Nghiên cứu cải thiện hệ thống khí hóa thu hồi nguyên liệu trấu

Bước sang thể kỷ 21 vấn đề năng lượng ngày càng trở thành mối quan tâm tolớn của mọi quốc gia. Trong thể kỷ này nhân loại sẽ chứng kiến sự phát triển củanăng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm và đangngày càng cạn kiệt và một trong những năng lượng tái tạo đó là năng lượng sinhkhối.Công nghệ khí hóa nói chung và khí hóa sinh khối nói riêng đang được cácnước trên thế giới nghiên cứu rộng rãi. Tại Việt Nam thì công nghệ khí hóa chỉđược chú ý trong một số năm gần đây nhưng chủ yếu chỉ tập trung vào gỗ vụn, bãmía. Trong những nguyên liệu sinh khối thì trấu được xem là nguyên liệu ưu việtnhất do tính phổ biến nhất. Việt Nam là nước xuất khấu gạo đứng thứ 2 thế giới, vớilượng gạo sản xuất hàng năm tăng trên 1 triệu tấn, như vậy với lượng gạo sản xuấtđược thì lượng trấu tạo thành là rất lớn, nhưng hiện nay vỏ trấu vẫn chưa được sửdụng một cách có hiệu quả, nhiều nơi vỏ trấu được đổ ra sông, kênh rạch gây ônhiễm môi trường và rất lãng phí. Với việc phát triển của công nghệ khí hóa thì vỏtrấu là nguyên liệu rất đáng quan tâm.Hiện nay công nghệ khí hóa vỏ trấu kiểu Downraft đang còn được tiếp tụcnghiên cứu trong khi hệ thống kiểu Updraft đã được sử dụng cách đây cả thập kỷ.Công nghệ kiểu Downraft sản xuất ra một lượng khí đốt với nồng độ hắc ín thấpcó thể ứng dụng phù hợp để cấp khí cho động cơ đốt trong, tuy nhiên hiệu suất khícủa nó thấp hơn công nghệ kiểu Updraf trước có hạn chế là tạo lượng hắc ín lớn.Như vậy để thu được hiệu suất khí lớn, chất lượng khí đạt tiêu chuẩn và ít hắc ín thìhệ thống khí hóa trấu kiểu Updraf phải được cải thiện.Để giải quyết được vấn đền này em xin thực hiện đề tài “Nghiên cứu cảithiện hệ thống khí hóa thu hồi năng lượng từ nguyên liệu trấu kiểu Updraftthông qua sự khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa “Gasification agent”” để tìmra tác nhân tốt nhất trong quá trình khí hóa để cho chất lượng khí tốt nhất có thể ápdụng rộng rãi trong các thiết bị đốt công nghiệp hoặc trong động cơ đốt trong.

Em xin cam đoan rằng đây là đồ án của em, có sự hỗ trợ từ Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyền Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây Các thông tin thứ cấp được sử dụng trong đồ án là có nguồn gốc, được trích dẫn rõ ràng và tuân thủ các nguyên tắc Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình

Tp.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2014

SVTH

Em xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ trong trung tâm nghiên cứu Lọc Hóa dầu trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo một môi trường tốt nhất để em hoàn thành đồ án này Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyền, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện

Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua, đó chính là nền tảng để em thực hiện tốt đề tài này

Mặc dù đã cố gắng hết sức và nhận được sự quan tâm chỉ dẫn tận tình của thầy

và các anh trong trung tâm nhưng do thời gian nghiên cứu hạn hẹp cộng với kinh nghiệm thực tế chưa có nên một số vấn đề chưa nghiên cứ sâu và có nhiều thiếu sót

Vì vậy em mong được sự góp ý của các thầy, cô để em có thể hoàn thiện đồ án này hơn

Tp.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG 4

1.1 Các khái niệm cơ bản về vỏ trấu 4

1.1.1 Vỏ trấu là gì? 4

1.1.2 Tính chất và thành phần của vỏ trấu 4

1.1.3 Nguồn năng lượng từ vỏ trấu 6

1.1.4 Ứng dụng của vỏ trấu 6

1.1.5 Tiềm năng của vỏ trấu 8

1.1.6 Hiện trạng sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam 8

1.2 Các khái niệm cơ bản về khí hóa 9

1.2.1 Khí hóa là gì? 9

1.2.2 Những lợi ích từ khí hóa 10

1.2.3 Nguồn nhiên liệu khí hóa 11

1.3 Giới thiệu quá trình khí hóa vỏ trấu 14

1.3.1 Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa vỏ trấu 14

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa vỏ trấu 18

1.3.2.1 Chất lượng của nhiên liệu 18

1.3.2.2 Độ ẩm 18

1.3.2.3 Kích cỡ và hình dạng của vỏ trấu 19

1.3.2.4 Sự phân bố kích thước của nhiên liệu 20

1.3.2.5 Nhiệt độ 20

1.3.2.6 Áp suất 21

1.3.2.7 Tốc độ gia nhiệt 21

1.3.2.8 Thời gian lưu trú của nhiên liệu 21

1.3.2.9 Hàm lượng Nitơ 21

1.3.2.10 Nhựa - hắc ín 22

1.3.2.11 Tro, xỉ 23

1.3.3 Hiện trạng khí hóa vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam 24

2.2 Các loại công nghệ khí hóa 27

2.2.1 Công nghệ khí hóa tầng sôi 27

2.2.2 Công nghệ khí hóa tầng cố định 29

2.3 Những miền công nghệ và những phản ứng hóa học 35

2.4 Hệ thống xử lý khí hóa 38

2.5 Ứng dụng của công nghệ khí hóa trấu 40

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PILOT KHÍ HÓA TRẤU 42

3.1 Sơ đồ khối thiết kế quá trình khí hóa 42

3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống khí hóa trấu 43

3.3 Tính các thông số của quá trình khí hóa trấu 45

3.3.1 Thành phần của trấu 45

3.3.2 Nhiệt trị thấp của trấu 46

3.4 Tính kết cấu hệ thống khí hóa 46

3.4.1 Khối lượng trấu cấp trong 1 giờ 46

3.4.2 Đường kính của thiết bị phản ứng 46

3.4.3 Chiều cao buồng phản ứng 47

3.4.4 Lưu lượng không khí cần thiết cấp cho quá trình khí hóa 47

3.4.5 Tốc độ không khí 48

3.4.6 Trở lực của dòng khí 48

3.4.7 Tính đường ống 49

3.4.7.1 Tiết diện đường ống 49

3.4.7.2 Đường kính ống dẫn gas 50

3.5 Các phương trình cân bằng 50

3.5.1 Phương trình cân bằng vật chất (cân bằng khối lượng) 50

3.5.2 Phương trình cân bằng năng lượng 51

3.5.2.1 Năng lượng của trấu 51

3.5.2.2 Năng lượng của không khí cấp 51

3.5.2.3 Các tổn thất năng lượng 51

3.6.1 Thùng chứa tro 55

3.6.2 Tính trục vít 55

3.6.3 Tính hopper 56

3.6.4 Lựa chọn môtơ quay trục vít 57

3.6.5 Tính quạt thổi không khí 58

3.6.6 Tính thiết bị ngưng tụ 58

3.6.7 Burner 61

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 64

4.1 Khảo sát môi trường Nitơ 64

4.1.1 Mục đích 64

4.1.2 Các bước tiến hành 65

4.1.3 Kết quả khảo sát 66

4.2 So sánh giữa tác nhân N2 và H2O 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Bảng 1.1: Thành phần các nguyên tố trong trấu 5

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro trấu 6

Bảng 1.3: Khả năng tỏa nhiệt của các nguồn nhiên liệu 7

Bảng 1.4: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000 0 C và độ ẩm của trấu từ 10 – 40 %, tỉ lệ cân bằng 0.3 18

Bảng 1.5: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000 o C và độ ẩm của trấu là 30%, tỉ lệ cân bằng từ 0.3 – 0.4 19

Bảng 3.1 Thành phần của vỏ trấu 45

Bảng 3.2: Bảng hệ số C 1 56

Bảng 3.3: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ 58

Bảng 3.4: Thống số burner 62

Bảng 3.5: Tóm tắt thông số tính toán 62

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 700 o C 67

Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 800 o C 67

Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 900 o C 67

Bảng 4.4: Tổng kết kết quả quá trình khảo sát tác nhân N 2 68

Bảng 4.5: Kết quả khảo sát tác nhân hơi nước tại 900 o C 71

Bảng 4.6: Kết quả khảo sát môi trường N 2 và tác nhân hơi nước 71

Biểu đồ 3.1 Mối quan hệ giữa vận tốc và trở lực dòng khí 49

Biểu đồ 4.1 So sánh khối lượng khí giữa môi trường N2 và tác nhân hơi nước 72

Biểu đồ 4.2 So sánh khối lượng rắn giữa môi trường N2 và tác nhân hơi nước 72

2 Đồ thị Đồ thị 4.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng ngưng tụ, rắn còn lại, khí 68

3 Sơ đồ Sơ đồ 2.1: Quá trình khí hóa tổng thể 26

Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối thiết kế quá trình khí hóa 42

Sơ đồ 3.2: Hệ thống khí hóa trấu 43

Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khảo sát thực tế 65

4 Hình ảnh Hình 1.1: Hình dạng vỏ trấu 4

Hình 1.2: Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam 8

Hình 1.3: Than củi 11

Hình 1.4: Gỗ vụn 12

Hình 1.5: Rơm, vỏ trấu 13

Hình 2.1: Khí hóa tầng sôi 27

Hình 2.2: Khí hóa kiểu Downdraft 31

Hình 2.3: Khí hóa kiểu Crossdraft 32

Hình 2.4: Khí hóa kiểu Updraft 33

Hình 3.1: Thiết bị khí hóa trấu 54

Hình 3.4: Thiết bị ngưng tụ 61

Hình 3.5: Burner LPG Torch 62

Hình 3.6: Hệ thống pilot khí hóa trấu 63

Hình 4.1: Hệ thống khảo sát thực tế 64

Hình 4.2: Ngọn lửa trong khảo sát tác nhân hơi nước (trái) và môi trường khí N 2 72 Hình 4.3: Tro trong khảo sát tác nhân hơi nước (trái) và môi trường khí N 2 72

Hình 4.4: Lượng nước ban đầu (a), lượng ngưng tụ bằng tác nhân nước (b), 73

lượng ngưng tụ trong môi trường khí N 2 (c) 73

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bước sang thể kỷ 21 vấn đề năng lượng ngày càng trở thành mối quan tâm to lớn của mọi quốc gia Trong thể kỷ này nhân loại sẽ chứng kiến sự phát triển của năng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm và đang ngày càng cạn kiệt và một trong những năng lượng tái tạo đó là năng lượng sinh

khối

Công nghệ khí hóa nói chung và khí hóa sinh khối nói riêng đang được các nước trên thế giới nghiên cứu rộng rãi Tại Việt Nam thì công nghệ khí hóa chỉ được chú ý trong một số năm gần đây nhưng chủ yếu chỉ tập trung vào gỗ vụn, bã mía Trong những nguyên liệu sinh khối thì trấu được xem là nguyên liệu ưu việt nhất do tính phổ biến nhất Việt Nam là nước xuất khấu gạo đứng thứ 2 thế giới, với lượng gạo sản xuất hàng năm tăng trên 1 triệu tấn, như vậy với lượng gạo sản xuất được thì lượng trấu tạo thành là rất lớn, nhưng hiện nay vỏ trấu vẫn chưa được sử dụng một cách có hiệu quả, nhiều nơi vỏ trấu được đổ ra sông, kênh rạch gây ô nhiễm môi trường và rất lãng phí Với việc phát triển của công nghệ khí hóa thì vỏ trấu là nguyên liệu rất đáng quan tâm

Hiện nay công nghệ khí hóa vỏ trấu kiểu Downraft đang còn được tiếp tục nghiên cứu trong khi hệ thống kiểu Updraft đã được sử dụng cách đây cả thập kỷ Công nghệ kiểu Downraft sản xuất ra một lượng khí đốt với nồng độ hắc ín thấp

có thể ứng dụng phù hợp để cấp khí cho động cơ đốt trong, tuy nhiên hiệu suất khí của nó thấp hơn công nghệ kiểu Updraf trước có hạn chế là tạo lượng hắc ín lớn Như vậy để thu được hiệu suất khí lớn, chất lượng khí đạt tiêu chuẩn và ít hắc ín thì

hệ thống khí hóa trấu kiểu Updraf phải được cải thiện

Để giải quyết được vấn đền này em xin thực hiện đề tài “Nghiên cứu cải thiện hệ thống khí hóa thu hồi năng lượng từ nguyên liệu trấu kiểu Updraft thông qua sự khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa “Gasification agent”” để tìm

ra tác nhân tốt nhất trong quá trình khí hóa để cho chất lượng khí tốt nhất có thể áp dụng rộng rãi trong các thiết bị đốt công nghiệp hoặc trong động cơ đốt trong

2 Tình hình nghiên cứu

Những đề tài, công trình nghiên cứu đã công bố có liên quan đến đề tài như:

 Biomass Gasifier Updraft

 Rice Husk Gas Stove Handbook

 Nghiên cứu, tính toán thiết kế hệ thống khí hóa trấu phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực đồng bằng sông Cửu Long

 Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn

3 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài này là:

- Tính toán thiết kế hệ thống khí hóa trấu

- Bước đầu khảo sát quá trình khí hóa trấu

+ Chọn được thông số thích hợp: thời gian, nhiệt độ, lưu lượng + Khảo sát ảnh hưởng tác nhân nước đến lượng sản phẩm sinh ra, lượng rắn còn lại, lượng ngưng tụ

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Trên cơ sở mục đích nghiên cứu, đề tài sẽ hướng đến việc nghiên cứu cụ thể các vấn đề:

 Tiềm năng về năng lượng sinh khối trấu

 Đánh giá các thiết bị khí hóa trấu

 Nghiên cứu, tính toán thiết bị khí hóa trấu

 Khảo sát với các tác nhân đưa vào nhiên liệu trên thiết bị khí hóa trấu và đánh giá thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên: lí thuyết kết hợp với thực nghiệm

Phương pháp lí thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các bước thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp đã công bố

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành khảo sát các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình khí hóa trấu như tác nhân khí hóa, nhiệt độ, lưu lượng tác nhân, xử lý kết quả để tìm ra điều kiện thích hợp nhất

6 Các kết quả đạt đƣợc của đề tài

Thiết kế được hệ thống pilot phục vụ cho khảo sát khí hóa dùng đồng thời cho các tác nhân khí hóa và xúc tác nếu cần

Có được những thông số trong quá trình khảo sát như nhiệt độ, lưu lượng, hàm lượng tro, khí, hắc ín để làm cơ sở số liệu tham khảo

Tìm được điều kiện thích hợp nhất của tác nhân tốt nhất để ứng dụng cho thiết

bị khí hóa thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả khí hóa trấu

7 Cấu trúc của khóa luận tốt nghiệp

Với đề tài này chúng em xin đưa ra cấu trúc luận văn như sau:

MỞ ĐẦU

PHẦN NỘI DUNG:

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 2: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA VỎ TRẤU

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PILOT KHÍ HÓA TRẤU Chương 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG

1.1 Các khái niệm cơ bản về vỏ trấu

1.1.1 Vỏ trấu là gì?

Hình 1.1: Hình dạng vỏ trấu

Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần trên của hai mảnh vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối vỏ trấu và cuối cùng kết thúc thành một cái râu và nói cách khác thì trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát

- Vỏ trấu không cháy dễ dàng với ngọn lửa trần trừ khi có không khí thổi qua

Vỏ trấu có khă năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vật liệu cách nhiệt tốt

- Tro trấu chứa nhiều SiO2 gây nên hiện tượng ăn mòn các loại lò sử dụng vỏ trấu làm chất đốt

- Khối lượng riêng của vỏ trấu thấp khoảng 70 - 110 kg/m3 do đó đòi hỏi không gian lớn để lưu trữ và vận chuyển

- Lignin: chiếm khoảng (25 - 30%) là hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình khác với xenlulozơ Lignin tồn tại ở 3 trạng thái: thủy tinh (biến dạng là biến dạng đàn hồi), dẻo (biến dạng không thuận nghịch), lỏng dính

- SiO2 chiếm khoảng 20%

Bảng 1.1: Thành phần các nguyên tố trong trấu

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro trấu

Hàm lượng

Nguồn: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems

1.1.3 Nguồn năng lƣợng từ vỏ trấu

chất hữu cơ dễ bay hơi Khi cháy trong quá trình đốt nó sẽ tạo ra năng lượng dưới dạng nhiệt, điện hay nhiên liệu sinh học, và khoảng 25% còn lại thì tạo ra các thứ tro trấu Nhiệt lượng vỏ trấu vào loại cao nhất với khoảng 3400 kcal cho mỗi một

kg và đó là một nguồn năng lượng chúng ta không thể bỏ qua Tùy theo cách đốt mà

ta thu được lượng nhiệt khác nhau và cả loại tro khác nhau

1.1.4 Ứng dụng của vỏ trấu

 Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt

Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa)

Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch

Bảng 1.3: Khả năng tỏa nhiệt của các nguồn nhiên liệu

Loại nguyên liệu Khả năng tỏa nhiệt (kcal/kg)

Nguồn: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems

 Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất điện năng

Với khả năng đốt cháy mạnh và rẻ, có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khi đốt nóng không khí bằng trấu để làm quay tua bin phát điện Theo tính toán mỗi kg trấu

có thể tạo được 0.125 kW giờ điện và 4 kW giờ nhiệt, tùy theo công Ứng dụng này được áp dụng chế tạo máy phát điện loại nhỏ cho các khu vực vùng sâu vùng xa

 Sử dụng làm vật liệu xây dựng

Vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch xây thông thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao Đây là vật liệu thích hợp với các vùng như miền Tây, miền Trung bị ngập úng, lũ lụt và nền đất yếu Sau khi sử dụng có thể nghiền nát để tái chế lại Hiện nay đã có Công ty sản xuất thương mại đưa vật liệu này ứng dụng vào thực tế

 Sử dụng tro trấu sản xuất oxyt silic

Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là oxyt silic Oxyt silic là chất được

sử dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy tinh….Vấn đề tận dụng oxyt silic trong vỏ trấu hiện đang đưọc rất quan tâm, mục

đích là thu được tối đa lượng silic với thời gian ngắn Hiện nay đã có công trình nghiên cứu về trích ly oxyt silic bằng NaOH thành công mang lại hiệu quả kinh tế cao

 Một số ứng dụng khác của vỏ trấu: Không dừng ở các ứng dụng trên, vỏ trấu còn có thể dùng làm thiết bị lọc nước, thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể trong công nghiệp sản xuất meo giống, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón

1.1.5 Tiềm năng của vỏ trấu

Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa với nền nông nghiệp phát triển mạnh, nền sản xuất chủ yếu vẫn là lúa gạo Với nền nông nghiệp lúa gạo thì Việt Nam là nước sản xuất và xuất khẩu gạo lớn của thế giới Mặc dù quá trình đô thị hoá đang phát triển nhanh, diện tích sản xuất lúa gạo ngày càng bị thu hẹp, nhưng năng suất sản lượng lương thực mỗi năm đều tăng trên 1 triệu tấn, năm 2013 đạt 44.1 triệu tấn Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau khi xay xát tương đương 8,8 triệu tấn Tuy nhiên việc sử dụng lượng vỏ trấu thu được chưa thực sự hiệu quả, cùng với việc phát triển hệ thống khí hóa vỏ trấu thì tiềm năng sử dụng vỏ trấu là rất lớn

1.1.6 Hiện trạng sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam

Hình 1.2: Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam

Vỏ trấu hiện nay là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, nó được dùng trong sinh hoạt như nấu ăn, nấu thức ăn gia súc, hay dùng để sấy lúa, nung gạch, ngoài ra còn dùng trong các lĩnh vực như sản xuất vật liệu xây dựng, sản xuất oxyt silic, sản xuất củi trấu, ứng dụng trong máy lọc nước Nhưng hiện nay tại rất nhiều nơi thì vỏ trấu sau khi xay xát được đổ ra sông, kênh rạch để tiêu hủy gây ô nhiễm môi trường vì lượng vỏ trấu sản xuất ra nhiều mà đốt không hết, không

đủ chỗ chứa và không bán được Vì vậy phải đề ra các phương pháp để sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu này để tránh trình trạng lãng phí và tránh gây ô nhiễm môi trường, trong các phương pháp đó thì phương pháp khí hóa là được quan tâm nhất

1.2 Các khái niệm cơ bản về khí hóa

1.2.1 Khí hóa là gì?

Khí hóa là việc chuyển đổi nhiên liệu rắn thành nhiên liệu dạng khí hữu ích và thuận tiện cho việc đốt cháy để giải phóng năng lượng Nguồn nhiên liệu này chủ yếu là nguồn sinh khối như các phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, vỏ trấu, ngô, mía ) hay như các loại mùn cưa, các loại gỗ phế phẩm

Về lĩnh vực khí hóa sinh khối nói riêng: Khí hóa sinh khối nghĩa là sự ôxi hóa sinh khối một cách không hoàn toàn, sản phẩm nhận được khí đốt bao gồm cacbon

phẩm Gas, sản phẩm Gas này là một hóa chất cực kỳ hấp dẫn có thể sử dụng để chạy động cơ đốt trong cũng như nhiên liệu hóa học trong công nghiệp, có thể sử dụng thay thế cho lò hơi đốt trực tiếp bằng dầu và có thể được sử dụng để sản xuất một cách kinh tế, hữu hiệu, ethanol, methanol hoặc biogas nên nó được chọn làm

mô hình sản xuất nhiên liệu

Ví dụ như trấu có thể sử dụng trực tiếp cho các lò nung gạch, nhưng do lượng năng lượng mất mát quá lớn nên chuyển sang dạng nung bằng quá trình khí hóa để

có thể tận dụng triệt để nguồn năng lượng và nhiệt trị

1.2.2 Những lợi ích từ khí hóa

a Về mặt kinh tế

 Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh khối tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…)

 Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng…

 Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu

b Về mặt môi trường

 Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

 Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu Do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích

trồng cây xanh hấp thụ chúng Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh

 Tận dụng được nguồn nhiên liệu sinh khối vô cùng dồi dào hiện nay vốn đang bị coi là chất thải từ nông nghiệp Do đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng được nguồn sinh khối sẵn có

 Sử dụng được khí tổng hợp ở nhiệt độ cao và hiệu quả hơn so với việc đốt trực tiếp

 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ cao và không phát sinh khói

trực tiếp

Như vậy, phát triển năng lượng sinh khối làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về chôn lấp… Kỹ thuật đốt rác phát điện

từng có lịch sử nghiên cứu phát triển hơn 30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy ở Đức (32% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%), Pháp (38%)… đã trở thành hình mẫu cho ngành công nghệ “ năng lượng và bảo vệ môi trường” này Ở châu Á, Singapore (100% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện) và Nhật Bản (72.8%) là hai nước đi đầu trong kỹ thuật đốt rác phát điện

1.2.3 Nguồn nhiên liệu khí hóa

 Than củi

Bởi vì than củi là một loại than có chất lượng tốt, hàm lượng trong than hầu như không có hắc ín, nó là một loại nhiên liệu khả thi cho tất cả các loại thiết bị khí hóa Than củi được khí hóa tốt khi hàm lượng khoáng chất trong than thấp hoặc không bị phá vỡ và vỡ vụn dễ dàng Nhưng khó khăn chính là chi phí của than củi tương đổi cao làm giảm khả năng cạnh tranh của nó so với nhiên liệu lỏng và tổn thất năng lượng trong quá trình sản xuất than (có thể bị mất lên đến 70% so với năng lượng ban đầu có trong gỗ) Điều này là yếu tố có tầm quan trọng đối với những nước đang phát triển, nhu cầu năng lượng rất cao trong khi cơ sở không thể

đủ năng lượng sinh khối để phục vụ theo nhu cầu trong nước

Hình 1.3: Than củi

cơ là khó khăn, phải tốn nhiều tiền và công sức

Hình 1.4: Gỗ vụn

Với hệ thống dạng Downdraft có thể thiết kế để cung cấp một sản phẩm khí đốt có hàm lượng hắc ín thấp hơn nhiều Đó là điều chắc chắn đã được thử nghiệm khi nhiên liệu là gỗ khối hoặc là gỗ dăm, với hàm lượng ẩm thấp Sau khi đi qua thiết bị, khí tương đối được làm sạch thành sản phẩm khí đốt có thể được sử dụng trong quá trình cấp cho động cơ đốt trong

 Mùn cưa

Hầu hết những thiết bị khí hóa tầng cố định hầu như không thích hợp cho mùn cưa Vấn đề gặp phải là sản phẩm tạo ra quá nhiều hắc ín, không thể chấp nhận áp suất tổn thất quá lớn và dễ bị tắc nghẽn Thiết bị khí hóa dạng tầng sôi có thể hóa giải những phần tử có kích thước nhỏ như mùn cưa tạo sản phẩm khí đốt có chất lượng cao Để sử dụng cho động cơ thì phải lắp đặt một thiết bị làm sạch khí

 Than bùn

Những vấn đề lớn nhất trong quá trình khí hóa than bùn là gặp phải độ ẩm cao

và thường hàm lượng tro khá cao Thiết bị khí hóa kiểu Updraft với nhiên liệu than bùn có độ ẩm vào khoảng 30 - 40% đã được sử dụng ở Phần Lan với mục đích cung cấp nhiệt Những hệ thống Downdraft công suất nhỏ với nhiên liệu than bùn dạng viên khô đã được ứng dụng thành công trong các ứng dụng động cơ chạy nhiên liệu khí Trong thế chiến thứ II rất nhiều phương tiện vận chuyển chạy bằng nhiên liệu chuyển đổi từ gỗ hoặc than bùn ở Phần Lan và Thụy Điển

Hầu hết các loại thiết bị khí hóa sử dụng nguồn nhiên liệu là chất thải nông nghiệp đều là những thiết bị kiểu Updraft Tuy nhiên nhược điểm là bảo trì, bảo dưỡng và chi phí lao động cao, cũng như hậu quả về môi trường (xử lý hắc ín)

Hình 1.5: Rơm, vỏ trấu

1.3 Giới thiệu quá trình khí hóa vỏ trấu

1.3.1 Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa vỏ trấu

Khí hóa vỏ trấu là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của

vỏ trấu Tùy thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H2 và CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H2 có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử và có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học

Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng

C + CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O Phản ứng chỉ có tiến hành với vận tốc tương đối lớn nên t0

> 8000C Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức tạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng khác nhau sinh ra CO và CO2:

C + H2O ↔ CO + H2 – Q1

C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2 – Q2 Nếu trong khí có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO2 ra còn

có khả năng tiến hành phản ứng sau:

CO + H2O ↔ CO2 + H2 + Q

Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H2O là xem xét CO là sản phẩm bậc nhất; CO2 là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO2 đều là sản phẩm bậc nhất tạo thành đồng thời cùng 1 lúc

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:

 Giả thiết 1: Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C và hơi nước tác dụng

C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2 – Q Còn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng bậc 2 như sau:

 Giả thiết 3: Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩm bậc nhất, còn CO2 là sản phẩm bậc 2 Giả thiết này giải thích được khá nhiều trường hợp thực nghiệm nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: Hấp phụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

C + H2O ↔ C + (H2O)hphụ

 Giai đoạn 2: Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:

C + (H2O)hphụ ↔ CxOy + (H2)hphụ

 Giai đoạn 3: Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt CxOy với sự tham gia của hơi nước từ không khí

CxOy + H2O ↔ (CO)hphụ + H2Đây là phản ứng bậc 1 đối với hơi nước và sự phân hủy phức chất có sự tham gia của phân tử hơi nước

Phản ứng tiến hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và nồng độ của hơi nước tương đối cao

 Giai đoạn 4 : Nhả (CO)hphụ và (H2)hphụ trên bề mặt sinh khối ra ngoài dòng khí theo phản ứng:

(CO)hphụ ↔ CO (H2)hphụ ↔ H2

 Cơ chế phản ứng của C + CO2

Phản ứng C + CO2 và C + H2O trong vùng khử là 2 phản ứng quan trọng nhất

để tạo ra các cấu tử có ích trong khí hóa sinh khối là CO và H2

Khi nghiên cứu cơ chế phản ứng này ta cũng sẽ gặp một số khó khăn vì đây cũng là phản ứng dị thể tiến hành qua nhiều giai đoạn trung gian, và phản ứng thu nhiệt nhiều nên rất khó giữ cho nhiệt độ phản ứng không đổi, nghĩa là khó giữ được

sự đẳng nhiệt của phản ứng

Vì phản ứng thu nhiệt mạnh nên đặc điểm của nó là phản ứng chỉ tiến hành ở nhiệt độ cao t0 > 8000C, nếu ở nhiệt độ t0 < 8000C tốc độ phản ứng rất bé không đáng kể

Giữ cho nhiệt độ phản ứng C + CO2 không đổi khó hơn là trường hợp đối với phản ứng C + O2 vì trong trường hợp phản ứng cháy, muốn lấy nhiệt ra ngoài người

ta có thể dùng nitơ thổi qua Còn đối với phản ứng thu nhiệt C + CO2 trong phòng thí nghiệm thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằng phương pháp điện

và nhiệt được truyền từ thành ngoài của lò vào tâm của ống đựng sinh khối Nhưng

vì sinh khối là 1 chất dẫn nhiệt xấu nên lượng nhiệt truyền từ thành vào bao giờ cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng Theo tru-kha-nop cơ chế phản ứng C + CO2 tiến hành qua các giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1 : Hấp phụ CO2 trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:

C + CO2 ↔ (CO2)hphụ + C

 Giai đoạn 2: Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:

(CO2)hphụ + C ↔ CxOy

CxOy là hợp chất trung gian hoạt động bề mặt

 Giai đoạn 3: Phân hủy hợp chất bề mặt dưới tác dụng của nhiệt độ:

Ở nhiệt độ cao chúng sẽ tự phân hủy theo phản ứng sau:

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa vỏ trấu

1.3.2.1 Chất lượng của nhiên liệu

Nhiên liệu với chất lượng cao cung cấp quá trình đốt cháy tốt hơn Điều này thực hiện được khi sử dụng trấu mới được thu thập được từ các nhà máy gạo, các nhà máy xay xát Trấu xuống cấp chẳng hạn như trấu phơi trên các lề đường và dọc theo các bờ sông trong thời gian lâu thì quá trình khí hóa sẽ khó khăn hơn và hiệu suất sẽ thấp hơn do đã bị oxy hóa hay dính bụi bẩn

1.3.2.2 Độ ẩm

Nhiên liệu trấu có độ ẩm cao muốn chuyển hóa thành nhiên liệu khí bằng quá trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ tách ẩm Nếu độ ẩm của nhiên liệu tăng cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà còn làm giảm chất lượng khí Độ ẩm của trấu để khí hóa thích hợp nằm trong khoảng 10 - 12%

Bảng 1.4: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000 0 C và độ ẩm của

Bảng 1.5: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000 o C và độ ẩm của

Nguồn: Rice Husk Gas Stove Handbook (2005)

Trong nhiều loại nhiên liệu thì cũng có rất nhiều sự khác biệt về độ ẩm, vì độ

ẩm phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu, thành phần hữu cơ, và cách xử lý ẩm, người

ta luôn mong muốn được sử dụng có thành phần ẩm càng thấp càng tốt, bởi vì nó là nguyên nhân làm tổn thất nhiệt làm ẩm bay hơi nước khi có sự khí hóa, và cũng làm nhiệt tích trữ của miền khí hóa giảm đi đáng kể

Ngoài yếu tố làm giảm nhiệt dự trữ trong hệ thống, lượng ẩm cao còn phải tiêu tốn thêm thiết bị để làm mát, làm ngưng tụ thành phần ẩm thành lỏng, và thiết bị lọc Gas Do đó làm tăng thêm tổn thất áp suất khi xuyên qua những thiết bị đấy

Do đó cách thức để làm giảm hiệu quả lượng ẩm nhiên liệu thì yêu cầu phải

xử lý ẩm nhiên liệu trước, sau đó mới tiến hành cấp cho thiết bị khí hóa Mong muốn chung là độ ẩm của nhiên liệu nên thấp hơn 20%

Tuy nhiên, lượng ẩm cũng đóng một vai trò quan trọng là làm tăng lượng H2O, giúp cho phản ứng vói cacbon tạo thêm CO và H2

1.3.2.3 Kích cỡ và hình dạng của vỏ trấu

Kích thước vỏ trấu có vai trò đáng kể trong quá trình khí hóa Ta biết rằng nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng tiết diện tiếp xúc của các hạt với tác nhân khí hóa

tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong quá trình khí hóa tăng Tuy nhiên nếu kích thước vỏ trấu quá nhỏ thì sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở quá trình khí hóa Vì vậy việc tạo ra kích thước hợp lý để cho quá trình khí hóa thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định

Ngoài ra, kích thước phần tử càng cao thì thành phần ẩm và chất rắn trong nhiên liệu càng cao Năng suất nhiệt phân cũng giảm dần theo kích thước phân tử nhiên liệu, tương ứng là năng suất Gas sinh ra cũng thấp

1.3.2.4 Sự phân bố kích thước của nhiên liệu

Trấu trộn với nhiên liệu rắn khác không phù hợp với hoạt động khí hóa Sự phân phối kích thước nhiên liệu trấu không đều dẫn đến khó khăn trong quá trình cacbon hóa vỏ trấu và dẫn đến ảnh hướng đến quá trình khí hóa, do sự phân phối không đều sẽ làm cho sự khí hóa không đồng đều với từng thành phần, làm mất thời gian và nhiệt lượng vô ích Vì vậy phải phân phối đều kích thước của vỏ trấu để quá trình khí hóa diễn ra đạt hiệu suất cao

1.3.2.5 Nhiệt độ

Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và làm giảm toàn diện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò không vượt quá giá trị cho phép

Nhiệt độ nhiệt phân càng cao thì lượng Gas sinh ra càng lớn, đồng thời thành phần chất rắn và chất lỏng giảm dần Trong thực tế nhiệt độ nhiệt phân được gọi là tốt và hệ thống vận hành ổn định thì nhiệt độ nhiệt phân phải đạt từ 700oC trở lên thì năng suất nhiệt phân mới tăng đáng kể

Các quá trình khí hóa hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30 bar và nhiệt độ trên

1300oC Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần methane giảm xuống Trong trường hợp này thì nhiệt độ cao là cần thiết, đồng thời để khí hóa thuận lợi hơn, người ta còn sử dụng thêm chất xúc tác trong quá trình phản ứng như Ni/Al2O3, Ni/dolomite

1.3.2.6 Áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình hóa khí hoạt động thì áp suất tối thiếu phải là 10 bar và có thể đạt đến 100 bar Ở áp suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lò hóa khí trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao

Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho quá trình khí hóa là tùy thuộc vào yêu cầu của quá trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu tư là thấp nhất Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ khí hóa vỏ trấu thích hợp

1.3.2.7 Tốc độ gia nhiệt

Tốc độ gia nhiệt tỷ lệ với năng suất nhiệt phân, lượng Gas sinh ra nhanh chóng, đồng nghĩa các thành phần còn lại trong nhiên liệu cũng giảm đi nhanh Điều này rất có ý nghĩa khi chúng ta bắt đầu vận hành hệ thống Khi tốc độ gia nhiệt càng cao thì đồng thời gian khởi động hệ thống rút ngắn đi, các thành phần ẩm, hắc

ín cũng sẽ giảm đi nhanh chóng, ngược lại nếu tốc độ gia nhiệt chậm thì hệ thống làm việc nặng nề, lượng Gas sinh ra chậm và rất dễ gập sự cố tắc nghẽn do hắc ín

1.3.2.8 Thời gian lưu trú của nhiên liệu

Thời gian lưu trú của nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước chiều dài buồng phản ứng và cơ cấu tháo liệu Thời gian càng lâu đồng nghĩa với nhiên liệu có cơ hội phản ứng càng nhiều, như vậy lượng Gas sinh ra sẽ nhiều hơn, lượng nhiên liệu chưa được khai thác cũng giảm đi, góp phần làm tăng hiệu suất của hệ thống

Tuy nhiên do sự tốn kém và tính sẵn có của Oxi mà yếu tố đó bị giới hạn trong lĩnh vực này Dù sao sản phẩm cuối cùng của khí Gas mà sử dụng không khí cấp cũng

có hỗn hợp khí methanol, một loại khí có hàm lượng năng lượng cao, cũng đỡ hơn việc tiêu tốn sử dụng Oxi làm khí cấp

Trung bình 1 kg sinh khối sản xuất ra khoảng 2.5 m3 sản phẩm Gas Trong quá trình này thì cần khoảng 1.5 m3 không khí để đốt Trong khi để đốt cháy hoàn toàn thì 1 kg nhiên liệu cần khoảng 4.5 m3 không khí Do đó khí hóa sinh khối chỉ cần khoảng 30% lượng không khí của quá trình cháy hoàn toàn

Hiệu suất trung bình chuyển đổi năng lượng của thiết bị khí hóa sinh khối vào khoảng 60 – 70%

1.3.2.10 Nhựa - hắc ín

Hắc ín là một thành phần khó chịu nhất của sản phẩm Gas, nó có xu hướng đóng cục lại bên trong những nơi có tiết diện nhỏ khi nó đi qua, như bộ chế hòa khí của các động cơ, hay là những nơi đặt các lá van Nó là nguyên nhân bị nghẽn và những sự cố trong vận hành Nó là quá trình của sự phản ứng một chiều bên trong miền nhiệt phân

Thông số vật lý của hắc ín phụ thuộc vào nhiệt độ và năng suất nhiệt, nó làm xuất hiện những dải hóa nâu và có nước (60% nước) khi đến màu đen nó có tính dính nhớt (7% nước) Có khoảng 200 thành phần hóa học được tìm thấy trong hắc

ín, rất nhiều nghiên cứu đã được làm để loại bỏ chúng, như có thể đốt hắc ín bên trong thiết bị nhiệt khí hóa sao cho sản phẩm Gas đi ra ngoài, lượng hắc ín còn lại tương đối ít, nhưng thực tế lượng hắc ín vẫn ở giá trị rất lớn Đối với những trường hợp cấp sản phẩm Gas cho động cơ đốt trong phải trang bị thêm một số thiết bị tách hắc ín bên ngoài, như phin lọc, thiết bị làm mát để đảm bảo độ sạch không gây hại của hắc ín đối với động cơ

Một thiết bị khí hóa được gọi là tốt thì thành phần hắc ín ở đầu ra phải thấp 1g/m3 Thông thường sản phẩm hắc ín đối với hệ thống cấp khí từ trên xuống có

thành phần hắc ín thấp hơn những hệ thống khác Tuy nhiên hiệu suất chưa phải là cao, nó chưa cho phép phá vỡ hoàn toàn thành phần hóa học của hắc ín

Hắc ín có thể tồn tại ở dạng lỏng, rắn, hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau Nhiệt sinh của hắc ín khá cao (tới 31400kJ/kg) , vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí tăng lên nhiều Tuy nhiên vì điều kiện nào đó như

độ ẩm nguyên liệu hoặc chiều cao lớp nguyên liệu tổ chức không hợp lý thì hắc ín tách ra ở dạng lỏng Trong trường hợp này chất lượng của khí giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do hắc ín tách ra ở trong lò làm kết dính các lớp nhiên liệu, cản trở sự lưu thông khí và sự dịch chuyển nhiên liệu Nếu hắc ín tách ra thì bám trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí các van trên đường dẫn Để khắc phục điều đó khi bố trí vận chuyển khí đi tới nơi sử dụng hoặc két chứa, người ta phải dùng thiết

bị làm sạch khí để tách nó ra

1.3.2.11 Tro, xỉ

Khoáng chất chứa trong nhiên liệu, những thành phần còn lại ở dạng đã bị oxi hóa sau khi cháy hoàn toàn thì được gọi là tro Tro là thành phần của nhiên liệu nó tạo ra những tác động chính vào sự cố vận hành của thiết bị khí hóa

Về cơ bản, tro ảnh hưởng đến quá trình khí hóa theo các lối sau:

- Tro tạo thành xỉ và chất xỉ này làm dừng hoặc làm tắt nghẽn dòng đi xuống của nhiên liệu sinh khối cấp

- Trường hợp nó không làm tắt nghẽn thì nó cũng kết lại bên trong nhiên liệu,

nó làm phản ứng cháy của nhiên liệu cũng bị giảm đi

Khử đi tro và hắc ín là hai quá trình quan trọng trong hệ thống khí hóa, để hệ thống vận hành một cách thông suốt, trong thực tế những nhiên liệu với hàm lượng tro cao có thể được khí hóa dễ dàng nếu thiết bị được lắp thêm cơ cấu lấy tro

Việc khử xỉ dù thế nào đi nữa thì cũng đều thông qua hai kiểu vận hành của thiết bị khí hóa:

- Vận hành ở nhiệt độ thấp, tại đó nhiệt được duy trì thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tro

- Vận hành ở nhiệt độ cao, tại đó nhiêt độ được duy trì trên nhiệt độ nóng chảy của tro

Phương pháp đầu tiên thì thông thường sử dụng hơi hoặc nước để châm vào, nhầm duy trì nhiệt độ thấp, trong khi phương pháp sau yêu cầu bắt buộc xỉ phải được nóng chảy tại miền oxi hóa Mỗi phương pháp thì đều có những ưu và nhược điểm của nó, và nó phụ thuộc vào tiêu chuẩn của nhiên liệu, kiểu thiết kế của thiết

bị khí hóa

Thường tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò Tại vùng này tro có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao Nếu nhiệt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và

lò bị bịt kín một phần hay hầu hết Khi hiện tượng kết tảng xỉ xảy ra, gió sẽ tập trung vào những phần chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào phần này, kết quả làm cho tác nhân khí hóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí sẽ tăng lên Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tại đây sẽ tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp tục bị kết dính dẫn tới làm tắc lò, làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng khí giảm xuống nghiêm trọng

Chi phí cho hệ thống làm sạch khí cần cho việc vận hành động cơ thường rất tốn kém Hơn nữa, việc loại bỏ các tạp chất của khí nhờ các thiết bị lọc như các phin lọc, chúng vẫn trải qua việc thải bỏ rất khó khăn Vì thế, một trong những mặt cải tiến của bộ khí hóa tương lai sẽ là những thiết kế mới mà có thể chuyển hóa số lượng tối đa của hắc ín thành Gas trong suốt quá trình khí hóa

1.3.3 Hiện trạng khí hóa vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam

Công nghệ khí hóa vỏ trấu là một công nghệ mới đối với một số nước đang phát triển trong đó có Việt Nam nhưng thực tế công nghệ này đã phát triển từ nhiều năm trước

 Thế giới: Trên thế giới việc phát triển và phổ biến bếp khí hóa đã đạt được những kết quả khả quan có thể kể đến như bếp khí hóa của ông Belonio người Philipine đã nhận được nhiều giải thưởng quốc tế, hàng nghìn chiếc bếp này đã được người dân Philippine và Indonesia sử dụng hiệu quả hoặc như tập đoàn dầu khí của Ấn độ đã sản xuất 400.000 bếp khí hóa dùng phụ phẩm nông nghiệp để phân phối tới dân nghèo Ấn độ và các nước ở châu Phi Lĩnh vực khí hóa vỏ trấu cũng được ứng dụng rộng rãi theo quy mô công nghiêp để phát triển điện năng, Nhật Bản và Trung quốc là những nước phát triển mạnh về lĩnh vực này

 Việt Nam: Bếp khí hóa trấu đang được nghiên cứu và thử nghiệm, chẳng hạn như tổ chức phát triển Hà Lan đang thử nghiệm tại Quảng Bình và Bình Định nhằm tìm ra một số loại bếp khí hóa thật sự hiệu quả để phổ biến cho các vùng nông thôn tại Việt Nam Ngoài ra bếp khí hóa đang được sản xuất ở quy mô nhỏ trong các xưởng cơ khí như ở các tỉnh Phú Thọ, Nam Định

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA VỎ TRẤU

2.1 Giới thiệu

Thiết bị chuyển đổi nhiên liệu rắn (biomass) thành nhiên liệu Gas có thể đốt được gọi là thiết bị khí hóa Nó là sự oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu rắn, diễn

ra trong điều kiện khoảng 1000oC, quá trình này gọi là quá trình khí hóa

Những sản phẩm đốt từ sự cháy hoàn toàn nhiên liệu sinh khối nói chung đều chứa N2, hơi nước, CO2 và O2 thừa Tuy nhiên sự khí hóa là một sự cấp dư nhiên liệu (hay việc cấp thiếu O2) đó là sự cháy không hoàn toàn, những sản phẩm của khí đốt, là những hắc ín và bụi bẩn Sự sản sinh ra Gas đó là sản phẩm của sự phản ứng của hơi nước và cacbon dioxide xuyên qua lớp nóng cháy rực của lớp than cốc Vì vậy chìa khóa để thiết kế hệ thống khí hóa là làm tăng những điều kiện như vậy Sinh khối thì được giảm dần khối lượng dưới tác dụng nhiệt tạo thành than cốc Than cốc thì được chuyển đổi tại nhiệt độ thích hợp sinh ra khí CO và H2

Hiện nay trên thị trường từ dạng công nghiệp tới dân dụng xuất hiện nhiều loại công nghệ sản xuất khí metan từ trấu như bếp DA – IRRI từ chương trình phát triển nông nghiệp ở Philippines của Ts Robert Stickney, bếp khí hóa PU Single – Burner Batch phát triển năm 1989 cải tiến từ DA – IRRI, bếp khí hóa CPU Proto – Type IDD/T – LUD, CPU Cross – Flow, San San,… Tuy các loại công nghệ có cách cải tiến khác nhau nhưng căn bản được thiết kế dựa vào các dạng tầng cố định Downdraft, Crossdraft, Updraft, và dạng tầng sôi đang phát triển

Sơ đồ 2.1: Quá trình khí hóa tổng thể

2.2 Các loại công nghệ khí hóa

Có 2 kiểu khí hóa sử dụng đó là kiểu khí hóa lớp cố định như Downdraft, Crossdraft, Updraft và kiểu khí hóa lớp tầng sôi Nếu sử dụng trong dân dụng thì dạng khí hóa lớp cố định sẽ đem lại sự thuận tiện, đơn giản, ít tốn chi phí nhiều hơn lớp tầng sôi, nhưng nếu dùng trong công nghiệp thì lớp tầng sôi sẽ đem lại hiệu quả

về mặt kinh tế do có khả năng tăng hiệu suất cao Tuy nhiên, trong bài nghiên cứu này, chúng ta chỉ tập trung khảo sát loại khí hóa cố định theo phương pháp Updraft

2.2.1 Công nghệ khí hóa tầng sôi

Hình 2.1: Khí hóa tầng sôi

a Đặc điểm

Thiết bị khí hóa tầng sôi ban đầu được phát triển để khắc phục những vấn đề hoạt động của thiết bị khí hóa lớp nhiên liệu cố định Thích hợp với đặc tính nhiên liệu có hàm lượng tro cao, và hệ thống có công suất lớn hoặc rất lớn (lớn hơn 10Mw) Các tính năng của khí hóa tầng sôi có thể so sánh tương tự với những buồng đốt tầng sôi So với những thiết bị khí hóa kiểu cố định thì khí hóa tầng sôi nhiệt độ khí tương đối thấp: vào khoảng 750 – 900oC Trong khi thiết bị khí hóa

kiểu cố định nhiệt độ tại khu vực khí hóa có thể cao 1200oC, thậm chí còn cao hơn trong thiết bị khí hóa than khoảng 1500oC

Công nghệ này thường dùng cho kích cỡ hạt lớn, không đều Khi cho tốc độ khí đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn, là quá trình cân bằng giữa tốc

độ dòng khí và trọng lực, lúc này vật chất sẽ ở dạng lơ lững còn gọi là tầng sôi Kết quả là nhiệt phân nhiên liệu xảy ra rất nhanh, một lượng lớn khí được sinh ra Do nhiệt độ thấp nên năng suất chuyển đổi hắc ín không phải là cao nên hàm lượng hắc

ín ra khỏi thiết bị tương đối lớn

Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc Trong quá trình, nhiên liệu và khí đi cùng một hướng từ dưới đáy lò lên Nhiên liệu sôi lơ lững trong lò và tại đây các khí đốt được tạo ra Khí sản phẩm cùng với tro đi ra ở cửa trên đỉnh lò qua thiết bị lọc bụi trước khi đưa ra ngoài sử dụng

b Ưu điểm

- Nhiên liệu liên tục được chuyển vào lò khí hóa

- Linh hoạt theo sự thay đổi đặc tính của nhiên liệu như độ ẩm và hàm lượng tro, khả năng thích ứng với nhiên liệu nhỏ vụn và hàm lượng tro cao hoặc nhiên liệu có khối lượng riêng nhỏ

- Không bị ảnh hưởng bởi hình thái nhiên liệu

- Tro có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp do đó được phép phản ứng tại nhiệt độ thấp, khả năng tạo xỉ thấp

- Nhiên liệu được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình trao đổi nhiệt và năng suất phản ứng rất cao, làm cho nhiệt độ phân bố đều theo chiều cao của lò

- Nhiên liệu và khí cùng đi từ dưới lên nên nhiên liệu sẽ tiếp xúc ngay với vùng nhiệt độ cao, quá trình phản ứng được đẩy nhanh Lượng chất sinh ra từ

trấu gặp ngay oxy trong khí sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ còn lại

sẽ bị nhiệt phân vì vậy khí đi ra sạch, thường dùng cho tổng hợp hóa học

- Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt trấu luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng như khí hóa tầng cố định, khi đó nhiệt độ trung bình của lò sẽ được phân bố đều và giảm xuống

- Phức tạp trong việc thiết kế và vận hành, chi phí đầu tư cao

2.2.2 Công nghệ khí hóa tầng cố định

a Đặc điểm

Trong công nghệ này, có nhiều kiểu khí hóa khác nhau như Downdraft, Crossdraft, Updraft Mỗi kiểu có ưu và nhược điểm, tùy mục đích sử dụng khác nhau Đồng thời các kiểu cũng khác nhau về cách bố trí nhiên liệu, hướng khí vào

và ra… tuy nhiên tất cả đều có các vùng cơ bản là vùng xỉ, vùng cháy, vùng khử ( vùng tạo ra sản phẩm khí hóa – phản ứng), vùng bán cốc (vùng nhiệt phân), vùng sấy

b Ưu điểm chung của quá trình khí hóa tầng cố định

Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt

độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, nhiên liệu càng đi xuống dưới càng nóng Phương pháp khí hóa tầng cố định có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban

đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng đến chất lượng khí Nhiên liệu đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc có lượng ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử, vùng cháy, nhiên liệu vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng sản phẩm khí ở đây vẫn tốt Chính vì phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả các loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro)

Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt Mất mát cacbon theo xỉ ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển động của nhiên liệu từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần

c Nhược điểm chung của quá trình khí hóa tầng cố định

Phương pháp này mất mát nhiệt theo xỉ khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không cao

Do đặc điểm của công nghệ khí hóa là tạo nhiều sản phẩm lỏng như hydrocacbon, dầu, nhựa, phenol… và sản phẩm khí có chiếm lượng CH4, CxHy lớn nên quá trình phân riêng và xử lý khí hóa phức tạp

d Các kiểu khí hóa tầng cố định

Khi có sự tương tác của không khí hoặc oxi và sinh khối trong thiết bị khí hóa, chúng được phân loại theo lối đi của không khí hoặc oxi thì có 3 loại

 Khí hóa kiểu Downdraft

Kiểu không khí cấp từ trên xuống xuyên qua lớp nhiên liệu của buồng phản ứng

Đối với kiểu Downdraft, kiểu này thường dùng cho các hộ gia đình hoặc qui

mô sản xuất nhỏ do dễ thiết kế và sử dụng, có khả năng tạo khí không khói

Hiện nay, về mặt dân dụng, người ta có xu hướng thiết kế bếp không khói để

sử dụng không ảnh hưởng môi trường và con người

Kiểu này các vùng sẽ sắp theo thứ tự từ trên xuống:

Vùng sấy - vùng bán cốc - vùng khử - vùng cháy - vùng xỉ

Hình 2.2: Khí hóa kiểu Downdraft

Không khí được đưa vào từ trên xuống hoặc đưa trực tiếp vào vùng cháy, Gas được lấy từ phía dưới, do đó nhiên liệu và không khí đi cùng chiều Trên đường đi xuống, những thành phần nhựa phải xuyên qua lớp than nóng vì thế được chuyển thành CO, CO2, H2, CH4

Các vùng chủ yếu được gia nhiệt nóng bởi bức xạ (và một phần đối lưu) nhiệt

từ vùng đốt, nơi mà một phần của than bị cháy Khi đốt nhiệt phân cũng xuyên qua khu vực này và cũng được đốt cháy Mức độ mà các khí nhiệt phân được đốt cháy nhiều hay ít phụ thuộc vào thiết kế, nhiên liệu sinh khối cấp và các kỹ năng của người vận hành Sau khi quá trình oxy hóa thành phần chính, phần còn lại là than và những sản phẩm cháy là cacbon dioxide và hơi nước đi xuyên qua vùng chuyển

hóa, ở đây diễn ra các phản ứng hình thành khí CO và H2 Do đó ưu điểm chính của

hệ thống khí hóa cấp khí từ trên xuống là việc sản xuất ra một lượng khí đốt với nồng độ hắc ín tương đối thấp, có thể ứng dụng phù hợp cấp khí đốt cho các động

cơ

Tùy thuộc vào nhiệt độ ở vùng cháy và thời gian lưu của khói mà lượng hắc ín

bị phân hủy nhiều hay ít Đồng thời, không phải tất cả khí đốt đều đi qua vùng nóng nhất, và thời gian lưu trú của chúng tại khu vực cháy có thể là quá ngắn do đó có thể lượng hắc ín vẫn còn khá cao

 Khí hóa kiểu Crossdraft

Hình 2.3: Khí hóa kiểu Crossdraft