ĐỒ ÁN MÔN HỌC SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP TỪ GỖ

Dựa trên sự hớng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Văn Đình Sơn Thọ , cùng sự tìm hiểu của bản thân , bản đồ án sau đây xin phép đợc trình bày về nội dung : Công nghệ sản xuất khí tổng hợp

Mở đầu

Yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên công nghệ, đặc biệt là các sinh viên

đang trong giai đoạn cuối của khoá học là phải biết khai thác , tìm hiểu và trình bày một nội dung cụ thể về chuyên ngành đã đợc đào tạo.Qua việc tìm hiểu đó sinh viên có thể nhận thấy các vấn đề mới, ứng dụng các kiến thức đã đợc học , biết cách trình bày vấn đề một cách khoa học nhất , đồng thời học cách làm việc theo nhóm

Với các yêu cầu và lợi ích đó , việc thực hiện đồ án môn học trớc khi bớc vào làm tốt nghiệp là vô cùng cần thiêt với sinh viên

Dựa trên sự hớng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Văn Đình Sơn Thọ , cùng sự tìm hiểu của bản thân , bản đồ án sau đây xin phép đợc trình bày về nội dung :

Công nghệ sản xuất khí tổng hợp từ gỗ

Quá trình tìm hiểu và nhận thức của sinh viên không thể tránh khỏi những hạn chế , thiếu sót.Vì vậy , sinh viên rất mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của thầy cô , bạn bè để hoàn thiện hơn vấn đề đợc chọn

Phần I ; Tổng quan

I) Nguồn gốc và vai trò của Biomas trong cuộc sống ngày nay :

- Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dới dạng năng lợng hoá học Khi đợc đốt cháy , năng lợng hoá học này đợc giả phóng dới dạng

nhiệt Chính Biomas đã sởi ấm cho cho các căn hộ và toà nhà trên thế giới hàng ngàn năm nay

- Các dạng của Biomass :

Biomass có rất nhiều dạng :

+ Gỗ

+ Sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp

+ Chất thải nông nghiệp

…

- Việc sử dụng nguồn nguyên liệu Biomass có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu toàn cầu , giảm hiệu ứng nhà kính , đồng thời sẽ cung cấp cơ hội mới cho các ngành nông nghiệp và lâm nghiệp , cải thiện vấn đề an ninh năng lợng toàn cầu

- Lợi ích môi trờng , an ninh năng lợng thực sự chỉ có khi Biomass đợc áp dụng một cách phù hợp nhất trong đó hớng sản xuất điện từ Biomass đang là một hớng đi đợc quan tâm trong khoảng htời gian gần đây

ở nớc Mỹ đã có từ 1-2% lợng điện tiêu thụ đợc sinh ra bằng phản ứng cháy của Biomass Hạn chế lớn nhất hiện nay là Biomass thờng tồn tại ở dạng rắn ,

do đó khả năng áp dụng vào thực tế cha cao

Bằng quá trình khí hoá có thể khắc phục hạn chế này Đây cũng là hớng nghiên cứu đợc tập trung hiện nay về công nghệ Biomass

- Về bản chất chu kỳ cacbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ

2)Các quá trình biến đổi khác trên cơ sở Biomass :

power

Pyrolysis oil

Low energy gas

( N2) energy gasmedium

( N2)

Synthetic liquids

Char

Pyrolysis oil

Sử dụng quá trình khí hoá , sản xuất điện năng từ nguyên liệu sinh học :

Bản chất của quá trình vẫn là một dạng của quá trình biến đổi nhiệt dới dạng nhiệt phân của vật liệu Biomass :

Lợi ích từ nguồn trong việc sản xuất điện năng là rất rõ ràng , chính vì vậy

mà các nớc trên thế giới đều đang đẩy mạnh phát triển công nghệ này Đi

đầu trong lĩnh vực này là các nớc nh : Mỹ , Đức , Nhật Bản …

- Mỹ là nớc sản xuất điện Biomass lớn nhất thế giói Có hơn 380 nhà máy

điện sinh học sản xuất trên 7000MW điện mỗi năm đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình đồng thời tạo việc làm cho hơn 66.000 lao động Các nhà máy này sử dụng phế thải từ các nhà máy giấy , nhà máy chế biến gỗ , các sản phẩm phụ của ngành nông nghiệp , cành lá từ các vờn cây ăn quả …

Bộ năng lợng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang đợc phát triển sẽ giúp ngành điện Biomass sản xuất trên 13000 MW vào năm 2013 và tạo điều kiện thêm cho hơn 1000.000 lao động

Năng lợng Biomass chiếm khoảng 4% tổng năng lợng đợc tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lợng tái sinh

- ở Scotland , sản xuất điện và các nhiên liệu Biomass tiêu thụ 4 triệu tấn gỗ tơi hàng năm , hạn chế khoảng 2,5 triệu tấn CO2 và khoảng 20.000 tấn SO2 thải vào môi trờng Đồng thời , một ngành công nghiệp mới trên cơ sở

Biomass cũng đã mở ra một hớng đi mới , một ngành công nghiệp mới ở nông thôn

III) Các công nghệ khí hoá hiện đã và đang áp dụng trên thế giới :

Nh đã phân tích ở trên , để có thể áp dụng rộng rãi Biomass vào thực tế , quá trình khí hoá là vô cùng quan trọng Nguồn nguyên liệu Biomass cho quá trình khí hoá vô cùng phong phú

áp dụng với điều kiện Việt Nam , chọn vật liệu cho quá trình khí hoá chọn là gỗ

1)Thành phần và sự biến đổi cấu trúc của nguyên liệu :

Thành phần hoá học của gỗ rất phức tạp , phần lớn là các hợp chất cao phân

tử Các hợp chất này không phải là hỗn hợp cơ học mà là một hệ thống gồm các chất có tơng tác với nhau về hoá lý hoặc hoá học

Để phân tích hoặc nghiên cứu các cấu tử của gỗ , cần thiết phải tách riêng chúng ra khỏi các thành phần khác

Gỗ sau khi đợc giải phóng khỏi các chất trích ly chỉ còn lại Lignin và

Holoxenluloza Holoxenluloza gồm có Xenluloses và Hemixenluloses

Lignin là một hợp chất cao phân tử Câú tạo của đại phân tử lignin dựa trên

bộ khung của đơn vị Phenyl propan

Phân tích thành phần của một số loại gỗ cho ở bảng sau :

Loại gỗ Xenluloses Hemixenluloses Lignin

Trong khoảng nhiệt độ này gỗ sẽ bị khử nớc Sản phẩm của nó sẽ là hơi nớc

và một số chất khí không cháy ( CO2) Ngoài ra còn thu đợc sản phẩm lỏng trong đó có chứa axit Formic ( HCOOH) ; axit Acetic (CH3COOH)

Nếu cứ giữ nhiệt độ này một thời gian dài thì gỗ sẽ chuyển thành than , các phản ứng toả nhiệt sẽ xuất hiiện do oxy khong khí có thể khuyếch tán vào trong thiết bị tạo thành than

Một lợng lớn axit Acetic đợc tạo ra do nhiệt phân thành phần

Hemixenluloses trong gỗ Mặt khác ở nhiệt độ này cũng xảy ra phản ứng loại nớc cho quá trình nhiệt phân Hemixenluloses và Lignin làm cho lợng than đ-

ợc sinh ra nhiều hơn mặc dù hàm lợng Celluloses hầu hết vẫn còn nguyên Nhiệt độ của quá trình sẽ tăng dần cho đến khi các liên kết Celluloses bị phá

vỡ hình thành các gốc hoạt động nh cacbonyl , cacboxyl , hydro peroxide

, liên kết cacbon trong lignin đã bị phá vỡ Phản ứng này là phản ứng toả nhiệt với hiệu suất cao nhất nằm trong khoảng 225-450oC

2)Các dạng công nghệ khí hoá đang đ ợc áp dụng trên thế giới :

a) Công nghệ khí hoá tầng chặt (Fixed bed) :

- Sơ đồ công nghệ :

- Trong công nghệ khí hoá tầng chặt đợc chia nhỏ thành các công nghệ sau:

+ C«ng nghÖ Updraft fixed bed :

§Æc tÝnh kü thuËt cña lß khÝ ho¸ ;

N¨ng suÊt theo nguyªn liÖu : 0,2-1tÊn nguyªn liÖu kh«/h

KÝch thíc nguyªn liÖu : 5-100mm

§é Èm : 10-60%

+ C«ng nghÖ Downdraft fixed bed :

N¨ng suÊt tÝnh theo nguyªn liÖu :

updraft

+ C«ng nghÖ Staged gasification:

So s¸nh gi÷a Updraft fixed bed vµ Downdraft fixed bed:

Updraft fixed bed Downdraft fixed bed

- Cho phép nguyên liệu với độ ẩm

- Lò khí hoá tầng sôi:

Đặc điểm :

+ Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ và thời gian lu

Fluidized bed

Entrained flow

circulating fluidized bedBubbling

fluidized bed

Biomass tơng đối cao

- Linh động với nguyên liệu

- Khí ra hoàn toàn không bị lẫn tạp chất cơ học

- Yêu cầu kích thớc của Biomass cao

IV) Các phản ứng chính xẩy ra trong lò khí hoá :

Nguyên liệu gỗ sau khi đợc nghiền nhỏ sẽ đợc đa vào thiết bị khí hoá tầng sôi Nguyên liệu sau khi đa vào , gặp nhiệt độ cao thì lợng ẩm còn lại sẽ bay hơi hoàn toàn :

Biomass heat Biomass dry + H2O

Biomass dry có thành phần các nguyên tố nh trong hợp chất CH1,4O0,6

Lợng Biomass dry này sẽ chuyển hoá thành khí tổng hợp khi nhiệt độ tăng cao theo các phản ứng sau :

Khí sinh ra sẽ kéo theo một phần cacbon vào thiết bị Cyclon Tại đây ,

Cacbon sẽ đợc tách ra khỏi hỗn hợp khí , đợc đa vào thiết bị cháy Oxy đợc

đa vào từ phía dới thiết bị cháy

Trong thiết bị cháy xẩy ra phản ứng oxy hoá sau :

a: ThiÕt bÞ hÊp phô

V) Đánh giá các yếu tố ảnh h ởng chính đến quá trình khí hoá :

1)

ả nh h ởng của độ ẩm của nguyên liệu :

Nếu nguyên liệu có độ ẩm cao nh của gỗ thì cần phải tạo điều kiện để sấy sơ bộ chúng Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng chiều cao của lò khí hoá Tuy nhiên nhiệt độ của khí khi đi ra khỏi lò sẽ bị hạ thấp do phải cung cấp nhiệt cho Zone sấy quá nhiều Điều này sẽ rất nguy hiểm vì nếu hạ thấp nhiệt độ xuống dới nhiệt độ điểm sơng ( 80-90oC ) thì hơi nớc và nhựa than

sẽ ngng tụ lại Vì vậy nếu nguyên liệu có độ ẩm cao ( từ 30-58%) thì cần thiết phải tiến hành sấy chúng trớc khi cho vào lò khí hoá

Nh vậy độ ẩm của nhiên liệu sẽ ảnh hởng đến chiều cao thiết bị khí hoá Nếu chiều cao của thiết bị khí hoá đạt yêu cầu và độ ẩm của nguyên liệu là lớn thì nhiệt độ của khí lúc ra khỏi Zone khí hoá và nhiệt độ của khí lúc ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ cao hơn điểm sơng , có nghĩa là hơi nớc trong khí sẽ nằm ở trạng thái quá nhiệt Cũng trong điều kiện đó , nếu ta tăng chiều cao lên thì nhiệt độ khí lúc ra khỏi lớp nhiên liệu hầu nh không hạ thấp mà Zone nhiệt độ cao chỉ bị kéo dài ra

không những thế ta còn phải tổ chức chiều cao lớp nguyên liệu hợp lý nhất Chính vì vậy , phải sấy nguyên liệu trớc khi đa vào lò khí hoá

2)

ả nh h ởng của nhựa than :

Nhựa than đợc tách ra từ Zone chng khô , lợng này nhiều nhất là 7-8% khối lợng khô của củi

Nhựa than có nhiệt sinh khá cao , khoảng 31400(kj/kg).Nếu nó nằm ở trạng thái hơi , sẽ tăng chất lợng khí

Nếu nó nằm ở trạng thái lỏng , thì toàn bộ hệ thống khí hoá sẽ gặp rất nhiều khó khăn , trong trờng hợp đó , nguyên liệu sẽ bị kết dính lại , không dịch chuyển tự do trong lò Nếu nó tách ra trên đờng ống , nhựa than sẽ làm tắc

đờng ống , đặc biệt là các van khí Vì vậy , khi vận chuyển khí đi xa cần phải tách nhựa than trớc khi vận chuyển đến nơi dùng

3)

ả nh h ởng của tro :

Hàm lợng tro trong thiết bị khí hoá nhiên liệu gỗ chuẩn rất ít Nó tập trung ở phần dới lò khí hoá Tại đây nhiệt độ khá cao làm nóng đỏ lên Nếu sỉ có nhiệt độ nóng chảy thấp chúng sẽ liên kết tạo tảng sỉ lớn làm bít kín lò Kết quả là sự phân bố không đồng đều gió hay tác nhân khí hoá , gió sẽ không thể đi qua mà tập trung đi vào những nơi thoáng gió , tại những nơi năng l-ợng khí hoá vợt quá năng lợng yêu cầu

Nếu cứ để lâu thì ở những nơi gió tập trung sẽ tăng nhiệt độ do kết quả các phản ứng toả nhiệt và sỉ lại kết dính lại với nhau

Chính vì vậy , trong quá trình khí hoá cần theo dõi ở đáy lò , nếu có hiện ợng kết tảng sỉ , phải phá ngay

PhÇn II : TÝNH TO¸N

Sè liÖu ®Çu vµo :

- N¨ng suÊt thiÕt bÞ : M=20tÊn /ngµy

- Thµnh phÇn cña nguyªn liÖu :

III) Tính l ợng Biomas dry đi ra khỏi thiết bị sấy , đi vào lò khí hoá :

Trớc khi đa vào thiết bị chính , nguyên liệu đợc sấy đến khi độ ẩm còn 10% Hàm lợng H2O tách ra ở thiết bị sấy là 2[tấn /ngày] , sau đó nguyên liệu sẽ đ-

ợc đa vào thiết bị khí hoá

Tại đây nớc sẽ bay hơi hết :

Biomass heat Biomass Dry + H2O + H2S (1)

Biomas dry với thành phần chính là CH1,4O0,6

Sau đó Biomass dry dới tác dụng của nhiệt sẽ phản ứng :

CH1,4O0,6 heat 0,7H2 + 0,6CO + 0,4H2O (2)

2.7,0

+

2.7,0

ợng CO sinh ra : m CO

mCO = mH2

7,0

6,0[kmol/h]

4,0[kmol/h]

C + CO2 + Q 2CO (4)

Các phản ứng trong thiết bị khí hoá phần lớn là các phản ứng thu nhiệt Nhiệt lợng cung cấp cho các phản ứng này chủ yếu lấy ra từ thiết bị đốt cháy , chính vì vậy ta phải đảm bảo sao cho lợng C vào thiết bị cháy phải lớn

Phân bố lợng Cacbon vào thiết bị cháy là khoảng 35% tổng lợng Cacbon sinh

ra

- Lợng Cacbon vào thiết bị cháy :

mC TB cháy = 35% mC [kmol/h]

= 4,053 [kmol/h]

- Lîng Cacbon cßn l¹i trong thiÕt bÞ khÝ ho¸ :

mC Cßn l¹i = mC - mC TB ch¸y [kmol/h]

= 11,58 - 4,053 [kmol/h]

= 7,527 [kmol/h]

V) TÝnh to¸n cho thiÕt bÞ khÝ ho¸ :

Trong thiÕt bÞ khÝ ho¸ :

CO2 1,73 3,178

Bản đồ án đã hoàn thành đợc các công việc sau đây :

- Đa ra đợc các công nghệ phổ biến áp dụng trong lĩnh vực khí hoá với

nguyên liệu gỗ ( Biomass )

- So sánh các dạng công nghệ chủ yếu trong lĩnh vực này

- Tính toán một số đại lợng nhất định của quá trình sản xuất

Do thời gian hạn hẹp , bản đò án cha tập trung làm rõ đợc các vấn đề sau đây :

- Đa ra các thông số công nghệ cụ thể của từng thiết bị

- Tính toán cân bằng nhiệt lợng của lò khí hóa

- Vấn đề tận dụng nhiệt , bảo ôn cha đợc đề cập đến

Đây có thể là hớng nghiên cứu tiếp theo cho các bạn sinh viên có ý muốn tìm hiểu về đề tài này

Cuối cùng , sinh viên xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Văn Đình Sơn Thọ , cùng các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ sinh viên trong qúa trình hoàn thiện bản đồ án này

Phụ lục 1 :

1 Reed , Thomá B Biomass gasification Noyes data corporation 1981

2.Reed , Bryant Densified Biomass : A new form of solid Fuel Solar Energy Research Institute SER-35

3.Đinh Thị Ngọ Hoá học dầu mỏ và khí Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2006

4.Ullmann’s Encyclopedia of industrial chemitry Wiley-VCH Verlag GmbH

& Co KgaA 2004

5.Tập thể tác giả Sổ tay tóm tắt các đại lợng hoá lý Tủ sách đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh 1992

6.Nguyễn Bin Tính toán quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá chát và thực phẩm Tập 2 Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2001

7.Nguyễn Bin Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm Tập 4 Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2004