nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hoá khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÓA KHÍ GA LIÊN TỤC TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối, nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như gỗ, tha

BỘ CÔNG THƯƠNG Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp

VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012

ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo

thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp.”

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

TT Họ và Tên Học hàm học vị chuyên môn Chức vụ Cơ quan

nghiên cứu 2 NCTKCT Viện

máy NN

NCTKCT máy NN

3 Nguyễn Thị Bích Thuận Thạc sĩ Viện

NCTKCT máy NN

NCTKCT máy NN

MỤC LỤC BÁO CÁO

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÓA KHÍ GA LIÊN

TỤC TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP ………5

1.1 Quá trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass) 6

1.2 Những ưu điểm của việc sử dụng công nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 10

1.3 Những tính chất của nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến quá trình, thiết bị hóa khí ga ……….11

1.4 Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 13

2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT 10.000 KCAL/H 17

2.1 Lựa chọn kiểu thiết bị hóa khí ga từ phụ phế phẩm nông nghiệp phù hợp với khả năng ứng dụng trong nước 17

2.2 Thiết kế thiết bị hóa khí liên tục 22

2.3 Chế tạo thiết bị hóa khí liên tục 26

3 THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT 10.000 KCAL/H 28

3.1 Mục tiêu và phương pháp khảo nghiệm 29

3.2 Kết quả khảo nghiệm 29

4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÓA KHÍ GA LIÊN TỤC

TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối, nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như gỗ, than củi, phụ phế phẩm nông lâm nghiệp, đã được đưa vào ứng dụng từ thế kỷ XIX ở Châu Âu và được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới thứ II, thời điểm mà nhu cầu năng lượng tăng cao trong khi khả năng khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch không đủ đáp ứng Các thiết bị hóa khí ga tại thời điểm này chủ yếu sử dụng than củi hoặc gỗ Tuy vậy, sau chiến tranh giá dầu mỏ giảm xuống, việc nghiên cứu, khai thác năng lượng từ việc hóa khí ga từ vật liệu sinh khối có thể coi như dừng lại ngoại trừ tại một số ít quốc gia như Thụy Điển

Việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng này được quan tâm trở lại sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970-1980 Đi đầu trong lĩnh vực này là các nước phát triển như Thụy Điển, Áo, Đức Năng lượng từ hóa khí ga được sử dụng thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch (khí đốt, dầu mỏ, than đá) để cung cấp nhiệt cho các hệ thống sưởi ấm, hệ thống chế biến có sử dụng nhiệt, sử dụng để chạy động cơ, máy phát điện Việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ hóa khí ga này cũng được những nước phát triển khác như Brazin, Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Philipin, Thái Lan quan tâm

Sự ấm lên toàn cầu (Global warming) cùng với sự gia tăng phát thải khí CO2 thúc đẩy toàn thế giới tìm đến nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng

từ sức gió, năng lượng sinh khối để sử dụng thay thế năng lượng hóa thạch Cũng vì vậy mà việc nghiên cứu sử dụng năng lượng thông qua hóa khí ga từ vật liệu sinh khối, phụ phế phẩm từ nông nghiệp càng được đẩy mạnh và có những bước tiến đáng kể từ những năm 2000 trở lại đây

Việt Nam là một nước có tiềm năng phát triển nông nghiệp Việc tận thu nguồn năng lượng từ phụ phế phẩm nông nghiệp thông qua quá trình hóa khí ga để phục vụ quá trình sơ chế, chế biến các sản phẩm nông lâm nghiệp cũng như phục vụ nhu cầu năng lượng hàng ngày là vấn đề cần thiết, đáng quan tâm

1.1 Quá trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass)

Quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối là quá trình mà trong đó nhiên liệu

sinh khối ở thể rắn bị phá vỡ bởi nhiệt trong điều kiện thiếu khí ôxy để tạo ra nhiên liệu ở

thể khí (khí ga) Nhiệt sử dụng trong quá trình hóa khí này được lấy chính từ việc đốt

cháy một phần nhiên liệu sinh khối

Nhiên liệu sinh khối ở thể rắn bao gồm một phần lớn hợp chất hữu cơ, nước, và

một số ít các chất vô cơ được biết đến như hàm lượng tro Phần hợp chất hữu cơ chủ yếu

bao gồm các-bon, hydro, oxy và một số ít nitơ, lưu huỳnh (bảng 1)

C (%) (%) H (%) N

S (%)

O (%) (%) Tro (kJ/kg) HHV Nguồn

Gỗ thích 50.6 6.0 0.3 0 41.7 1.4 19,958 Tillman, 1978

Gỗ cây lá kim 52.3 6.3 9.1 0 40.5 0.8 21,051 Tillman, 1978

Vỏ cây lá kim 56.2 5.9 0 0 36.7 1.2 22,098 Tillman, 1978

Gỗ màu đỏ 53.5 5.9 0.1 0 40.3 0.2 21,028 Tillman, 1978

Phụ phẩm cây gỗ

Boley and Landers, 1969 Bùn chất thải 29.2 3.8 4.1 0.7 19.9 42.1 16,000

Rơm cây lúa 39.2 5.1 0.6 0.1 35.8 19.2 15,213 Tillman, 1978

Trong điều kiện phù hợp về nhiệt độ, áp suất, khí oxy/ không khí, xuất hiện quá

trình biến đổi nhiệt-hóa học nhiên liệu sinh khối (bảng 2) Quá trình biến đổi nhiệt-hóa

học này có thể được phân làm 3 loại:

- Quá trình đốt cháy/ oxy hóa hoàn toàn;

- Quá trình nhiệt phân;

Bảng 1: Thành phần của một số vật liệu sinh khối [3]

- Quá trình hóa khí ga

Quá trình đốt cháy hoàn toàn được xảy ra khi nhiên liệu sinh khối được cung cấp đầy đủ ôxy/không khí Sản phẩm của quá trình này là khí cácbônic (CO2) và nước đồng thời với một lượng nhiệt lớn thoát ra Phương trình phản ứng nhiệt-hóa học của quá trình này như sau:

C + O2 Ù CO2 (- 401,9 kJ/mol) (1-1)

H + ½ O2 Ù H2O (- 241,1 kJ/mol) (1-2)

Như vậy, quá trình đốt cháy/ oxy hóa hoàn toàn là quá trình sinh nhiệt Trong quá trình này mỗi mol (12 gram) C oxy hóa hoàn toàn tỏa ra 401,9 kJ và 1 mol (2,016 gram)

H sau khi oxy hóa hoàn toàn giải phóng 241,4 kJ [1]

Quá trình Nhiệt độ(°C) Áp suất

Cháy hoàn toàn 700–1400 >0.1 Không cần thiết, nhưng giúp sự cháy tốt hơn

Nguồn: Demirbas, 2009

Trái ngược với quá trình đốt cháy hoàn toàn ở trên, quá trình nhiệt phân xảy ra trong điều kiện vắng mặt khí oxy Đây là quá trình nhiệt phân rã nhiên liệu sinh khối tạo

ra các thành phần khí, thành phần ở thể lỏng và thể rắn Trong điều kiện nhiệt độ, áp suất

và thời gian khác nhau, quá trình nhiệt phân có thể ở 3 mức độ:

- Nhiệt phân một phần ( torrefaction);

- Nhiệt phân chậm;

- Nhiệt phân nhanh

Trong quá trình nhiệt phân các phân tử hydrocacbon lớn của nhiên liệu sinh khối

bị phá vỡ thành các phân tử hydrocacbon nhỏ hơn Sản phẩm của quá trình nhiệt phân

Bảng 2: Bảng so sánh điều kiện xảy ra các quá trình nhiệt-hóa học [3]

số khí cùng sản phẩm than củi Quá trình nhiệt phân một phần xảy ra khi nung nhiên liệu

sinh khối ở nhiệt độ 200 0C - 300 0C Quá trình này làm biến đổi cấu trúc, gia tăng nhiệt

trị của nhiên liệu sinh khối, giúp cho nhiên liệu sinh khối trở nên nhẹ hơn, thuận tiện cho

việc vận chuyển Quá trình nhiệt phân là quá trình thu năng lượng

Trong điều kiện lượng oxy cấp cho quá trình phản ứng nhiệt-hóa học không đủ,

xảy ra quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối Sản phẩm của quá trình này là nhiên

liệu ở thể khí chủ yếu gồm khí hydro (H2) và carbon monoxide (CO) Quá trình hóa khí

này diễn ra một cách phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ, chất xúc

tác ), phương trình phản ứng nhiệt-hóa học của quá trình này như sau [1]:

Phản ứng (a), (b) là hai phản ứng chủ yếu trong quá trình hóa khí ga, hai phản ứng

này thu nhiệt Phản ứng (c) mô tả trạng thái cân bằng nước-khí Về lý thuyết, tỷ số giữa

sản phẩm tạo ra CO và nước với CO2 và H2 là không đổi, được gọi là hằng số trạng thái

cân bằng nước-khí (KWE = ) [1] Trong thực tế thành phần khí ở trạng thái cân

bằng như vậy chỉ có thể đạt được trong điều kiện áp suất, tốc độ phản ứng, thời gian phản

ứng phù hợp

Tốc độ phản ứng hóa khí ga giảm theo nhiệt độ phản ứng, đặc biệt khi nhiệt độ

phản ứng giảm xuống dưới 7000C Hằng số trạng thái cân bằng nước-khí KWE thay đổi

theo nhiệt độ phản ứng (bảng 3) Từ bảng này có thể thấy quá trình hóa khí ga xảy ra trong vùng nhiệt độ phản ứng 7000C - 10000C

Nhiệt độ phản ứng, các quá trình phản ứng phụ thuộc vào lượng oxy/ không khí tham gia Tỷ lệ về khối lượng oxy trên khối lượng nhiên liệu sinh khối cho việc đốt cháy hoàn toàn là 1,476 (đối với không khí tỉ số tương ứng này là 6,36) Hệ số quy đổi Ф, tỉ lệ

về khối lượng giữa lượng oxy/ không khí tham gia phản ứng trên lượng oxy/ không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu sinh khối, quyết định sản phẩm và nhiệt độ của quá trình phản ứng (đồ thị 1) [2] Với lượng oxy/ không khí đưa vào quá ít, quá trình chuyển hóa khí ít xảy ra, ngược lại thừa oxy/không khí dẫn đến một phần khí bị đốt cháy, thể hiện ở sự tăng nhiệt độ đột ngột Quá trình hóa khí được thực hiện hiệu quả nhất ứng với lượng oxy/ không khí ở hệ số quy đổi Ф= 0,25

Đồ thị 1: Đồ thị nhiệt độ phản ứng theo hệ số quy đổi Ф đối với nhiên liệu

sinh khối [2]

Trong thực tế, quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối đồng thời xảy ra 3 quá trình phản ứng nhiệt-hóa học nêu trên Quá trình nhiệt phân và hóa khí ga là những phản ứng thu nhiệt Do vậy, nhiên liệu sinh khối được đốt cháy một phần để cung cấp nhiệt cho thực hiện quá trình nhiệt phân và hóa khí ga Hiệu suất của quá trình hóa khí với mỗi loại nhiên liệu sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ giữa lượng oxy tham gia phản ứng và lượng nhiên liệu sinh khối, nhiệt độ, thời gian quá trình phản ứng Điều khiển quá trình hóa khí

là việc điều khiển tốc độ cấp vật liệu, điều khiển lượng oxy/không khí phù hợp để đạt được nhiệt độ phản ứng cần thiết tương ứng với mỗi loại nhiên liệu sinh khối

1.2 Những ưu điểm của việc sử dụng công nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối

Trong quá trình hóa khí ga, một phần năng lượng của nhiên liệu sinh khối (khoảng 8-10%) được sử dụng để thực hiện quá trình này Như vậy hiệu suất của việc sử dụng năng lượng nhiên liệu sinh khối thông qua hóa khí ga về lý thuyết thấp hơn so với đốt trực tiếp Tuy vậy, trong quá trình hóa khí một phần lớn tạp chất có trong nhiên liệu sinh

khối được loại bỏ giúp giảm được sự gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa việc sử dụng nhiên liệu hóa khí này cho phép điều khiển quá trình cấp nhiệt trong sản xuất một cách linh động hơn

1.3 Những tính chất của nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến quá trình, thiết bị hóa khí ga

Nhiên liệu sinh khối phù hợp cho quá trình hóa khí ga như than gỗ, gỗ, phụ phế phẩm lâm nghiệp (như cành, vỏ cây, vỏ bào, mùn cưa ), phụ phế phẩm nông nghiệp (như trấu, rơm rạ, lõi ngô, vỏ cà phê, vỏ lạc )

Các tính chất hóa lý, hình dạng của các nguồn nhiên liệu sinh khối khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến công nghệ, quá trình hóa khí Hiệu suất, tính ổn định của quá trình hóa khí ga cũng như các thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối chịu ảnh hưởng lớn từ các tính chất của nguồn nhiên liệu Đối với mỗi loại nhiên liệu công nghệ, thiết bị hóa khí phải được lựa chọn, thiết kế cho phù hợp

Hiện chưa có thiết bị hóa khí đa năng để có khả năng hóa khí hiệu quả cho tất cả các dạng nhiên liệu sinh khối Mỗi thiết bị hóa khí được thiết kế để có thể hoạt động ổn định, có hiệu suất, chất lượng khí ga tốt phù hợp với tính chất của nhiên liệu sinh khối Những tính chất quan trọng của nhiên liệu sinh khối cần được quan tâm:

a) Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối

Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối là lượng nước gắn kết có trong nhiên liệu Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối sử dụng trong quá trình hóa khí ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất sử dụng năng lượng Theo bảng 5 có thể thấy chỉ có thể thu được 50% năng lượng từ nhiên liệu có hàm ẩm 40%

Khi lượng nước có trong nhiên liệu cao, trong quá trình hóa khí thành phần nước này hóa hơi và thu nhiệt, dẫn đến làm giảm nhiệt độ phản ứng thậm chí

có thể làm ngừng quá trình hóa khí

Độ ẩm (wt %) STT Theo chất khô

(Dry basis)

Theo chất ướt

(Wet basis)

Khả năng thu nhiệt (Btu/lb)

Hiệu suất đốt cháy (%)

Bảng 4: Hiệu suất sử dụng năng lượng từ nhiên liệu sinh khối theo hàm ẩm

của nhiên liệu [2]

b) Kích thước, hình dạng và mật độ nhiên liệu

Kích thước, mật độ nhiên liệu ảnh hưởng đến tốc độ hóa khí Nhiên liệu có kích thước nhỏ có tốc độ hóa khí nhanh hơn Tuy vậy, kích thước nhỏ của nhiên liệu cũng là yếu tố cản trở dòng oxy/ không khí đưa vào phản ứng, làm tăng trở lực trên thiết bị hóa khí

Kích thước, hình dạng và mật độ nhiên liệu cũng là yếu tố cần quan tâm trong việc thiết kế các thiết bị vận chuyển

c) Lượng tạp chất hóa học, hàm lượng tro có trong nhiên liệu

Lượng tro cao trong nhiên liệu đòi hỏi việc tháo tro thường xuyên hơn trên thiết bị hóa khí Nghiêm trọng hơn khi tro từ phụ phế phẩm nông nghiệp như rơm, trấu có chứa những tạp chất có thể dẫn đến việc hóa xỉ tro gây khó khăn cho việc tháo tro ra khỏi thiết bị

Một số tạp chất có trong nhiên liệu sinh khối như lưu huỳnh có thể tạo ra những chất có khả năng oxy hóa thiết bị Tính chất này cũng cần được quan tâm trong việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị

d) Thành phần dễ hóa hơi trong nhiên liệu sinh khối

Nhiên liệu sinh khối có đặc trưng chứa những thành phần dễ bay hơi Trong quá trình hóa khí ga, những thành phần này tạo ra bồ hóng, hắc ín có thể gây tắc thiết bị

1.4 Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối

Dựa trên phương thức cấp nguyên/nhiên liệu và tác nhân hóa khí ga (không khí, hơi nước, khí ôxy ) trên thiết bị hóa khí, công nghệ hóa khí từ vật liệu sinh khối có thể được phân loại theo: hóa khí dòng cuốn (entrained flow), hóa khí tầng sôi (fluidized bed), hay hóa khí sàn tĩnh (fix bed/ moving bed) (như trong Sơ đồ 1)

Trong công nghệ hóa khí dòng cuốn, dòng tác nhân hóa khí ở nhiệt độ cao được phun vào buồng hóa khí kéo theo nhiên liệu Công nghệ này được chia làm hai loại, công nghệ hóa khí dòng cuốn đồng trục và ngược dòng

Ở công nghệ hóa khí tầng sôi, dòng tác nhân hóa khí đi ngược chiều với dòng cấp nhiên liệu và với vận tốc lớn đủ làm cho lớp nhiên liệu sinh khối ở trạng thái sôi/ giả lỏng, và dòng tác nhân hóa khí thường đi từ dưới lên Với tốc độ cấp tác nhân hóa khí ga khác nhau, công nghệ này được phân thành công nghệ hóa khí tầng sôi giả lỏng, hồi lưu hay sàn kép

Công nghệ hóa khí sàn tĩnh có tốc độ tác nhân hóa khí thấp hơn so với ở công nghệ hóa khí tầng sôi và được phân loại theo hướng dịch chuyển tương đối giữa tác nhân hóa

khí và nhiên liệu sinh khối Theo đó công nghệ hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng (downdraft): tác nhân hóa khí dịch chuyển cùng chiều với dòng dịch chuyển của nhiên liệu; công nghệ hóa khí sàn tĩnh ngược dòng (updraft): tác nhân hóa khí dịch chuyển lên trên, ngược chiều với dòng dịch chuyển của nhiên liệu; công nghệ hóa khí sàn tĩnh ngang dòng (crossdraft): nhân hóa khí dịch chuyển cắt ngang với dòng dịch chuyển của nhiên liệu

Các thiết bị hóa khí dựa trên 3 nguyên lý cơ bản hóa khí sàn tĩnh, hóa khí tầng sôi, hóa khí dòng cuốn được so sánh trong bảng 5 và sơ đồ 2 Mỗi công nghệ hóa khí phù hợp với dải công suất tương ứng của thiết bị Có thể nhận thấy các thiết bị hóa khí theo nguyên lý tầng sôi, hóa khí dòng cuốn phù hợp với những ứng dụng ở dải công suất lớn (Từ 5 MW trở lên) do chi phí đầu tư cho những thiết bị này rất cao Nhiên liệu phù hợp cho những thiết bị này có kích thước từ nhỏ cho đến mịn

Với ứng dụng có công suất nhỏ hơn 10 MW các thiết bị hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh phù hợp hơn Các thiết bị này phù hợp với nhiên liệu sinh khối có kích thước lớn 2-

Thông số so sánh Thiết bị hóa khí sàn tĩnh Thiết bị hóa khí tầng sôi Thiết bị hóa khí dòng cuốn

Kích thước nhiên liệu <51 mm <6 mm <0.15 mm

Sơ Đồ 2: Vùng ứng dụng công nghệ, thiết bị hóa khí từ vật liệu sinh khối theo

công suất của thiết bị hóa khí [3]

Xét đến khả năng ứng dụng công nghệ hóa khí trên các thiết bị có công suất lớn đến

hàng chục MW trong tương lai gần là khó khả thi, nhóm thực hiện đề tài sẽ chỉ tập trung

Bảng 5: Bảng so sánh một số thông số giữa các thiết bị hóa khí [3]

nghiên cứu thiết bị có công suất nhỏ với ứng dụng cho nguồn nhiên liệu sinh khối từ phụ

phế phẩm nông lâm nghiệp Cụ thể là thiết bị hóa khí theo công nghệ sàn tĩnh

Như đã đề cập thiết bị hóa khí ga theo công nghệ sàn tĩnh, thiết bị hóa khí được phân loại dựa theo sự chuyển động tương đối giữa dòng nhiên liệu sinh khối và dòng tác nhân hóa khí (không khí) Sơ đồ 3, 4 mô tả thiết bị hóa khí ngược dòng (updraft gasifier) và thiết bị hóa khí xuôi dòng (downdraft gasifier)

Sơ Đồ 3:Sơ đồ nguyên lý hóa khí ngược dòng (updraft) [3] Sơ Đồ 4: Sơ đồ nguyên lý hóa khí xuôi dòng (downdraft) [3]

Những đặc điểm của các thiết bị hóa khí này được so sánh trong bảng 6 Thông qua kết quả so sánh có thể thấy thiết bị hóa khí ngược dòng có hiệu suất khí ga (nóng) cao (90-95%) Thiết bị cho phép thực hiện hóa khí với những nhiên liệu có độ ẩm cao (đến 60%) và có kích thước trong dải rộng (5-100 mm) Tuy vậy, lượng hắc ín có trong khí ga cao (30-150 g/Nm3), nhiều gấp 50 lần so với việc hóa khí ga trên thiết bị hóa khí xuôi dòng

Hàm lượng hắc ín có trong khí ga cao làm giảm khả năng sử dụng khí ga thu được từ thiết bị hóa khí ngược dòng Để sử dụng được khí ga này cần thiết có các thiết bị lọc phức tạp tương ứng, do vậy chi phí cho đầu tư thiết bị và vận hành thiết bị sẽ tăng lên nhiều

Nhiên liệu (Gỗ) Hóa khí ngược dòng Hóa khí xuôi dòng Hóa khí ngang dòng

Tro khô (%) 25 max 6 max 0.5–1.0 Nhiệt độ nóng chảy của tro (°C) >1000 >1250

Source: Adapted from Knoef, 2005, p 26

Bảng 6: Bảng so sánh đặc điểm của các thiết bị hóa khí sàn tĩnh (fixed/

moving bed) [3]

Trên thiết bị hóa khí từ nhiên liệu sinh khối theo công nghệ hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng (Fixed/moving bed - downdraft), một phần lớn hắc ín (tar) sinh ra trong quá trình hóa khí được đốt cháy sinh năng lượng tại khoang đốt (combustion), do đó lượng khí ga thu được sau khi hóa khí trên thiết bị này có hàm lượng hắc ín thấp hơn nhiều (từ 10 đến

50 lần [3]) so với trên thiết bị hóa khí theo công nghệ hóa khí sàn tĩnh ngược dòng (updraft) Do vậy thiết bị tỏ ra phù hợp với các nhiên liệu là phụ phế phẩm nông nghiệp, nhiên liệu mà trong đó chứa nhiều hợp chất dễ bay hơi, nguồn gốc của hắc ín

Dựa trên phân tích như trên, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn nghiên cứu thiết kế thiết

bị hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng trong hóa khí ga các phụ phế phẩm nông nghiệp

2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT 10.000 KCAL/H

2.1 Lựa chọn kiểu thiết bị hóa khí ga từ phụ phế phẩm nông nghiệp phù hợp với khả năng ứng dụng trong nước

Ở trong nước, nguồn phụ phế phẩm nông nghiệp có thể kể đến như vỏ trấu, rơm, lõi ngô, vỏ cà phê, vỏ bào, mạt cưa… Những nhiên liệu này có đặc tính chung là có khối lượng riêng chất đống thấp, việc sử dụng nguồn nguyên liệu này để cung cấp nhiệt, thông qua quá trình hóa khí ga, cho quá trình chế biến ngay tại địa phương hay chính tại cơ sở

sản xuất sẽ cho hiệu quả cao nhất do có thể giảm thiểu được chi phí vận chuyển Một yếu

tố khác khá quan trọng trong việc lựa chọn, ứng dụng thiết bị hóa khí đó là thiết bị có khả năng hóa khí từ các nhiên liệu phụ phế phẩm nông nghiệp tương đối khác nhau về chủng loại, kích thước, độ ẩm nhiên liệu

Thiết bị hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng thông dụng, được biết đến như thiết bị hóa khí kiểu Imbert (Sơ đồ 5) Thiết bị hóa khí kiểu này có thiết kế hình trụ, trong

đó có đoạn được thắt lại rồi mở rộng Không khí được đưa vào thông qua các đầu phun Nhiên liệu sinh khối được đưa vào từ trên và đi dần xuống phía dưới Khí ga sinh ra cùng hắc ín và phần đã được than hóa đi qua phần thắt lại của thiết bị Tại đây, dưới nhiệt độ cao hắc ín bị nhiệt phân nhờ vậy khí ga được làm sạch

Sơ Đồ 5: Thiết bị hóa khí kiểu Imbert [3]

Thiết bị kiểu này bị hạn chế về công suất hóa khí bởi với kích thước lớn khó đảm bảo được sự phân bố nhiệt đồng đều tại họng thắt

Cũng trên nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng, thiết bị có thể được thiết kế không có họng thắt hay thiết bị hóa khí phân tầng (như sơ đồ 6) Thiết bị hình trụ và không có họng thắt tránh sự cản trở đường đi của nhiên liệu và tránh được hiện tượng tạo vòm tại miếng thắt