Nghiên cứu cơ chế khí hóa sinh khối và ứng dụng thiết kế, chế tạo lò đốt khí hóa công suất nhỏ

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

Nguyễn Hữu Linh

Nghiên cứu cơ chế khí hóa nhiên liệu
sinh khối và ứng dụng thiết kế,
chế tạo lò đốt khí hóa công suất nhỏ
CHUYÊN NGÀNH: Khoa học và kỹ thuật tính toán

Người hướng dẫn: TS. Lê Đức Dũng

Hà Nội – Năm 2017


MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................... i
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................vi
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................ix
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU.......................................................................................... 1
1.1. Khí hóa sinh khối .................................................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm khí hóa sinh khối .......................................................................... 1
1.1.2. Nhân tố khí hóa .............................................................................................. 2
1.1.3. Lò khí hóa sinh khối ...................................................................................... 3
1.2. Nhiên liệu sinh khối .............................................................................................. 4
1.2.1. Sinh khối là gì? .............................................................................................. 4

1.2.2. Phân loại nhiên liệu sinh khối ........................................................................ 5
1.2.3. Đặc điểm của nhiên liệu sinh khối ................................................................. 5
1.2.4. Tiềm năng năng lượng sinh khối ở Việt Nam................................................ 8
1.3. Mô hình hóa CFD quá trình khí hóa sinh khối ..................................................... 9
1.4. Mục tiêu của luận văn và phương pháp nghiên cứu ........................................... 12
1.4.1. Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 12
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 12
CHƯƠNG II. BẾP KHÍ HÓA SINH KHỐI ............................................................. 13
2.1. Lý thuyết khí hóa sinh khối................................................................................ 13
2.1.1. Lý thuyết chung của quá trình khí hóa sinh khối ........................................ 13
2.1.2. Các phương trình phản ứng khí hóa ............................................................ 15
2.1.3. Động học của quá trình khí hóa ................................................................... 17
2.1.3.1. Giới thiệu ...............................................................................................17
2.1.3.2. Động học phản ứng khí hóa char...........................................................19

i


2.1.4. Ảnh hưởng của các điều kiện vận hành đến thành phần sản phẩm khí ....... 21
2.1.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................21
2.1.4.2. Ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa.....................................................22
2.2. Quá trình cháy trong lò khí hóa ......................................................................... 23
2.3. Bếp khí hóa sinh khối......................................................................................... 24
2.3.1. Mô tả bếp khí hóa sinh khối ........................................................................ 24
2.3.2. Bếp khí hóa sinh khối điển hình ở Việt Nam .............................................. 25
CHƯƠNG III. CƠ SỞ MÔ HÌNH HÓA ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH KHÍ
HÓA SINH KHỐI ..................................................................................................... 27
3.1. Các phương trình chủ đạo dòng chất lưu ........................................................... 27
3.2. Mô hình rối ......................................................................................................... 29
3.3. Mô hình bức xạ DO............................................................................................ 30

3.4. Mô hình dòng phản ứng ..................................................................................... 31
3.5. Mô hình môi trường xốp .................................................................................... 33
CHƯƠNG IV. MÔ HÌNH HÓA BẾP KHÍ HÓA SINH KHÔI ............................... 34
4.1. Mô hình cân bằng hóa học ................................................................................. 34
4.2. Mô hình CFD quá trình khí hóa lớp nhiên liệu trong bếp khí hóa ..................... 37
4.2.1. Mô tả chung ................................................................................................. 37
4.2.2. Xây dựng mô hình CFD............................................................................... 40
4.2.2.1. Nguyên lý làm việc của mô hình CFD ..................................................40
4.2.2.2. Cơ chế truyền nhiệt bên trong lớp nhiên liệu ........................................41
4.2.2.3. Mô hình phản ứng trong lớp nhiên liệu .................................................42
4.2.2.3. Điều kiện biên .......................................................................................43
4.2.2.4. Mô tả các hàm macro trong UDF ..........................................................44
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ BẾP ĐUN KHÍ HÓA TRẤU .......................................... 45
5.1. Ảnh hưởng của việc bố trí miệng gió thứ cấp đến quá trình cháy khí ............... 46
5.1.1. Mô tả chung ................................................................................................. 46
5.1.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 49
5.1.2.1. Sự phân bố trường nhiệt độ ...................................................................49
5.1.2.2. Sự phân bố khí và sản phẩm cháy .........................................................52
ii


5.1.3. Nhận xét ....................................................................................................... 54
5.2. Ảnh hưởng của đường kính buồng đốt đến quá trình cháy vùng cháy thứ cấp . 55
5.2.1. Mô tả chung ................................................................................................. 55
5.2.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 55
5.2.2.1. Sự phân bố nhiệt độ ngọn lửa ................................................................55
5.2.2.2. Sự phân bố nồng độ các khí ..................................................................56
5.2.3. Nhận xét ....................................................................................................... 58
5.3. Thiết kế mẫu bếp đun khí hóa trấu ..................................................................... 59
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 62
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 64

iii


LỜI MỞ ĐẦU
Vào những năm cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, đi đôi với sự phát triển
mạnh mẽ của kinh tế và xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng càng tăng nhanh. Hiện
nay, trên thế giới nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là từ nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên, trữ lượng của nguồn nhiên liệu này có hạn và ngày một giảm dần. Hơn
nữa, việc khai thác và sử dụng dầu mỏ và than đá còn thải ra khí CO2, SO2 và NOx gây
hiệu ứng nhà kính, làm ô nhiễm môi trường và môi sinh, làm thay đổi nghiêm trọng
đến khí hậu toàn cầu. Từ đó đặt ra cho nhân loại một nhiệm vụ cấp bách là phải tìm
nguồn năng lượng mới có khả năng thay thế năng lượng từ nhiên liệu gốc khoáng, có
thể tái tạo và thân thiện với môi trường như: năng lượng sinh khối, năng lượng hydro,
địa nhiệt, sức gió và năng lượng mặt trời, thủy triều.
Sinh khối chủ yếu được tạo ra do sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời
vào cây trồng (thực vật) bằng con đường quang hợp. Nhiên liệu sinh khối bao gồm:
Gỗ, chất thải gỗ (mạt cưa, phôi bào), phân động vật, nông sản và phế thải từ nông
nghiệp như rơm rạ, trấu, thân và lõi ngô, vỏ lạc. Ưu điểm của nhiên liệu sinh học so
với nguồn nhiên liệu dầu mỏ truyền thống là có hàm lượng lưu huỳnh và nitơ thấp,
không gây hiệu ứng nhà kính do có sự cân bằng CO2.
Việt Nam có tiềm năng về năng lượng sinh khối rất lớn với nền nông nghiệp lâu
đời cùng ¾ diện tích lãnh thổ là đồi núi. Theo ước tính thì mỗi năm có khoảng hơn
60 triệu tấn sinh khối được tạo ra từ phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên, cho đến nay
chỉ có 30-40% sinh khối được sử dụng cho mục đích năng lượng chủ yếu là nhiên
liệu để đun nấu trong các hộ gia đình và số lượng nhỏ được sử dụng cho phát điện,
chủ yếu trong các nhà máy đường. Còn lại các loại sinh khối như vỏ trấu dư thừa và
rơm được xử lý bằng cách đốt trực tiếp thành từng đống, kết quả là mất năng lượng

kèm theo phát thải các chất ô nhiễm ra môi trường. Bên cạnh đó, sử dụng sinh khối
trong bếp khí hóa để nấu ăn trong các vùng nông thôn của Việt Nam cho thấy một
tiềm năng lớn bởi vì nó có rất nhiều lợi thế so với việc đốt cháy trực tiếp như hiệu
suất nhiệt cao, ít khói đen và lượng khí thải, bụi ít hơn. Vì vậy, việc sử dụng sinh khối
iv


hiệu quả hơn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đặc biệt là trong nhu cầu năng lượng gia
tăng như hiện nay.
Trên cơ sở này, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Đức Dũng, em đã lựa chọn đề
tài: “Nghiên cứu cơ chế khí hóa sinh khối và ứng dụng thiết kế, chế tạo lò đốt khí
hóa công suất nhỏ”.
Nội dung luận văn bao gồm 5 chương như sau:
Chương I. Trình bày những khái niệm cơ bản về công nghệ khí hóa, sinh khối
và phương pháp nghiên cứu.
Chương II. Trình bày về lý thuyết khí hóa sinh khối và quá trình cháy trong bếp
khí hóa.
Chương III. Trình bày cơ sở lý thuyết CFD ứng dụng trong khí hóa lớp nhiên
liệu.
Chương IV. Trình bày mô hình khí hóa trên mô hình cân bằng hóa học và mô
hình CFD.
Chương V. Trình bày quá trình cháy khí trên phần mềm mô phỏng ANSYS
Fluent và thiết kế bếp khí hóa trấu.

v


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Lê
Đức Dũng, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Bản luận văn được hoàn thành, một phần lớn chính là nhờ vào những ý kiến, định
hướng, gợi ý và sự dẫn dắt chỉ bảo của thầy.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Viện nghiên cứu quốc tế về Khoa
học và Kỹ thuật tính toán đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn
thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Ths. Nguyễn Danh Nam đã cung cấp số liệu thí
nghiệm và những nhận xét, góp ý của anh cho luận văn.

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2017
Học viên
Nguyễn Hữu Linh

vi


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là do tôi tự tính toán thiết kế và nghiên cứu
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu ghi trong mục tài liệu
tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không được ghi.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2017
Học viên
Nguyễn Hữu Linh

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh các công nghệ khí hóa [4] .............................................................. 4

Bảng 1.2 Tính chất của một số loại sinh khối [2] ....................................................... 6
Bảng 1.3 Một số tính chất quan trọng và ảnh hưởng của sinh khối [2] ...................... 7
Bảng 1.4 Tiềm năng sinh khối ở Việt Nam [8] ........................................................... 8
Bảng 1.5 Một số ứng dụng CFD mô hình hóa quá trình khí hóa và cháy sinh khối [10]
................................................................................................................................... 11
Bảng 2.1. Cơ chế phản ứng của các phản ứng khí hóa và cháy [4] .......................... 15
Bảng 4.1. Thành phần công nghệ và thành phần hóa học của trấu [15] ................... 35
Bảng 4.2. Giá trị trong phương trình khí hóa (1) ...................................................... 37
Bảng 4.3. Tỷ lệ thành phần khí trong hỗn hợp theo thể tích ..................................... 37
Bảng 4.4. Thông số động học của các quá trình 1, 2, 4 [13] .................................... 43
Bảng 5.1. Điều kiện biên ........................................................................................... 47

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình khí hóa sinh khối

2

Hình 1.2 Sơ đồ hình thành khí tổng hợp và biogas cùng với các ứng dụng [5]

2

Hình 2.1 Quá trình cháy trong lò khí hóa

24

Hình 2.2 Mô hình bếp khí hóa

25

Hình 2.3 Cơ chế khí hóa trong bếp khí hóa TLUD

25

Hình 4.1. Quá trình khí hóa trong lớp nhiên liệu [14]

39

Hình 4.2. Mô hình hình học lớp nhiên liệu và biên

41

Hình 4.3 Quy trình thực hiện hàm UDF [13]

45

Hình 5.1 Mẫu bếp số 1

46

Hình 5.2 Mẫu bếp số 2

46

Hình 5.3. Miền tính toán và biên của mô hình

47

Hình 5.4. Sự phân bố nhiệt độ của 2 mẫu bếp theo 2 mặt cắt dọc theo chiều cao
bếp

49

Hình 5.5. Sự phân bố nhiệt độ của 2 mẫu bếp mặt cắt dọc theo chiều cao bếp

50

Hình 5.6. Sự phân bố nhiệt độ tại mặt cắt qua cụm miệng gió cấp hai

50

Hình 5.7 Sự phân bố nhiệt độ tại mặt cắt ngang tại vị trí sát đáy nồi

51

Hình 5.8. Sự thay đổi nhiệt độ trên đường streamline của không khí cấp hai

51

Hình 5.9. Sự thay đổi nhiệt độ trên các đường streamline của nhiên liệu

52

Hình 5.10. Sự phân bố khí CH4 theo tỷ lệ mol

53

Hình 5.11. Sự phân bố khí CO theo tỷ lệ mol

53

Hình 5.12 Sự phân bố khí H2 theo tỷ lệ mol

53

Hình 5.13 Sự phân bố khí CO2 theo tỷ lệ mol

54

Hình 5.14 Sự phân bố khí H2O theo tỷ lệ mol

54

Hình 5.15 Kiểm tra độ hội tụ của 3 trường hợp

55

Hình 5.16. Sự phân bố nhiệt độ ngọn lửa tại mặt cắt qua tâm các miệng gió thứ
cấp

55

Hình 5.17. Sự phân bố nhiệt độ theo các mặt cắt dọc thân bếp

56

ix

Hình 5.18 Sự phân bố tỷ lệ mol CO

56

Hình 5.19. Sự phân bố tỷ lệ mol CO2

57

Hình 5.20 Sự phân bố tỷ lệ mol CH4

57

Hình 5.21. Sự phân bố tỷ lệ mol H2

57

Hình 5.22 Sự phân bố tỷ lệ mol H2O

58

Hình 5.23 Các bếp cùng đường kính D=200 mm với các chiều cao khác nhau

59

Hình 5.24. Bản vẽ thiết kế mẫu bếp

59

x


CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
1.1.

Khí hóa sinh khối

1.1.1. Khái niệm khí hóa sinh khối
Công nghệ khí hóa được ứng dụng thương mại trong việc sản xuất nhiên liệu và
các chất hóa học từ hơn một thế kỷ trước [3]. Ngày nay, công nghệ khí được tiếp tục
phát triển và số lượng các ứng dụng của nó trong việc sản xuất điện năng, nhiên liệu
cũng như sản xuất các sản phẩm hóa học ngày càng tăng.
Khí hóa là một quá trình chuyển đổi các nguyên vật liệu có nguồn gốc cacbon
thành các khí dễ cháy hoặc khí tổng hợp như H2, CO, CO2, CH4. Quá trình khí hóa
liên quan đến phản ứng của cacbon trong môi trường khí hóa như không khí, oxy, hơi
nước, CO2 hoặc là hỗn hợp của các môi trường ở nhiệt độ 700oC hoặc lớn hơn để sinh
ra các sản phẩm khí. Sản phẩm khí này có thể được sử dụng để phát điện, sinh nhiệt
hoặc sử dụng như là nguyên liệu thô cho quá trình tổng hợp các chất hóa học, nhiên
liệu lỏng hay nhiên liệu khí như H2. Trong quá trình khí hóa, ngoài các sản phẩm khí
còn có các sản phẩm không mong muốn như các thành phần từ lưu huỳnh, tro và tar.
Đối lập với quá trình cháy làm việc ở điều kiện không khí thừa, quá trình khí
hóa làm việc ở điều kiện thiếu oxy với lượng oxy cấp vào khoảng 35% lượng oxy lý
thuyết cần cho quá trình cháy hoàn toàn hoặc có thể ít hơn [3].
Nhiên liệu cho quá trình khí hóa có thể là nguyên liệu rắn như than, sinh khối,
chất thải rắn hoặc là nguyên liệu dạng lỏng như là các sản phẩm từ động vật hoặc bùn
cống… Khi sinh khối làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa thì được gọi là khí hóa
sinh khối và sản phẩm khí được gọi là khí tổng hợp. Mục tiêu của khí hóa sinh khối
là nhằm tập trung năng lượng chứa trong sinh khối và chuyển đổi nó thành một chất
mà có giá trị năng lượng cao và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác

nhau. Nguồn năng lượng sinh khối được xem như một dạng nguồn năng lượng tái
tạo, do đó, khí hóa cũng được xem như một công nghệ năng lượng tái tạo. Quá trình
khí hóa diễn ra trong lò khí hóa trải qua bốn giai đoạn: sấy, nhiệt phân, khí hóa, cháy.

1


Chi tiết từng quá trình được trình bày trong mục 2.1. Quá trình khí hóa sinh khối được
minh họa trong hình 1.1 dưới đây.

Hình 1.1 Quá trình khí hóa sinh khối
Sản phẩm của quá trình cháy là hỗn hợp khí, bao gồm chủ yếu là CO, H2, CH4,
các hợp chất hydrocarbon cao phân tử (CxHy – tar) và các khí khác như CO2, H2O,
N2 cùng với một số vật chất hạt như char, tro .... Thành phần của sản phẩm khí có thể
thay đổi và phụ thuộc nhiều vào các điều kiện vận hành như nhiệt độ, áp suất vận
hành và môi trường khí hóa và tính chất của nhiên liệu, độ ẩm và cách cấp nhiên liệu
vào lò khí hóa. Trong hỗn hợp khí, CO và H2 (biogas) chiếm khoảng 50% về năng
lượng [5] và tỷ lệ chuyển hóa sinh khối thành CO và H2 nhiều hay ít phụ thuộc vào
nhiệt độ và thời gian lưu hoặc có thể qua cracking nhiệt hoặc reforming như trong
hình 1.2 dưới đây.

Hình 1.2 Sơ đồ hình thành khí tổng hợp và biogas cùng với các ứng dụng [5]
1.1.2. Nhân tố khí hóa
Nhân tố khí hóa có thể là không khí, oxy, hơi nước, CO2 hoặc là hỗn hợp của
các loại trên. Không khí hoặc oxy giúp thúc đẩy quá trình oxy hóa sinh khối một phần
2


cung cấp nhiệt cần thiết cho các phản ứng thu nhiệt và sinh ra CO2 và H2O cho các
phản ứng khử diễn ra trong các phản ứng khí hóa. Do hàm lượng N2 trong không khí

cao, nên giá trị nhiệt trị của các sản phẩm khí hóa thấp. Việc sử dụng oxy thay cho
không khí làm tăng nhiệt trị của khí nhiên liệu, nhưng chi phí vận hành sẽ tăng lên.
Hơi nước là một nhân tố khí hóa mang lại nhiều lợi ích cho quá trình khí hóa, vì hơi
nước làm tăng hàm lượng H2 trong sản phẩm khí và tăng nhiệt trị của nhiên liệu (10
– 15 MJ/Nm3) so với 3 – 6 MJ/Nm3 khi sử dụng không khí [5]. CO2 làm tác nhân khí
hóa cũng có nhiều lợi ích trong việc chuyển hóa char, tar, CH4 thành H2 và CO, đặc
biệt với sự có mặt của xúc tác Ni/Al, nhưng yêu cầu nguồn cấp nhiệt. Với những ưu
và nhược điểm của các tác nhân kể trên, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, với các
yêu cầu về chất lượng khí mà có thể chọn tác nhân cho phù hợp hoặc có thể kết hợp
các tác nhân lại để có được giá trị của sản phẩm quá trình khí hóa cao hơn.
1.1.3. Lò khí hóa sinh khối
Lò khí hóa sinh khối là thiết bị dùng để chuyển đổi nhiên liệu sinh khối thành
nhiên liệu khí thông qua các quá trình chuyển đổi nhiệt – hóa trong điều kiện thiếu
oxy. Dựa theo điều kiện dòng, lò khí hóa được chia làm 3 nhóm sau:
 Lò khí hóa dòng cuốn.
 Lò khí hóa kiểu lớp sôi: lớp sôi bọt (BFB) và lớp sôi tuần hoàn (CFB).
 Lò lớp chặt: kiểu từ trên xuống, kiểu từ dưới lên và dòng cắt nhau.
Chi tiết so sánh công nghệ của ba loại công nghệ khí hóa được mô tả như trong
bảng 1.1 dưới đây.

3


Bảng 1.1 So sánh các công nghệ khí hóa [4]

1.2.

Nhiên liệu sinh khối

1.2.1. Sinh khối là gì?

Thuật ngữ “Sinh khối” được hiểu là các vật chất có nguồn gốc sinh học mà có
thể được sử dụng dưới dạng năng lượng hoặc nguyên liệu [1]. Những loại nguyên
liệu như gỗ trồng, phụ phẩm nông nghiệp, phụ phẩm từ rừng, chất thải hữu cơ từ thức
ăn, các ngành công nghiệp dệt sợi, công nghiệp giấy, chất thải sinh hoạt từ các hoạt
động của con người, chất thải động vật … đều được gọi là nhiên liệu sinh khối.
Sinh khối là một nguồn nguyên liệu sạch và tái tạo mà có thể thay thế và giải
quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường do sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Sinh khối
được biết đến như là một nhiên liệu trung tính cacbon (cacbon-neutral) bởi vì phát
thải CO2 từ các quá trình xử lý nhiệt sinh khối như cháy có thể được bù đắp hoàn toàn
bằng quá trình hấp thụ CO2 trong quá trình phát triển của sinh khối (từ thực vật) [1,4].
Sinh khối cũng góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và nâng cao sự phát triển kinh

4


tế ở các vùng nông thôn. Ngày nay, sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo chính trong
việc sản xuất điện, nhiệt và nhiên liệu sinh học cho vận tải.
Tuy nhiên, sinh khối có một số hạn chế chủ yếu là do mật độ năng lượng thấp
dẫn đến hiệu quả sử dụng trực tiếp không cao. Do vậy, nhiên liệu sinh khối cần được
chuyển đổi sang dạng khác có hàm lượng năng lượng cao hơn như nhiên liệu dạng
khí (H2), nhiên liệu dạng lỏng (dầu sinh học) thông qua công nghệ khí hóa, nhiệt phân
hoặc có thể đốt kèm trực tiếp với than trong các lò hơi nhà máy điện. Và một hạn chế
nữa của sinh khối là tính mùa vụ. Mặc dù sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo nhưng
nó phụ thuộc nhiều vào mùa vụ, sản lượng theo mùa, dẫn đến nguồn cung không ổn
định. Do vậy, cần phải cân bằng giữa mùa vụ và tốc độ phát triển với việc bảo vệ môi
trường tại khu vực đấy.
1.2.2. Phân loại nhiên liệu sinh khối
Sinh khối tồn tại ở nhiều dạng khác nhau và có thể được phân loại theo nhiều
cách như theo nguồn gốc phát sinh nguồn nhiên liệu sinh khối, theo dạng của nhiên
liệu sinh khối hoặc theo tính chất thành phần của nhiên liệu sinh khối. Dựa theo thành

phần cấu tạo và tính chất, sinh khối được chia làm ba dạng chính như sau:
 Sinh khối từ gỗ: là các nguyên liệu từ cây gỗ bao gồm thân, ngọn, lá, cành và
các bộ phận khác của cây. Nguồn nguyên liệu sinh khối dạng này chủ yếu là
gỗ nhiên liệu từ các khu rừng trồng ngắn ngày, các phụ phẩm từ rừng, các phụ
phẩm trong quá trình sản xuất gỗ.
 Sinh khối không phải từ gỗ: có nguồn gốc chủ yếu từ các cây lương thực như
cây ngô, cây sắn … và các phụ phẩm từ cây lương thực như trấu, rơm rạ, cùi
ngô …
 Sinh khối có nguồn gốc từ các chất thải hữu cơ: chủ yếu dạng này là chất thải
từ động vật và bùn thải, nước thải từ các hoạt động sinh hoạt của con người.
1.2.3. Đặc điểm của nhiên liệu sinh khối
Nhiên liệu sinh khối có các tính chất khác so với nhiên liệu các nhiên liệu hóa
thạch khác (ví dụ như than) như tỷ lệ chất bốc, khối lượng riêng, độ ẩm và các thành
5


phần khác. Hơn nữa, nhiên liệu sinh khối có tính phản ứng cao (dễ cháy) do hàm
lượng chất bốc cao (70 – 80%, mẫu khô) so với than (16 – 35%) [5,6]. Đối với các
loại sinh khối khác nhau thì tính chất vật lý (độ ẩm, khối lượng riêng), tính chất hóa
học (thành phần chất bốc, tro), hình dạng (kích thước, sự phân bố kích thước) và tính
chất nhiệt động (nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt …). Bảng 1.2 trình bày một số tính
chất của một số loại sinh khối. Sự khác nhau này có thể xảy ra ở trong cùng dạng
nhiên liệu như nhau từ vùng này đến vùng khác, đặc biệt là các loại nhiên liệu từ phụ
phẩm của các quá trình. Điều này dẫn đến sự khó khăn trong việc xác định các thông
số để sử dụng cho việc thiết kế các lò khí hóa.
Bảng 1.2 Tính chất của một số loại sinh khối [2]
Độ ẩm

Chất bốc

(%, mẫu (%,
Sinh khối

ướt)

Nhiệt trị Nhiệt

mẫu thấp

khô)

trị cao

Khối

Mật

lượng

năng

(MJ/kg,

(MJ/kg, riêng

mẫu

mẫu

đống

ướt)

khô)

(kg/m3,

độ

lượng
(MJ/m3)

mẫu ướt)
Gỗ dăm – mềm

50

76.0-86.0

8

19.8

350

2800

Gỗ dăm – cứng

50

76.0-86.0

8

19.8

450

3600

Vỏ cây

50

69.6-77.2

8.2

20.2

320

2620

Rơm rạ (lúa mì)

15

77.0-81.0

14.5

18.7

120

1740

Tính chất và chất lượng của nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến quá trình chuyển
đổi sinh khối, đặc biệt là độ ẩm chứa trong nhiên liệu. Độ ẩm trong nhiên liệu cao làm
giảm hiệu suất quá trình chuyển hóa nhiệt sinh khối thành năng lượng giảm [2,3]. Một
số loại nhiên liệu như vỏ cây, lá hoặc các phụ phẩm từ các quá trình sản xuất như sản
xuất giấy, vải sợi … thì độ ẩm có thể dao động từ 25 – 60% [2]. Do đó, các loại nhiên
liệu cần được sấy trước để giảm độ ẩm xuống trong khoảng từ 10 – 20%. Chất lượng

6


của nhiên liệu có thể được cải thiện thông qua các công nghệ tiền xử lý như ép viên, sấy
…, nhưng điều này sẽ làm tăng chi phí của nhiên liệu sinh khối.
Các tính chất của nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến quá trình sử dụng sinh
khối. Một số tính chất quan trọng và ảnh hưởng của chúng đến việc sử dụng sinh khối
(dạng rắn) được mô tả trong bảng 1.3 dưới đây.
Bảng 1.3 Một số tính chất quan trọng và ảnh hưởng của sinh khối [2]
Ảnh hưởng

Tính chất
Tính chất vật lý
Độ ẩm

Độ ổn định, bền khi lưu trữ, nhiệt trị thấp, bắt cháy và
thiết kế.

Khối lượng riêng của đống Lưu trữ và vận chuyển
Mật độ hạt

Sự dẫn nhiệt, sự phân rã nhiệt

Kích thước, hình dạng

Vận chuyển, công nghệ đốt, an toàn vận hành

Tính chất nóng chảy của An toàn vận hành, công nghệ đốt, phát thải
tro
Nhiệt trị cao, nhiệt trị thấp Khả năng sử dụng, thiết kế
Tính chất hóa học
Cacbon

Nhiệt trị cao

Hydro

Nhiệt trị cao, nhiệt trị thấp

Oxy

Nhiệt trị cao

Clo

HCl, dioxin/furan, ăn mòn, nhiệt độ nóng chảy của tro
thấp

Nitơ

Phát thải NOx

Flo

Phát thải HF, ăn mòn thiết bị

Kali, Natri

Ăn mòn thiết bị, nhiệt độ nóng chảy của tro thấp

Mg, Ca

Tăng nhiệt độ nóng chảy tro, sử dụng tro

Chất bốc

Thuộc tính phân hủy nhiệt, quá trình cháy

Tro

Công nghệ cháy, phát thải bụi

7

1.2.4. Tiềm năng năng lượng sinh khối ở Việt Nam
Việt Nam là một nước nhiệt đới nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển
nhanh. Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn, là một nước
nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú. Nguồn này ngày càng
tăng trưởng cùng với việc phát triển nông nghiệp và lâm nghiệp [7].
Nguồn sinh khối chủ yếu gồm gỗ và cây trồng, tiềm năng của các nguồn này
được đánh giá trong bảng 1.4. Tuy nhiên, cho đến nay chỉ có 30 – 40% sinh khối
được sử dụng cho các mục đích năng lượng, chủ yếu cho đun nấu trong các hộ gia
đình và số lượng nhỏ được sử dụng cho phát điện chủ yếu ở các nhà máy đường, có
tổng công suất lắp đặt khoảng 150 MW [8]. Còn lại các loại sinh khối như vỏ trấu dư
thừa và rơm được xử lý bằng cách đốt trực tiếp thành từng đống, kết quả là mất năng
lượng kèm theo phát thải các chất ô nhiễm ra môi trường. Bên cạnh đó, sử dụng sinh
khối trong bếp khí hóa để nấu ăn trong các vùng nông thôn của Việt Nam cho thấy
một tiềm năng lớn bởi vì nó có rất nhiều lợi thế so với việc đốt cháy trực tiếp như
hiệu suất nhiệt cao, ít khói đen và lượng khí thải, bụi ít hơn.
Như vậy, ta có thể thấy, nhiên liệu ở Việt Nam từ sản phẩm trấu và rơm rạ nói
riêng và năng lượng sinh khối nói chung có tiềm năng rất lớn. Đây hứa hẹn sẽ là
nguồn năng lượng hữu ích chính, là giải pháp thay thế cho thực trạng nhiên liệu hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Bảng 1.4 Tiềm năng sinh khối ở Việt Nam [8]
Sản lượng dùng để lấy năng lượng

Nguồn sinh khối

(triệu tấn)

Năng lượng từ gỗ và phế thải từ gỗ

43.31

Rừng tự nhiên

14.07

Rừng trồng

9.07

Đất trồng

2.47

Cây công nghiệp lâu năm

2.00

8


Cây ăn quả

0.41

Cây phân tán

7.79

Vỏ bào gỗ

5.58

Mùn cưa và vỏ bào

1.12

Xây dựng (gỗ ở công trường)

0.80

Phế thải nông nghiệp

74.9

Rơm rạ

40.0

Phế thải từ mía (ngọn và lá)

7.80

Phế thải từ ngô

9.20

Thân cây sắn

2.49

Vỏ trấu

8.00

Bã mía

7.90

Vỏ lạc

0.15

Vỏ cà phê

0.17

Vỏ hạt điều

0.09

Loại khác (ước tính)

4.00

1.3.

Mô hình hóa CFD quá trình khí hóa sinh khối
CFD – Tính toán động lực học chất lưu là một nhánh của cơ học chất lưu liên

quan đến các phương pháp số để giải quyết các bài toán liên quan đến dòng chất lưu,

truyền nhiệt, sự tương tác rắn – lỏng, các phản ứng hóa học và các hiện tượng khác
liên quan [5]. CFD được sử dụng như là một công cụ hữu ích trong nhiều phương
diện, khía cạnh của kỹ thuật như thiết kế, tối ưu và phát triển sản phẩm, phân tích hệ
thống. Những ứng dụng cụ thể của CFD có thể tham khảo tài liệu [9].
Ngày nay, sự phát triển của các mô hình số, công cụ mô phỏng số như CFD trở
thành một công cụ tin cậy trong việc thiết kế và phân tích các quá trình chuyển đổi
nhiệt – hóa (thermochemical) sinh khối trong các lò khí hóa, buồng đốt lò hơi, … với
các điều kiện vận hành trong môi trường ảo. Các kết quả mô phỏng có độ chính xác

9


cao sẽ là giúp cho việc tối ưu thiết kế và các quá trình động học diễn ra bên trong
buồng đốt. CFD không chỉ giúp dự đoán thuộc tính dòng chảy, khí động mà còn
truyền nhiệt, truyền chất, các phản ứng hóa học (quá trình cháy), thay đổi pha (bay
hơi, nóng chảy, đông đặc) và cả sự chuyển động cơ học (ví dụ như trong các lò quay).
So với các kết quả thí nghiệm thực, thì các kết quả thu được từ CFD là chấp nhận
được trong việc dự đoán định lượng, định tính các giá trị tính toán được [10]. Và
chính bản thân CFD, nó là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu và phát triển
các ý tưởng cũng như rút ngắn thời gian đưa các công nghệ mới áp dụng trong thực
tiễn.
Tuy nhiên, mô hình hóa quá trình chuyển hóa sinh khối vẫn còn có những thách
thức do tính phức tạp của nhiên liệu sinh khối và các quá trình chuyển đổi nhiệt – hóa
[5,10]. Cấu trúc phức tạp của sinh khối và các thuộc tính của các thành phần dẫn đến
nguyên liệu không có cùng tính chất vật lý và quá trình nhiệt phân, quá trình thoát
chất bốc diễn ra ở các tốc độ khác nhau với các cơ chế khác nhau trong suốt quá trình
chuyển đổi. Vấn đề đặt ra ở đây là: chúng ta giải quyết hoặc đơn giản hóa quá trình
phức tạp này như thế nào? Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để áp dụng mô hình
CFD trong việc mô hình hóa quá trình động lực học nhiệt phân và đã có một số kết
quả nhất định.

Bên cạnh những khó khăn ở trên, mô hình CFD đã và đang được sử dụng rộng
rãi trong việc mô hình hóa các quá trình chuyển đổi nhiệt – hóa sinh khối đặc biệt là
quá trình khí hóa và quá trình cháy. Một phần là do các thí nghiệm thực tế gặp khó
khăn khi nghiên cứu trên các mô hình thực tại các nhà máy mới, một phần nữa là do
chi phí cho các thí nghiệm quá lớn và tốn nhiều thời gian. CFD là một hướng tiếp cận
mới có thể giải quyết được các vấn đề trên. Liqun Wang và Lifeng Yan (2008) đã
tổng hợp các ứng dụng của CFD trong khí hóa và nhiệt phân sinh khối của các tác giả
[10] với các kết quả đạt được thì có thể khẳng định CFD là một công cụ đáng tin cậy
trong việc mô phỏng quá trình khí hóa sinh khối. Một số ứng dụng về khí hóa và nhiệt

10


phân sinh khối được trích như trong bảng 1.5 và một số ứng dụng khác về đốt cháy
sinh khối có thể tham khảo chi tiết tài liệu [10].
Ngày nay, việc mô phỏng thiết kế buồng đốt, quá trình nhiệt phân, hệ thống
cháy, phát thải đã có thể được thực hiện với bằng các gói phần mềm CFD thương mại
như ANSYS Fluent, CFX …
Bảng 1.5 Một số ứng dụng CFD mô hình hóa quá trình khí hóa và cháy sinh khối
[10]
Ứng dụng
Entrained

Code
flow CFX

Kết quả

So với thí

Dự đoán sự phân bố Chấp nhận Fletcher,
tỷ lệ khối lượng, được

gasifier

Tác giả

nghiệm

D.F.

phân bố nhiệt độ, vận
tốc trong lò
Two-stage downdraft Fluent

Đánh giá chi tiết Tốt

gasifier

vùng cháy, phân bố

Gerun, L.

nhiệt độ, vận tốc, cơ
chế hình thành tar
Downdraft gasifier

Horizontal
flow reactor

Code

entrained Fluent

Sự phân bố nhiệt độ, Tốt

Sharma, A.

áp suất trong lò

K

Dự đoán dòng, nhiệt Chấp nhận Xiu, S. N
độ và sự chuyển hóa, được
ảnh hưởng của các
thông số động học
đến quá trình nhiệt
phân nhanh thân cây
ngô

…

11


Mục tiêu của luận văn và phương pháp nghiên cứu

1.4.

1.4.1. Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn: “Nghiên cứu cơ chế khí hóa sinh khối và thiết kế, chế
tạo lò đốt khí hóa công suất nhỏ” như sau:
 Nghiên cứu lý thuyết và công nghệ khí hóa sinh khối.
 Ứng dụng phương pháp số CFD để mô tả quá trình khí hóa diễn ra trong bếp
đun khí hóa sinh khối.
 Dựa trên kết quả nghiên cứu, tối ưu hóa và chế tạo mẫu bếp đun khí hóa sinh
khối.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn, tác giả đã kết hợp nghiên cứu lý thuyết, lý thuyết trên mô hình
mô phỏng và thực nghiệm.
 Nghiên cứu lý thuyết:
-

Tìm hiểu cơ chế khí hóa sinh khối và các công nghệ khí hóa sinh khối.

-

Xây dựng mô hình lý thuyết để mô tả quá trình khí hóa trấu tổng quát.

 Nghiên cứu trên phần mềm mô phỏng:
-

Xây dựng quá trình khí hóa lớp nhiên liệu trên phần mềm ANSYS Fluent.

-

Mô phỏng quá trình cháy trong bếp khí hóa sinh khối.

 Nghiên cứu thực nghiệm:
-

Thực hiện các thí nghiệm đo đạc xác định ảnh hưởng của đường kính buồng
đốt và chiều dày lớp liệu đến hiệu suất nhiệt của bếp khí hóa trấu.

12


CHƯƠNG II. BẾP KHÍ HÓA SINH KHỐI
Trong phần này, tác giả trình bày lý thuyết và cơ chế của quá trình khí hóa sinh
khối cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa. Mô tả quá trình diễn ra
trong lò khí hóa, cụ thể là trong các bếp khí hóa điển hình đang sử dụng trong các hộ
gia đình Việt Nam. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để nghiên cứu các phần tiếp
theo.
2.1. Lý thuyết khí hóa sinh khối
2.1.1. Lý thuyết chung của quá trình khí hóa sinh khối
Khí hóa sinh khối là quá trình chuyển đổi nhiệt – hóa sinh khối thành dạng các
sản phẩm khí thông qua các phản ứng hóa học, các biến đổi vật lý và nhiệt. Các quá
trình này có thể diễn ra lần lượt hay đồng thời tùy thuộc vào thiết kế lò khí hóa và
nguồn nhiên liệu. Một quá trình khí hóa điển hình gồm bốn giai đoạn sau: sấy, nhiệt
phân, khí hóa và cháy.


Sấy:
Quá trình này diễn ra đầu tiên khi nhiên liệu được cấp vào lò khí hóa, nhiên liệu

được sấy và tăng nhiệt độ đến khoảng 100oC dẫn đến hơi nước chứa trên bề mặt và ở
các lỗ rỗng bên trong nhiên liệu bay hơi. Ngoài ra, một số thành phần chất bốc và các
thành phần vô cơ có thể cũng thoát ra trong quá trình này. Kết thúc quá trình này,
nhiên liệu đạt trạng thái khô.
Sinh khối + Nhiệt → Sinh khối khô + H2 O



(2.1)

Nhiệt phân:
Khi nhiên liệu nhận thêm nhiệt sau quá trình sấy lên đến khoảng 350oC, cấu trúc

của sinh khối bị thay đổi mạnh bởi quá trình phân hủy nhiệt trong điều kiện không có
mặt của chất oxi hóa và giải phóng các sản phẩm khí (chất bốc). Trong suốt quá trình
nhiệt phân, nhiên liệu bị phân rã thành char (cacbon rắn) và hỗn hợp các sản khí (chất
bốc) như trong phương trình 2.2.
Sinh khối khô + Nhiệt → Char + Chất bốc
13

(2.2)


Trong thành phần chất bốc bao gồm các khí nhẹ và các thành phần hữu cơ cao
phân tử (tar). Ở nhiệt độ cao, tar có thể bị crack thành các phân tử nhẹ hơn (CO, CH4),
dẫn đến các sản phẩm chính của quá trình nhiệt phân là CO, CO2, H2, CH4 và một số
hydrocacbon khác (C2H4, C2H6 …). Quá trình này được gọi là “nhiệt phân thứ cấp”.
Quá trình nhiệt phân có thể được viết lại theo cơ chế hai cấp như sau:
𝐺𝑖𝑎𝑖 đ𝑜ạ𝑛 1: 𝑆𝑖𝑛ℎ 𝑘ℎố𝑖 𝑘ℎô + 𝑁ℎ𝑖ệ𝑡 → 𝐶ℎ𝑎𝑟 + 𝐾ℎí + 𝑇𝑎𝑟
𝐺𝑖𝑎𝑖 đ𝑜ạ𝑛 2: 𝑇𝑎𝑟 + 𝑁ℎ𝑖ệ𝑡 → 𝐾ℎí
Chất bốc trong sinh khối có thể chiếm từ 70 – 80% khối lượng sinh khối, do đó
quá trình nhiệt phân có ảnh hưởng đáng kể đến toàn bộ quá trình khí hóa. Tốc độ của
quá trình nhiệt phân (thoát chất bốc) phụ thuộc vào điều kiện vận hành của lò khí hóa
và tính chất của nhiên liệu (tính chất hóa học và tính chất vật lý) theo phương trình
sau [4]:
−𝐸𝐴

𝑅 = 𝐴. 𝑒𝑥𝑝(
)𝜌
𝑅𝑇 𝑟
Trong đó, R là tốc độ phản ứng (kg.m-3.s-1), A là hệ số mũ có sẵn (s-1), EA là
năng lượng hoạt hóa (kJ.mol-1), R là hằng số chất khí (8.314472 x 10-3 kJ.K-1.mol-1),
T là nhiệt độ (K) và 𝜌𝑟 là khối lượng riêng của chất phản ứng (ở đây là khối lượng
riêng của sinh khối khô).


Khí hóa:
Quá trình khí hóa là kết quả của các phản ứng hóa học giữa cacbon trong char

và hơi nước, CO2 và H2 trong lò khí hóa cũng như là các phản ứng giữa các khí tạo
thành. Quá trình này xảy ra sau quá trình nhiệt phân khi nhiệt độ của char thu được
từ các quá trình trước ở một mức nhiệt độ nhất định, thông thường là lớn hơn 700oC
[4]. Ở trong quá trình này, chủ yếu diễn ra phản ứng khử giữa cacbon với CO2 và
H2O từ quá trình cháy thành các sản phẩm khí như CO, H2. Ngoài ra còn có các phản
ứng hình thành CH4 và một số các phản ứng đồng thể khác giữa các chất ở pha khí.
Các phản ứng trong quá trình này thường là các phản ứng thu nhiệt, hấp thụ nhiệt
trong suốt quá trình cháy, ngoại trừ phản ứng cacbon với H2 tạo thành CH4. Chi tiết
các phản ứng được trình bày trong bảng 2.1.

14