.2.1. Thí nghiệm 7
...............................................................................................................
65
III.2.2. Thí nghiệm 8
...............................................................................................................
68
III. 3. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm
.....................................................................
71
I.1. Sơ đồ hệ thống
.....................................................................................................................
73
I.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống.
......................................................................................
75
II. Kết quả và thảo luận
.............................................................................................................
77
II.1. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa
..............................................................
77
II.1.1. Thí nghiệm 9
................................................................................................................
77
II.1.2. Thí nghiệm 10
..............................................................................................................
80
II.1.3. Thí nghiệm 11
..............................................................................................................
82
II.2. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa
...............................................
86
II.2.1. Thí nghiệm 12
..............................................................................................................
86
II.2. Thí nghiệm 13
.................................................................................................................
90
II.3. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu vỏ trấu.
..............................................................
93
II.4. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm của hệ thống 30kg/h
.....................................
97
II.5. Kết quả tính toán cho một số mô hình khí hóa downdraft
..................................................
98
KẾT LUẬN
...................................................................................................................................
102
TÀI LIỆU THAM KHẢO
.............................................................................................................
103
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác
...........................
8
Hình 1.1. Công thức hóa học của xenlulozo
...................................................................................
11
Hình 1.2. Các monome của Lignin.
................................................................................................
11
Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ lúa,
ngô, mía, sắn, lạc, bã cà phê, võ hạt điều...
...................................................................................
13
Bảng 1.2: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng
...............................................
14
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 3
Đồ án tốt nghiệp
Bảng 1.3: Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp chặt
.............................................
22
Bảng 1.4: Các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay
......................................................................
24
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của các mẫu sinh khối
.....................................................................
34
Bảng 2.2: Thành phần hóa học của các mẫu sinh khối
.................................................................
35
Bảng 2.3: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 8 kg/h
........................................
71
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 30kg/h
.......................................
97
Bảng 3.2: Kết quả tính toán với SV = 0,7 m/s
...............................................................................
98
Bảng 3.3: Kết quả tính toán khi SV = 0,6 m/s
...............................................................................
98
Bảng 3.4: Sự phụ công suất thiết bị vào SV khi Dt không đổi
...................................................
100
Hình 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =300mm.
......................................
100
Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =500mm
......................................
101
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ad: Các số liệu phân tích trên lượng khô nhận được
W: Hàm ẩm của sinh khối
A: Hàm lượng tro của sinh khối
V: Hàm lượng chất bốc của sinh khối
FC: Hàm lượng cacbon cố định của sinh khối
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 4
Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
An ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nước trên thế
giới bao gồm cả những nước phát triển và nước đang phát triển do các nguồn
năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ. Vì vậy việc tìm
kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang
được đặc biệt chú trọng. Sinh khối là một nguồn năng lượng tái tạo có khả năng
đáp ứng được những vấn đề thời sự trên. Thế giới đang quan tâm tìm cách sử
dụng năng lượng sinh khối một cách có hiệu quả, trong đó công nghệ khí hóa
sinh khối là một công nghệ mang lại hiệu quả cao.
Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ. Việc sử
dụng công nghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại ở lĩnh vực cung cấp
nhiệt cho công nghiệp quy mô nhỏ và các hộ gia đình như: Thiết bị khí hóa trấu
để cung cấp nhiệt cho nung gốm sứ ở Đồng Tháp, An Giang và bếp khí hóa sinh
khối hộ gia đình do các doanh nghiệp chép mẫu hoặc nhập khẩu chủ yếu từ
Trung Quốc vì vậy khi sử dụng hiệu suất chưa cao, làm việc chưa ổn định.
Vì vậy em chọn đồ án “Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối
theo công nghệ downdraft” với mục đích:
Làm chủ được công nghệ khí hóa sinh khối.
Xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố: Chế độ vận hành, nhiên liệu.
Phát triển, nâng cấp công suất hệ thống khí hóa.
Tận dụng tối đa và hiệu quả nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn ở các vùng
nông thôn và miền núi đang không được sử dụng đúng giá trị thực và lãng phí để
sản xuất khí tổng hợp cung cấp cho Tổng hợp Hữu cơ Hóa dầu, bên cạnh đó là
sản xuất điện năng quy mô nhỏ nhờ nhiệt của của quá trình khí hóa sinh khối.
Cung cấp điện năng tại chỗ cho một thôn, một xã, một khu vực, dựa vào trữ
lượng sinh khối sẵn có tại nơi đó. Giải quyết vấn đề thiếu điện năng vào cho
những nơi này, đảm bảo điện năng cả về nhu cầu lẫn kinh tế đem lại.
Bên cạnh đó còn giải quyết vấn đề xử lý môi trường do nhiều nơi không sử
dụng đúng cách mà còn thải xuống sông ngòi hoặc đốt gây ô nhiểm không khí.
Khí hóa sinh khối góp phần bảo vệ môi trường tốt đẹp hơn.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 5
Đồ án tốt nghiệp
Đồ án của em được chia làm 3 phần chính:
PHẦN 1: TỔNG QUAN
Giới thiệu một cách tổng quan về nguyên liệu sinh khối, năng lượng sinh
khối, tiềm năng sinh khối và hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam. Giới
thiệu chung về khí hóa sinh khối tầng cố định, các kiểu khí hóa tầng cố định, ưu
nhược điểm của từng công nghệ, hiện trạng sử dụng công nghệ khí hóa ở Việt
Nam.
PHẦN 2: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 8 kg/h
Giới thiệu về sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc của hệ thống. Trình
bày phương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm. Đánh giá một số kết
quả đã đạt được.
PHẦN 3: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 30 kg/h
Giới thiệu về sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc. Đánh giá kết quả
thí nghiệm, tính toán nâng công suất thiết bị, xây dựng mối quan hệ giữa hệ số
SV, đường kính thoát với công suất thiết bị.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 6
Đồ án tốt nghiệp
PHẦN 1: TỔNG QUAN
I. Tổng quan về nhiên liệu sinh khối
I.1. Nhiên liệu sinh khối [1]
Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo.
Trong sản xuất năng lượng và công nghiệp, sinh khối được đề cập đến ở đây là
nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể sử dụng làm nhiên liệu hay
cho sản xuất công nghiệp. Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành
sử dụng như là nhiên liệu sinh học bao gồm cả phần chất thực vật và động vật
được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ.
Trong thời kì sơ khai, sinh khối nguồn nguyên liệu chính cho con người mãi
đến tận thế kỉ 19. Sang thế kỉ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng
dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử. Câu trả lời cho lý do
hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm là đặc tính của sinh khối: Có
khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn có sẵn, có khả năng lưu trữ và thay
thế dầu.
I.1.1. Năng lượng từ sinh khối
Năng lượng sinh khối ( hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ ) có thể sản
xuất tại chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và nguyên liệu tài nguyên tái tạo.
Năng lượng sinh khối ( NLSK ) khác các dạng năng lượng tái tạo khác. Một là:
Không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát
được. Hai là: Cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản
xuất điện năng.
Sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông nghiệp của
ngành lương thực thí dụ: Trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ, …v.v. Thứ
hai: Sinh khối gỗ: Có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ: Gỗ cây cao
su, cây điều, cây keo, bạch đàn …v.v.
NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành
nhiệt và năng lượng. Ngoài ra, năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào
mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 7
Đồ án tốt nghiệp
hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố
định CO2 ngắn. Ngoài ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên
liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định.
I.1.2. Vai trò của nhiên liệu sinh khối
Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư,
chiếm tới 1415 % tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển, sinh khối
thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng
lượng. Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng
làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ. Vì vậy, lợi ích của nguồn năng lượng
sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những
khó khăn khi sử dụng NLSK.
Lợi ích
Lợi ích kinh tế
Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng
lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu
hoạch…).
Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết
bị chuyển hóa năng lượng, …v.v.
Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông
qua bảng sau:
Bảng 1.1: Nguồn năng lượng NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác
Năng lượng phát
Mặt trời
Gió
Sinh khối
Tổng đầu tư (triệu USD)
1.830
12.700
6.300
Quy mô nhà máy(Kw)
1.000.000
10.000.000
10.000.000
Tỷ lệ hoạt động hàng năm(%)
12
Công suất điện phát hàng năm(Mkw/h) 1.100
20
17.500
70
6.300
Đơn vị đầu tư (USD/ KW)
0.72
0.10
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
1.66
Trang: 8
Đồ án tốt nghiệp
Lợi ích môi trường: Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều
ích lợi to lớn cho môi trường.
Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được.
Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó, nó vừa làm
giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. Đốt sinh khối
cũng thải ra CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than
bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây
xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã
sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển.
Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện
tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp …v.v.
Khó khăn
So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp.
Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm.
Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp.
Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi
trường, phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm
trọng khác.
Có thể thấy, so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì
nguồn NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. NLSK có nhiều dạng,
và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính
tái sinh, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp.
Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa
được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó
khăn về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư
của nhà nước…v.v.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 9
Đồ án tốt nghiệp
I.2. Thành phần và tính chất hóa học của nguyên liệu sinh khối [12]
Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm
rạ, trấu, ngô, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinh
hoạt…
I.2.1. Thành phần hoá học
Thành phần hoá học của SK chủ yếu bao gồm: Nước, các polyme, các hợp
chất trích ly, các hợp chất vô cơ.
Hơi ẩm chính là nước tự do có trong SK và thay đổi theo điều kiện bảo quản
cũng như điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí...). Trong điều kiện
khô tương đối, thì hàm lượng ẩm trong SK chiếm khoảng từ vài đến hơn 10%
về khối lượng.
Các polyme trong SK chủ yếu là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin. Xenlulozo,
lignin và hemixenlulozo thường liên kết với nhau hình thành nên polymer
lignoxenlulozo.
Xenlulozo:
Xenlulozo là một dạng polysaccarit có trong hầu hết các loại thực vật. Tuỳ
thuộc vào môi trường sống, tuổi của cây, mỗi loài thực vật có hàm lượng
xenlulozo khác nhau, thường chiếm xấp xỉ 40 50% khối lượng biomass.
Xenlulozo có cấu trúc mạch thẳng, không phân nhánh được tạo thành từ các
mắt xích cơ bản vòng sáu cạnh βDglucopyzanozo.
Các dị vòng được nối với nhau bằng liên kết β1,4 glucozit. Công thức phân
tử của xenlulozo là: (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm
trong khoảng từ 5000 14000.
Lượng phân tử của xenlulozo nằm trong khoảng 300.000500.000 .
Xenlulozo có cấu trúc tinh thể nên bền nhiệt.
Phản ứng nhiệt phân xenlulozo xảy ra ở khoảng 240350 0C .
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 10
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.1. Công thức hóa học của xenlulozo
Hemixenlulozo:
Hemixenlulozo chiếm khoảng 1030% thành phần trong SK, nó là một
polyme của 5 loại đường khác nhau: đường 5 cacbon (xylozo và
arabinozo), đường 6 cacbon (galactonzo, glucozo, mannozo).
Hầu hết các đơn vị cấu trúc của hemixenlulozo là xylan (polyme của xylo).
Hemixenlulozo có khối lượng phân tử nhỏ hơn xenlulozo.
Đối lập với xelulozo có cấu trúc tinh thể và bền thuỷ nhiệt, hemixenlulozo
ở dạng vô định hình kém bền. Nó dễ dàng bị thuỷ phân trong dung dich
axit hoặc bazơ.
Sự phân hủy hemixenlulozo xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với xenlulozo.
Hemixenlulozo bị nhiệt phân ở 2002600C.
So với xenlulozo, khi nhiệt phân hemixenlulozo tạo nhiều khí, ít nhựa
đường, ít than hơn. Trong suốt quá trình nhiệt phân SK, hemixenlulozo bị
deaxetyl tạo ra một lượng lớn axit axetic.
Lignin:
Lignin là polyme hữu cơ chủ yếu trên trái đất chỉ sau xenlulozo, chiếm
khoảng 1625% khối lượng SK.
Lignin là nhựa liên kết ngang vô định hình nên không có cấu trúc xác định.
Thông thường, lignin sẽ bị nhiệt phân trong khoảng nhiệt độ từ 2805500C.
Nhiệt phân lignin thường tạo ra phenol và thu được nhiều than hơn so với
nhiệt phân xenlulozo.
p – Coumaryl Coniferyl Sinapyl
Hình 1.2. Các monome của Lignin.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 11
Đồ án tốt nghiệp
Các hợp chất trích ly là các hợp chất hữu cơ không có cấu trúc mạch như chất
béo, sáp, ankaloit, protein, phenolic, đường đơn giản, pectin, chất nhầy, chất
gôm, nhựa thông, tepen, glicozit, tinh bột, saponin, dầu. Nó có thể được tách ra
nhờ một số dung môi phân cực (như nước, metylen clorua hoặc rượu), hoặc các
dung môi không phân cực (như toluene hoặc hexan).
Ngoài các thành phần chính, nguyên liệu sinh khối vẫn còn phần nhỏ các khác
như khoáng ( là thành phần tạo nên tro của nó). Các hợp chất vô cơ chủ yếu là
các hợp chất của Si, Na, K, Mg … chúng tồn tại trong than nhiệt phân.
I.2.2. Thành phần nguyên tố hóa học
Trong SK, C và O là hai nguyên tố chiếm đa phần khoảng trên 35% cho mỗi
nguyên tố. Hàm lượng của chúng phụ thuộc vào bản chất SK được sử dụng.
Ngoài ra, hàm lượng O còn phụ thuộc vào hàm lượng ẩm trong SK. Tiếp theo là
H chỉ chiếm 5 7%, các nguyên tố N, S, Cl chiếm nhỏ hơn 1%. Các nguyên tố vi
lượng chiếm hàm nhỏ.
Thành phần C chiếm chủ yếu trong SK, số liệu này chứng tỏ SK được
hình thành chủ yếu từ các hợp chất hữu cơ. Hàm lượng N không đáng kể nên
trong thành phần khí sinh ra sẽ ít hợp chất NxOy, là các khí độc hại gây ô nhiễm
môi trường. Đặc biệt, trong SK đều không tìm thấy lưu huỳnh. Đó là một ưu
điểm của SK khi được sử dụng làm nguyên liệu. Do đó, thành phần khí sau phản
ứng không chứa các khí SOx gây ô nhiễm môi trường.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 12
Đồ án tốt nghiệp
I.3. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam [10]
Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa
dạng từ lúa, ngô, mía, sắn, lạc, bã cà phê, võ hạt điều...
Hình 1.3: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Bắc
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 13
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.4: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam
Qua đồ thị hình 1.4 và 1.5 ta thấy Việt Nam có tiềm năng sinh khối rất dồi dào.
Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lạc như: Bắc Giang, Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ
An. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm sắn như: Sơn La, Thanh Hóa, Tây Ninh, Gia
Lai. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm mía như: Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An, Sóc
Trăng. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm ngô như: Hà Tây, Thanh Hóa, Đắc Lắc.
Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lúa như: Thái Bình, Bắc Giang, Thanh Hóa, An
Giang, Đồng Tháp, Long An.
I.4. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam [8]
Hiện nay, trên quy mô toàn cầu NLSK là nguồn cung cấp năng lượng thứ
tư, chiếm tới 1415 % tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển, NLSK là
nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng.
Bảng 1.2: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng
Năng lượng cuối cùng
Nhiệt
Tổng tiêu thụ
Tỷ lệ (%)
10667
903
2053
76,2
6,5
14,7
Bếp đun
Lò nung
Lò đốt
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 14
Đồ án tốt nghiệp
Điện
Đồng phát
Tổng
377
2,7
14000
100,0
Bảng 1.2 cho thấy trên ba phần tư sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun
nấu gia đình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã được
nghiên cứu thành công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự
án nhỏ ở một số địa phương. Một phần tư còn lại được sử dụng trong sản xuất:
Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo
kinh nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu, chủ yếu ở phía Nam.
Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43
nhà máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài.
Sấy lúa và các nông sản: Các nhà máy sấy do nhiều cơ sở trong nước sản
xuất và có thể dùng trấu làm nhiên liệu.
Công nghệ cacbon hóa sinh khối sản xuất than củi được ứng dụng ở một số
địa phương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp.
Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hóa trấu hiện ở giai đoạn
nghiên cứu, thử nghiệm.
Việt Nam là nước nông nghiệp, nguồn nguyên liệu sinh khối từ phế phẩm
trong sản xuất nông nghiệp rất dồi dào. Tuy nhiên, hiện nay phế phẩm nông
nghiệp không còn được sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hướng sử dụng
thức ăn chăn nuôi công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ. Hơn nữa, việc sử dụng
phụ phẩm theo cách thức truyền thống cho việc đun nấu không còn nữa. Do vậy,
người dân sau khi thu hoạch sản phẩm chính, phần còn lại ( phụ phẩm ) được
thải bỏ tại đồng ruộng, chất đống rồi đốt. Việc đốt phụ phẩm này không những
gây ô nhiễm môi trường do phát thải vào không khí nhiều khí độc hại mà còn
lãng phí tài nguyên.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 15
Đồ án tốt nghiệp
II. Tổng quan về công nghệ khí hóa
II.1. Lý thuyết về quá trình
Khí hóa sinh khối là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu
oxy, hoặc oxy đơn thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa)
phản ứng với sinh khối ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng
nhiên liệu khí. Nhiên liệu này được gọi chung là khí sinh khối với thành phần
cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4… dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong
công nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH 3, tổng hợp
CH3OH... [1]
Phương trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối như sau:
[9]
CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí)
+ H2O (hơi nước có thể có) → CH4 + CO + CO2 + O2 + N2 + H2 + H2O (Hơi
nước không phản ứng) + C (char) + tar
Dưới đây là các phản ứng hoá học chủ yếu xảy ra trong quá trình khí hoá.
Trong vùng nhiệt phân:
CxHyOzNt (sinh khối) → char + tar + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm) (1)
Phản ứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy (oxi hóa) giữa ôxy trong
không khí cấp với cácbon ở nhiệt độ cao:
C + O2 ↔ CO2 + 393,80 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2)
2C + O2 ↔ 2CO + 246 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)
(3)
Không khí đưa vào có chứa ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và agon.
Các khí trơ nói chung có thể coi như không phản ứng với các thành phần của
nhiên liệu.
Trong vùng khử, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản
ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ trên 9000C:
C + CO2 ↔ 2CO 172,60 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (4)
Trong vùng khử còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:
C + H2O ↔ H2 + CO 131,40 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
(5)
Trang: 16
Đồ án tốt nghiệp
CO + H2O ↔ CO2 + H2 + 41,20 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (6)
Và khi nhiệt độ khoảng 5006000C trong vùng khử còn xảy ra phản ứng tạo
H2 như sau:
C + 2H2O ↔ 2H2 + CO2 – 88,00 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)
(7)
Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 theo phản
ứng:
C + 2H2 ↔ CH4 + 75,00 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at)
(8)
Các phản ứng đồng thể 6 và dị thể (2÷5) xảy ra kèm theo sự thay đổi mạnh năng
lượng của hệ thống. Các số liệu về hằng số cân bằng và entanpi của hệ thống
các phản ứng quan trọng thường được dẫn ra trong các sổ tay hóa lý.
II.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khôí
Anh h
̉
ưởng của nhiệt độ:
Nhiệt độ của quá trình khí hóa được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro
(trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ). Đối với
sinh khôí điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí
hóa vào sinh khôi
́ để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống. Khí hóa ở nhiệt
độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàn diện hiệu
suất của quá trình hóa khí. Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt
độ trong lò không được vượt quá giá trị cho phép.
Ảnh hưởng độ ẩm của nguyên liệu:
Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp vì
vậy sấy sinh khối thu thập từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một
phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa. Sấy là một quá trình tốn
kém năng lượng mà có thể làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của
quá trình. Tuy nhiên, trong trường hợp khí hóa, nhiệt thải có thể được sử dụng
để làm giảm độ ẩm của sinh khối do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá
trình này. Tuy nhiên, đối với sinh khối nguyên khai có độ ẩm thấp (dưới 10%)
giai đoạn sấy có thể không cần thiết. [12]
Ảnh hưởng của tar:
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 17
Đồ án tốt nghiệp
Tar có thể đạt tới 20 30% nếu ta khí hóa củi gô, bach đan, than
̃ ̣
̀
non, than
bùn… Với các nhiên liệu rắn khác tar có hàm lượng thấp hơn. Tar có thể tồn tại
ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau.
Nhiệt sinh của tar khá cao (tới 31.400kJ/kg), vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì
chất lượng khí tăng lên nhiều.
Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó (độ ẩm nguyên liệu hoặc chiều cao lớp
nguyên liệu sắp xếp không hợp lý) thì tar tách ra ở dạng lỏng. Trong trường
hợp này chất lượng của khí giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do tar
tách ra ở trong lò làm dính kết các lớp nguyên liệu, cản trở sự lưu thông khí và
sự dịch chuyển nguyên liệu. Nếu tar tách ra trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí
các van trên đường dẫn sẽ gây tắc tại các vị trí trên đường dẫn.
Ảnh hưởng của tro:
Nếu nhiêt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở
quá trình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết. Khi hiện tượng kết
tảng xỉ xảy ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự
phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm cho tác
nhân khí hóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí
sẽ tăng lên. Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tại
đây sẽ tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp
tục bị dính kết lại dẫn tới sự tắt lò làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất
lượng khí giảm xuống nghiêm trọng.
Nếu nhiệt độ chảy mềm của tro quá cao dẫn tới tốn nhiệt cấp cho quá
trình đốt nóng tro gây giảm hiệu suất làm việc của thiết bị.
Ảnh hưởng của kích thước hat sinh khôi:
̣
́
Kích thước nguyên liêu biomass có vai trò
̣
đáng kể trong quá trình khí
hóa. Nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc của các hạt với tác
nhân khí hóa tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong quá
trình khí hóa tăng. Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá nhỏ thì sức cản thủy lực
tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở quá trình khí hóa. Nếu kích thước hạt quá to thì
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 18
Đồ án tốt nghiệp
quá trình khí hoá có thể xảy ra không hoàn toàn. Vì vậy, việc tạo ra kích thước
hợp lý để cho quá trình khí hóa tiến hành thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định.
Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí và tốc độ khí trên mặt cắt ngang của
lò:
Với sự gia tăng của hệ số không khí thừa sẽ làm quá trình cháy tốt hơn,
nhiệt độ vùng cháy cao hơn dẫn đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối tốt
hơn, tuy nhiên đến một giá trị nào đó sự gia tăng của hệ số không khí thừa sẽ làm
cho quá trình cháy hoàn toàn xảy ra và giảm thời gian lưu của không khí trong lò,
kết quả là hiệu quả quá trình khí hóa lại giảm đi. Wang nhận thấy rằng với mức
tăng hệ số không khí thừa từ 0,16 đến 0,26, nhiệt độ vùng cháy tăng dẫn đến
tăng hiệu quả khí hóa từ 57% đến 74%, tăng hàm lượng H2 từ 8,5% đến 13,9%,
và sự gia tăng khí CO từ 12,3% đến 14%.
Tốc độ tác nhân khí hóa trên mặt cắt ngang (SV) cũng ảnh hưởng đến hiệu
quả quá trình khí hóa sinh khối, Yamazaki cho rằng đối với lò khí hóa thuận
chiều ở cùng điều kiện như nhau nếu SV bằng 0,7m/s thì lượng tar sẽ nhiều hơn
so với SV bằng 0,4m/s [11]. Tốc độ không khí trên mặt cắt ngang tối ưu được
xác định trong khoảng từ 0,4 đến 0,6 m/s [12]
II.3. Công nghệ khí hóa tầng cố định
II.3.1. Phân loại khí hóa tầng cố định [9]
Lò khí hóa sinh khối theo công nghệ khí hóa tấng cố định được chia làm ba loại
theo chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra:
Lò khí hóa ngược chiều (updraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra
ngược với chiều di chuyển của nhiên liệu.
Lò khí hóa thuận chiều (downdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra
cùng với chiều di chuyển của nhiên liệu.
Lò khí hóa dòng chéo nhau (crossdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu
ra cắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu.
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Trang: 19
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.4: Khí hóa thuận chiều Hình 1.5: Khí hóa ngược
chiều (updraft)
(downdraft)
SVTH : Lê Tuấn Linh Hóa Dầu K53QN
Hình 1.6: Khí hóa dòng cắt
ngang (crossdraft)
Trang: 20
