Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----------------

VŨ VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ
TỔNG HỢP CHO ĐỘNG CƠ MÁY PHÁT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ ANH TUẤN

HÀ NỘI- 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình
nào khác!

Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Vũ Văn Đại


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại

học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện
luận văn tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại
học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học
tập và làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấnđã hướng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận
văn.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thử nghiệm Động
cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi
những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành đề tài luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
làm luận văn.
Học viên

Vũ Văn Đại


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................10
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỔNG HỢP .................................................15

1.1 Khí tổng hợp ................................................................................................15
1.2 Sản xuất khí tổng hợp bằng hệ thống khí hóa ..........................................16
1.2.1

Quá trình khí hóa ...................................................................................16

1.2.2

Các phương pháp khí hóa sinh khối ......................................................19

1.2.3

Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối. .........................................................22

1.2.4

Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí hóa ...........................................25

1.3 Đánh giá chất lượng của khí tổng hợp ......................................................26
1.4 Ứng dụng của khí tổng hợp ........................................................................26
1.4.1

Sử dụng khí tổng hợp trong đốt cháy sinh nhiệt ...................................26

1.4.2

Sử dụng khí tổng hợp trong công nghiệp hóa chất ...............................27

1.4.3

Sử dụng khí tổng hợp làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong .............28

1.5 Tình hình sử dụng khí tổng hợp trên thế giới và ở Việt Nam .................29
1.5.1

Tình hình sử dụng khí tổng hợp trên thế giới .......................................29


1.5.2

Tình hình sử dụng khí tổng hợp tại Việt Nam ......................................29

1.6 Kết luận chương 1 .......................................................................................32
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ TỔNG
HỢP CHO ĐỘNG CƠ MÁY PHÁT ĐIỆN ..............................................................33
2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện .......33
2.1.1

Nguyên lý làm việc của hệ thống ..........................................................34

2.1.2

Các chi tiết chính trong hệ thống ..........................................................34

2.2 Thiết kế, chế tạo các chi tiết chính trong hệ thống ..................................39
2.2.1. Thiết kế đường ống cung cấp khí tổng hợp ..........................................39
2.2.2. Lắp đặt hệ thống cung cấp khí tổng hợp và các chi tiết trong hệ thống
………………………………………………………………………...45
2.3 Kết luận chương 2 .......................................................................................49
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................50

3.1 Mục tiêu thử nghiệm ...................................................................................50
3.2 Đối tượng thử nghiệm .................................................................................50
3.3 Nội dung và chương trình thử nghiệm ......................................................51
3.3.1

Sơ đồ bố trí thử nghiệm.........................................................................51

3.3.2

Chế độ thử nghiệm ................................................................................52

3.4 Trang thiết bị thử nghiệm ..........................................................................52
3.4.1

Thiết bị phân tích khí thải .....................................................................52

3.4.2

Bộ điều khiển tải và bộ nhiệt điện trở ...................................................53

3.4.3

Đồng hồ đo công suất............................................................................54

3.4.4

Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu ..............................................................54


3.4.5

Thiết bị đo khác .....................................................................................56

3.5 Kết quả thử nghiệm và đánh giá................................................................56
3.5.1

Tính toán hệ số dư lượng không khí lamda tổng ..................................56

3.5.2

Đánh giá công suất động của động cơ ..................................................58

3.5.3

Đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ .....................................59

3.5.4

Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ .......................................61

3.5.5

Đánh giá các kết quả đo được ở chế độ 40% và 60% tải ......................65

3.6 Kết luận chương 3 .......................................................................................69
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................70
KẾT LUẬN CHUNG ..........................................................................................70
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

DO

Nhiên liệu dầu diesel

-

DO-S

Lưỡng nhiên liệu diesel-syngas

-

DO-S25%

Lưỡng nhiên liệu diesel-syngas với độ mở 25% của van điều khiển lưu lượng syngas

DO-S50%

Lưỡng nhiên liệu diesel-syngas với độ mở 50% của van điều khiển lưu lượng syngas

DO-S75%

Lưỡng nhiên liệu diesel-syngas với độ mở 75% của van điều khiển lưu lượng syngas

DO-S100%

Lưỡng nhiên liệu diesel-syngas với độ mở 100% của van điều khiển lưu lượng syngas

CO

Mônôxit cácbon

%V

HC

Hyđrô cácbon

ppm

NOx

Ôxit nitơ

ppm

CO2

Cacbonníc

%V

Smoker

Phát thải dạng hạt

%V

%Stt

Lượng phần trăm syngas thay thế cho diesel

%

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

-

AVL

Thiết bị phân tích khí xả dạng hạt động cơ của hãng -

DiSmoker

AVL

4000
AVL DiGas Thiết bị phân tích thành phần khí xả động cơ của hãng 4000

AVL




Hệ số dư lượng không khí

-

A/F

Tỷ lệ không khí/ đơn vị nhiên liệu lý thuyết

-

Tsyngas

Nhiệt độ dòng khí syngas cấp cho động cơ

0

Vsyngas

Tốc độ dòng khí syngas cấp cho động cơ

m/s

Ne

Công suất

kW

Gnl

Mức tiêu thụ nhiên liệu

g/h

Gkk

Lượng không khí nạp

kg/h

C


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất lý hóa của H2 ,CO và khí Mê Tan ..............................................15
Bảng 1.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật và thông số của hệ thống khí hóa sinh khối ...........25
Bảng 1.3: Thành phần cơ bản của hỗn hợp khí sau khí hóa .....................................26
Bảng 1.4: Chỉ tiêu về môi trường ..............................................................................26
Bảng 1.5: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp ...........................................29
Bảng 1.6: Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng .........................................................30
Bảng 3.1: Thông số động cơ thử nghiệm ..................................................................50
Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm với nhiên liệu Diesel tại các chế độ tải ....................74
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm với nhiên liệu DO-S25% .........................................75
Bảng 3.4: Kết quả thử nghiệm với nhiên liệu DO-S50% .........................................75
Bảng 3.5: Kết quả thử nghiệm với nhiên liệu DO-S75% .........................................76

Bảng 3.6: Kết quả thử nghiệm với nhiên liệu DO-S100% .......................................76
Bảng 3.7: Gkk, Gnl, LL(Syngas) ở các chế độ làm việc của động cơ ........................57
Bảng 3.8: Dư lượng không khí tính theo các chế độ thử nghiệm của động cơ. ........58
Bảng 3.9: Lượng Syngas thay thế cho diesel ở các chế độ .......................................60
Bảng 3.10: Kết quả thử nghiệm ở 40% tải động cơ ..................................................66
Bảng 3.11: Kết quả thử nghiệm động cơ ở 60% tải ..................................................66
Bảng 3.12: Mức thay đổi lượng phát thải độc hại khi sử dụng (DO-S100%) ..........68
Bảng 3.13: Mức thay đổi lượng phát thải độc hại khi sử dụng (DO-S75%) ............68
Bảng 3.14: Mức thay đổi lượng phát thải độc hại khi sử dụng (DO-S50%) ............69


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quá trình khí hóa.......................................................................................16
Hình 1.2: Phương pháp khí hóa đưa luồng gió đi lên ...............................................19
Hình 1.3: Phương pháp khí hóa đưa luồng gió xuống dưới ......................................20
Hình 1.4: Phương pháp khí hóa kiểu luồng gió chéo ................................................21
Hình 1.5: Phương pháp khí hóa tầng sôi ...................................................................22
Hình 1.6-1: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối bằng phương pháp đưa luồng gió
xuống dưới cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện ...............................23
Hình 1.6-2: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối bằng phương pháp đưa luồng gió
xuống dưới cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện ...............................24
Hình 1.7: Bếp trấu hóa gas ........................................................................................27
Hình 1.8: Keo là một trong hàng trăm sản phẩm với nguồn gốc từ methanol.........27
Hình 1.10: Xe ô tô sử dụng nhiên liệu là khí tổng hợp ở Anh. .................................29
Hình 1.11: Bếp khí hóa dùng cho hộ gia đình và các bếp ăn công nghiệp ...............31
Hình 1.12: Công ty Tân Mai ứng dụng công nghệ khí hóa vào sản xuất gạch gốm .31
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo hệ thống cung cấp khí tổng hợp cho động cơ ....................33
Hình 2.2: Van bi tay gạt DOVA................................................................................34
Hình 2.3: Máy đo lưu lượng gió AXTECH-AN 100 ................................................36
Hình 2.4: Cấu tạo của cảm biến cặp nhiệt điện .........................................................37

Hình 2.5: Máy đo nhiệt độ Lutron-TM920C và cảm biến nhiệt độ ..........................37
Hình 2.6: Cảm biến áp suất đường ống nạp ..............................................................38
Hình 2.7: Thiết bị đo lưu lượng khí nạp ...................................................................39
Hình 2.8: Phương án thiết kế và lắp đặt máy đo lưu lượng gió ................................40
Hình 2.9: Thiết kế đường ống cung cấp khí tổng hợp để lắp đặt máy đo lưu lượng
gió ..............................................................................................................................41
Hình 2.10: Thiết kế sơ bộ đường ống nạp cho động cơ và lắp đặt các đầu cảm biến
...................................................................................................................................42
Hình 2.11: Thiết kế chi tiết đường ống nạp cho động cơ.........................................43
Hình 2.12: Đường ống xả cho hệ thống ....................................................................44
Hình 2.13: Lắp đặt van đóng mở đường cấp khí tổng hợp và thiết bị đo lưu lượng
gió. .............................................................................................................................45
Hình 2.14: Lắp đặt van điều chỉnh lưu lượng khí tổng hợp cho hệ thống cung cấp
khí tổng hợp. .............................................................................................................45


Hình 2.15: Lắp đặt đường ống nạp cho động cơ và các cảm biến ............................46
Hình 2.16: Lắp đặt cảm biến lưu lượng khí nạp .......................................................46
Hình 2.17: Lắp đặt đường ống xả của động cơ .........................................................47
Hình 2.18: Hệ thống khí hóa sinh khối .....................................................................48
Hình 2.19: Hệ thống cung cấp khí tổng hợp .............................................................49
Hình 3.1: Động cơ thử nghiệm..................................................................................51
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí thử nghiệm ............................................................................51
Hình 3.3: Bộ thiết bị phân tích khí thải AVL Emission Testers Series 4000 ...........53
Hình 3.5: Đồng hồ đo công suất 591043 ..................................................................54
Hình 3.6: Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Consumption meter FC-9521 ..........54
Hình 3.7: Sơ đồ lắp đặt thiết bị FC-9521 ..................................................................55
Hình 3.8: Đặc tính công suất của động cơ ở các chế độ ...........................................59
Hình 3.9: Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở các chế độ ...................................59
Hình 3.10:Đồ thị biểu diễn lượng khí syngas thay thế cho động cơ ở các chế độ ....61

Hình 3.11: Biểu đồ về phát thải khí CO trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên
liệu diesel và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel-syngas........................61
Hình 3.12: Biểu đồ phát thải khí CO2 trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên lệu
diesel và trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel-syngas...............................62
Hình 3.13: Phát thải khí HC ở các chế độ tải trong trường hợp sử dụng nhiên liệu
diesel và trường hợp sử dụng diesel-syngas .............................................................63
Hình 3.14: Phát thải NOx ở các chế độ tải trong trương hợp sử dung nhiên liệu
diesel và trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel/syngas .............................................64
Hình 3.15:Biểu đồ phát thải khói trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu
diesel và trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel/syngas. ............................................65
Hình 3.16: Đồ thị công suất và mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ 40% và 60% tải .66
Hình 3.17: Đồ thị phát thải khí CO ở chế độ 40% và 60% tải ..................................67
Hình 3.18: Đồ thị phát thải khí HC ở chế độ 40% và 60% tải ..................................67
Hình 3.19: Đồ thị phát thải khí NOx ở chế độ 40% và 60% tải ................................67
Hình 3.20: Đồ thị phát thải độ khói ở chế độ 40% và 60% tải .................................68


MỞ ĐẦU
Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp
bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công
nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi
đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Mặt khác việc sử dụng các
nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt
cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp
chất hydrocacbon, bụi… Gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái
và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống.
Việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới thay thế cho các nguồn nhiên liệu
truyền thống dành cho động cơ nhằm giảm sựu phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt và cải thiện môi trường đang là một xu thế phát triển
mới.

Khí tổng hợp được đánh giá là một nguồn nhiên liệu thay thế trong tương lai
và đang được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển và cũng đã đạt được nhiều
kết quả. Nguồn cung cấp khí tổng hợp cũng rất dồi dào, có thể sản suất khí tổng hợp
từ quá trình khí hóa sinh khối là một hướng đi vừa có thể giải quyết được vấn đề ô
nhiễm môi trường do rác thải vừa tạo ra nguồn nguyên liệu phục con người.
Ở Việt Nam hiện nay cũng đang rất chú trọng tới việc tìm kiếm nguồn nhiên
liệu mới.Với đặc thù làm một nước nông nghiệp, hằng năm khối lượng rác thải
nông nghiệp rất là lớn nên nếu tận dụng nguồn sinh khối này để sản suất khí tổng
hợp và phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường đồng
thời tạo thêm nguồn thu nhập cho người nông dân.Nguồn nhiên liệu khí tổng hợp
hiện nay mới chỉ được sử dụng nhiều cho ngành công nghiệp hóa chất và đốt sinh
nhiệt để phục vụ cho công nghiệp và sản suất.Tiềm năng về sinh khối là rất lớn việc
sử dụng khí tổng hợp như là một nguồn nhiên liệu thay thế dành cho động cơ là một
hướng đi mới còn nhiều khó khăn và thách thức.


Đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu khí tổng hợp cho
động cơ máy điện” hướng tới giải quyết những vấn đề trên.
i.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài làm nhằm đánh giá khả năng sử dụng khí tổng hợp làm
nguồn nhiên liệu thay thế trong động cơ đốt trong.
Cụ thể đề tài hướng tới xây dựng hệ thống cung cấp nhiên liệu khí tổng hợp
cho động cơ.Thực hiện thử nghiệm nguồn nhiên liệu khí tổng hợp trên động cơ qua
đó đánh giá khả năng sử dụng khí tổng hợp cho động cơ trong thực tế.
 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là máy phát điện sử dụng động cơ diesel 4 kỳ.Hệ

thống cung cấp khí tổng hợp được nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt thêm cho động cơ.
 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Luận văn nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề liên quan tới khí tổng hợp,
phương pháp sản xuất khí tổng hợp đi từ phương pháp khí hóa sinh khối, đồng thời
đánh giá thành phần và khả năng sử dụng khí tổng hợp vào làm nhiên liệu cho động
cơ.
Nghiên cứu thực nghiệm đươc thực hiện trên động cơ máy phát điện, sử
dụng nhiên liệu diesel và diesel-syngas.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thử nghiệm
Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
ii. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống. Kết hợp giữa lý thuyết
thông qua tổng hợp các nghiên cứu về khí tổng hợp trên thế giới , và tập hợp kế
thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan.Tăng cường trao đổi và tiếp thu
ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện


phương pháp nghiên cứu, cũng như mở rộng hợp tác với các tổ chức trong nước để
thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm.
Đề tài luận văn sử dụng các phương pháp kỹ thuật sau:
 Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về khí tổng hợp, nghiên cứu xây dựng sơ đồ
cung cấp khí tổng hợp cho động cơ.
 Sử dụng phần mềm kỹ thuật đểthiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp khí tổng hợp
cho động cơ.
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm so sánh đánh giá một cách
toàn diện động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel-syngas so với động cơ sử dụng
nhiên liệu diesel thông thường.
Bước đầu đi nghiên cứu tổng quan về khí tổng hợp, xây dựng sơ đồ cung cấp khí
tổng hợp cho động cơ, qua đó nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển khí tổng hợp
cho động cơ máy phát điện. Thông qua kết quả nghiên cứu đánh giá tính thực tiễn

của đề tài và khả năngứng dụng phát triển vào thực tế tại Việt Nam
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận văn bước đầu đã đi nghiên cứu thiết kế và xây dựng thành công hệ
thống cung cấp khí tổng hợp dành cho động cơ diesel.Qua các nghiên cứu, thử
nghiệm, luận văn cũng đã đánh giá và phân tích được các ảnh hưởng của việc sử
dụng nhiên liệu diesel – syngas thay thế cho nhiên liệu diesel sử dụng cho động cơ.
Luận văn cũng đã đánh giá khả năng ứng dụng đề tài vào thực tiễn sản xuất và
hướng phát triển của đề tài sau này.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỔNG HỢP
1.1 Khí tổng hợp
Khí tổng hợp “Syngas - synthesis gas” là một hỗn hợp khí bao gồm carbon
dioxide carbon monoxide và hydro với tỷ lệ H2/CO thay đổi khác nhau tùy theo
mục đích sử dụng. Khí tổng hợp được sản xuất dựa trên quá trình khí hóa của nhiên
liệu có chứa cacbon tạo thành sản phẩm khí có nhiệt trị. Một số ví dụ về các khí
tổng hợp như sau khí hóa than, chất thải khí hóa năng lượng, hơi nước của khí tự
nhiên để tạo ra hydro.
Tên “ khí tổng hợp” có nguồn gốc từ việc sử dụng như một chất trung gian
trong việc tạo ra khí thiên nhiên tổng hợp và tạo ra ammoniac hoặc methanol. Khí
tổng hợp cũng là một trung gian trong việc tạo ra dầu khí tổng hợp để sử dụng như
một chất bôi trơn hoặc nhiên liệu.
Tính chất vật lý, hóa học của khí tổng hợp
Tính chất vật lý và hóa học của syngas phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sản
xuất, công nghệ sản xuất và đặc biệt là thành phần các khí đơn chất cấu tạo lên.
Bảng 1.1 dưới đây thể hiện tính chất lý hóa của các khí thành phần chính của khí
syngas.
Bảng 1.1 Tính chất lý hóa của H2 ,CO và khí Mê Tan
Thông số

H2

CO

CH4

Nhiệt trị thấp ( MJ/kg)

121

10,2

50,2

Tỷ lệ không khí – nhiên liệu

34,4

2,46

17,2

Nhiệt độ cháy max tại 1 atm

2378

2384

2223

0,01/7,17

0,34/6,80

0,54/1,69

270

45

35

Giới hạn bốc cháy (nhạt/đậm)
Tốc độ lan tràn màng
lửa(cm/second)


Với những tích chất lý hóa của khí syngas như trên ta thấy rằng đây là một
nguồn năng lượng hữu ích có thể thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch như than
đá và dầu mỏ. Có thể sử dụng khí syngas như là một nguồn nhiên liệu thay thế cho
động cơ đốt trong.Thành phần H2 có trong khí syngas có nhiệt trị lớn, có tốc độ
chánh cao sẽ là một dung môi giúp cho quá trình cháy của động cơ xảy ra nhanh
hơn và hiệu quả hơn giúp nâng cao công suất của động cơ.
1.2 Sản xuất khí tổng hợp bằng hệ thống khí hóa
1.2.1 Quá trình khí hóa
Syngas được sản xuất từ các hợp chất chứa cacbon như khi thiên nhiên, sản
phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối. Điều này đóng vai trò mấu chốt trong công
nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp. Lưu đồ dưới đây thể hiện tổng quan
về quá trình khí hóa.

QT Khí hoá

Hình 1.1: Quá trình khí hóa
Trong quá trình khí hóa, nguyên liệu đầu vào được sấy tới nhiệt độ cao, sản
phẩm của quá trình này là chất khí mới tạo thành và phần chất rắn còn lại không
phản ứng. Lượng khí tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của nguồn nhiên
liệu cũng như nhiệt độ mà các phản ứng xảy ra. Các phản ứng ban đầu xảy ra dưới
sự có mặt của oxygen cho ra sản phẩn có cả khí CO và CO2. Các phản ứng xảy ra
rất nhanh và kèm theo sự tỏa nhiệt và là tiền đề để các phản ứng khác tạo ra. Quá
trình khí hóa nhiên liệu rắn xảy ra tại nhiệt độ cao ( >11120F ) và tạo ra khí và một
số chất dưới dạng tro và nhựa đường. Các phản ứng hóa học ảnh hưởng trực tiếp
đến quá trình khí hóa và quyết định đến thành phần các chất khí đến cuối cùng tạo
thành. Những phản ứng thứ cấp xảy ra tại nhiệt độ > 11120F và dưới điều kiện áp
suất thích hợp sẽ giúp cho sự phân hủy tro và tạo ra cacbon, các chất khí. Phản ứng


của quá trình khí hóa sinh khối có chứa cacbon được thể hiện theo phương trình
dưới đây.
Sinh khối + Không khí (thiếu)

CO + H2 + CH4 + H2O + N2

Để phản ứng xảy ra hoàn toàn thì 1 (kg) sinh khối cần khoảng 4,5(kg) không
khí (tạo điều kiện chuẩn) theo như các nghiên cứu đưa ra thì dối với phản ứng khí
hóa lượng không khí chỉ cần thiết khoảng bằng 0,25 lần không khí tiêu chuẩn. Tức
là thông thường để khí hóa 1kg sinh khối cần khoảng 1,15kg không khí.
Quá trình khí hóa xảy ra trong bốn giai đoạn quan hệ với nhau:
+ Miền cháy.
+ Miền phản ứng.
+ Miền nhiệt phân.

+ Miền sấy khô.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối:
Ảnh hưởng của áp suất: Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng
hợp sẽ thay đổi khác nhau. Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần
sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ
hóa khí sinh khối thích hợp.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ của quá trình hóa khí được lựa chọn trên
cơ sở của trạng thái tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro trên điểm nung chảy của
xỉ). Đối với sinh khối điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm
chất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống. Hóa khí ở
nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình 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 của nguyên liệu: Nếu độ ẩm của nguyên liệu tăng cao thì chẳng
những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí
mà còn làm giảm chất lượng khí. Về mặt công nghệ khí hóa người ta lại phải tổ
chức lớp nguyên liệu có chiều cao thích hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa.


Ảnh hưởng của nhựa: Nhựa có thể đạt tới 20 ÷30% nếu ta khí hóa củi gỗ,
bạch đàn, than non, than bùn… Với các nhiên liệu rắn khác nhựa có hàm lượng thấp
hơn. Nhựa có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí tới
mức độ khác nhau. Nhiệt sinh của nhựa 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 nhựa
tách ra ở dạng lỏng. Trong trường hợp này chất lượng của khí giảm xuống quá trình
khí hóa gặp khó khăn do nhựa 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 nhựa 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 nhiệt 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 tắc lò làm ngừng quá trình khí hóa 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 hạt sinh khối: Kích thước nguyên liệu 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 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.


1.2.2 Các phương pháp khí hóa sinh khối
1.2.2.1

Đưa luồng gió đi lên
Khí syngas
Vùng sấy
Vùng nhiệt phân
Vùng phản ứng
Vùng cháy
Không khí

Tro

Hình 1.2: Phương pháp khí hóa đưa luồng gió đi lên
Với phương pháp khí hóa đưa luồng gió đi lên, không khí được thổi vào từ
dưới đáy lò và đi lên trên lần lượt qua 4 vùng, vùng cháy, vùng phản ứng, vùng
nhiệt phân và vùng sấy. Khí syngas tạo ra được đưa ra phía trên đỉnh lò trong khi đó
nhiên liệu lại tiếp tục đi xuống ngược lại với dòng khí tạo ra khoảng không trong lò.
Ưu điểm: Đơn giản, hiệu suất cao và phù hợp với nhiều loại vật liệu.
Nhược điểm: Trong quá trình cháy, các hóa chất, hắc ín, các loại dầu được
sinh ra và trở thành một phần của khí gas. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc ứng
dụng của phương pháp khí hóa đưa luồng gió đi lên.
Với những ưu điểm và nhược điểm đó, phương pháp khí hóa đưa luồng gió
đi lên thường được dùng phục vụ sản xuất đốt cháy bình thường, không phù hợp để
làm nguồn nhiên liệu cung cấp cho máy động cơ máy phát điện.
1.2.2.2

Đưa luồng gió xuống dưới


Vùng sấy
Vùng nhiệt phân
Không khí
Khí syngas

Vùng cháy
Vùng phản ứng
Tro

Hình 1.3: Phương pháp khí hóa đưa luồng gió xuống dưới

Không khí được đưa từ vùng cháy và đi qua vùng phản ứng, khí syngas tạo
ra được lấy từ phía dưới đáy lò. Trong quá trình tổng hợp, nhiên liệu và không khí
đi cùng chiều xuống dưới nên các axit và những thành phần nhựa sinh ra trong quá
trình tổng hợp phải xuyên qua lớp than nóng vì thế nên được chuyển thành CO, CO2
, H2 , CH4 . Sản phẩm khí tổng hợp sẽ sạch hơn, hạn chế các thành phần tạp chất.
Công nghệ này phát triển để chuyển hóa các loại nguyên liệu nhiều phần chất
bốc (như gỗ, biomass), hàm lượng nhựa thấp, phương pháp này rất phù hợp để sản
xuất khí syngas chạy phát điện.
Ưu điểm: Khí syngas sạch.
Nhược điểm: Phương pháp này có hạn chế một số vật liệu và so với phương
pháp đưa luồng gió lên trên thì hiệu suất syngas thấp.
1.2.2.3

Đưa luồng gió chéo

Thiết bị khí hóa luồng gió chéo là thiết bị khí hóa đơn giản nhất. Các vùng
trong lò không sắp xếp từ trên xuống dưới mà sắp xếp từ trái qua phải như trong
hình 1.4. Từ trái qua phải là các vùng sấy, vùng nhiệt phân, vùng ôxy hóa, vùng
khử, và sản phẩm khí hóa ra ở phía bên kia so với tác nhân khí hóa, tro xỉ nằm ở
phía đáy thiết bị khí hóa. Giữa nguyên liệu và sản phẩm khí hóa có lưới lọc để tránh
nhiên liệu bị dòng khí cuốn ra ngoài cùng sản phẩm.


Vùng sấy
Vùng nhiệt phân

Khí syngas

Không khí

Vùng phản ứng

Vùng cháy
Tro

Hình 1.4: Phương pháp khí hóa kiểu luồng gió chéo
Sản phẩm của hệ thống có nhiệt độ cao, hàm lượng nhựa thấp và phù hợp với
hệ thống có năng suất thấp, nhưng trong quá trình nhiệt phân nguyên liệu không
hoàn toàn được nhiệt phân hết, có thể có những phần nhiên liệu chưa kịp nhiệt phân
bị rơi xuống vùng xỉ.
Được thiết kế như phương pháp đưa luồng gió đi xuống nhưng thay vì O2,
không khí đi vào song song với nhiên liệu thì ở phương pháp khí hóa luồng gió
chéo là ở bên cạnh.
Ưu điểm: Hiệu suất cao gọn nhẹ.
Nhược điểm: Không phù hợp với nhiên liệu có nhiều tro.
1.2.2.4

Khí hóa tầng sôi

Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 – 3 mm, nguyên liệu và gió
đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với
vùng có nhiệt độ cao. Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này.Lượng
chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ
khác bị nhiệt phân. Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn.
Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi
trong thiết bị. Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong
quá trình, hỗn hợp ôxy/hơi nước sẽ được dùng làm tác nhân thổi.


Hình 1.5: Phương pháp khí hóa tầng sôi

Ưu điểm của công nghệ khí hóa tầng sôi:
-

Nguyên liệu được liên tục chuyển vào lò khí hóa.

-

Nhiệt độ trong lò thấp và được phân bố đồng đều theo chiều cao lò.

-

Khí ra ngoài sạch ít bụi và sản phẩm lỏng.

Nhược điểm:
Vì nhiệt độ lò thấp nên khí hóa tầng sôi hạn chế chỉ thửch hợp sử dụng ở một
số nguyên liệu như sinh khối, than bùn, than nâu vì điểm nóng chảy thấp và dễ phản
ứng.
1.2.3 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối.
Trong thử nghiệm ta sử dụng phương pháp đưa luồng gió xuống dưới với ưu
điểm là cho khí syngas sạch và phù hợp với các nhiên liệu sẵn có, thiết kế đơn
giản.Sơ đồ của hệ thống khsi hóa sinh khối dùng trong thử nghiệm được trình bày
trong hình 1.6. Các thiết bị chính trong hệ thống bao gồm:
-

Hệ thống cung cấp gió : Dùng quạt thổi cấp không khí vào trong lò với công
suất 2,2kW. Ống góp có đồng hồ đo áp suất và các van chặn.

-

Thiết bị khí hóa: Nhiệm vụ cung cấp nguyên liệu sinh khối, khí hóa nguồn

nguyên liệu sinh khối tạo ra khí tổng hợp.

-

Thiết bị lọc bụi và thiết bị tách và giữ tro: có nhiệm vụ lọc bụi và tách tro trong
sản phẩm khí, làm sạch nguồn khí tổng hợp trước khi được đưa vào sử dụng.


-

Thiết bị làm nguội và rửa khí: Thiết bị có nhiệm vụ làm nguội và làm sạch sản
phẩm khí trước khi sản phẩm được cấp cho động cơ máy phát. Thiết bị này
được lắp sau thiết bị lọc bụi và tách giữ tro. Nếu sử dụng sản phẩm khí cho sản
xuất thì sản phẩm khí có thể dùng trực tiếp không cần qua thiết bị này.

Hình 1.6-1: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối bằng phương pháp đưa luồng gió
xuống dưới cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện


Đi sang bếp đốt hoặc
lấy mẫu đo phân tích

Khí syngas từ thiết
bị tách và giữ tar

Hình 1.6-2: Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối bằng phương pháp đưa luồng gió
xuống dưới cung cấp khí tổng hợp cho động cơ máy phát điện


Bảng 1.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật và thông số của hệ thống khí hóa sinh khối

Tiêu chí kỹ thuật

Thông số
Viên nén mùn cưa, củi, trấu, gỗ vụn,

Nguyên liệu

dăm mảnh, vỏ cà phê, vỏ hạt điều…

Mức tiêu hao nhiên liệu

100kg/h

Thành phần cơ bản của hỗn hợp khí sau H2 : 10-15%, CO 15 – 22%, CH4<3%,
khí hóa

CO2 7 – 10%, N2 50%

Nhiệt trị của hỗn hợp

1100Kcal/m3

Lưu lượng khí m3/h

100 – 200m3/h

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí hóa
Nguyên liệu sinh khối ban đầu (viên nén mùn cưa, củi trấu, gỗ vụn, dăm
mảnh cây keo, vỏ cà phê, vỏ hạt điều.....) được xử lý sơ bộ và được đưa vào thiết bị
khí hóa, lúc này thiết bị mồi lửa được khởi động làm duy trì quá trình cháy ban đầu

cho nguyên liệu, sau đó quạt thổi gió được khởi động nhằm cung cấp lượng oxy cho
quá trình cháy, đồng thời thiết bị mồi lửa được ngừng. Nguyên liệu lần lượt trải qua
4 giai đoạn trong thiết bị khí hóa gồm: sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy, khí hóa. Phần
tro sẽ được tháo liên tục qua cơ cấu tháo tro. Hỗn hợp khí tạo ra gồm CO, CO2,
H2, CH4 và hàm lượng nhựa và bụi lần lượt được đi vào các cyclone, tại đây bụi và
một số nhựa được loại bỏ. Khí ra khỏi cyclone với nhiệt độ vào khoảng 300oC sẽ
được tận dụng nhiệt để trao đổi nhiệt với gió vào. Nếu phục vụ sản xuất nhiệt thì
hỗn hợp khí sẽ được đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt cho lò hơi, sấy gỗ, sấy nông
sản...
Để phát điện cho động cơ diesen, hỗn hợp khí sẽ tiếp tục được qua thiết bị
rửa khí để hạ nhiệt độ xuống 45oC và tiếp tục đi vào thiết bị hấp phụ tách triệt để
hàm ẩm trong hỗn hợp khí. Hỗn hợp khí sau khi làm sạch sẽ được đưa vào động cơ
đốt trong (động cơ diesel hoặc động cơ xăng) để sản xuất điện năng…