nghiên cứu hệ thống khí hóa biomass nhằm nâng cao năng suất và khả năng vận hành của thiết bị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC TUYẾN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KHÍ HÓA BIOMASS
NHẰM NÂNG CAO NĂNG SUẤT VÀ KHẢ NĂNG
VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 9 9 5

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGUYỄN NGỌC TUYẾN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KHÍ HÓA BIOMASS NHẰM
NÂNG CAO NĂNG SUẤT VÀ KHẢ NĂNG
VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ

NGÀNH: CƠ KHÍ MÁY - 605240

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGUYỄN NGỌC TUYẾN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KHÍ HÓA BIOMASS NHẰM
NÂNG CAO NĂNG SUẤT VÀ KHẢ NĂNG
VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ

NGÀNH: CƠ KHÍ MÁY - 605240
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN THANH QUANG
TS. HOÀNG AN QUỐC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN NGỌC TUYẾN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1985

Nơi sinh: Lâm Đồng

Quê quán: Hà Nội

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 12 Nguyễn Văn Bảo, P.4, Q. GV, HCM
Điện thoại cơ quan: 08 38940390

Đt nhà riêng: 0973128789

Fax: 08 38946268

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Liên thông

Thời gian đào tạo từ 7 / 2007 đến 7 / 2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Công Nghiệp Tp. HCM
Ngành học: Công Nghệ Cơ Khí
1. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 5 / 2011 đến 4 / 2013

Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2007 - 2009

2009 - nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty TNHH Khí Hóa Lỏng Việt
Nam

Trường Đại Học Công Nghiệp
Tp.HCM

i

Kỹ sư dự án

Giáo viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 3 năm 2013

ii


LỜI CẢM ƠN
Qua gần hai năm theo học chương trình đào tạo Thạc sĩ tại Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, em đã học hỏi được nhiều kiến thức, kinh nghiệm từ
Thầy Cô, bạn bè trong học tập cũng như trong cuộc sống. Điều đó đã giúp em hoàn
thành luận văn Thạc sĩ này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
Thầy Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM đã nhiệt tình truyền đạt
kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Thầy TS. Nguyễn Thanh Quang, Đại học Bách khoa Tp. HCM, đã tận tình,
giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành tốt luận văn này.
Thầy TS. Hoàng An Quốc đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, đóng góp nhiều ý
kiến cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Công Ty TNHH Kỹ Thuật Cơ Khí Năng Lượng Môi Trường Đại Phát đã hỗ
trợ mặt bằng, máy móc, thiết bị phục vụ chế tạo mô hình thí nghiệm.
Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học
tập cũng như thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 3 năm 2013

iii


TÓM TẮT
Đi đôi với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là vấn đề đảm bảo
nguồn năng lượng nói chung và đảm bảo nguồn nhiên liệu đốt nói riêng. “Tiết kiệm
năng lượng là bảo vệ môi trường” đang được nhắc tới như là một khẩu hiệu trong
khi tốc độ phát khí thải gây hiệu ứng nhà kính ngày càng gia tăng. Việc sử dụng các
nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện môi trường đang là xu hướng và là mối quan
tâm lớn đối với nhiều quốc gia trên thế giới. Trong đề tài này đã giới thiệu cơ sở lý
thuyết, nguyên lý của công nghệ khí hóa biomass. Trình bày các phương pháp khí
hóa nhiên liệu biomass hiện nay đang được sử dụng, từ đó nêu lên những ưu, nhược
điểm của tầng loại. Đó sẽ là cơ sở để lựa chọn công nghệ phù hợp trong từng điều
kiện cụ thể. Song song với đó đề tài cũng trình bày tính toán thiết kết chi tiết hệ
thống khí hóa dạng thuận chiều (down-draft), thực hiện chế tạo mô hình thí nghiệm.
Từ mô hình thực tế đã tiến hành thí nghiệm, đo đạc số liệu từ đó tìm ra mối liên hệ
ảnh hưởng của một số yếu tố tới hiệu suất của hệ thống. Xây dựng quy trình vận
hành, bảo trì thiết bị, nêu lên những lỗi thường gặp khi thiết bị hoạt động và những
biệt pháp để khắc phục trong quá trình vận hành.

iv

ABSTRACT
Long with the industrialization and modernization of the country is the issue
of ensuring energy in general and ensuring the fuel in particular. “Save the energy is
to protect the environment” is mentioned as a slogan while the harmful emission
which causes the greenhouse effect is creasing. That use of environmentally
friendly and recycled energy source is trend and is a major concern for many
countries around the world. This topic introduces the theoretical basic, principles of
the biomass gasification technology. And present the some methods of biomass fuel
gasification currently used, from that remark the advantages and disadvantages of
every types. It is basic to select the appropriate technology for each specific case.
The topic also present meticulously the engineer design of down-draft system and
carry out the experiment in real model. From the actual experimental model,
measure data to find out the link of some affects of features to the efficiency of
system. Create standard operating procedure as well as equipment maintenance.
Give out some risk that can get in operating and offer countermeasure to treat to
those risk.

v


MỤC LỤC
Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan .............................................................................................................. ii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các hình ..................................................................................................... x
Danh sách các bảng ................................................................................................... xi

Chƣơng 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ................................................. 1

1.2

Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới ................................... 2

1.2.1 Trên thế giới .................................................................................................. 2
1.2.2 Ở Việt Nam ................................................................................................... 3
1.3

Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .......................................... 3

1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 3
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 4
1.4

Mục tiêu nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu ............................................. 4

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 4
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 4
1.5

Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 4

Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 6
2.1

Tìm hiểu về năng lƣợng sinh khối.............................................................. 6

2.2

Lịch sử hình thành học thuyết khí hóa biomass ....................................... 7

2.3

Ích lợi từ năng lƣợng sinh khối .................................................................. 8

2.3.1 Lợi ích kinh tế ............................................................................................... 8
2.3.2 Lợi ích môi trường ........................................................................................ 9

vi


2.4

Quá trình khí hóa biomass ....................................................................... 10

2.5

Các phƣơng trình phản ứng chủ yếu trong quá trình khí hóa ............. 10

2.6

Những vùng công nghệ và những phản ứng hóa học ............................. 10

2.6.1 Vùng sấy (drying zone) ............................................................................... 12
2.6.2 Vùng nhiệt phân (pyrolysis zone) ............................................................... 12

2.6.3 Vùng cháy (combustion zone)..................................................................... 13
2.6.4 Vùng phản ứng khí hóa (reduction zone) .................................................... 13
2.7

Phân loại thiết bị khí hóa .......................................................................... 15

2.7.1 Thiết bị khí hóa kiểu cố định ....................................................................... 16
2.7.2 Kiểu thiết bị khí hóa tầng sôi (fluidized bed gasifiers) ............................... 19
2.8

Những đặc tính của nhiên liệu khí hóa .................................................... 20

2.8.1 Năng lượng tích trữ và kích thước của nhiên liệu ....................................... 20
2.8.2 Độ ẩm .......................................................................................................... 20
2.8.3 Bụi bẩn ........................................................................................................ 21
2.8.4 Thành phần hắc ín ....................................................................................... 21
2.8.5 Những đặc tính của tro và sỉ........................................................................ 22
2.9

Những đặc tính của sản phẩm gas ........................................................... 23

2.9.1 Thành phần và nồng độ ............................................................................... 23
2.9.2 Nhiệt độ sản phẩm gas ................................................................................ 23
2.9.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến năng suất gas ............................................... 24
2.10 Hệ số không khí thừa ................................................................................ 26
2.10.1

Điểm cháy hoàn toàn (C) ........................................................................ 27

2.10.2

Điểm khí hóa (G) .................................................................................... 27

2.10.3

Điểm nhiệt phân (P) ................................................................................ 28

2.10.4

Vùng nhiệt phân khí hóa (vùng FP)........................................................ 28

2.11 Vận tốc bề mặt của dòng khí trong hệ thống khí hóa. ........................... 28
Chƣơng 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................... 30
3.1

Yêu cầu ....................................................................................................... 30

3.2

Tính toán các thông số của quá trình khí hóa ........................................ 30

vii


3.2.1 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg trấu. ........ 30
3.2.2 Thể tích không khí cần thiết để khí hóa 1kg trấu: ....................................... 31
3.2.3 Khối lượng không khí cần thiết để khí hóa cho 1kg trấu. ........................... 31
3.2.4 Nhiệt trị thấp của trấu: ................................................................................. 31
3.2.5 Nhiệt trị cao của trấu: .................................................................................. 31
3.3

Tính kết cấu của hệ thống khí hóa ........................................................... 32

3.3.1 Khối lượng trấu cấp trong 1h. ..................................................................... 32
3.3.2 Chiều cao của lò phản ứng. ......................................................................... 32
3.3.3 Đường kính buồng phản ứng. ...................................................................... 33
3.3.4 Thể tích không khí cần thiết cho quá trình khí hóa. .................................... 33
3.3.5 Tốc độ rỗng của dòng khí. ........................................................................... 33
3.3.6 Vận tốc của gas ra khỏi buồng phản ứng. ................................................... 34
3.4

Tính toán chọn các thiết bị phụ: .............................................................. 35

3.4.1 Chọn quạt cấp một cấp không khí. .............................................................. 35
3.4.2 Tính toán chọn quạt hút gas. ....................................................................... 38
3.4.3 Chọn bơm cấp nước. ................................................................................... 43
3.4.4 Tính toán chọn vít tải trấu và tải tro. ........................................................... 44
3.4.5 Tính chọn phiễu cấp trấu. ............................................................................ 45
3.4.6 Tính toán xyclone. ....................................................................................... 45
3.4.7 Tính toán chọn thiết bị tách hắc ín. ............................................................. 46
Chƣơng 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................................... 48
4.1

Mô hình thí nghiệm ................................................................................... 48

4.1.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 48
4.1.2 Qui trình vận hành. ...................................................................................... 49
4.1.3 Một số lỗi thường gặp, lý do và cách xử lý ................................................. 51
4.2

Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 53

4.2.1 Các thông số đầu vào khảo sát .................................................................... 53
4.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc khí trong buồng đốt ............................................... 54
4.2.3 Ảnh hưởng của độ ẩm trấu .......................................................................... 55

viii


4.2.4 Khảo sát sự phân bố nhiệt độ trên các vùng trong thiết bị khí hóa ............. 56
4.3

Kết luận ...................................................................................................... 59

4.3.1 Những kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài ............................. 59
4.3.2 Những hạn chế và kiếm nghị ....................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass ...................................................................... 10
Hình 2.2: Sự chuyển đổi sinh khối thành sản phẩm gas ......................................... 11
Hình 2.3: Sản phẩm quá trình nhiệt phân ................................................................. 13
Hình 2.4: Nhiệt phân nhiên liệu chứa nhiều cacbon. ............................................... 14

Hình 2.5: Sự khí hóa than......................................................................................... 14
Hình 2.6: Nguyên lý hệ thống up-draft. ................................................................... 16
Hình 2.7: Nguyên lý hệ thống down-draft. .............................................................. 17
Hình 2.8: Nguyên lý hệ thống cross-draft ................................................................ 18
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa kiểu tầng sôi ...................................... 19
Hình 2.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân tới năng suất gas ........................... 24
Hình 2.11: Ảnh hưởng của kích thước phần tử nhiên liệu tới năng suất gas ........... 25
Hình 2.12: Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt tới năng suất gas ................................. 25
Hình 2.13: Ảnh hưởng của thời gian lưu trú tới năng suất gas ................................ 26
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống không khí thừa .............................................................. 27
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý........................................................................................ 48
Hình 4.2: Hình ảnh tổng quan mô hình ................................................................... 49
Hình 4.3: Một số hình ảnh thí nghiệm ..................................................................... 51

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Bảng thành phần các chất trong trấu ........................................................ 31
Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả xác định ảnh hưởng của vận tốc khí trong buồng đốt 54
Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả xác định ảnh hưởng của độ ẩm ................................... 55
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 57
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 58

xi

Chương 1: Tổng quan

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, một trong những yếu tố
có tầm quan trọng đặc biệt đó là đảm bảo nguồn năng lượng. Trong khi nguồn
nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kệt, vấn đề ô nhiễm môi trường do khí đốt
đang là một vẫn nạn của toàn nhân loại. Đứng trước tình hình đó, cần phải nhanh
chóng đưa ra các giải pháp trong việc sử dụng năng lượng nói chung và đặc biệt
trong việc sử dụng nhiên liệu đốt nói riêng. Thực tế nguồn năng lượng từ phế thải
của thiên nhiên rất phong phú, tuy nhiên cho đến nay con người vẫn còn sử dụng
dưới dạng thô là chủ yếu nên hiệu quả sử dụng còn rất thấp.
Theo dự báo của Tổ chức năng lượng thế giới, với tốc độ gia tăng mức khai thác
năng lượng như hiện nay, đến cuối thế kỷ này, nguồn than đá của thế giới sẽ trở
thành rất khan hiếm, các mỏ dầu và khí đốt sẽ cạn kiệt trong vòng từ 40 đến 60 năm
tới. Việc gia tăng mức độ sử dụng năng lượng luôn luôn kèm theo nguy cơ gây ô
nhiễm môi trường tại khu vực hoạt động năng lượng đồng thời làm suy giảm chất
lượng môi trường toàn cầu. Trong khi đó, quá trình cháy nhiên liệu nói riêng và
hoạt động năng lượng nói chung là những nhân tố chủ yếu gây ô nhiễm môi trường.
Sinh khối (biomass) là các phế phẩm từ nông nghiệp, lâm nghiệp như: trấu, mùn
cưa, bã mía, rơm rạ, cùi bắp, lá khô… hay giấy, báo, gỗ vụn từ các bãi chôn lấp,
phân từ các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm… Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng
rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích năng lượng.
Nhiên liệu sinh khối khi đốt cháy hoàn toàn cho ra các sản phẩm nói chung đều
chứa N2, hơi nước, CO2 và O2 thừa. Khí hóa biomass là quá trình đốt yếm khí nhiên
liệu. Trong khí hóa, quá trình cháy là một sự cấp dư nguyên liệu, hay nói cách khác
là việc cấp thiếu O2. Đó là sự cháy không hoàn toàn, sản phẩm khí đốt thu được là

hỗn hợp của những loại khí như CO, H2, một ít khí mê tan CH4 là các khí dễ cháy.

Trang 1


Chương 1: Tổng quan
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới
1.2.1

Trên thế giới

Theo Foley và Barnard [17], tại thời điểm năm 2009 có gần 64 nhà sản xuất
thiết bị khí hóa trên toàn thế giới. Chỉ riêng tại Mỹ có 27 nhà sản suất và khoảng 13
trường đại học – viện nghiên cứu làm việc trên các khía cạnh khác nhau của quá
trình khí hóa sinh khối.
Cơ sở sản xuất thiết bị khí hóa lớn nhất thế giới là tổng công ty sản xuất thiết bị
khí hóa GEMCOR ở Philippin. Mỗi năm họ sản xuất khoảng 3.000 thiết bị với công
suất từ 10 – 250 kW. Ngoài ra, họ đã bắt đầu sản xuất lò khí hóa cho các ứng dụng
sử dụng nhiệt trực tiếp. Các sản phẩm của họ chủ yếu là để cung cấp nhiên liệu và
truyền động cho máy bơm thủy lợi và các cụm máy phát điện. Cho tới năm 2009 đã
có khoảng 1.000 thiết bị khí hóa đã được lắp đặt tại Philippin dùng nhiên liệu là
than, gỗ vụn và than bánh.
Brazil cũng là một nước đã triển khai chương trình sản xuất thiết bị khí hóa
công suất lớn. khoảng 650 thiết bị và công trình lớn nhỏ khác nhau đã được lắp đặt
ở Brazil.
Ở Châu Âu cũng có nhiều nhà sản xuất thiết bị khí hóa, đặc biệt là Thụy Điển,
Pháp, Tây Đức và Hà Lan. Thị trường chủ yếu của các nhà sản xuất này là các nước
đang phát triển.
Theo Gross, tại khu vực Hoa Kỳ và Bắc Mỹ, các chương trình hoạt động về
nghiên cứu khí hóa tập trung tại Đại học Califonia và Đại học Florida ở Gainesville.

Nhiều hệ thống công suất khoảng 10 - 100 kW đã được phát triển từ Đại học
Califonia. Mỹ cũng đang dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực ứng dụng khí hóa lấy nhiệt
trực tiếp
Hầu hết các lò khí hóa công suất trên 100 kW được các nhà máy sản xuất bán
với giá khoảng từ 380 USD/kW cho cả hệ thống và khoảng 150 USD/kW nếu chỉ
mua riêng lò hóa khí [15]. Còn đối với các hệ thống quy mô nhỏ thì tỷ lệ giá rất cao.

Trang 2


Chương 1: Tổng quan
Ví dụ đối với hệ thống hóa khí công suất 10kW, giá 1kW là 840 USD nếu mua cả
hệ thống và 350 USD nếu chỉ mua riêng lò khí hóa
1.2.2

Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ khí hóa từ nhiên liệu sinh khối đã có mặt từ những năm
trước 1975, đặc biệt trong hơn 10 năm đất nước vừa giải phóng vì cả nước khan
hiến xăng dầu. Trong thời gian này hầu hết trên các tuyến đường giao thông, các xe
tải chở khách đã ứng dụng công nghệ khí hóa từ than củi (đây là loại nhiên liệu
được đánh giá có nhiều ưu điểm nhất khi ứng dụng công nghệ khí hóa) để làm nhiên
liệu cho các động cơ xe cải biên từ động cơ xăng. Do kỹ thuật khí hóa còn sơ sài,
đặc biệt là công nghệ lọc và xử lý khí gas còn rất thô sơ, nên chỉ sau một thời gian
ngắn các động cơ bị hỏng hóc, các lái xe thường xuyên phải làm lại máy, làm phát
sinh chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ, cao hơn so với chi phí sử dụng nhiên liệu
dầu mỏ. Do vậy, công nghệ khí hóa sử dụng cho xe hơi và xe tải chấm dứt vào
những năm 1991 - 1994.
Công nghệ khí hóa từ trấu cũng đã có một số tác giả nghiên cứu và đưa ra một
số mô hình buồng đốt, tuy nhiên các mô hình buồng đốt mới chỉ ở dạng đốt theo

mẻ, công suất bé.
Tháng 3/2010, Công ty Cổ phần Vina Silic công bố kết quả thử nghiệm loại bếp
gas đun bằng viên trấu nén và than đá. Tuy nhiên bếp sử dụng nhiên liệu là trấu đã
nén thành viên và cũng chỉ đốt dưới dạng mẻ. [9]
Giữa năm 2010 Công ty TNHH gốm sứ Tân Mai – Sa Đéc (Đồng Tháp) đã nhập
từ Ấn Độ một hệ thống khí hóa từ vỏ trấu có công suất từ 80 ÷ 100 kg trấu/giờ. Hệ
thống hoạt động khá ổn định. Tuy nhiên với giá thành khoảng 1,8 tỉ đồng / hệ thống
là quá cao, chưa thể ứng dụng rộng rãi cho các lò gạch thủ công hiện nay. [9]
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.3.1

Nhiệm vụ nghiên cứu

Trang 3


Chương 1: Tổng quan
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ khí hóa biomass, cơ sở lý thuyết và đặc
điểm của các kiểu công nghệ
- Tìm hiểu về công nghệ khí hóa biomass hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới
- Tính toán thiết kế chế tạo mô hình hệ thống thực nghiệm
- Thực nghiệm, đo đạc, đánh giá kết quả
- Quy trình vận hành hệ thống
1.3.2

Phạm vi nghiên cứu

- Thí nghiệm trên mô hình với nguyên liệu được lựa chọn là vỏ trấu.
- Thông qua nhiệt lượng thu được đánh giá sự ảnh hưởng của vận tốc khí trong
buồng đốt và độ ẩm của trấu đến quá trình hoạt động của hệ thống.

- Khảo sát sự phân bố nhiệt độ trong lò phản ứng
1.4 Mục tiêu nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu
1.4.1

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu đưa ra giải pháp sử dụng hiệu quả phụ phẩm nông nghiệp
biomass (trấu) để sản xuất năng lượng.
- Nghiên cứu hệ thống khí hóa biomass nhằm tìm hiểu bản chất của quá trình
khí hóa.
- Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa biomass, từ đó có
hướng tìm giải pháp nâng cao năng suất và khả năng vận hành của thiết bị.
- Giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường khi sử dụng trực tiếp nguồn nhiên
liệu biomass.
- Giải quyết các vấn đề về nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt.
1.4.2

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống khí hóa biomass
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu

Trang 4


Chương 1: Tổng quan
- Nghiên cứu, kế thừa công nghệ khí hóa nhiên liệu biomass trên thế giới.
- Thực nghiệm, đo đạc, đánh giá các thông số đo đạc trên hệ thống, từ đó từng
bước hoàn thiện, nâng cao hiệu suất hệ thống.

Trang 5


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tìm hiểu về năng lƣợng sinh khối
Năng lượng sinh khối (biomass) là nguồn năng lượng cổ xưa nhất đã được con
người sử dụng khi tìm ra lửa và bắt đầu biết nấu chín thức ăn và sưởi ấm. Đây là
nguồn năng lượng vô tận và dễ kiếm (gần như có thể nói nơi nào có người sống là
nơi đó có biomass). Củi là nguồn năng lượng chính cho tới đầu thế kỷ 20 khi nhiên
liệu hóa thạch được tìm thấy.
Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm
tới 14% ÷ 15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Ở các nước đang phát triển,
sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35%
trong tổng cung cấp năng lượng. Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan
trọng trong các đề án về năng lượng được soạn thảo bởi nhiều tổ chức quốc tế và có
khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế
giới trong tương lai.
Trong những năm gần đây sự chú ý tới các công nghệ về năng lượng sinh khối
nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay thế các
nguồn năng lượng hóa thạch vì hai lý do. Một là do các nguồn năng lượng hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt dần và hai là các nguồn này gây ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng. Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng
lượng sinh khối không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà nhiều khi còn góp
phần xử lý chất thải vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng lượng.
Thậy vậy, ngay từ khi mới bắt đầu sinh ra và phát triển, biomass đã bắt đầu hấp thụ
CO2 giúp loài người thoát khỏi nạn diệt chủng của CO2 để tạo nên kho chứa cacbon

(C) ngay trong cơ thể mình, nó ngày càng lớn lên theo thời gian sinh tồn và đó
chính là nguồn nhiên liệu (cacbon) để con người sẽ dùng đun nấu hàng ngày. Khi
đun nấu, lượng CO2 do cacbon hóa (quá trình oxy hóa) thải ra cũng gần bằng hoặc ít
hơn nhiều (nếu biết cách đun nấu khoa học) chính lượng CO2 mà thực vật đã thu hút

Trang 6


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
được trong suốt thời gian sinh tồn của nó. Có nghĩa là nguồn thực vật sinh khối
không hề làm tăng tổng lượng CO2 của quả đất và việc sử dụng sinh khối nhiên liệu
cho quá trình gas hóa trong công nghệ này sẽ không làm tăng tổng lượng CO2 của
bầu khí quyển. Điều quan trọng này giúp cho chúng ta quyết tâm phát triển năng
lượng sinh khối và sử dụng thực vật biomass để làm nguồn nhiên liệu sạch.
2.2 Lịch sử hình thành học thuyết khí hóa biomass
Ta có thể liệt kê tón tắt lịch sử phát triển của công nghệ khí hóa từ nhiên liệu rắn
trên thế giới qua các mốc như sau:
Năm 1669: Thomas Shirley đã thành công trong việc thực hiện các thí nghiệm
từ hydro carborated
Năm 1699: Dean Clayton thu được khí than từ thí nghiệm nhiệt ly
Năm 1788: Robert Gardner được cấp bằng sáng chế đầu tiên liên quan đến việc
khí hóa
Năm 1792: Xuất hiện báo cáo chứng thực đầu tiên về sản phẩm khí hóa,
Murdock đã dùng gas tạo ra từ than đá để thắp sáng đèn trong nhà của ông ta. Kể từ
đó gas từ than đá được dùng để nấu nướng và sưởi ấm.
Năm 1801: Lampodium đã chứng tỏ khả năng sử dụng khí thải thoát ra từ việc
than hóa gỗ.
Năm 1804: Fourcroy đã tìm ra phản ứng khí – nước bằng phản ứng của nước
với than nóng.
Năm 1812: Phát minh động cơ đầu tiên sử dụng nhiên liệu từ khí hóa

Năm 1840: Thiết bị khí hóa thương mại đầu tiên được sử dụng tại Pháp
Năm 1861: Siemens giới thiệu kỹ thuật lò hóa khí của họ và được nhiều người
quan tâm.
Năm 1878: Bắt đầu sử dụng các lò hóa khí kết hợp với động cơ nổ để phát điện
Năm 1900: Lò hóa khí công suất 600 Hp đầu tiên được triển lãm tại Paris. Kế
tiếp các động cơ công suất đến 5.400 Hp bắt đầu được đưa vào sử dụng thử nghiệm.

Trang 7


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Năm 1901: J. W. Parker công bố thành công trong việc chạy xe từ nhiên liệu
hóa khí.
Năm 1901 – 1920: Nhiều hệ thống động cơ sử dụng nhiên liệu hóa khí để phát
điện đã phổ biến.
Những năm 1930: Bắt đầu phát triển các ô tô nhỏ chạy bằng gas và thiết bị khí
hóa cỡ nhỏ. Chính phủ Anh và Pháp đã nhận thấy các ô tô chạy bằng gas sinh ra từ
than đó có thể phù hợp cho các thuộc địa của họ, nơi mà xăng dầu khan hiếm nhưng
gỗ và than củi thì lại rất dồi dào; Tại Thụy Điển có khoản 250.000 xe được đăng ký
thì có tới 90% đã chuyển đổi sang dạng dùng gas. Gần như tất cả 20.000 máy kéo
dùng gas làm nhiên liệu, 40% nhiên liệu được dùng là gỗ và phần còn lại hầu hết là
than đá; Đức quốc xã đẩy mạnh thực hiện chuyển đổi các động cơ trên các xe sang
chạy bằng nhiên liệu khí hóa như là một phần của kế hoạch an ninh quốc gia và độc
lập với nguồn dầu mỏ nhập khẩu.
Sau 1945: Sau khi kết thúc Chiến Tranh Thế Giới Thứ II, với việc tìm ra nhiều
nguồn xăng dầu có sẵn, giá rẻ, kỹ thuật khí hóa dần mất đi vị trí và tầm quan trọng
của nó.
Năm 1950 – 1970: Trong suốt những năm này, kỹ thuật khí hóa bị bỏ quên.
Nhiều chính phủ ở Châu Âu đã cảm thấy rằng tốc độ tiêu thụ gỗ ngày càng nhanh sẽ
dẫn đến nạn phá rừng và các vấn đề về môi trường.

Sau 1970: Trong những năm 1970 đã có những kỹ thuật mới trong việc phát
điện ở quy mô nhỏ. Từ đó, người ta đã dùng các nhiên liệu khác thay cho gỗ và than
đá.
2.3 Ích lợi từ năng lƣợng sinh khối
2.3.1

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...)

Trang 8


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết
bị chuyển hóa năng lượng.
Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
Lợi ích môi trường

2.3.2

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 mức S và tro thấp hơn đáng kể so với
việc đốt trực tiếp. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ

trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, sinh khối 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 năng lượng sinh khối làm giảm sự thay đổi khí hậu, giảm
hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp v.v… Kỹ thuật đốt rác phát điện
từng có lịch sử nghiên cứu phát triển hơn 30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy ở Đức
(32% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%),
Pháp (38%)… đã trở thành hình mẫu cho ngành công nghệ "năng lượng và bảo vệ
môi trường" này. Ở châu Á, Singapore (100% lượng rác được xử lý bằng đốt rác
phát điện) và Nhật Bản (72,8%) là hai nước đi đầu trong kỹ thuật đốt rác phát điện.
Quy trình công nghệ của nhà máy điện rác tương tự như nhà máy nhiệt điện, chỉ
khác ở chỗ nhiên liệu không giống nhau và phải trang bị thêm hệ thống xử lý làm
sạch khói, khí khá phức tạp. Ưu điểm nổi bật của nhà máy điện rác so với các lò đốt
rác thông thường chính là ở chỗ trong khi giảm trọng lượng và thể tích rác nhờ quá
trình đốt, nó còn có tác dụng "tài nguyên hóa", biến rác trở thành nhiên liệu sản xuất
năng lượng, "vô hại hóa" rác. Tro bụi từ lò thiêu được phân tuyển bằng từ tính, sau
đó trở thành vật liệu phủ mặt đường hoặc lấp lấn biển.

Trang 9


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
2.4 Quá trình khí hóa biomass
Thiết bị khí hóa là thiết bị chuyển đổi nhiên liệu biomass thành nhiên liệu gas có
thể đốt được [12]

Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass
Quá trình khí hóa là sự đốt không hoàn toàn nhiên liệu rắn. Nhiên liệu sinh khối
khi đốt cháy hoàn toàn cho ra các sản phẩm nói chung đều chứa N 2, hơi nước, CO2
và O2 thừa. Tuy nhiên trong khí hóa, quá trình cháy là một sự cấp dư nguyên liệu,
hay nói cách khác là việc cấp thiếu O2 (hệ số không khí thừa trong khoảng từ 0,20,3). Đó là sự cháy không hoàn toàn, sản phẩm khí đốt thu được là hỗn hợp của

những loại khí như CO, H2, một ít khí mêtan CH4 là các khí dễ cháy, và một số
thành phần không có ích như hắc ín và bụi bẩn.
2.5 Các phƣơng trình phản ứng chủ yếu trong quá trình khí hóa
Khí hóa là một quá trình phức tạp, tuy nhiên nó được đặc trưng bởi một số phản
ứng sau đây [22]
C + O2



CO2 +393 MJ/kg mole

(1)

2H2 + O2



2H2O - 242 MJ/kg mole

(2)

C + 1/2O2



CO

(3)

C + 2H2



CH4 +75 MJ/kg mole

(4)

CO + 3H2



CH4 + H2O –205,9 kJ/mol

(5)

CO2 + H2



CO + H2O –42,3 MJ/kg mole

(6)

C + CO2



2CO –164,9 MJ/kg mole

(7)

C + H2 O



CO + H2 –122,6 MJ/kg mole

(8)

2.6 Những vùng công nghệ và những phản ứng hóa học

Trang 10


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Khí hóa là một quá trình chuyển đổi nhiệt hóa tương đối phức tạp. Việc tách
riêng biệt các khu vực trong lò khí hóa là không dễ dàng do quá trình khí hóa xảy ra
đồng thời ở mọi vùng trong lò. Nhưng việc này lại thật sự cần thiết để có thể phân
tích và hiểu rõ quá trình khí hóa. Thông thường nhiên liệu ban đầu được trải qua
bốn vùng sau:
- Vùng sấy nhiên liệu.
- Vùng nhiệt phân.
- Vùng cháy.
- Vùng phản ứng khí hóa.
Mặc dù bốn quá trình này có sự chồng lấp lên nhau một phần, nhưng ta có thể
giả thuyết mỗi quá trình chiếm một vùng riêng biệt, ở đó có sự khác nhau cơ bản về
thành phần hóa học và những phản ứng nhiệt.

Hình 2.2: Sự chuyển đổi sinh khối thành sản phẩm gas [20]
Các vùng trên bố trí theo chiều cao của lò phản ứng, vị trí hay thứ tự của từng

vùng phụ thuộc vào chiều di chuyển của nhiên liệu và tác nhân oxy hóa. Các vùng
này được phân biệt một cách tương đối nhờ việc đo nhiệt độ trong từng vùng. Độ
cao (hay độ lớn) và tầm ảnh hưởng của tầng vùng phụ thuộc vào thành phần, độ ẩm

Trang 11