Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công nghệ công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp để sản xuất điện năng là rất cần thiết, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng[18] phục vụ
Trang 11
1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng chất lượng cao (điện năng) đang gia tăng nhanh chóng để phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế (14,9%/năm trong giai đoạn 1995 đến 2005), do đó nguồn cung điện năng đang thiếu hụt trầm trọng (khoảng 4%/năm) [1] và Việt Nam sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng từ 2015 [7] Hệ thống phân phối điện chưa đảm bảo, theo báo cáo của Bộ Công Thương năm 2009, hiện nay tỷ lệ phủ điện lưới mới đạt khoảng trên 97% dân số [119] Các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt và đăt đỏ, cùng với đó là vấn đề bảo vệ môi trường Sinh khối được xem là nguồn năng lượng có nhiều ưu điểm: là nhiên liệu giá rẻ, có hàm lượng lưu huỳnh thấp Hơn thế, việc sử dụng sinh khối cũng không làm tăng lượng phát thải CO2 trong khí quyển [94] Tuy nhiên, theo khảo sát các nguồn sinh khối đang được sử dụng chưa hợp lí, việc sử dụng sinh khối để cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là đốt cháy trực tiếp để cung cấp nhiệt nên hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường, theo báo cáo hiện 59% sinh khối được sử dụng là cho mục đích cung cấp nhiệt, đun nấu hộ gia đình (Sectral Energy: 2006) Công nghệ khí hóa sinh khối đang được xem như là giải pháp hữu hiệu nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng sinh khối cho các nhu cầu cung cấp năng lượng chất lượng cao thay thế được dầu mỏ và khí đốt Tuy nhiên, hắc ín có trong sản phẩm khí hóa đang là một trong những tồn tại chính trong việc ứng dụng khí hóa sinh khối cho các mục đích như chạy động cơ đốt trong, pin nhiên liệu và cung cấp nhiệt thay thế dầu và khí
Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công nghệ công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp để sản xuất điện năng
là rất cần thiết, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng[18] phục
vụ nhu cầu năng lượng thiết yếu cho những khu vực chưa có điện lưới, hoặc không thể sử dụng điện lưới, vừa tận dụng được nguồn sinh khối đa dạng, dồi dào và giảm ô nhiễm môi trường
Trang 22
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu và phát triển công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, vận hành ổn định, sử dụng đa dạng sinh khối
để sản xuất điện năng
- Tận dụng được các nguồn sinh khối tại Việt Nam để sản xuất điện năng, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường
1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Phạm vi nghiên cứu
- Tập trung nghiên cứu các công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, để sản xuất điện năng công suất nhỏ kết hợp động cơ đốt trong, sử dụng linh hoạt các loại sinh khối
- Nghiên cứu ứng dụng với các loại sinh khối sẵn có tại Việt Nam
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lí thuyết
- Nghiên cứu thực nghiệm
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu giúp thiết kế, chế tạo thiết bị khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, có đặc tính vận hành ổn định, phù hợp cho sản xuất điện năng Giảm chi phí nhập khẩu công nghệ
- Kết quả nghiên cứu còn giúp chủ động tận dụng được đa dạng các nguồn sinh khối sẵn có và rẻ tiền ở Việt Nam
- Kết quả nghiên cứu còn giúp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống và sử dụng sinh khối cho các mục đích năng lượng chất lượng cao như: sản xuất điện năng, pin nhiên liệu, quá trình công nghệ nhiệt (lò nung thủy tinh, gốm sứ…) thay thế một số nhiên liệu LPG, SNG đắt tiền và ô nhiễm môi trường
- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã bước đầu giải quyết một số vấn
đề thực tiễn ở Việt Nam như: i) đã thiết kế, chế tạo và chuyển giao một hệ thống khí hóa sinh khối công suất 150 kW cho Viện hóa học công nghiệp Việt Nam (2013); ii) đã tư vấn thiết kế cho công ty cổ phần thuốc lá Ngân Sơn (Tiên Sơn – Bắc Ninh) một hệ thống khí hóa sinh khối để tận dụng nguồn phụ phẩm (chất thải)
từ quá trình chế biến thuốc lá (2012) (minh chứng đính kèm PL)
Trang 33
1.5 Điểm mới của luận án
- Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đã đánh giá được tiềm năng nguồn và khả năng khí hóa của một số loại sinh khối ở Việt Nam
- Cải tiến và đưa ra quy trình thiết kế, đồng thời chế tạo được một
hệ thống khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, có đặc tính năng lượng và đặc tính vận hành phù hợp cho động cơ đốt trong
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố (chế độ vận hành, đăc tính nhiên liệu) trong quá trình khí hóa với các loại nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam Kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra chế độ vận hành hợp lí để sản xuất điện của 2 loại nhiên liệu là than hoa và gỗ mẩu
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khí hóa sinh khối sản xuất điện năng cho thấy, khả năng sử dụng trực tiếp năng lượng sinh khối (dạng năng lượng rẻ tiền, sẵn có) cho sản xuất điện năng là rất tiềm năng và hoàn toàn khả thi, có thể thay thế 30 - 75% việc sử dụng nhiên liệu diesel đắt tiền và ô nhiễm môi trường
1.6 Trình tự luận án
Luận án gồm 186 trang: lời cam đoan (1 trang), lời cảm ơn (1 trang), mục lục (3 trang), ký hiệu viết tắt (5 trang), danh mục bảng (1 trang), danh mục hình và đồ thị (3 trang), phần mở đầu (4 trang) Nội dung chính gồm 4 chương 113 trang, chương 1: Tổng quan về khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy
mô nhỏ (22 trang), chương 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình khí hóa sinh khối (16 trang), chương 3: Cải tiến công nghệ và nghiên thực nghiệm quá trình khí hóa với nguồn sinh khối ở Việt Nam (47 trang), chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng (28 trang); kết luận và đề xuất (2 trang), tài liệu tham khảo (7 trang), phụ lục (46 trang)
2 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG QUY MÔ NHỎ
2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng
2.1.1 Một số công trình công bố trong và ngoài nước có liên quan trực tiếp đến đề tài
Trang 44
2.1.1.1 Các công trình công bố trên thế giới
Để sản xuất khí sản phẩm sử dụng cho mục đích năng lượng chất lương cao thì cho đến nay, hắc ín là một trong những tồn tại lớn nhất để thương mại hóa công nghệ này Đã
có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, với sản xuất năng lượng quy mô nhỏ, việc xử lí hắc ín chủ yếu tập trung vào phương pháp phân hủy nhiệt, đã có một số công trình công bố như:
- Jindrich Sulc và công sự năm 2012 [53] đã nghiên cứu phát triển lò khí hóa sinh khối thành 2 buồng riêng biệt dựa trên ý tưởng của Nikolaisen trường đại học kỹ thuật Đan Mạch và đã nghiên cứu thực nghiệm với nhiên liệu là gỗ, kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín chỉ còn khoảng 135 mg/kg gỗ Tuy nhiên tỷ
số ER là 0,71 và nhiệt trị của khí sản phẩm chỉ còn khoảng 3,15 MJ/m3
- Luisa Burhenne và cộng sự năm 2013 [68] cũng đã xây dựng một hệ thống khí hóa gỗ nhiều cửa cấp gió, không có thót quy
mô phòng thí nghiệm với công suất 50 kW, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vùng phân hủy hắc ín, thí nghiệm cho thấy hàm lượng hắc ín bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ vùng phân hủy và chiều cao của vùng này, kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín có thể đạt dưới 50 mg/m3 và nhiệt trị dao động từ 4,5 - 5,5 MJ/m3
- Bui Tuyen và cộng sự [102] một trong những người đầu tiên phát triển công nghệ khí hóa sinh khối nhiều cấp gió dựa trên ý tưởng của Nikolaisen nhưng đã cải tiến, thiết bị khí hóa chỉ còn một buồng duy nhất, năm 1994 đã công bố kết cấu buồng khí hóa 2 cửa cấp gió, kết quả cho thấy lượng hắc ín giảm 40 lần so với khí hóa 1 cửa cấp gió và chỉ còn khoảng 50 mg/m3
- P Raman và cộng sự năm 2013 [90, 91] cũng đã công bố các kết quả về phát triển công nghệ khí hóa sinh khối với 2 cửa cấp gió, không có thót đồng thời tận dụng nhiệt thải để gia nhiệt không khí cấp vào lò để cải thiện hiệu suất lò và kết quả là hàm lượng hắc ín đạt dưới 100 mg/m3
, hiệu suất đạt tới 89%
- Bhattacharya và công sự [24, 25] cũng đã công bố những kết quả nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối với 3 cửa
Trang 52.1.1.2 Các công trình công bố trong nước
Hiện nay, các công trình công bố trong nước chủ yếu dừng lại ở nghiên cứu lí thuyết và đánh giá tiềm năng như trong các tài liệu [9, 77, 104, 12] Các nghiên cứu thực nghiệm và phát triển công nghệ này một cách đầy đủ hầu như chưa có hoặc dừng lại ở dạng các bếp đun khí hóa sinh khối hộ gia đình
2.2 Các phương pháp xử lí hắc ín
Các phương pháp để xử lí hắc ín được chia thành hai nhóm chính: (i) xử lí hắc ín trong quá trình khí hóa bằng cách khử hoặc giảm sự hình thành hắc ín; và (ii) xử lí hắc ín sau quá trình khí hóa, [34] dùng để tách hắc ín trong khí sản phẩm
2.2.1 Xử lí hắc ín trong quá trình khí hóa
Xuất phát từ quá trình hình thành các phương pháp xử lí hắc ín tập trung vào việc: i) thay đổi điều kiện vận hành của lò, ii) thay đổi công nghệ (thuận chiều, ngược chiều, BFB, CFB…), iii) điều chỉnh thiết kế lò (cấp gió cấp 2, khí hóa nhiều cấp, khí hóa nhiều buồng), iv) thay đổi tác nhân khí hóa hay v)
sử dụng chất xúc tác phù hợp
2.2.2 Xử lí hắc ín sau quá trình khí hóa
Loại bỏ hắc ín sau quá trình khí hóa chủ yếu sử dụng phương pháp tách, lọc, rửa, thậm chí dùng chất xúc tác hoặc đốt, hấp thụ khí sản phẩm sau khí hóa [34]
2.3 Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng
2.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng quy mô nhỏ
Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện quy mô nhỏ thường sử dụng kiểu lò khí hóa lớp cố định mà chủ yếu là loại lò thuận chiều [20] vì: hàm lượng hắc ín thấp, công nghệ đơn giản, vận hành không quá phức tạp, chi phí ban đầu thấp, tuy nhiên công suất của công nghệ này là hạn chế
Trang 66
Sản xuất điện năng quy mô nhỏ từ khí hóa sinh khối thường kết hợp với động cơ đốt trong vì [28]: đây là công nghệ đã được minh chứng trong lịch sử phát triển [20], tuy nhiên, công nghệ cũng có những đòi hỏi về chất lượng khí sản phẩm khá cao như: [87, 77] Nhiệt trị thấp làm việc: khoảng 4 - 6 MJ/m3
; Hàm lượng hắc ín: 100 mg/m3; Nồng độ bụi: 30 mg/m3
2.3.3 Một số thiết kế lò khí hóa để xử lí hắc ín đang được nghiên cứu và phát triển
Các nghiên cứu thay đổi thiết kế lò khí hóa để giảm hắc ín
có thể được chia thành 7 mẫu i) mô hình thiết kế bổ sung cửa cấp không khí cấp 2 được thực hiện bởi các tác giả Bùi, Barrio, Kremeiter, Hobb [102, 23, 74]; ii) thiết kế tuần hoàn khí nhiệt phân được thực hiện bởi tác giả Kaupp, Susanto, Gek[59, 100]; iii) mô hình thiết kế kết hợp tuần hoàn khí nhiệt phân và bổ sung cửa cấp không khí được thực hiện bởi Cao, Kittipong, Antonopoulos [32, 40, 48]; iv) thiết kế thay đổi vị trí cửa thoát khí sản phẩm được thực hiện bởi Chyan, Nowacki [36, 80]; v) thiết kế thay đổi vị trí của vùng đốt được Saravanakumar thực hiện [95]; vi) thiết kế lò khí hóa ngược chiều với khí sản phẩm
đi qua một lớp char, hoặc xúc tác ở cấp 2 do Pino thực hiện [85] và vii) tách quá trình nhiệt phân và khí hóa trong các buồng riêng biệt được thực hiện bởi Brandt, Koch, Wang và Anderseen [29, 62, 110]
Việc bổ sung cửa cấp không khí được thực hiện để tăng nhiệt độ bên trong lò phản ứng, đặc biệt là ở vùng khí hóa và
Trang 77
vùng cháy để phân hủy hắc ín ở nhiệt độ cao, kết quả là lượng hắc ín trong khí sản phẩm còn khoảng 90 mg/m3 Thiết kế tuần hoàn khí nhiệt phân để đốt cháy khí nhiệt phân lượng hắc ín trong khí sản phẩm còn khoảng 350 mg/m3 Với thiết kế tách biệt quá trình nhiệt phân và khí hóa ở các buồng khác nhau, hàm lượng hắc ín đạt khoảng 1 - 15 mg/m3
[19, 32, 79, 103]
3 CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI
3.1 Những tồn tại của hệ thống thử nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình hệ thống thử nghiệm cho thấy, các vùng cháy biệt lập, nhiệt độ không cao, thường bị dao động nên vận hành kém ổn định, khó sử dụng đa dạng các loại sinh khối, đặc biệt đối với nhiên liệu khó cháy thì thường xuyên xảy ra hiện tượng tắt lò, truyền nhiệt từ vùng cháy sang các vùng lân cận chưa tốt, thời gian lưu khí sản phẩm ở vùng nhiệt độ cao ngắn, nhiệt độ không khí cấp vào lò thấp Kết cấu ghi lật không phù hợp, khi thải tro xỉ, bụi thường bị cuốn theo khí sản phẩm rất nhiều gây ảnh hưởng đến động cơ [8]
3.2 Những cải tiến và khắc phục
Từ nghiên cứu đặc tính nhiên liệu và thực nghiệm tác giả đã
có những điều chỉnh như sau: i) Điều chỉnh lại khoảng cách các cửa cấp gió cho phù hợp với thực tế, duy trì cố định một cửa cấp gió chính để duy trì vùng cháy chính, ii) điều chỉnh kết cấu
lò để lò có điểm thắt vừa phải để tạo vùng cháy chính, iii) tác giả cũng thiết kế bộ gia nhiệt cho không khí cấp vào lò và bộ tận dụng nhiệt ở tường lò để thu nhiệt cũng như duy trì ổn định nhiệt cho thân lò Nhiệt độ không khí cấp vào lò đạt 150 –
2000C, iv) cải tiến cơ cấu thải tro dạng ghi lật sang dạng vít tải, v) bố trí vùng đệm ở đáy lò vừa làm khoang chứa xỉ, vừa tách biệt khoang chứa xỉ với khoang lấy khí sản phẩm ra, giúp giảm tro bụi bay theo khí sản phẩm, tăng tuổi thọ thiết bị thải xỉ
3.3 Tính toán thiết kế lò khí hóa sinh khối
3.3.1 Tính toán cân bằng khối lượng và nhiệt lượng
- Lựa chọn số liệu ban đầu
Trang 88
- Tính toán cân bằng khối lượng
- Tính toán cân bằng nhiệt lượng từng vùng trong lò khí hóa
sinh khối: nhiệt lượng vùng sấy, nhiệt lượng vùng nhiệt phân,
nhiệt lượng vùng khí hóa, nhiệt lượng của vùng cháy
3.3.1.3 Tính toán chiều cao thiết bị và vị trí đặt miệng thổi gió
- Chiều cao vùng sấy; Chiều cao các vùng nhiệt phân, khí hóa, vùng cháy và vùng đệm; Phễu nhiên liệu; Chiều cao tổng của lò; Vị trí đặt miệng thổi không khí
Các bản vẽ chi tiết lò và thiết bị phụ trợ của hệ thống khí hóa sinh khối được trình bày trong phần phụ lục PL3.1 và PL3.2
3.3.2 Kết quả tính toán, thiết kế và phát triển lò khí hóa sinh khối công suất nhiệt đến 2 MW
Từ lí thuyết tính toán ở phẩn trên tác giả đã lập bảng tính và xây dựng các mẫu thiết kế lò công suất nhiệt đến 2 MW, kích thước chi tiết được trình bày trong bảng 3.4
4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI VỚI NGUỒN SINH KHỐI VIỆT NAM
Trang 99
4.2 Thiết lập hệ thống thiết bị đo lường và phân tích
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng khí cấp vào lò
Hình 3.9 Hệ thống đo nhiệt
độ Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống xác định hàm lượng hắc ín
- Hệ thống phân tích thành phần khí sản phẩm: để xác định
thành phần khí sản phẩm ta sử dụng máy sắc ký khí (hình 3.6)
- Hệ thống đo lưu lượng không khí (hình 3.7)
- Hệ thống đo lưu lượng khí sản phẩm [94, 37] (hình 3.10)
Để đo lưu lượng sản phẩm khí từ thiết bị khí hóa sinh khối ta
ta thiết kế hệ thống để cho sản phẩm khí đi qua thiết bị tách hắc
ín như hình 3.10 Độ chứa hắc ín bằng lượng hắc ín chia cho lưu lượng khí sản phẩm
4.3 Quá trình thí nghiệm
Hình 3.6 Thiết bị phân
tích thành phần khí sản
phẩm (GC/MS)
Trang 10- Phương pháp tiến hành và thông số thí nghiệm
Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của việc cấp gió tại các cửa cấp gió G1, G2, G3 và tổng lượng gió ∑ đến đặc tính năng lượng của lò khí hóa công suất 50 kW
Bảng 3.6 Thông số thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
∑ (l/p)
Th3 80 120 100
300 Th4 80 160 60
Th5 80 160 180
420 Th6 120 200 100
4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình khí hóa sinh khối
- Hệ thống thí nghiệm và nhiên liệu sử dụng: Ta sử dụng hệ
thống thí nghiệm công suất 150 kW, với nhiên liệu là mẩu gỗ keo Thành phần của nhiên liệu trong bảng 1.11 và 1.12
- Phương pháp tiến hành và thông số thí nghiệm: Với nghiên
cứu này ta thay đổi độ ẩm của nhiên liệu cấp vào lò Có 3 độ
ẩm được chọn để nghiên cứu là 11%, 16% và 27%
Bảng 3.9 Thông số thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
Thành phần khí sản phẩm: Vg = f(W);
Trang 11Hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm: gtar = f(W);
Tỷ suất sinh khí: Kg = f(W);
Hiệu suất khí hóa: = f(W);
Gk2 W = 27%; (Với nhiên liệu mẩu
- Hệ thống thí nghiệm và nhiên liệu sử dụng:
Sử dụng hệ thống khí hóa công suất 150 kW, nhiên liệu sử dụng gồm: than hoa, mùn cưa, gỗ keo, gỗ cao su…Thành phần các loại nhiên liệu sử dụng như trong bảng 1.11 và 1.12
- Phương pháp tiến hành và thông số thí nghiệm:
Với nghiên cứu này ta tiến hành thay đổi các loại nhiên liệu
sử dụng trong thí nghiệm với các điều kiện biên khác gần như không đổi (độ ẩm, kích thước nhiên liệu, chế độ cấp gió…) và thực hiện trên cùng một hệ thống thí nghiệm
Bảng 3.10 Thông số thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
gtar = f(Fi);
Tỷ suất sinh khí: Kg = f(Fi);
Hiệu suất khí hóa:
Cs1 Nhiên liệu là Woodchip gỗ cao
Trang 1212
4.4 Tính toán và xử lí số liệu thí nghiệm
Các kết quả thu thập được, được tính toán, xử lí và đưa vào
bảng tổng hợp, như bảng phụ lục PL 3.3 Các số liệu gồm: Lưu
lượng khí sản phẩm, nhiệt trị sản phẩm khí, hàm lượng hắc ín, lượng nhiên liệu sinh khối tiêu hao, hiệu suất hệ thống khí hóa, tính cân bằng các bon, tính tỷ số không khí tương đương ER
4.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận
Kết quả thực nghiệm trong bảng tổng hợp phụ lục PL3.3
4.5.1.1 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến giản đồ nhiệt độ
a/ G1 = 80 l/p; G2 = 120 l/p;
G3= 60 l/p; ƩGkk = 260 l/p G3 = 100 l/p; ƩGkk = 260 l/p b/ G1 = 0 l/p; G2 = 160 l/p;
Hình 3.12 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến phân bố nhiệt độ
trong lò khí hóa
Kết quả cho thấy với cùng ƩGkk, việc duy trì lượng gió hợp
lí giữa các cửa cấp gió sẽ giúp nâng cao và duy trì ổn định nhiệt độ các vùng, đồng thời mở rộng vùng nhiệt độ cao dọc theo chiều cao thiết bị khí hóa, vùng cháy và khí hóa tương đối
ổn định trong khoảng nhiệt độ 600 - 1000o
C, chiều cao vùng này càng lớn thì càng tạo điều kiện tốt cho việc khử hắc ín ngay trong thiết bị khí hóa
4.5.1.2 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến thành phần khí
Từ hình 3.13 ta thấy, đối với Th1 và Th2 với ∑ = 260 l/ph, việc cấp gió G1 đã làm tăng nồng độ khí CO và giảm CO2
