Nghiên cứu, thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa đến chất lượng của sản phẩm khí hóa từ nhiên liệu than đá và trấu trên mô hình khí hóa kiểu nghịch

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tên đề tài: “Nghiên cứu, thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa đến chất lượng của sản phẩm khí hóa từ nhiên liệu than đá và t

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tên đề tài: “Nghiên cứu, thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các tác nhân

khí hóa đến chất lượng của sản phẩm khí hóa từ nhiên liệu than đá và trấu trên mô hình khí hóa kiểu nghịch”

Mã s ố đề tài: IUH.KNL09/15

Ch ủ nhiệm đề tài: Lê Đình Nhật Hoài

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

Tp H ồ Chí Minh, tháng 7/2018

✓ Phòng Quản lý Khoa học & Hợp tác Quốc tế, Trường Đại học Công nghiệp TPHCM

✓ Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Công nghiệp TPHCM

✓ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ - Máy công nghiệp (R&D Tech - IUH)

✓ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí, Viện Dầu khí Việt Nam

✓ Các Thầy/Cô, các chuyên gia, các đồng nghiệp đã hỗ trợ, tư vấn, đóng góp ý kiến cho

Đề tài

✓ Các sinh viên đã hỗ trợ công tác thí nghiệm

Chủ nhiệm Đề tài

Lê Đình Nhật Hoài

PH ẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin t ổng quát

1.1 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa

đến chất lượng của sản phẩm khí hóa từ nhiên liệu than đá và trấu trên mô hình khí hóa kiểu nghịch”

5 Nguyễn Hoàng Khôi (NCS.ThS)

6 Dương Tiến Đoàn (Thạc sỹ) Trung tâm R&D Tech

1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

1.5 Th ời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 9 năm 2015 đến tháng 3 năm 2017

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 9 năm 2017

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 11 năm 2015 đến tháng 5 năm 2018

1.6 Nh ững thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(V ề mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý ki ến của Cơ quan quản lý)

1.7 T ổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 75 triệu đồng.

II K ết quả nghiên cứu

1 Đặt vấn đề

Các nghiên cứu cũng như ứng dụng về lĩnh vực khí hoá ở Việt Nam chưa nhiều, chủ

yếu là dưới dạng thăm dò trong các chương trình nghiên cứu và ứng dụng rải rác ở các nhà máy thép và lò nung gạch, gốm

Hiệu suất nhiệt của quá trình khí hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tác nhânkhí hóa là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng và nhiệt trị của sản

phẩm khí (syngas)

Tác nhân sử dụng cho quá trình khí hóa ở Việt Nam tại thời điểm thực hiện đề tài

mới sử dụng không khí mà chưa có các công bố về công nghệ khí hóa sử dụng tác nhân khác như O2, hơi nước kết hợp

2 M ục tiêu

− Nâng cao kiến thức, khả năng nghiên cứu của giảng viên thực hiện đề tài và góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy cho Sinh viên Đề tài có liên quan đến nhiều môn học đang được giảng dạy tại đơn vị là Kỹ thuật cháy, Năng lượng tái tạo, Tiết kiệm và sử

dụng hiệu quả năng lượng

− Thiết kế, chế tạo được một thiết bị khí hoá có thể dùng cho cả nhiên liệu than đá hoặc nhiên liệu trấu Giúp cho sinh viên Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh được tiếp cận với mô hình khí hóa sử dụng các loại tác nhân khí hóa khác nhau

− Xác định ảnh hưởng của tác nhân khí hóa (không khí, oxi, không khí/oxi có thêm hơinước) đến nhiệt trị của sản phẩm khí trên mô hình thiết bị đã chế tạo

3 Phương pháp nghiên cứu

-Phương pháp chuyên gia:

Tận dụng kinh nghiệm của các chuyên gia có nhiều kiến thức và kinh nghiệm về lãnh

vực khí hoá để phục vụ cho công tác nghiên cứu lý thuyết, thiết kế, chế tạo, vận hành, bảo trì và sửa chữa mô hình

-Phương pháp thực nghiệm:

Xây dựng chế độ công nghệ khí hoá, thực nghiệm, so sánh kết quả hoạt động của thiết bị hóa khí khi sử dụng các loại tác nhân khác nhau đối với từng loại nhiên liệu khác nhau theo hướng đề tài đã lựa chọn

Xác định các thông số công nghệ hợp lý và biện pháp hiệu chỉnh các thông số đó

hơi nước có làm tăng nhiệt trị sản phẩm khí, nhưng không đáng Thực nghiệm cũng cho

thấy, với tỷ số S/F = 0,5 thì chất lượng sản phẩm khí là tốt nhất

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Thành phần syngas thay đổi nhiều khi thay đổi tỷ lệ (ER) cho trường hợp sử dụng không khí làm tác nhân khí hóa Với ER = 0,25 thì mô hình thí nghiệm cho ra sản phẩm khí

Việc lựa chọn loại tác nhân cho quá trình khí hóa phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm khí tổng hợp (syngas) mong muốn Nếu sử dụng hệ thống khí hóa sản xuất khí syngas và ứng dụng để đốt tạo nhiệt, nên dùng không khí làm tác nhân Nếu hơi nước có sẵn thì có thể

trộn lẫn hơi nước với không khí để sản phẩm syngas cho nhiệt trị cao hơn Nếu muốn thu khí tổng hợp làm nguyên liệu để tổng hợp hóa học thì nên dùng oxy làm tác nhân

6 Tóm t ắt kết quả

The thermal performance of the gasification process depends on many factors, in which gasification agent is one of the major factors affecting the quality and heat value of syngas This research uses the empirical method to determine the effect of the gasification agent on the quality and heat value of the syngas when changing the composition of oxygen and steam Experimental model of gasification using rice husk and coal materials with type

of Top Lift UpDraft gasifier (TLUD) The results show that when using the air as an agent,

at the equivalent ratio (ER) of about 0.25, the gas product produces the highest calorific value When we use the oxygen as the gasification agent, the heat value increases considerably, but it’s requires a pure oxygen supply The addition of steam increased the calorific value of the gas product, but was negligible (an increase of 0.28% as the S/A ratio went from 0 to 7) The experiment also showed that with the ratio of S/A = 0.5, the quality

of gas products is the best

III S ản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1 K ết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

Gia công chế tạo phù

hợp với điều kiện công nghệ chế tạo trong nước

của tác nhân khí hóa

đến hiệu suất hóa khí và

nhiệt trị khí

Theo quy định của Phòng QLKH Theo quy định của

Phòng QLKH

5 Mô hình thiết bị khí hóa

lắp đặt tại Khoa Công

phẩm khí hóa khi sử dụng than

đá trên mô hình khí hoá kiểu nghịch

-Đánh giá ảnh hưởng của lưulượng không khí, oxi, hơi nước đến hiệu suất và chất lượng sản

phẩm khí hóa khi sử dụng trấu trên mô hình khí hoá kiểu nghịch

dụng than đá và trấu trên

mô hình khí hoá kiểu nghịch

3.2 K ết quả đào tạo

TT H ọ và tên th ực hiện đề tài Th ời gian Tên chuyên đề nếu là NCSTên đề tài

Tên lu ận văn nếu là Cao học Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

A Chi phí tr ực tiếp

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 19 19

V Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Quá quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã nâng cao được ý thức và khảnăng nghiên cứu khoa học, đã tích lũy thêm được nhiều kiến thức hỗ trợ cho việc dạy học được tốt hơn Chúng tôi cũng có một số góp ý đến nhà trường và các nhà nghiên cứu khác như sau:

− Nhà trường nên xây dựng bộ cơ sở dữ liệu về các đề tài nghiên cứu để dễ dàng trong

việc quản lý, tiếp thị và tra cứu các kết quả nghiên cứu

− Nhà trường cần trang bị thêm các thiết bị thí nghiệm để phục vụ công tác nghiên cứu khoa học của GV; cần thành lập phân xưởng gia công các chi tiết nhỏ lẻ hỗ trợ cho

việc xây dựng mô hình

− Nhà trường nên xây dựng các phòng nghiên cứu thực nghiệm đặc thù cho các khoa

để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện các thí nghiệm

− Nên thực nghiệm trên nhiều loại nguyên liệu khác nhau để có nhiều cơ sở dữ liệu

phục vụ công tác nghiên cứu về công nghệ khí hóa

PH ẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

M ỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 12

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ NHIÊN LIỆU THAN ĐÁ VÀ TRẤU 16

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU RẮN 16

1.1.1Khái niệm chung 16

1.1.2Các đặc tính chung của nhiên liệu rắn 16

1.1.2.1 Thành phần hoá học của nhiên liệu rắn 16

1.1.2.2 Thành phần công nghệ của nhiên liệu rắn 17

1.2 TÌM HIỂU VỀ THAN ĐÁ 18

1.2.1 Khái niệm và phân loại than đá 18

1.2.1.1 Khái niệm 18

1.2.1.2 Phân loại 19

1.2.2 Ứng dụng của than đá 21

1.2.3 Trữ lượng và phân bố than đá ở Việt Nam 21

1.2.3.1 Trữ lượng than đá ở Việt Nam 21

1.2.3.2 Phân bố than ở Việt Nam 21

1.2.4 Thành phần và các đặc tính công nghệ của than đá 22

ần của than đá 22

1.3.2.2 Phân bố 27

1.3.6 Thành phần của trấu 27

1.3.7 Các đặc tính công nghệ của trấu 29

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 31

2.1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU NGHIÊN CỨU 31

2.2 QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 32

2.2.1 Trên thế giới 32

2.2.2 Ở Việt Nam 34

2.2 NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 37

2.2.1 Tổng quan về nguyên lý khí hóa 37

2.2.2 Các phản ứng trong quá trình khí hóa 39

2.2.3 Các vùng làm việc chính trong quá trình khí hóa 40

2.3 SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA VÀ ỨNG DỤNG 41

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA KHÍ 42

2.4.1 Phương pháp khí hóa tầng cố định 42

2.4.1.1 Phương pháp thuận dòng (downdraft) 42

2.4.1.2 Phương pháp ngược dòng (updraft) 45

2.4.1.3 Phương pháp hỗn hợp (thổi ngang, crossdraft) 45

2.4.2 Phương pháp khí hóa tầng sôi 46

2.5 CÁC LOẠI TÁC NHÂN KHÍ HÓA 48

2.5.1 Không khí 48

2.5.2 Oxy 49

2.5.3 Hơi nước 50

2.5.4 Hyđro 51

2.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH VÀ CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM KHÍ 51

2.6.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu 51

2.6.1.1 Độ ẩm của nhiên liệu 51

2.6.1.2 Ảnh hưởng của nhựa trấu 53

2.6.1.3 Ảnh hưởng của tro xỉ 53

2.6.1.4 Ảnh hưởng của sản phẩm chưng khô 53

2.6.1.5 Ảnh hưởng của nhiệt trị nhiên liệu 54

2.6.1.6 Kích thước của các hạt nhiên liệu 54

2.6.1.7 Ảnh hưởng của mật độ khối lượng nhiên liệu 54

2.6.1.8 Ảnh hưởng của hình dạng nhiên liệu 54

2.6.2 Ảnh hưởng của kết cấu lò hóa khí 54

2.6.3 Ảnh hưởng của điều kiện vận hành lò hóa khí 55

2.7 TÌM HIỂU CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 57

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KHÍ HÓA 59

3.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 59

3.2 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRÊN HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 59

3.3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CHÍNH TRÊN HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 60

3.3.1 Tính toán, thiết kế cụm buồng phản ứng 60

3.3.2 Tính toán, thiết kế cụm thiết bị giải nhiệt 61

3.3.3 Tính toán, thiết kế cụm thiết bị lọc 64

3.3.4 Tính toán, lựa chọn quạt cấp không khí 64

3.3.5 Tính toán, lựa chọn quạt tạo áp 67

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN ĐẾN THÀNH PHẦN CỦA SẢN PHẨM KHÍ 70

4.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 70

4.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 70

4.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu, kiểm tra mô hình - thiết bị 70

a Chuẩn bị nguyên liệu 70

b Kiểm tra hệ thống thiết bị 70

4.2.2 Quy trình thực nghiệm 71

a Nạp nguyên liệu 71

b Cấp không khí vào lò 71

c Mồi lửa 71

d Cho hệ thống chạy và lấy mẫu 71

e Kết thúc thí nghiệm 72

4.3 DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 72

4.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 75

4.4.1 Khí hóa với không khí 75

4.4.2 Khí hóa với oxy tinh khiết 78

4.4.3 Khí hóa với hơi nước 80

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 83

5.1 KẾT LUẬN MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 83

5.2 KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tổng hợp khả năng khai thác than của Việt Nam đến năm 2030 21

Bảng 1.2: Trữ lượng than phân theo các cấp và các chủng loại than của Việt Nam [1] 22

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của than đá [2] 22

Bảng 1.4: Sản lượng lúa của Việt Nam năm 2005 và 2016 (nghìn tấn) 26

Bảng 1.5: Tiềm năng lý thuyết về nguồn trấu ở Việt Nam đến năm 2035 [5] 27

Bảng 1.6: Thành phần chính của vỏ trấu ở một số giống lúa [3] 28

Bảng 1.7: Đặc trưng thành phần hóa học của vỏ trấu [6] 28

Bảng 1.8: Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu [6] 29

Bảng 1.9: Thành phần công nghệ của trấu (% theo khối lượng) 29

Bảng 1.10: Thành phần làm việc của trấu (%) [7] 29

Bảng 1.11: Thành phần hóa học của tro đốt từ vỏ trấu [6] 29

Bảng 2.1 Nhiệt độ phụ thuộc vào trạng thái cân bằng nước - khí không đổi [7] 40

Bảng 3.1: Các thông số của khói và nước [14] 61

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Than nâu 19

Hình 1.2: Than đá 19

Hình 1.3: Than gầy 20

Hình 1.4: Than khí 20

Hình 1.5: Than antraxit 20

Hình 1.6: Cấu tạo hạt lúa 23

Hình 1.7: Vỏ trấu 24

Hình: 1.8: Cấu trúc mặt cắt ngang của vỏ trấu [3] 24

Hình 1.9: Lò đốt trấu dùng trong gia đình và để nung gạch 25

Hình 1.10: Củi trấu ép 25

Hình 1.10: Trữ lượng trấu của Việt Nam qua các năm (triệu tấn) [4] 27

Hình 2.1: Minh họa quá trình tuần hoàn CO2 khi đốt sinh khối 31

Hình 2.2: Sử dụng nhiên liệu khí hoá phục vụ phương tiện vận tải 32

Hình 2.3: Sử dụng nhiên liệu khí hoá phục vụ máy nông nghiệp 32

Hình 2.5: Buồng đốt trấu hoá khí cấp cho máy sấy lúa liên tục kiểu tháp năng suất 5 tấn/giờ của tác giả Bùi Trung Thành công bố 9.1993 35

Hình 2.6: Bếp đốt khí hóa trấu thử nghiệm của Trung tâm R&D Tech - Đại học Công nghiệp TP HCM công bố 5-2010 36

Hình 2.7: Các mẫu bếp đun trấu hóa khí của Công ty cổ phần Vina Silic công bố tháng 3/2010 36

Hình 2.8: Thiết bị hóa khí cung cấp nhiệt cho lò gạch gốm Tân Mai tại Sa Đéc – Đồng Tháp 37

Hình 2.9: Sơ đồ mô tả sản phẩm khí hóa từ sinh khối và các ứng dụng 38

Hình 2.10: Quá trình hóa khí và các dạng sản phẩm 41

Hình 2.11: Các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa thuận dòng 44

Hình 2.12: Thiết bị khí hoá theo nguyên lý ngược dòng 45

Hình 2.13: Các chế độ tầng sôi (Nguồn Grell và Hirschlelder 1998) 47 Hình 2.14:Ảnh hưởng của chiều cao và độ ẩm của nhiên liệu đến quá trình khí hóa52

Hình 2.15: Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi áp suất thay đổi ứng với nhiệt độ

1000 0 C [11] 55

Hình 2.16: Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi nhiệt độ thay đổi với áp suất 30bar [11] 56

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm 60

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của mô hình khí hóa kiểu ngược chiều TLUD 60

Hình 3.3: Đồ thị tra tổn thất áp suất của dòng khí khi đi qua lớp trấu [7] 66

Hình 4.1: Nguyên liệu 70

Hình 4.2: Chủ nhiệm đề tài đang thực hiện lấy mẫu và mô hình thí nghiệm khí hóa 72 Hình 4.3: Dụng cụ đo vận tốc khí SDL350 72

Hình 4.4:Ống nghiệm chứa syngas để đi phân tích 73

Hình 4.5.:Chủ nhiệm đề tài bên máy sắc ký Agilent 7890A 73

Hình 4.6: Nhiệt lượng kế T136D và thiết bị đo lưu lượng syngas 73

Hình 4.7: Đồ thị ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến thành phần sản phẩm khí khi thực nghiệm khí hóa trấu 76

Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số ER với nhiệt trị khí sinh ra khi khí hóa trấu 76

Hình 4.9: Đồ thị ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến thành phần sản phẩm khí khi thực nghiệm khí hóa than 77

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số ER với nhiệt trị khí sinh ra khi khí hóa than 77 Hình 4.11: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ oxy đến thành phần sản phẩm khí khi thực

Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ hơi nước với thành phần khí sinh

ra khi khí hóa trấu 80Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ hơi nước với nhiệt trị khí sinh ra khi khí hóa trấu 81Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ hơi nước với thành phần khí sinh

ra khi khí hóa than 81Hình 4.18: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ hơi nước với nhiệt trị khí sinh ra khi khí hóa than 81

M Ở ĐẦU

Trong tờ trình chính phủ về dự án luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả BộCông Thương dự báo, đến cuối thế kỷ này, các nguồn năng lượng của Việt Nam sẽ trở nên khan hiếm, các mỏ dầu và khí đốt sẽ dần cạn kiệt

Trong khi đó, tình trạng lãng phí năng lượng trong sản xuất công nghiệp, xây dựng dân dụng và giao thông vận tải, của nước ta hiện nay là rất lớn Hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, dầu của nước ta chỉ đạt từ 28-32%, thấp hơn so với các nước phát triển khoảng 10%, hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt khoảng 60%, thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%

Như vậy, việc sử dụng hiệu quả năng lượng trở thành vấn đề đặt biệt quan trọng khi hao tổn năng lượng trong sản xuất, giao thông của nước ta đang quá cao Dự báo Việt Nam đang và sẽ trở thành nước phải nhập khẩu năng lượng với khoảng 80-100 triệu tấn than đávào năm 2020 để hoạt động các nhà máy nhiệt điện

Đứng trước các vấn đề mang tính toàn cầu đó, con người đang cấp bách đưa ra các

giải pháp cải thiện tình hình như phải sử dụng tiết kiệm và nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng, ngoài ra phải chuyển sang khai thác và sử dụng những loại năng lượng

có sẵn, thân thiện với môi trường Khai thác có kế hoạch, sử dụng tiết kiệm, hợp lí các nguồn năng lượng không tái tạo và nghiên cứu giải pháp sử dụng hiệu quả các nguồn nănglượng tái tạo, nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch luôn nằm trong kế hoạch phát triển bền vững của từng quốc gia

Công nghệ khí hóa đã được biết đến từ thế kỷ 17 như là một giải pháp nhằm sử dụng

hiệu quả nguồn nhiên liệu rắn có sẵn Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, trong đó tác nhân khí hóa là một trong những thành phần chính ảnh hưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm khí thu được Ở Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu vê công nghệkhí hóa nhưng chủ yếu là nghiên cứu áp dụng trong một nhu cầu cụ thể nào đó mà chưa cócông bố về ảnh hưởng của tác nhân Đề tài này nhằm mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ

lệ tác nhân đến chất lượng của khí gas thu được từ quá trình khí hóa, tác nhân nghiên cứu là

không khí, oxy và hơi nước bổ sung, nhiên liệu sử dụng là than đá hoặc trấu Kết quả nghiên

cứu nhằm bổ sung về lý thuyết và thực tiễn của công nghệ khí hóa nhằm góp phần cải thiện

hiệu quả sử dụng công nghệ, tiến tới phát triển hệ thống thiết bị khí hóa phục vụ cho sản

xuất trong thực tiễn

CHƯƠNG 1

TÌM HI ỂU VỀ NHIÊN LIỆU THAN ĐÁ VÀ TRẤU

1.1 T ỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU RẮN

1.1.1 Khái ni ệm chung

"Nhiên liệu" là "vật chất được sử dụng để giải phóng năng lượng khi cấu trúc vật lý

hoặc hóa học bị thay đổi" Nhiên liệu giải phóng năng lượng thông qua quá trình hóa học như cháy hoặc quá trình vật lý, ví dụ phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch

Tính năng quan trọng của nhiên liệu đó là năng lượng có thể được giải phóng khi

cần thiết và sự giải phóng năng lượng được kiểm soát để phục vụ mục đích của con người

Căn cứ vào trạng thái chia nhiên liệu thành 3 nhóm: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí

1.1.2 Các đặc tính chung của nhiên liệu rắn

1.1.2.1 Thành ph ần hoá học của nhiên liệu rắn

Trong nhiên liệu rắn, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:

a Cacbon (C)

Là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1

kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34,150 kJ/kg Vì vậy lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy

Là thành phần cháy trong nhiên liệu Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên

kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết Sunfat Ss Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thểtham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới

dạng CaSO4, MgSO4 , FeSO4 , những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu Vì vậy: S = Shc+ Sk+ Ss= Sc+ Ss

Lưu huỳnh nằm trong nhiên liệu rắn ít hơn trong nhiên liệu lỏng Nhiệt trị của lưu

huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2 hoặc

SO3 Lúc gặp hơi nước SO3dễ hoà tan tạo ra axit H2SO4gây ăn mòn kim loại Khí SO2thải

ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu

d Oxy(O) và Nitơ (N)

Là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng Sự có mặt của oxy và nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy chuyển thành

dạng tự do ở trong khói

e Tro, xỉ (A)

Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt.

f Độ ẩm (W)

Là thành phần nước có trong nhiên liệu, thường được bốc hơi vào giai đoạn đầu của quá trình cháy

Như vậy, về thành phần hoá học của nhiên liệu thì ta có các thành phần sau: C, H, O,

N, S, A, W và có thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm: C+ H + O + N + S + A + W

= 100%

1.1.2.2 Thành ph ần công nghệ của nhiên liệu rắn

Ngoài thành phần hoá học, người ta còn đánh giá đặc tính của nhiên liệu rắn dựa trên thành phần công nghệ Các thành phần công nghệ sử dụng để đánh giá nhiên liệu rắn bao

gồm độ ẩm, hàm lượng cốc, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, nhiệt trị nhiên liệu

a Độ ẩm trong nhiên liệu rắn

Độ ẩm của nhiên liệu rắn là hàm lượng nước chứa trong đó Độ ẩm toàn phần nàyđược xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 1050C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi Phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên liệu Thực ra ởnhiệt độ 1050C chưa đủ để thải hoàn toàn độ ẩm ra khỏi nhiên liệu vì một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt độ 500- 8000C mới thoát ra ngoài được

b Hàm lượng tro trong nhiên liệu

Các vật chất ở dạng khoáng chất trong nhiên liệu rắn khi cháy biến thành tro Sự có

mặt của chúng làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Tỷ lệtro ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy như: giảm nhiệt trị, gây nên mài mòn bề mặt ống

hấp thụ nhiệt, bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống,… Ngoài ra, một đặc tính quan trọng nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng

chảy của tro

Độ tro của nhiên liệu được xác định bằng cách đem mẫu nhiên liệu đốt đến 800

-8500C đối với nhiên liệu rắn, 5000C đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng còn lại không thay đổi Phần trọng lượng không thay đổi đó tính bằng phần trăm gọi là độ tro của nhiên liệu Độ tro của madut vào khoảng 0,2 - 0,3%, của gỗ vào khoảng 0,5 – 1%, của than antraxit có thể lên tới 15 – 30% hoặc cao hơn nữa

Một trong những đặc tính quan trọng làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc trong

buồng đốt nhiên liệu rắn là độ nóng chảy của tro

c Ch ất bốc của nhiên liệu rắn

Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có ôxy thì mối liên

Chất bốc của nhiên liệu rắn có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì nhiên liệu rắn càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu Vì vậy khi cháy nhiên liệu ít chất bốc như than Antraxit của Việt Nam thì cần phải có biện pháp kĩthuật thích hợp.

d Thành ph ần cốc trong nhiên liệu rắn

Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của nhiên liệu rắn sau khi bốc hết chất bốc thì được

gọi là cốc Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần cháy Nếu cốc ở dạng cục thì

gọi là than thiêu kết (than mỡ, than béo), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá, than antraxit) Cacbon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ bị hoàn nguyên khí

CO2 thành khí CO Than gầy và than Antraxit không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là

loại than khó cháy Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc khác nhau Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại

Nhiên liệu rắn có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, độ bền càng bé và càng dễ nghiền

e Nhi ệt trị của nhiên liệu rắn

Nhiệt trị của nhiên liệu rắn là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu

rắn, được kí hiệu là Q (kJ/kg) Nhiệt trị của nhiên liệu được phân thành nhiệt trị cao và nhiệt

trị thấp

Xác định nhiệt trị bằng thực nghiệm được tiến hành bằng cách đo trực tiếp lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy một lượng nhiên liệu nhất định trong “ Bơm nhiệt lượng kế” Bơmnhiệt lượng kế là một bình bằng thép trong chứa oxy ở áp suất 2,5 – 3,0 MN/m2 Bơm được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền toàn bộ bơm gọi là “bình nhiệt lượng kế”.Nhiệt lượng toả ra khi cháy nhiên liệu dùng để đun nóng khối lượng nước này Người ta đođược nhiệt độ của nước nóng và suy ra nhiệt trị của nhiên liệu Để hạn chế ảnh hưởng do toảnhiệt ra môi trường xung quanh, người ta thường đặt bình nhiệt lượng kế vào một thùng khác có hai vỏ và chứa đầy nước, đảm bảo cho không gian xung quanh nhiệt lượng kế có nhiệt độ đồng đều Phương pháp xác định nhiệt trị bằng tính toán dựa trên cơ sở tính nhiệt lượng toả ra khi cháy từng thành phần nguyên tố của nhiên liệu Như vậy để tính chính xác nhiệt trị cần phải xác định chính xác, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt sinh ra kèm theo các phản ứng cháy

Song trong sản phẩm cháy có hơi nước, nếu như hơi nước đó ngưng đọng lại thành nước thì nó còn toả thêm một lượng nhiệt nữa Nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt trị

có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó

Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái đầm

lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bởi sinh vật(biodegradation) Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tốkhác như lưu huỳnh Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen

hoặc đen nâu có thể đốt cháy được

Hình 1.1: Than nâu

b Than đá

Thường có màu đen, hiếm hơn là màu đen hơi nâu, có ánh mờ Than đá rất giòn Có nhiều loại than đá khác nhau tuỳ thuộc vào các thuộc tính của chúng Khi đem nung khôngđưa không khí vào (đến 900- 1100°C), than sẽ bị thiêu kết thành một loại cốc rắn chắc và

xốp

Hình 1.5: Than antraxit