NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ HÓA GAS TRẤU THEO NGUYÊN LÝ TẦNG SÔI, ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
*****************

NGÔ CHÍ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM
THIẾT BỊ HÓA GAS TRẤU THEO NGUYÊN LÝ
TẦNG SÔI, ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 08 / 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
*****************

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM
THIẾT BỊ HÓA GAS TRẤU THEO NGUYÊN LÝ
TẦNG SÔI, ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 60.52.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT
Hướng dẫn Khoa học:
TS. TRƯƠNG VĨNH

Thành phố Hồ Chí Minh

Tháng 08 / 2009


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ HÓA GAS
TRẤU THEO NGUYÊN LÝ TẦNG SÔI, ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
BẰNG PLC

NGÔ CHÍ

Hội đồng chấm luận văn:
1. Chủ tịch:

PGS TS TRẦN THỊ THANH
Trường Đại học Nông Lâm, TP HCM

2. Thư ký:

TS NGUYỄN VĂN HÙNG
Trường Đại học Nông Lâm, TP HCM

3. Phản biện 1:

TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
Trường Đại học SPKT, TP HCM

4. Phản biện 2:

PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC
Trường Đại học Bách Khoa, TP HCM

5. Ủy viên:

TS TRƯƠNG VĨNH
Trường Đại học Nông Lâm, TP HCM

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
HIỆU TRƯỞNG

--i--


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên là Ngô Chí, sinh ngày 12 tháng 01 năm 1979 tại huyện Cam Ranh, tỉnh
Khánh Hòa. Con Ông Ngô Sầm và bà Lê Thị Thư.
Tốt nghiệp Tú tài tại Trường Trung học phổ thông Trần Bình Trọng, tỉnh
Khánh Hòa năm 1997.
Tốt nghiệp Đại học ngành Cơ khí chế tạo máy hệ chính quy tại trường Đại học
Sư phạm kỹ thuật, thành phố Hồ Chí Minh năm 2003.
Sau đó làm việc tại công ty TNHH P&G Việt Nam, KCN Đồng An, Tỉnh Bình
Dương.
Tháng 9 năm 2005 theo học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Nông
Lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Tình trạng gia đình: Đã kết hôn.
Địa chỉ liên lạc: số nhà 53/6/20A khu phố 5, phường Linh Trung, quận Thủ
Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thọai: (083)7245287, 0989.508012.
Email:

--ii--

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.

Ngô Chí

--iii--


LỜI CẢM TẠ
Tôi xin chân thành cảm tạ:
- Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
- Phòng Sau Đại học Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
- Ban Chủ nhiệm và Quí Thầy Cô trong Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường
Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
- Quí Thầy Cô trong Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường
Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn
thành Luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành biết ơn TS. Trương Vĩnh là hướng dẫn khoa học đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi để hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này.
Cám ơn các bạn trong Lớp Cao học khóa 2005 đã giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cám ơn!
Ngô Chí

--iv--

TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo nghiệm thiết bị hóa gas trấu theo nguyên lý
tầng sôi, điều khiển tự động bằng PLC” được tiến hành và thí nghiệm tại trường Đại
học Nông Lâm, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức. Thời gian từ tháng 12 năm
2007 đến tháng 7 năm 2009. Quá trình thực hiện từ nghiên cứu đến khi hoàn thành
đề tài được chia làm ba giai đoạn:
Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết về hóa gas từ trấu, nghiên cứu về cách lập
trình và liên kết PLC.
Giai đoạn 2: Tính toán, thiết kế, lập trình PLC và chế tạo thiết bị nghiên cứu.
Giai đoạn 3: Chạy thử và khảo nghiệm thiết bị.
Phương pháp thiết kế chương trình điều khiển dựa trên lý thuyết về quá trình
hóa gas và các yêu cầu điều khiển thiết bị. Các thí nghiệm được bố trí ngẫu nhiên
hoàn toàn. Xác định các yếu tố ảnh hưởng bằng phương pháp qui hoạch thực
nghiệm.
Kết quả đạt được:
- Đã thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển tự động lò hóa gas tầng sôi. Thiết
bị có thể điều khiển tự động hoặc bằng tay, thiết bị hoạt động ổn định.
- Đã khảo nghiệm và xác định các yếu tố ảnh hưởng sau 12 thí nghiệm để
đánh giá mức độ ảnh hưởng giữa tốc độ cấp trấu và lượng không khí cung cấp đến
lượng CO tạo ra và lượng khí gas thoát ra.
- Phương trình hồi qui hàm lượng khí CO với các yếu tố đầu vào: X1 = Tốc độ
cung cấp trấu; X2= lượng không khí cung cấp:
COppm = - 58974 + 7804,60*G + 8984,46*Qkk – 68,95*G2 –46,12*Qkk2

(1)

và phương trình hồi qui mô tả ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến lượng gas
thoát ra là: Qgas = -1440,76 + 16,04*G + 23,19*Qkk – 0,15*G*Qkk – 0,08*Qkk2 (2)

--v--


ABSTRACT
Thesis “ Study, manufacture and experiment on the Rice husk fluidized bed
gasification controlled by PLC system ” was carried out Nong Lam University,
Thu duc District, HCM city from May 2007 to August 2009. The research process
consisted of three phases:
-

The first phase: Research on the theory of rice husk gasification. Research on
writing PLC program and linking between PLC module with software.

-

The second phase: calculating, designing, writing PLC program and
manufacturing of the experimental gasifier.

-

The third phase: working on trial and running experiment.

The controlled program was designed based on theories of gasification and some
control requirements. The experiment have been completely random designed. The
effect factors have been determined by the response surface method.
The result obtained:
-

Designed and manufactured the new automatic fluidized bed gasification. This
Unit is able to well control by automatic mode or by hand mode on computer.

-

Testing results with 12 experiments to evaluate the effect of rice husk feeding
rate (G) and air flow rate (Qkk to the formation of carbon-monoxide content
(COppm) and amount gas outcome (Qgas out).
The regression equations of the carbon-monoxide content (COppm) and amount

gas outcome (Qgas out):
COppm = - 58974 + 7804,60*G + 8984,46*Qkk – 68,95*G2 –46,12*Qkk2

(1)

Qgas = -1440,76 + 16,04*G + 23,19*Qkk – 0,15*G*Qkk – 0,08*Qkk2

(2)

--vi--


MỤC LỤC
TRANG
Trang Chuẩn Y

i

Lý lịch cá nhân

ii

Lời Cam đoan

iii

Cảm tạ

iv

Tóm tắt

v

Abstract

vi

Mục lục

vii

Danh sách các bảng

x

Danh sách các hình

xi

Danh sách liệt kê các ký hiệu

xiii

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................ 1
2. TỔNG QUAN ........................................................................................................ 2
2.1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động ............................................... 3
2.2 Cơ sở lý thuyết về cảm biến……………………………………………………..5
2.3 Giới thiệu về PLC.............………………………………………………………6
2.4 Giới thiệu về phần mềm giao diện Intouch..........………………….……………7
2.5 Các đặc tính của nhiên liệu trấu ………….........………………….…………….8
2.5.1 Tính chất vật lý………………………….........………………….……………8
2.5.2 Nhiệt trị………………………………….........………………….……………8
2.5.3 Phân tích thành phần (proximate analysis) ........................................................ 9
2.5.4 Phân tích nguyên tố (ultimate analysis) ............................................................. 9
2.5.5 Quá trình đốt cháy nhiên liệu trấu ....................................................................10
2.5.6 Các đặc tính cháy chủ yếu của trấu ..................................................................10
2.5.7 Quá trình gas hóa trấu ......................................................................................11
2.5.8 Tốc độ hóa gas SGR (Specific Gasification Rate)…………………………...12

--vii--


2.5.9 Tỷ số tương đương ER.....................………………………………………...13
2.5.10 Nguyên lý hóa gas kiểu cùng chiều……..…………………………..……...13
2.5.11 Nguyên lý hóa gas kiểu ngược chiều……..………………………………...14
2.5.12 Nguyên lý hóa gas dạng từng mẻ……………………………………….......15
2.5.13 Nguyên lý hóa gas liên tục………………………...………………..............15
2.5.14 Nguyên lý hóa gas tầng sôi………........…………………………………....16
2.6 Tình hình sử dụng nhiên liệu trấu và những mẫu lò đốt trấu trên thế giới .........17
2.6.1 Lượng trấu tại các một số nước ở Đông Nam Á ..............................................17
2.6.2 Lò đốt trấu tầng sôi ở Philippine ......................................................................17

2.6.3 Lò đốt trấu kiểu xy-clon trong máy sấy tầng sôi ở Thái Lan ...........................18
2.6.4 Lò đốt trấu tầng sôi ở Ấn độ ............................................................................20
2.6.5 Hiện trạng sản lượng lúa và sử dụng trấu tại Mỹ .............................................21
2.6.6 Một vài kết quả của thiết bị hóa gas tầng sôi ..................................................21
2.7 Tình hình sử dụng trấu và những mẫu lò đốt trấu tại Việt Nam .........................23
2.7.1 Lượng trấu và tình hình sử dụng trấu tại Việt Nam ........................................23
2.7.2 Hệ thống hóa gas Ankur (nhập từ Ấn độ) ........................................................24
2.7.3 Lò đốt hóa gas trấu kép dung cho máy sấy lúa................................................25
2.8 Tóm lược phần tổng quan tài liệu .......................................................................27
3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................................28
3.1 Nội dung và phương pháp nghiên cứu …………………………………….......28
3.1.1 Nội dung …………………………………………………………………….28
3.1.2 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................28
3.1.3 Phương tiện thí nghiệm...................................................................................28
3.2 Cơ sở chọn các yếu tố đầu vào (X) và đầu ra (Y) ...............................................29
3.2.1 Yếu tố đầu vào (X) ...........................................................................................29
3.2.2 Yếu tố đầu ra (Y)..............................................................................................30
3.2.3 Phát biểu bài toán hộp đen ...............................................................................31
3.3 Thiết bị đo và phương pháp tính .........................................................................31
3.3.1 Các thiết bị đo trong quá trình thí nghiệm .......................................................31

--viii--


3.3.2 Tình hình phân tích thành phần khí gas ..........................................................33
3.3.3 Phương pháp đo ..............................................................................................34
3.3.4 Lựa chọn mô hình hóa gas ..............................................................................37
3.3.5 Lựa chọn phương pháp cung cấp trấu ..............................................................38
3.4 Phương pháp tổ chức thí nghiệm ........................................................................39
3.4.1 Các thí nghiệm thăm dò và chọn mức thí nghiệm yếu tố đầu vào ...................39

3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .........................................................................39
3.5 Phương pháp xử lý số liệu ..................................................................................40
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................41
A Kết quả tính toán và thiết kế lò đốt...................................................................41
4.1 Yêu cầu thiết kế ..................................................................................................41
4.2 Chọn mô hình thiết kế ........................................................................................41
4.3 Kết quả tính toán thiết kế ....................................................................................44
4.3.1 Tính lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy ........................................44
4.3.2 Tính toán thiết kế kích thước lò hóa gas...............................................................44
4.3.3 Tính toán thiết kế bộ phận cung cấp trấu ........................................................46
4.3.4 Tính toán thiết kế Xyclon lắng tro...................................................................47
4.3.5 Xác định trở lực …..........................................................................................48
4.3.6 Xác định công suất quạt gió…………............................................................48
4.3.7 Tính tổn thất nhiệt qua vách lò......................... ..............................................49
4.3.8 Thiết kế chương trình PLC .............................................................................51
4.3.9 Thiết kế màn hình điều khiển và mô phỏng trên phần mềm Intouch 9.5........53
4.3.10 Kết quả xác định mối tương quan giữa lưu lượng và tần số của quạt...........55
4.3.11 Hình dáng thiết bị chế tạo..............................................................................56
4.3.12 Tóm tắt kết quả tính toán thiết kế lò ............................................................58
B. Qui hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm ................................................59
4.4 Cơ sở chọn các yếu tố đầu vào và đầu ra ............................................................59
4.5 Các thí nghiệm thăm dò ......................................................................................59
4.6 Chọn các mức và khoảng biến thiên cho hai yếu tố đầu vào ..............................63

--ix--


4.7 Lập ma trận thí nghiệm ......................................................................................63
4.8 Kết quả xử lý hồi qui và mô hình thống kê giữa yếu tố X và Y ........................64
4.8.1 Phân tích hồi qui hàm lượng khí Y1 (CO ppm) và các yếu tố đầu vào ..........65

4.8.2 Phân tích hồi qui lượng khí gas thu được Y2(m3/h) và các yếu tố đầu vào...66
5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................69
5.1 Kết luận ...............................................................................................................69
5.2 Đề nghị ................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71
PHỤ LỤC .................................................................................................................73

--x--


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1 Phân tích thành phần của trấu ………………………………………….9
Bảng 2.2 Phân tích nguyên tố của trấu..................................................................10
Bảng 2.3 Tốc độ gas hóa…………...............................................………………12
Bảng 3.1 Quan hệ giữa tỉ lệ đường kính đĩa lỗ và đường kính ống khảo nghiệm
đối với vị trí đo áp suất sau đĩa lỗ..........................................................35
Bảng 3.2 Bảng hệ số dòng chảy của các đĩa lỗ (orefice) chuẩn (Ower và Pankhurst,
1977)………...........................................................................................36
Bảng 4.1 Bảng liệt kê các địa chỉ vào và ra cho bộ PLC........................................52
Bảng 4.2 Tương quan giữa tần số (Hz) và lưu lượng của quạt…………………..55
Bảng 4.3 Tương quan hoạt động giữa hai quạt ………….......................………..60
Bảng 4.4 Số liệu thí nghiệm thăm dò chọn mức thí nghiệm cho tốc độ cấp trấu...61
Bảng 4.5 Số liệu thí nghiệm thăm dò chọn mức thí nghiệm cho lượng không khí
cung cấp.................................................................................................62
Bảng 4.6 Khoảng biến thiên và các mức thí nghiệm.................………………….63
Bảng 4.7 Ma trận qui hoạch thực nghiệm phương án điểm sao………………….64

--xi--


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1 Sơ đồ khối một số phần tử điều khiển …………………………………4
Hình 2.2 Sơ đồ hàm trạng thái ………….…………………………….…… ……4
Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín ………………………….…..….…5
Hình 2.4 Sơ đồ khối của cảm biến……………………………………. ……….…6
Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo bộ PLC ………………………………………... ………..7
Hình 2.6 Giao diện phần mềm Intouch….……………………………... ………...7
Hình 2.7 Vỏ trấu ………. …………………………………………………….........8
Hình 2.8 Hóa gas kiểu thuận chiều (gas và không khí)………………… ……….14
Hình 2.9 Hóa gas kiểu nghịch chiều (gas và không khí)……….……..………......14
Hình 2.10 Hóa gas kiểu tầng sôi ………………… …………..…………………..16
Hình 2.11 Sản lượng lúa năm 2002 của 20 nước đứng đầu trên thế giới ….……..17
Hình 2.12 Lò hóa gas tầng sôi ở Philippines…………………………. …….……18
Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo lò đốt trấu trong máy sấy tầng sôi (Thái Lan)………….19
Hình 2.14 Lò hóa gas tầng sôi ở Ấn độ …………………………………………..20
Hình 2.15 Ảnh hưởng vận tốc sôi và tỷ số tương đương đến thành phần khí gas..22
Hình 2.16 Lượng trấu tại một số nhà máy xay lúa tại ĐBSCL………………… .23
Hình 2.17 Các nhà máy xay lúa ở An Giang đổ trấu ra các con sông ……………24
Hình 2.18 Trấu thải tràn trên mặt sông ……………………………………………24
Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống hóa gas Ankur (Ấn độ)…………………...……………24
Hình 2.20 Lò hóa gas kép Đại học Nông Lâm TP HCM …..………………….. ..25
Hình 3.1 Mô hình bài toán hộp đen………………………………………………31

Hình 3.2 Máy đo vận tốc gió LUTRON …………………………………………31
Hình 3.3 Nhiệt kế điện tử HA-250K ….…………………………………………32

--xii--


Hình 3.4 Máy đo số vòng quay LUTRON ………………………………………32
Hình 3.5 Máy đo hàm lượng khí CO(ppm), BW GASELERTMAX ……………33
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí đĩa lỗ khi đo lưu lượng khí …….…………………………34
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hóa gas tầng sôi …...…………………………………37
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cung cấp trấu và hóa gas kiểu tầng sôi ………………38
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hóa gas tầng sôi ……………..………………………..42
Hình 4.2 Hình dáng thân lò thiết kế …………………………….………………..45
Hình 4.3 Kích thước hình học của Xy-clon hiệu suất cao (Kaupp, 1984)………..47
Hình 4.4 Thiết kế van xả khí cho quạt gió........................………………………..49
Hình 4.5 Sơ đồ tính toán truyền nhiệt qua vách lò ..................………… ………..50
Hình 4.6 Cấu trúc của một lưu đồ giải thuật chương trình………………………..52
Hình 4.7 Cấu trúc lập trình PLC của chương trình điều khiển……………………52
Hình 4.8 Màn hình Intouch với chế độ điều khiển đơn lẻ từng thiết bị …….…...53
Hình 4.9 Màn hình Intouch với chế độ điều khiển tự động………………….…..54
Hình 4.10 Hình tổng quan thiết bị lò hóa gas tầng sôi……………………………56
Hình 4.11 Hình tủ điện thiết bị lò hóa gas tầng sôi……… ……………………...56
Hình 4.12 Vị trí đo đạc thí nghiệm ……………………… ……………………..57

--xiii--


DANH SÁCH LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU
Cf

-

Hệ số lưu lượng.

CO

-

Oxyt cacbon.

D

m

Đường kính cánh vít.

d

m

Đường kính trục vít.
2

F, S

m

Diện tích ghi lò.

htrấu

m

Bề dày lớp trấu.

G

kg/h

Tốc độ cung cấp trấu.

Gt

kg

Khối lượng trấu chứa trong thùng.

g

m/s2

Gia tốc trọng trường.

gt

kg

Khối lượng trấu cấp trong một vòng quay trục vít.

k

-

Số yếu tố đầu vào.

L

kg

Lượng không khí lý thuyết cần thiết.

Lα

kg

Lượng không khí thực tế cần thiết.

Lhv Mf kg/h

Năng suất tiêu thụ trấu.

l

m

Chiều dài trục vít.

Mf

kg/h

Năng suất cung cấp trấu.

Mct

kkkg

Lượng không khí cần thiết cho 1 kg trấu.

Mkk

kkkg

Lượng không khí cần cung cấp.

N

kW

Công suất động cơ.

N’

-

Tổng số thí nghiệm.

n

-

Số thí nghiệm .

n1

vòng/phút

số vòng quay trục vít.

ppm

-

Part per million.

ΔPtrấu

mmH2O

Trở lực qua lớp trấu.

ΔPghi

mmH2O

Trở lực qua ghi lò.

ΔPms

mmH2O

Trở lực do ma sát.

--xiv--


ΔPcb

mmH2O

Trở lực cục bộ.

ΔPxyclon

mmH2O

Trở lực qua lắng tro.

ΔPtổng

mmH2O

Trở lực tổng cộng.

Q

m3/s

Lượng khí cháy.

Qkk

m3/h

Tổng lượng không khí cung cấp.

Qquạt

m3/h

Lưu lượng quạt.

qt

W

Nhiệt lượng tổn thất.

R

J kg-1 K-1

Hằng số khí của không khí.

s

m

Bước vít tải.

tmt

0

Nhiệt độ môi trường trung bình.

V

m3

Thể tích buồng đốt.

Vt

m3

Thể tích chứa của trục vít.

vsôi

m/s

Vận tốc sôi.

X

-

Các yếu tố đầu vào.

X1

-

Biến mã hóa tốc độ cung cấp trấu.

X2

-

Biến mã hóa tổng lưu lượng không khí cung cấp.

Y

-

Biến mã hóa các yếu tố đầu ra.

Y1

-

Biến mã hóa hàm lượng CO trong khí cháy.

Y2

-

Biến mã hóa lưu lượng khí gas thoát ra.

α1

W m-2 oC-1

Cường độ toả nhiệt từ khí cháy đến thành vách ống.

α2

W m-2 oC-1

Cường độ toả nhiệt từ vách ống vào môi trường.

η

%

Hệ số điền đầy.

λ1

W m-1 oC-1

Hệ số dẫn nhiệt của thép.

ρ

kg/m3

Dung trọng của trấu.

ρkk

kg/m3

Khối lượng riêng khí sấy.

(*)

-

Dấu nhân trong công thức.

(/)

-

Dấu chia trong công thức.

(,)

-

Dấu thập phân.

C

--xv--


Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng trong công nghiệp và nông nghiệp rất
lớn. Đặc biệt trong công nghiệp, sử dụng rất nhiều nhiên liệu từ dầu mỏ và than
đá để cung cấp năng lượng cho sản xuất. Việc sử dụng dầu mỏ làm chất đốt đã
thải khí CO2 ra môi trường, làm ô nhiễm môi trường sống và chất lượng bầu khí
quyển ngày càng giảm đi, gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
Năng lượng không tái tạo như dầu mỏ ngày đang cạn kiệt. Bên cạnh đó giá
thành của dầu mỏ rất cao so với giá thành của các phế phẩm nông nghiệp (trấu).
Bởi vậy, một thách thức có tính khẩn cấp về nguồn năng lượng ở các nước trên
thế giới là vấn đề phải quan tâm nghiên cứu, phát triển mọi nguồn năng lượng tái
tạo để mang lại triển vọng lớn cho tương lai.
Các phế phẩm nông nghiệp như trấu, ngoài việc tận dụng đốt trực tiếp để thu
nhiệt cung cấp trong ngành công nghiệp và nông nghiệp chế biến, còn có một sự
lựa chọn khác là sử dụng công nghệ hóa gas. Gas có thể sản sinh ra từ Biomas
như trấu và những phế phẩm nông nghiệp. Ngồi ra, việc dùng ngun liệu trấu
cũng giảm lượng CO2 thải vào mơi trường so với khi sử dụng nguồn ngun liệu
khơng tái tạo vì khi đốt trấu, lượng CO2 thải ra đúng bằng lượng CO2 mà cây lúa
hấp thu từ mơi trường qua q trình quang hợp.
Việt Nam là nước nông nghiệp với vò trí thứ hai trên thế về xuất khẩu gạo
năm 2002 khoảng 34 triệu tấn lúa, lượng trấu chiếm 20% tổng số sản lượng lúa.
Song việc sử dụng một cách có hiệu quả nguồn năng lượng này vẫn còn là một
vấn đề cần quan tâm đến. Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu chúng ta đã
dùng những lò đốt hóa gas, đốt gas để cung cấp cho các máy sấy và sử dụng làm

--1--


nhiên liệu cho động cơ Diesel…. Nên việc nghiên cứu chế tạo một thiết bò hóa
khí hoạt động liên tục, ứng dụng nhiều lónh vực là rất cần thiết.
Vì vậy, thiết bò hóa khí gas theo nguyên lý tầng sôi, đốt bằng nguyên liệu

trấu điều khiển tự động bằng PLC có thể tận dụng nguồn năng lượng dư thừa này
và có thể ứng dụng được nhiều lónh vực là một xu hướng trong tương lai.
Mục tiêu:
•

Nghiên cứu các giải pháp công nghệ hóa gas từ trấu.

•

Chế tạo lò hóa gas tầng sôi.

•

Thiết kế chương trình điều khiển PLC và mô phỏng hệ thống và điều

khiển thiết bò trên máy vi tính thông qua phần mềm “Intouch wonderware”.
•

Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến chất lượng gas.

Chương 2
TỔNG QUAN
Từ những ưu nhược điểm của những mẫu lò đốt trấu đã được tham khảo sẽ làm
cơ sở để thiết kế mẫu lò hóa gas có ưu điểm hơn, sử dụng các thiết bị điều khiển tự

--2--


động như vi điều khiển, PLC,cảm biến,... để điều khiển quá trình hoạt động của lò
hóa khí.

Để thực hiện được mục đích của đề tài có tính khoa học cần tham khảo thêm về
điều khiển tự động và về các đặc tính của nhiên liệu trấu, hiện trạng sử dụng nhiên
liệu trấu và những mẫu lò đốt trấu đang sử dụng với những mục đích khác nhau
trong và ngoài nước.
2.1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động
Điều khiển tự động là khái niệm thường gặp trong đời sống thường ngày. Bản
thân con người là một hệ thống điều khiển tự động tinh vi và phức tạp nhất. Trong
cuộc sống văn minh, việc điều hòa nhiệt độ trong phòng, điều chỉnh độ ẩm, thiết bị
báo hỏa hoạn… đều là những hệ thống điều khiển tự động. Trong sản xuất các máy
điều khiển tự động, máy điều khiển theo chương trình, thiết bị vận chuyển, người
máy… đều có trang bị các hệ thống điều khiển tự động. Ngay cả đến những vấn đề
như thống kê, lưu trữ, cho mượn sách, điều hành công tác ngân hàng, hành chánh,
chữa bệnh, cũng đều được tiếp cận đến khái niệm điều khiển tự động.
Một hệ thống điều khiển tự động thường được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối
và hàm truyền đạt.
Trong sơ đồ khối mỗi phần tử điều khiển nhận một tín hiệu vào từ một số bộ
phận của hệ thống điều khiển, và tạo nên một tín hiệu ra, đưa vào một phần tử khác.
Các tín hiệu có thể là dòng điện, điện áp, áp suất, dòng chảy, nhiệt độ…. Có thể
biểu diễn sơ đồ khối của một số phần tử điều khiển dưới dạng sau:
Nhiệt độ
X

Bộ chuyển đổi
nhiệt độ

và
Điện áp

Bộ khuếch đại

X

Điện áp
Y
Điện áp
Y

Hình 2.1: Sơ đồ khối một số phần tử điều khiển

--3--


Đối với hàm truyền đạt, đặc tính quan trọng nhất của một phần tử điều khiển là
mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, được thể hiện bằng toán tử Laplace. Sơ
đồ khối của hàm truyền đạt và công thức có thể thể hiện dưới dạng sau:
X(s)

Công thức:

Y(s)

G(s)

G(s) =

Y(s)
X(s)

Hình 2.2: Sơ đồ khối hàm trạng thái
Có hai dạng hệ thống điều khiển: điều khiển hở và điều khiển kín. Hệ thống

điều khiển hở là hệ thống điều khiể không so sánh kết quả thực tế với trị số mong
muốn sau tác động điều khiển, còn hệ thống điều khiển kín tạo nên một tác động đo
lường giữa tín hiệu vào (giá trị cần) và tín hiệu ra (giá trị thực). Sai lệch giữa hai tín
hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của cơ cấu điều khiển. Hệ thống kín có thể
được trình bày trên hình (2.3). Mạch phản hồi bắt đầu từ tín hiệu ra Y, qua cơ cấu
chuyển đổi thành Y’ tỷ lệ với Y. Tín hiệu Y’ được so sánh với tín hiệu vào, tạo nên
sai lệch e = X – Y’ = giá trị cần – giá trị thực. Tín hiệu vào là đại lượng cần, đại
lượng điều chỉnh.
Thiết bị điều khiển có hai bộ phận chính: cơ cấu so sánh dùng để tính toán độ
sai lệch e và cơ cấu điều khiển dùng để biến đổi e thành tín hiệu tác động u. Tín
hiệu tác động là tín hiệu vào của hệ thống được điều khiển, tín hiệu này sẽ tác động
vào cơ cấu chấp hành làm thay đổi quá trình để triệt tiêu độ sai lệch e trong hệ
thống cần điều khiển.

--4--


Thiết bị điều khiển

Đại lượng X
điều chỉnh

Sai lệch
e =X-Y’ Cơ cấu
điều khiển

Tín hiệu tác động
u

Y’

m

Cơ cấu tác động
Đại lượng nhiễu

Đại lượng
tác động

Đối tượng
điều khiển

Y

Cơ cấu chuyển đổi

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín
Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển:
- Đối tượng điều khiển là một đại lượng đưa vào X: tín hiệu điều khiển.
- Cơ cấu chuyển đổi (hoặc cảm biến): là cơ cấu cảm nhận đại lượng được điều
khiển và biến đổi thành tín hiệu có thể sử dụng được đưa vào thiết bị điều khiển.
- Thiết bị điều khiển: bao gồm cơ cấu so sánh để phát hiện và so sánh hai giá trị cần
và thực hiện chế độ điều khiển (biến đổi độ sai lệch e thành một tác động điều khiển
(tín hiệu ra của thiết bị điều khiển) nhằm triệt tiêu độ sai lệch đã hình thành.
- Cơ cấu tác động (cơ cấu chấp hành) tiếp nhận tín hiệu ra của thiết bị điều khiển để
điều chỉnh các đại lượng tác động.
2.2 Cơ sở lý thuyết về cảm biến
Trong các hệ thống đo lường, điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi
các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện.
Nhằm mục đích điều khiển, điều chỉnh các quá trình, cần thu thập thông tin , đo đạt,

theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến (còn
gọi là thiết bị cảm nhận) thực hiện chức năng thu nhận và đáp ứng các tín hiệu kích
thích.

--5--


Nhiệm vụ của cảm biến là chuyển đổi những đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất,
dòng chảy, mực chất lỏng, khoảng cách…) thành những tín hiệu mà có thể nhận
biết được thông qua các bộ phận khác chẳng hạn như máy tính, bộ chuyển phát (bộ
khuếch đại thuật toán)….
Có thể xem sơ đồ khối của cảm biến dưới dạng sau:

x

Kích thích

Cảm biến

Đáp ứng
y

Hình 2.4: Sơ đồ khối của cảm biến
Trong đó đại lượng x là biến trạng thái cần đo, đại lượng y là đáp ứng của cảm
biến với kích thích đầu vào x.
Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có
dạng: y = f(x)
2.3 Giới thiệu về PLC
PLC hay bộ điều khiển lập trình là gì?
PLC là viết tắt của tiếng Anh: Programmable Logic Controller là một bộ điều

khiển logic lập trình được. PLC dùng để thay thế các mạch rơ le (Relay) trong thực
tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi
có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có
thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất ra PLC như
Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell...
Cấu tạo bộ điều khiển PLC:
Cấu tạo của bộ PLC bao gồm: các đèn báo hệ thống, cổng ghép nối với máy
tính hoặc thiết bị lập trình, các đèn chỉ thị và địa chỉ vào ra, chân nối cho đầu vào
ra….

--6--


Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo bộ PLC
2.4 Giới thiệu về phần mềm giao diện Intouch
Phần mềm Intouch là một giao diện người máy (HMI), được thiết kế để mô tả
bằng biểu tượng và điều khiển các quá trình công nghiệp. Phần mềm Intouch rất
linh hoạt, đảm bảo tính linh động trong thiết kế ứng dụng của khách hàng khi kết
nối với phố chức năng rộng nhất của các thiết bị tự động hóa trong công nghiệp.
Intouch cho phép người sử dụng liên kết thực với bất kỳ một thiết bị điều khiển tự
động hóa trong cộng nghiệp nào bằng cách thông qua hàng trăm cổng vào và cổng
ra (I/O). Các ứng dụng Intouch có thể được cài đặt ở trên một môi trường độc lập –
một nút máy tính đơn. Mỗi một nút đều hoàn chỉnh và không phụ thuộc vào bất kỳ
một máy tính nào khác về mặt vận hành. Các hệ thống như vậy cũng có thể được
nối mạng. Phần mềm Intouch tạo cho người sử dụng khả năng và tính linh hoạt mà
giao diện người máy và các trình ứng dụng ngày nay cần đến.

Hình 2.6 Giao diện phần mềm Intouch

--7--

2.5 Các đặc tính của nhiên liệu trấu

Hình 2.7 Vỏ trấu

Trấu là vỏ của hạt lúa và thu được sau khâu bóc vỏ trong dây chuyền xay xát.
Tỷ lệ trấu chiếm trọng lượng của hạt lúa theo Araullo và ctv (1976) 18%, theo
Assureira và ctv, (2002), Bronzeoak (2003) 20% và theo số liệu thí nghiệm tại một
nhà máy xay xát tại ĐBSCL thì tỉ lệ của trấu chiếm từ 20,9 đến 21,1% (Nguyễn
Thanh Nghị, 2006). Trấu là loại vật liệu có các đặc tính thay đổi rất lớn. Các thông
tin về thành phần, các đặc tính cơ bản và đặc tính cháy của trấu được tham khảo từ
nhiều nguồn và nhiều tác giả khác nhau đã được công bố.
2.5.1 Tính chất vật lý
Tùy từng loại giống lúa mà trấu có kích thước khác nhau. Tuy nhiên, trấu có
chiều dài từ 5 đến 10 mm, chiều ngang bằng từ 1/3 đến 1/2 chiều dài. Góc nghỉ của
trấu từ 35 đến 50o tùy theo ẩm độ và loại trấu. Trấu được dùng trong các thí nghiệm
có ẩm độ 12,8 % . Góc chảy của trấu là 45o. Trấu có dung trọng 102 kg/m3. Theo
Kaupp (1984), dung trọng của trấu từ 90 đến 110 kg/m3.
2.5.2 Nhiệt trị
Nhiệt trị là nhiệt lượng sinh ra khi đốt nhiên liệu. Nhiệt trị cao của trấu bao
gồm cả nhiệt lượng trong hơi nước, chỉ dùng được khi hơi nước bị ngưng tụ lại.
Nhiệt trị thấp là nhiệt lượng không kể nhiệt lượng chứa trong hơi nước. Theo tổ

--8--