Nghiên cứu công nghệ và thực nghiệm xây dựng các thông số công nghệ trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu cho tổ máy phát điện 5,5kw

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHẠM TRẦN PHÚC THỊNH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THỰC NGHIỆM
XÂY DỰNG CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ TRẤU HĨA
KHÍ ĐỂ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO
TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN 5,5kW

Chuyên ngành: CƠNG NGHỆ NHIỆT
Mã số:

605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa–ĐHQG Tp.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. BÙI TRUNG THÀNH
Chữ ký
2. TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN
Chữ ký
Cán bộ chấm nhận xét 1: .................................................................................
Chữ ký
Cán bộ chấm nhận xét 2: .................................................................................
Chữ ký
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,

ngày . . . . . tháng . . . . năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.............................................................
2.............................................................
3.............................................................
4.............................................................
5.............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------

-----oOo----NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM TRẦN PHÚC THỊNH Phái:Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1989

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành:

CÔNG NGHỆ NHIỆT

MSHV:

12824826

I-

TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ và thực nghiệm xây dựng các thông số cơng nghệ trấu hóa khí
để cung cấp nhiên liệu cho tổ máy phát điện 5,5kW.
II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
a. Tìm hiểu cơng nghệ khí hóa và nhiên liệu khí hóa theo hướng nghiên cứu
ứng dụng được cho thực tiễn ở khu vực đồng bằng sơng Cửu Long.
b. Tính tốn thiết kế lị phản ứng đốt trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu khí
cho tổ hợp động cơ Diesel - tổ máy phát điện có cơng suất 5,5kW với khả
năng thay thế dầu Diesel từ 60-70%.
c. Chế tạo mơ hình đốt trấu hóa khí theo thiết kế.
d. Thực hiện thực nghiệm trên mơ hình nghiên cứu đã chế tạo để xác định
và xây dựng các thông số công nghệ hợp lý ảnh hưởng đến các phụ tải
điện và khả năng thay thế 60-70 % nhiên liệu Diesel của tổ máy phát điện.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/07/2014
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS.BÙI TRUNG THÀNH, TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

Tp.Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀN

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS .BÙI .TRUNG THÀNH, TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

GS.TS LÊ CHÍ HIỆP


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân đã giúp đỡ để hoàn thành
quyển luận văn này:
-

Thầy TS. Bùi Trung Thành, Thầy TS. Nguyễn Văn Tuyên và đã tận tình
hướng dẫn LV và các thầy cơ rất nhiệt tình trong việc giảng dạy cho tác giả
trong thời gian qua.

-

Các đồng nghiệp tại Trung Tâm Nghiên cứu & Phát triển Công nghệ - Máy
Công nghiệp, Trường Đại học Cơng Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh đã hướng dẫn,
tư vấn thiết kế và giúp đỡ về việc chế tạo mơ hình.

-

Anh Nguyễn Hồng Khơi, chun viên Trung Tâm Nghiên cứu & Phát triển
Công nghệ - Máy Công nghiệp, Trường Đại học Cơng Nghiệp Tp. Hồ Chí
Minh

-

Và đặc biệt là gia đình của tác giả đã ủng hộ và động viên cả về tinh thần lẫn
vật chất cho tác giả trong suốt thời gian từ trước đến nay.

-

Cuối cùng là các bạn đồng nghiệp đã nhiệt tình trao đổi, góp ý và cung cấp
thơng tin tư liệu liên quan đến luận văn.

Tác giả

Phạm Trần Phúc Thịnh


iii

LÝ LỊCH HỌC VIÊN

Họ và tên

:

PHẠM TRẦN PHÚC THỊNH

Ngày sinh

:

08/11/1989

Nơi sinh

:

Tiền Giang

Địa chỉ liên lạc

:

80/12/171 Dương Quản Hàm, Phường 5
Quận Gị Vấp, Thành Phố Hồ Chí Minh

Nơi cơng tác
Điện thoại

:

Cơng ty TNHH Đầu Tư & Tư Vấn Kiến Tạo

:

01696189098

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Từ năm 2007 – 2011 : Học tại trường Đại Học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh
- Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Từ năm 2012 – 2014 : Học cao học tại trường ĐH Bách Khoa
TP Hồ Chí Minh – Ngành Cơng Nghệ Nhiệt
Q TRÌNH CƠNG TÁC
Từ năm 2011 – 2014 :

Công tác tại Công ty TNHH Đầu Tư & Tư Vấn Kiến Tạo

Tp, Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Phạm Trần Phúc Thịnh

năm


iv

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học
của Thầy TS Bùi Trung Thành và Thầy TS. Nguyễn Văn Tuyên.
Để hồn thành luận văn này, tơi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục
Tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu tham khảo nào khác mà không
được ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các kết quả nghiên cứu, các cơng trình khoa
học của người khác.
Nếu sai, tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Phạm Trần Phúc Thịnh


v
TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn đã trình bày các nội dung chủ yếu như sau:
1. Tổng quát về cơng nghệ khí hóa và ngun liệu khí hóa theo định hướng nghiên
cứu ứng dụng được công nghê này cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong
tương lai gần.
2. Đã thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị đốt trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu khí
cho tổ hợp động cơ Diesel kéo tổ máy phát điện công suất 5,5kW.
3. Đã tiến hành thực nghiệm trên mơ hình nhằm xác định ảnh hưởng của một số
thông số cơ bản của chế độ khí hóa gồm vận tốc khí qua bề mặt lớp ngun liệu
trấu khí hóa (vg,); khối lượng thể tích trấu (ρv) và độ ẩm nguyên liệu trấu (M1)
đến tốc độ hóa khí (SGR) và chất lượng thành phẩn sản phẩm khí hóa thơng qua
hai tiêu chí gồm tỷ lệ thay thế dầu diesel DR (%) và công suất phát điện N (kW)
4. Thực nghiệm đã xác định được miền nghiên cứu đối với chế độ làm việc hóa khí
trên buồng đốt của mơ hình gồm: vận tốc khí qua bề mặt lớp trấu vg = 4 ÷ 8 cm/s;
khối lượng thể tích: ρv = 92,31 ÷ 111,41 kg/m3 và độ ẩm trấu: M1 = 4 ÷ 16%.
5. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố đã xây dựng được các mơ

hình tốn thơng kế về ảnh hưởng của chế độ khí hóa (vg; v, M1) đến tốc độ khí
hóa SGR; tỷ lệ thay thế dầu diesel (%) và công suất phát điện (kW) cụ thể như
sau:
-

Đối với ảnh hưởng của vận tốc khí qua bề mặt lớp trấu đến các hàm mục tiêu:
SGR1 = 7,380 V2g – 54,364Vg + 178,744
DR1 = – 6,06V2g + 82,893Vg – 226,439
N1 = – 0,074V2g + Vg – 1,985

-

Ảnh hưởng của khối lượng thể tích của trấu:
SGR2= - 0,040.ρv2 + 9,170.ρv - 330,906
DR2= - 0,143.ρv2 + 28,490.ρv – 1361,492
N2= - 0,001.ρv 2 + 0,230.ρv – 10,329

-

Đối với ảnh hưởng của độ ẩm trấu:
SGR3= - 0,475.M12 + 2,949. M1 + 182,544
DR3= - 0,540.M12 + 8,553.M1 + 34,471


vi
N3= - 0,009. M12 + 0,099. M1 + 1,152
6. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố cũng đã xác định được mức giá trị
cơ sở của các thông số ảnh hưởng trong cơng nghệ hóa khí bao gồm vận tốc vg
= 6cm/s, khối lượng thể tích ρv = 101,86 kg/m3 và độ ẩm M1 = 10%. Giá trị này
làm cơ sở cho các nghiên cứu về tối ưu hóa trong quy hoạch thực nghiệm đa yếu

tố tiếp theo của nghiên cứu.


vii

ABSTRACT
The thesis presents the main contents are as following:
1. It is overview of gasification technology and materials which oriented to the
practical research for technology applying in the area of the Mekong Delta in
near future.
2. The author designed, manufactured the model of rice husk gasification gasifier
to provide fuel gas for the dual fuel diesel engine combines the power generation
with its capacity 5,5kW.
3. The thesis executed practical experiments on the model to determine the effects
of some basic parameters of the gasification mode which includes air velocity
through the bed of material section rice husk gasification (vg,); bulk density of
rice husk (ρv) and moisture content of rice husk (M1) to the specific gasification
rate of rice husk SGR (kg/m-2h-1) and the quality of the syngas composition
which are assessed two criterias including the ratio of diesel oil replacement DR
(%) and electricity generation capacity N (kW)
4. Practical experiments has identified the research domain of parameters for the
working regime of the rice husk gasification model which including : air velocity
through the rice husk bed section in the combustion is vg = 4 ÷ 8 cm/s; bulk
density of rice husk is ρv = 92.31 ÷ 111.41 kg/m3 and moisture content of rice
husk is M1 = 4 ÷ 16%.
5. The method of experimental planning of elements is used by author to build
statistical mathematic models for the effect of parameters (vg, ρv, M1) to the
specific gasification rate SGR; the diesel replacement ratio (%) and the
electricity generation capacity (kW) as follows:
-

The influence of air velocity through the rice husk bed section in the
combustion gasification to the three objective functions
SGR1 = 7,380 V2g – 54,364Vg + 178,744
DR1 = – 6,06V2g + 82,893Vg – 226,439
N1 = – 0,074V2g + Vg – 1,985

-

The influence of bulk density of rice husk to the three objective functions
SGR2= - 0,040.ρv2 + 9,170.ρv - 330,906


viii
DR2= - 0,143.ρv2 + 28,490.ρv – 1361,492
N2= - 0,001.ρv 2 + 0,230.ρv – 10,329
-

The influence of the rice husk moisture content to three objective
functions
SGR3= - 0,475.M12 + 2,949. M1 + 182,544
DR3= - 0,540.M12 + 8,553.M1 + 34,471
N3= - 0,009. M12 + 0,099. M1 + 1,152

6. Results of experimental studies of the single factor stage is determined the
foundation value of the variable parameters which affect to the gasification
technology such as the velocity is vg = 6 cm/s, the bulk density of rice husk is ρv
= 101,86 kg /m3 and the rice husk moisture content is M1 = 10%. Their values
are the basis parameters for the optimizing research of variable parameters of the
multifactorial experimental planning study in the next stage.

ix

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... i
LÝ LỊCH HỌC VIÊN ............................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
ABSTRACT ............................................................................................................ vii
MỤC LỤC................................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH – BIỂU ĐỒ .................................................................. xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. xv
Chương 1 MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................ 1
1.2. Giới hạn đề tài ..................................................................................................... 3
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 3
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 4
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.................................................. 4
1.6 Cơ sở thực hiện đề tài nghiên cứu ......................................................................... 5
Chương 2 TỒNG QUAN VỀ KHÍ HÓA ................................................................. 7
2.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật hóa khí................................................................. 7
2.2. Q trình hóa khí ngun liệu sinh khối ............................................................. 11
2.3. Các loại ngun liệu hóa khí .............................................................................. 13
2.3.1. Than củi ...................................................................................................... 13
2.3.2. Gỗ ............................................................................................................... 13
2.3.3. Mùn cưa ...................................................................................................... 14
2.3.4. Than bùn ..................................................................................................... 14
2.3.5. Các phế phẩm nông nghiệp ......................................................................... 15
2.4. Các loại buồng phản ứng hóa khí lớp ngun liệu khí hóa cố định ..................... 15

2.4.1. Buồng khí hóa kiểu ngược chiều (updraft) .................................................. 16
2.4.2. Hệ thống khí hóa kiểu thuận chiều (downdraft) ........................................... 17
2.4.3. Hệ thống khí hóa kiểu dịng ngang (cross way) ........................................... 18
2.5 Buồng khí hóa tầng sơi ....................................................................................... 19
2.5.1 Hệ thống khí hóa dạng tầng sôi kiểu sôi bọt ................................................. 21
2.5.2 Hệ thống khí hóa dạng tầng sơi kiểu tuần hồn ............................................ 21
2.5.3. Hệ thống thiết bị khí hóa dạng khí động ...................................................... 22


x
Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................... 23
3.1. Tổng quát các nội dụng thực hiện đề tài nghiên cứu ........................................... 23
3.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 24
3.2.1. Phương pháp kế thừa................................................................................... 24
3.2.2. Phương pháp chuyên gia. ............................................................................ 24
3.2.3. Phương pháp giải tích tốn học ................................................................... 25
3.2.4. Phương pháp thực nghiệm .......................................................................... 25
3.2.4.2. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm đơn yếu tố ..................................... 28
3.3 Dụng cụ đo và phương pháp xác định các thông số ............................................. 29
3.4.2 Phương pháp xác định công suất động cơ ..................................................... 40
3.4.3. Phương pháp xác định tốc độ hóa khí SGR ................................................. 40
3.4.4 Phân tích thành phần khí .............................................................................. 41
Chương 4
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐỐT TRẤU HĨA KHÍ.......... 42
4.1. Phương pháp thiết kế ......................................................................................... 42
4.2. Phương pháp chế tạo .......................................................................................... 42
4.3. Cơ sở tính tốn thiết kế các cụm thiết bị chính ................................................... 42
4.3.1. Tính tốn q trình cháy nhiên liệu ............................................................. 42
4.3.2. Lượng khí sạch tiêu hao của động cơ .......................................................... 47
4.3.3. Lượng trấu tiêu hao cần thiết ....................................................................... 48

4.4. Tính tốn thiết kế lị phản ứng hóa khí ............................................................... 48
4.4.1 Cơ sở tính tốn các thơng số lị phản ứng hóa khí......................................... 48
4.4.2. Tính tốn thơng số lị phản ứng hóa khí....................................................... 50
4.4.3. Tính cách nhiệt của lị phản ứng hóa khí ..................................................... 52
4.4.4. Vật liệu cách nhiệt ...................................................................................... 54
4.4.5. Xác định tổn thất áp suất phần thân lị phản ứng.......................................... 61
4.5 Các kết quả tính tốn .......................................................................................... 64
Chương 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 65
5.1. Thực nghiệm xác định một số thông số cơ bản của ngun liệu phục vụ cho tính
tốn và thực nghiệm xây dựng chế độ khí hóa. ......................................................... 65
5.1.1. Thực nghiệm xác định vận tốc khí vào buồng đốt bằng đĩa lỗ (orifice) ........ 65
5.1.2. Thực nghiệm xác định khối lượng thể tích của trấu ..................................... 66
5.1.3. Thực nghiệm xác định độ ẩm của trấu ......................................................... 67
5.2. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng chế độ khí hóa bằng phương pháp quy họach
thực nghiệm đơn yếu tố. ........................................................................................... 68


xi
5.2.1. Xác định yếu tố đầu vào và đầu ra thiết bị ................................................... 68
5.2.2 Mơ hình thí nghiệm ...................................................................................... 70
5.2.3 Bố trí thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm .............................................. 73
5.3. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố xác định các thông số đầu vào ảnh hưởng đến
chế các hàm mục tiêu nghiên cứu buồng đốt trấu khí hóa ......................................... 74
5.3.1. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc khí qua bề mặt lớp trấu đến các
hàm mục tiêu ........................................................................................................ 74
5.3.2. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của khối lượng thể tích trấu đến các hàm
mục tiêu ................................................................................................................ 83
5.3.3. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của độ ẩm đến các hàm mục tiêu ............ 90
5.4. Kết luận chương 5.............................................................................................. 98
Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 99

6.1. Kết quả đạt được ................................................................................................ 99
6.1.1. Các kết quả đạt được ................................................................................... 99
6.1.2. Một số hạn chế .......................................................................................... 100
6.2. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo ..........................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................102
PHỤ LỤC ...............................................................................................................105


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Bảng 1.1. Nguồn gây phác thải CO2 vào môi trường sống .......................................... 2
Bảng 3.1. Tỷ lệ đường kính đĩa lỗ và đường kính ống khảo nghiệm với vị trí đo áp
suất P1, P 2 ................................................................................................................. 35
Bảng 3.2. Bảng hệ số dòng chảy của các đĩa lỗ chuẩn .............................................. 36
Bảng 4.1. Thành phần cháy của trấu ......................................................................... 43
Bảng 4.2. Thành phần khí trong khói và giá trị nhiệt của các khí .............................. 46
Bảng 4.3. So sánh ưu – nhược điểm của 3 kiểu lị phản ứng hóa khí ......................... 49
Bảng 4.4. Loại lị phản ứng hóa khí và nhiên liệu sinh khối ...................................... 50
Bảng 4.5. Tổng kết các kết quả tính tốn nhiên liệu và kích thước lị ........................ 61
Bảng 5.1. Kết quả khảo nghiệm vận tốc khí qua lớp trấu .......................................... 66
Bảng 5.2. Kết quả khảo nghiệm khối lượng thể tích trấu .......................................... 67
Bảng 5.3. Kết quả khảo nghiệm độ ẩm trấu .............................................................. 68
Bảng 5.4. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc dịng khí qua bề mặt
lớp nhiên liệu trong buồng đốt trấu khí hóa đến tốc độ hóa khí, tỷ lệ thay thế dầu
diesel và công suất phát điện ................................................................................... 76
Bảng 5.5. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của khối lượng thể tích trấu đến tốc
độ hóa khí, tỷ lệ thay thế dầu diesel và công suất phát điện ...................................... 85
Bảng 5.6. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của độ ẩm trấu đến tốc độ hóa khí,

tỷ lệ thay thế dầu diesel và công suất phát điện ......................................................... 92


xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH – BIỂU ĐỒ
Hình

Tên hình

Hình 1.1. Nguồn phát thải khí CO2 vào khí quyển ...................................................... 1
Hình 1.2. Sự chuyển hóa CO2 trong tự nhiên .............................................................. 2
Hình 1.3. Mơ hình bếp đun trấu khí hóa ..................................................................... 5
Hình 2.1. Lị phản ứng khí hóa sinh khối .................................................................. 10
Hình 2.2. Sơ đồ khối khí hóa sinh khối chạy động cơ đốt trong ................................ 10
Hình 2.3. Sơ đồ khối quá trình khí hóa sinh khối ...................................................... 11
Hình 2.4. So sánh giữa gỗ và than củi....................................................................... 14
Hình 2.5. Một số loại nguyên liệu sinh khối thơng dụng ........................................... 15
Hình 2.6. Hệ thống thiết bị khí hố cung cấp nhiệt năng ........................................... 16
Hình 2.7. Hệ thống thiết bị khí hố kiểu ngược chiều ............................................... 16
Hình 2.8. Hệ thống thiết bị khí hóa kiểu thuận chiều ................................................ 16
Hình 2.9. Hệ thống thiết bị khí hóa kiểu thuận chiều có cổ lị với dịng khí được cấp từ
3 nơi khác nhau ........................................................................................................ 19
Hình 2.10. Hệ thống thiết bị khí hóa kiểu dịng chéo ................................................ 19
Hình 2.11. Hệ thống khí hóa dạng tầng sơi kiểu sơi bọt ............................................ 21
Hình 2.12. Hệ thống khí hóa dạng tầng sơi kiểu tuần hồn ....................................... 21
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của quá trình nghiên cứu đề tài luận văn .......................... 23
Hình 3.2. Minh họa mơ hình hộp đen ....................................................................... 26
Hình 3.3. Giao diện phần mềm SPSS Statistics 17.0 ................................................. 28
Hình 3.4. Cân Nhơn Hịa .......................................................................................... 29

Hình 3.5. Cân điện tử Sartorius do Nhật sản xuất ..................................................... 30
Hình 3.6. Máy đo độ ẩm Sartorius – mẫu đo trên máy và thao tác đo ....................... 30
Hình 3.7. Đồng hồ áp kế ........................................................................................... 30
Hình 3.8. Manometer (áp kế chữ U) ......................................................................... 30
Hình 3.9. Ống nghiệm định lượng và ông xiphong đo tiêu thu dầu loại 60ml ........... 31
Hình 3.10. Dụng cụ đo số vịng quay ........................................................................ 31
Hình 3.11. Dụng cụ đo nhiệt độ trấu, đo nhiệt độ vách ............................................. 32
Hình 3.12 .Dụng cụ đo điện HIOKI 3286 ................................................................. 32
Hình 3.13. Dụng cụ đo thơng số khơng khí ẩm ......................................................... 33


xiv
Hình 3.14. Dụng cụ xác định khối lượng riêng và khối lượng riêng của vật liệu rời. 33
Hình 3.15. Dụng cụ đo vận tốc gió Windmeter và DAF80WP .................................. 34
Hình 3.16. Dụng cụ đo lưu lượng khơng khí............................................................. 34
Hình 3.17. Dụng cụ và thao tác đo áp suất ................................................................ 35
Hình 3.18. Cách bố trí dụng cụ đo lỗ orifices trên đường ống cấp khí vào buồng phản
ứng ........................................................................................................................... 35
Hình 3.19. Thiết bị phân tích thành phần khí Gasboard – 3100P............................... 37
Hình 3.20. Ngun lý đo của thiết bị phân tích thành phần khí ................................. 38
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống hóa khí trấu cấp nhiên liệu liên tục cho động cơ........ 48
Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc vỏ lị phản ứng hóa khí ...................................................... 54
Hình 4.3. Sơ đồ truyền nhiệt qua vách ...................................................................... 56
Hình 5.1. Sơ đồ bố trí các thiết bị thí nghiệm............................................................ 72
Hình 5.2: Máy phát điện MF5 và cụm phụ tải........................................................... 73
Hình 5.3. Sơ đồ đấu dây mạch điện phụ tải............................................................... 73
Hình 5.4. Đồ thị quan hệ giữa SGR và vận tốc khí qua bề mặt ................................. 77
Hình 5.5. Đồ thị quan hệ giữa dầu thay thế và vận tốc khí qua bề mặt ...................... 79
Hình 5.6. Đồ thị quan hệ giữa công suất phát điện và vận tốc khí qua bề mặt .......... 81
Hình 5.7. Đồ thị quan hệ giữa SGR và khối lượng thể tích ....................................... 86

Hình 5.8. Đồ thị quan hệ giữa dầu thay thế và khối lượng thể tích ............................ 88
Hình 5.9. Đồ thị quan hệ giữa công suất phát điện và khối lượng thể tích ................. 89
Hình 5.10. Đồ thị quan hệ giữa SGR và độ ẩm ......................................................... 93
Hình 5.11. Đồ thị quan hệ giữa dầu thay thế và độ ẩm ............................................. 95
Hình 5.12. Đồ thị quan hệ giữa cơng suất phát điện và độ ẩm .................................. 97


xv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Thứ nguyên

Ý nghĩa

Alv

(%)

Lượng tro tính theo thành phần làm việc trong nhiên
liệu

B

(kg.h)

Lượng trấu tiêu hao

D

(m)

Đường kính lị phản ứng

d

(m)

Đường kính cổ lị ở đầu vào ngun liệu

d1, d2

(m)

Đường kính trong/ngồi lớp vỏ trong của thiết bị

d3

(m)

Đường kính trong của lớp vỏ ngồi

DR

(%)

Phần trăm thay thế dầu Diesel

dx

(m)

Đường kính danh nghĩa của vách trụ

F

(m2)

Diện tích mặt cắt ngang của lị phản ứng

F1

(m2)

Tổng tiết diện kênh dẫn và tiết diện lò phản ứng

FCR

(kg/h)

Lượng nguyên liệu được đốt cháy trong 1 giờ

Fgas

(m2)

Diện tích mặt cắt ngang của dịng khí gas đi qua

G1

(kg/h)

Khối lượng trấu đưa tiêu hao trong 1 giờ

Ged

(ml/kW)

Chi phí nhiên liệu riêng khi động cơ chạy hồn tồn dầu
Diesel

Ghedg

(ml/kW)

Chi phí nhiên liệu riêng khi động cơ chạy dầu Diesel và
khí

Gnl

(m3/h)

Lưu lượng gas tiêu hao cho động cơ

Gph

(kg/s)

Lượng hơi nước dùng phun mazut thành bụi

Gtrấu

(kg)

Khối lượng trấu đưa vào buồng đốt

H

(m)

Chiều cao của lò phản ứng

H1

(m)

Chiều cao của lớp nguyên liệu để thực hiện phản ứng

H2

(m)

Chiều cao cổ lò

Hi

(kJ/m 3)

Nhiệt trị của thành phần thứ i trong hỗn hợp gas

hL

(N/m2)

Tổn thất qua lớp nguyên liệu

HVf

(kJ/h )

Nhiệt trị của nhiên liệu

k

(W/m2.độ )

Hệ số truyền nhiệt

K

(oK)

Nhiệt độ bên trong thiết bị hóa khí


xvi
kL

(W/m.độ )

Hệ số truyền nhiệt qua vách trụ

LHV

(MJ/m3)

Lower heating value

Li

(J)

Công suất chỉ thị của động cơ

M

(kg)

Tổng lượng trấu tiêu thụ thí nghiệm khảo sát

mgas

(kg)

Lượng gas thu được khi đốt cháy hồn tồn 1kg trấu

q

(W/m )

Mật độ dịng nhiệt qua vách

Q

(kcal/kg)

Nhiệt trị tính theo cơng thức Mendelep

Q

(kcal/kg)

Nhiệt trị cao làm việc của ngun liệu

Qgas

(kJ/(m 3.h))

Nhiệt trị của gas

Qkk

(m3/h)

Lưu lượng khơng khí cần thiết cho quá trình cháy

Qnl

(kcal/m3)

Nhiệt trị thấp của gas

Q

(kcal/kg)

Nhiệt trị thấp làm việc của nguyên liệu

Qtr

(kcal/kg)

Nhiệt trị thu được khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu trấu

R

Tiêu chuẩn Reynolds

RO2

Sản phẩm khí 3 ngun tử trong khói (CO2 và SO2)

SGR

(kg/(m2.h))

Tốc độ hóa khí của trấu

t

(oC)

Nhiệt độ bên trong của buồng khí hóa

toc

(oC)

Nhiệt độ bầu khơ

tuoc

(oC)

Nhiệt độ ướt

tdsoc

(oC)

Nhiệt độ điểm sương

ttb

(oC)

Nhiệt độ trung bình bên trong của thiết bị sinh khí

tg

(oC)

Nhiệt độ của dòng gas

tw1

(oC)

Nhiệt độ vách trong của vỏ buồng

tw2

(oC)

Nhiệt độ vách ngồi của vỏ buồng

v

(m/s)

Vận tốc của dịng khơng khí trong thiết bị khí hóa

Vb

(m3)

Thể tích của lị phản ứng hóa khí

V

(m3/kg)

Thể tích cacbondioxit trong khói

vg

(m/s)

Vận tốc của dịng gas đi trong kênh dẫn

V

(m3/kg)

Thể tích hơi nước thực tế trong khói

V

(m3/kg)

Thể tích khói khi đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên liệu

V

(m3/kg)

Thể tích hơng khí khơ cần thiết để đốt cháy hoàn toàn

xvii
1kg ngun liệu
V

(m3/kg)

Khơng khí khơ cần thiết để đốt cháy hồn tồn 1kg
nhiên liệu

Vkh

(m3/kg)

Thể tích khói

V

(m3/kg)

Thể tích hơi nito thực tế trong khói

V

(m3/kg)

Thể tích SO2 trong khói

Wlv

(%)

Lượng ẩm tính theo thành phần làm việc của nhiên liệu

Xi

(%)

Phần trăm thể tích thành phần khí thứ i trong hỗn hợp
gas

∆P

(Pa)

Tổn thất cục bộ ở thiết bị lò phản ứng

∆PL

(Pa)

Tổng trở lực ở thân của thiết bị hóa khí

α
α1, α2

Hệ số khơng khí
(W/m2.độ)

β

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ở hai bề mặt vách trong/ngồi
Hệ số nhiệt của khí

δ

(mm)

Bề dày vách trụ

δ1

(mm)

Khoảng hở cần thiết của kênh dẫn gas

δ2

(mm)

Chiều dày lớp thép Cromniken

δ3

(mm)

Khoảng hở kênh khơng khí cách nhiệt

ζ

Hệ số tổn thất cục bộ ở các vị trí đang xét

ζL

Hệ số trở lực của lớp trấu

λ

(W/m.độ )

Hệ số dẫn nhiệt của khơng khí

ρ

(kg/m3)

Khối lượng thể tích của trấu

ρgas

(kg/m3)

Khối lượng riêng của khí

ρo

(kg/m3)

Khối lượng riêng của trấu

υ

(m2/s )

Hệ số nhớt động học của khí



(%)

Hiệu suất hóa khí

ch

(%)

Hiệu suất cháy của nhiên liệu trấu



(h)

Thời gian lưu của ngun liệu trong buồng hóa khí

bu

(phút)

Thời gian hoạt động của buồng hóa khí

xviii
Chữ viết tắt
SGR

Tốc độ khí hóa

N

Cơng suất phát điện

DR

Tỷ lệ thay thay thế dầu diesel

ER

Hệ số hố khí (hệ số ER)

QHTN

Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

TBĐTHK

Thiết bị đốt trấu hóa khí


Luận văn Thạc sĩ

Trang 1

HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện đại hóa và cơng nghiệp hóa đã kéo theo sự ơ nhiễm mơi trường tồn cầu do vậy
vấn đề về môi trường sống của con người đang được cả thế giới quan tâm. Vấn đề gây biến
đổi khí hậu có nhiều thủ phạm, tuy nhiên thủ phạm chính gây biên đổi khí hậu được cả thế
giới chỉ ra là việc sử dụng đốt các nhiên liệu hóa thạch. Khi nhiên liệu hóa thạch được đốt,
Carbon từ nhiên liệu sẽ phản ứng với Oxy trong khơng khí để sinh ra khí Carbonic làm tăng
lượng khí Carbonic trong khí quyển góp phần tới 50% tác nhân hiệu ứng nhà kính làm biến
đổi khí hậu tồn cầu.

Phát thải khí từ việc đốt than dầu Phát thải khí từ viẹc đốt
DO, FO trong các

đồng trong sản xuất

nhà máy phát điện

nông nghiệp

Biểu tượng khí CO2 vào khí quyển
trái đất hàng ngày

Hình 1.1. Nguồn phát thải khí CO2 vào khí quyển

GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên


Luận văn Thạc sĩ

HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh

Trang 2

Bảng 1.1. Nguồn gây phác thải CO2 vào mơi trường sống.
Nguồn

Trung bình

Dao động

Đốt nhiên liệu hóa thạch

21

14 – 28

Đốt cháy sinh khối

5,1

3,6 – 6,7

Từ các quá trình trong đất

8

4 – 16

Sấm sét

8

2 -20

Oxy hóa NH3 trong khí quyển
-

Từ tầng bình lưu

-

Từ các máy bay
Tổng số

0,5
0,25
50

20 - 90

Trong môi trường sống cân bằng thì khi nguyên liệu sinh khối bị cháy, CO2 được
giải phóng vào khí quyển và sẽ được cây trồng hấp thụ trong quá trình quang hợp, giữ cho
hàm lượng CO2 trong khí quyển được ổn định.Vấn đề này chỉ cịn là khái niệm của đời sống
của thế kỷ trước.

Hình 1.2. Sự chuyển hóa CO2 trong tự nhiên khi cây rừng trên trái đất còn nhiều
Một trong những cách hạn chế hàm lượng CO2 trong khí quyển là sử dụng nguyên
liệu sinh khối (gỗ, phần còn lại của cây trồng, rác thải rắn, rác thải động vật, rác cống và
rác từ thức ăn…) dưới dạng sinh hóa (Biogas) hoặc khí hóa (gasification) hai q trình này
đều tạo ra các loại khí cháy (Hydro và Mono Carbon, CH4…)
Trong những năm gần đây, thế giới quan tâm đến nguồn năng lượng tái tạo và công
nghệ tạo nguồn năng lượng từ nguyên liệu sinh khối nhằm thế nguồn năng lượng hóa thạch
GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên


Luận văn Thạc sĩ

Trang 3

HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh

đang ngày một cạn kiệt vừa làm giảm tác động đến xấu đến mơi trường. Ngồi ra việc sử
dụng năng lượng sinh khối cịn góp phần hướng đến tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng
lượng từ quá trình sản xuất trong nông nghiệp, lâm nghiệm và chế biến thực phẩm. Công
nghệ hóa khí ngun liệu sinh khối là một trong những kỹ thuật được các nhà khoa học của
thế giới quan tâm trong đó có các nhà nghiên cứu về năng lượng của Trường Đại học Công
nghiệp TP HCM và Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh cùng các học viên cao học tập làm
nghiên cứu.
1.2. Giới hạn đề tài
Tác giả tập trung vào cơng việc khảo nghiệm lị phản ứng trấu khí hóa để cung cấp
nhiên liệu vận hành cho động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu kép gồm khí hóa và dầu Diesel
dùng để kéo tổ máy phát điện quy mơ nhỏ, cơng suất 5,5kW trong đó nhiên liệu khí hóa có
thể thay thế được 60 - 70% dầu Diesel [16]. Từ kết quả trên mơ hình này sẽ góp phần cho
việc thiết kế và xây dựng chế độ vận hành cho buồng phản ứng khí hóa của đề tài quốc gia

KC05.02/11/15 [3].
Đề tài được thực hiện kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để tìm ra chế độ vận
hành hợp lý cho q trình khí hóa trấu nhằm cung cấp được nhiên liệu khí có thành phần
cháy cao nhất, ổn định nhất để đảm bảo khả năng thay thế nhiên liệu Diesel phạm vi 60 70% [3].
Do tính phức tạp và khối lượng cơng việc rất lớn, nên các nội dung khác liên quan đến
phần lọc khí, bộ hịa trộn khí và dầu Diesel, …; tác giả kế thừa thiết bị và các kết quả nghiên
của các tác giả trong và ngoài nước để phục vụ cho nội dung nghiên cứu.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
1. Có kiến thức về cơng nghệ đốt trấu khí hóa ứng dụng làm nhiên liệu cung cấp
cho động cơ phát điện.
2. Xác định và xây dựng được các thông số của chế độ trấu hóa khí ảnh hưởng đến
chất lượng sản phẩm khí hóa để đảm bảo cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ
đốt trong để kéo tổ máy phát điện và có khả năng thay thế được 60 - 70 % nhiên
liệu dầu Diesel.

GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên


Luận văn Thạc sĩ

Trang 4

HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh

1.4. Nội dung nghiên cứu
1. Tìm hiểu cơng nghệ khí hóa và nguyên liệu sinh khối theo hướng nghiên cứu ứng
dụng được cho thực tiễn ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
2. Thực hiện thực nghiệm trên mơ hình đã chế tạo để xây dựng và xác định các
thông số công nghệ hợp lý ảnh hưởng đến các phụ tải điện và khả năng thay thế
60-70 % nhiên liệu Diesel của tổ máy phát điện.

3. Tính tốn thiết kế và cải thiện lị phản ứng đốt trấu hóa khí để cung cấp nhiên
liệu khí cho tổ hợp động cơ Diesel kéo tổ máy phát điện công suất 5,5kW với khả
năng thay thế dầu Diesel từ 60-70%.
4. Chế tạo mơ hình đốt trấu hóa khí theo thiết kế của đề tài đã đặt ra trong mục tiêu
nghiên cứu.
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Vấn đề ô nhiễm môi trường gây ra từ việc đốt trấu cháy trực tiếp thải khí vào mơi
trường và việc sử dụng trấu thải từ các nhà máy xay xát để cung cấp năng lượng trở lại cho
nhà máy xay xát đang là vấn đề thời sự đang được cả thế giới quan tâm trong đó có ngành
năng lượng của Việt Nam.
Tình trạng thiếu điện trong mùa khô là vấn đề nan giải của ngành điện lực Việt Nam
trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng suy giảm thì việc khuyến khích các
đơn vị đầu tư cho các dây chuyền tự cung tự cấp điện cũng đang được xúc tiến mạnh ở Việt
Nam nói chung và đăc biệt là khu vực đồng bằng sơng Cửu Long nói riêng.
Nội dung cơ bản của đề tài này là nghiên cứu công nghệ khí hóa trấu để cung cấp
nhiên liệu khí sử dụng tổ hợp động cơ diesel chạy máy phát điện sử dụng ở quy mơ nhỏ,
làm nền tảng cho việc tính toán thiết kế và phát triển tổ máy phát điện sử dụng ngun liệu
trấu khí hóa có quy mơ lớn sử dụng nguồn nguyên liệu trấu có sẵn ở các nhà máy xay xát
lúa khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Như vậy, sự thành công của đề tài này sẽ góp một
phần nhỏ cho việc phát triển bền vững việc sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo được có nhiều
tiềm năng ở nước ta, đặc biệt là trấu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, nhằm đảm bảo vấn
đề môi trường, nâng cao đời sống người dân khu vực nông thôn và phát triển nền kinh tế
nông nghiệp.

GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên


Luận văn Thạc sĩ

Trang 5

HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh

1.6. Cơ sở thực hiện đề tài nghiên cứu
Đề tài mà tác giả thực hiện được dựa trên mơ hình bếp đun trấu khí hóa của Trung tâm
tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ máy công nghiệp, nay khi chuyển qua nghiên cứu
làm buồng đốt cấp nhiên liệu khí cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép trở nên không
phù hợp.
Mơ tả mơ hình bếp đun trấu khí hóa và các tồn tại

Hình 1.3. Mơ hình bếp đun trấu khí hóa
GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên