Khí hóa sinh khối để sản xuất điện

- Phân tích, đánh giá các đặc tính kỹ thuật và hóa học của nguyên liệu để từ đó có thể lựa chọn nguyên liệu phù hợp sử dụng cho quá trình khí hóa - Nghiên cứu động của quá trình cháy và

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật “ Khí hóa sinh khối sản xuất điện” là

công trình do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ Các kết quả trình bày trong luận văn hoàn toàn chính xác, đáng tin cậy và chưa từng công bố trong các công trình khoa học nào

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015

Học viên

Nguyễn Văn Vĩnh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cũng như định hướng về mặt chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu khoa học

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đang công tác tại Viện Kỹ Thuật Hóa Học, các thầy cô giáo bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ-Hóa Dầu và các cán bộ ở xưởng chế tạo thiết bị áp lực- Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Sau cùng, em xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các bạn sinh viên hóa dầu K55

đã luôn đồng hành, hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015

Học viên

Nguyễn Văn Vĩnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI 11

I.1 Tổng quan về nguyên liệu sinh khối 11

I.1.1 Khái niệm 11

I.1.2 Đánh giá tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối ở Việt Nam 11

I.1.3 Hiện trang sử dụng sinh khối ở Việt Nam 15

I.2 Tổng quan về công nghệ khí hóa sinh khối 15

I.2.1 Qúa trình khí hóa sinh khối 15

I.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ khí hóa sinh khối 17

I.2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa sinh khối 18

I.2.4 Công nghệ khí hóa sinh khối lớp cố định 25

I.3 Đặc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng 28

I.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất nhỏ 28

I.3.2 Xu hướng nghiên cứu trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng 31

I.4 Các phương pháp phân tích 32

I.4.1 Phương pháp phân tích thành phần kỹ thuật và hóa học của nhiên liệu 32

I.4.2 Các phương pháp TGA, BET, SEM 33

CHƯƠNG II HỆ THỐNG KHÍ HÓA CÔNG SUẤT 150KG/H 36

II.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động hệ thống khí hóa 36

II.1.1 Sơ đồ hệ thống 36

II.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 38

II.2 Quy trình vận hành và phương pháp xử lý số liệu cho hệ thống khí hóa 39

II.2.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm 39

II.2.2 Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích 40

II.2.3 Phương pháp tính toán xử lý số liệu của quá trình 42

II.3 Xây dựng và nâng cấp hệ thống khí hóa 47

II.3.1 Cơ sở nâng cấp hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h 47

II.3.2 Sơ đồ hệ thống 47

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH NHIÊN LIỆU GỖ KEO VÀ MỘT VÀI LOẠI NHIÊN LIỆU Ở VIỆT NAM 50

III.1 Đặc tính nguyên liệu gỗ keo và các loại nguyên liệu khác 50

III.1.1 Thành phần kỹ thuật của gỗ keo và các loại nguyên liệu khác 50

III.1.2 Thành phần hóa học, nhiệt trị của gỗ keo và các nguyên liệu khác 51

III.1.3 Thành phần hóa học tro của nguyên liệu gỗ keo và các nguyên liệu khác 53 III.2 Nghiên cứu động học của quá trình nhiệt phân trong môi trường nitơ 54

III.2.1 Phân tích nhiệt TG và DTG trong môi trường nitơ của nguyên liệu gỗ keo 54

III.2.2 Phân tích giản đồ TGA giữa các loại nguyên liệu khác trong môi trường nitơ 58

III.3 Nghiên cứu động học của quá trình cháy trong môi trường không khí 60

III.3.1 Phân tích nhiệt TGA và DTG trong môi trường không khí của nguyên liệu gỗ keo 60

III.3.2 Phân tích giản đồ TGA với các loại nguyên liệu khác trong môi trường không khí 63

III.4 Phương pháp tính năng lượng hoạt hóa 65

III.4.1 Phương pháp tính năng lượng hoạt hóa trong môi trường nitơ cho nguyên

liệu gỗ keo 65

III.4.2 Phương pháp tính năng lượng hoạt hóa trong môi trường không khí cho nguyên liệu gỗ keo 71

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN THÍ NGHIỆM KHÍ HÓA SINH KHỐI VÀ CHẠY PHÁT ĐIỆN 75

IV.1 Thảo luận kết quả với nguyên liệu là gỗ keo 75

IV.1.1 Nhiệt độ của thiết bị khí hóa 75

IV.1.2 Thành phần hắc ín (Tar) 76

IV.1.3 Thành phần khí 78

IV.1.4 So sánh thành phần khí dọc lò 80

IV.1.5 Nhiệt trị sản phẩm khí 82

IV.1.6 Hiệu suất khí hóa 82

IV.1.7 Đánh giá mẫu char sau khí hóa (SEM, BET) 83

IV.2 Kết quả chạy phát điện với nguyên liệu gỗ keo, viên nén trấu 84

IV.2.1 Kết quả và thảo luận khi động cơ –máy phát vận hành ở chế độ dual fuel với nguyên liệu cấp vào hệ thống khí hóa là gỗ keo 85

IV.2.2 Kết quả chạy thí nghiệm trên động cơ khí và động cơ xăng với nguyên liệu viên nén trấu 87

KẾT LUẬN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng sinh khối một số tỉnh phía Bắc 13

Hình 1.2 Sản lượng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam 13

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa sinh khối và các hộ sử dụng 16

Hình 1.4 Lưu trình của quá trình khí hóa 18

Hình 1.5 Biểu đồ C-H-O của quá trình khí hóa 19

Hình 1.6 Mô hình quá trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lò kiểu downdraft 20

Hình 1.7 Khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft) 26

Hình 1.8 Khí hóa thuận chiều (downdraft) 26

Hình 1.9 Khí hóa ngược chiều (updraft) 26

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h 36

Hình 2.2 Thiết bị khí hóa sinh khối 37

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống sau cải tiến 48

Hình 2.4 Hệ thống nạp liệu 48

Hình 2.5 Hệ thống vít tải tháo xỉ 49

Hình 3.1 TG – DTG của gỗ keo trong môi trường Nitơ, tốc độ gia nhiệt 3 oC/phút 55

Hình 3.2 TG – DTG của gỗ keo trong môi trường Nitơ ứng với tốc độ gia nhiệt 5 oC/phút 56

Hình 3.3 TG – DTG của gỗ keo trong môi trường Nitơ với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút 57

Hình 3.4 Đồ thị TGA của các loại nguyên liệu trong môi trường Nitơ ở tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút 58

Hình 3.5 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trường không khí với tốc độ gia nhiệt 3 oC/phút 61

Hình 3.6 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trường không khí với tốc độ gia nhiệt 5 oC/ phút 62

Hình 3.7 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trường không khí với tốc độ gia nhiệt 10 oC/ phút 62

Hình 3.8 Đồ thị TGA của các loại nguyên liệu trong môi trường không khí ở tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút 64

Hình 3.9: Năng lượng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi trường Nitơ

ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phương pháp Flynn-Ozawa-Wall (F.O.W) 68

Hình 3.10: Sự biến đổi của năng lượng hoạt hóa Ea theo độ chuyển hóa 69

Hình 3.11: Năng lượng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi trường Nitơ ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phương pháp Kissinger-Akahira-SUNOSE (KAS) 70

Hình 3.12: Sự biến đổi của năng lượng hoạt hóa Ea theo độ chuyển hóa theo phương pháp KAS 71

Hình 3.13: Năng lượng hoạt hóa của quá trình đốt cháy gỗ keo trong môi trường không khí ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phương pháp Flynn-Ozawa-Wall (F.O.W) 72

Hình 3.14: Sự biến đổi của năng lượng hoạt hóa Ea của quá trình đốt cháy gỗ keo trong môi trường không khí theo độ chuyển hóa 73

Hình 3.15 So sánh độ năng lượng họa hoát theo độ chuyển hóa trong môi trường không khí và nitơ 73

Hình 4.1 Đồ thị nhiệt độ ứng với thành phần oxi khác nhau 75

Hình 4.2 Đồ thị so sánh thành phần hắc ín 77

Hình 4.3 Đồ thị so sánh thành phần khí trung bình 78

Hình 4.4 Thành phần khí dọc lò khí hóa 81

Hình 4.5 So sánh nhiệt trị sản phẩm khí 82

Hình 4.6 So sánh hiệu suất khí hóa 83

Hình 4.7 Ảnh SEM của mẫu gỗ keo 84

Hình 4.8 Ảnh SEM của Char mẫu gỗ keo sau khí hóa 84

Hình 4.9 Đồ thị hiệu suất hệ thống động cơ - máy phát (nhiên liệu gỗ keo) 85

Hình 4.10 Đồ thị công suất động cơ-máy phát (nhiên liệu gỗ keo) 86

Hình 4.11 Tỷ lệ khí sản phẩm thay thế cho Diesel – với nhiên liệu gỗ keo 87

Hình 4.12 Hệ thống khí hóa kết hợp động cơ máy phát 88

Hình 4.13 Công suất máy phát điện 89

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối gỗ 14

Bảng 1.2.Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp 14

Bảng 1.3 Tiềm năng, khả năng khai thác năng lượng sinh khối ở Việt Nam 14

Bảng 1.4 Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng 15

Bảng 1.5 Các phản ứng đặc trưng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối ở nhiệt độ 250C 21 Bảng 1.6 Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp cố định 27

Bảng 3.1 Thành phần kỹ thuật của gỗ keo 50

Bảng 3.2 Thành phần kỹ thuật của các loại nguyên liệu 50

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của gỗ keo 51

Bảng 3.4 Thành phần hóa học của các nguyên liệu 52

Bảng 3.5 Thành phần oxit trong tro của gỗ keo 53

Bảng 3.6 Thành phần oxit trong tro của các loại nguyên liệu 54

Bảng 3.7 Dải nhiệt độ của từng giai đoạn trong quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi trường Nitơ 57

Bảng 3.8 Độ giảm khối lượng từng giai đoạn của các loại nguyên liệu 59

Bảng 3.9 Dải nhiệt độ của từng giai đoạn trong quá trình đốt cháy trong môi trường không khí 63

Bảng 3.10 Độ giảm khối lượng từng giai đoạn của các loại nguyên liệu 65

Bảng 3.11 Năng lượng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân ứng với từng độ chuyển hóa từ α=0,25 ÷ 0,85 tính theo phương pháp F.O.W 68

Bảng 3.12 Năng lượng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân ứng với từng độ chuyển hóa từ α=0,25 ÷ 0,85 tính theo phương pháp KAS 70

Bảng 3.13: Năng lượng hoạt hóa của quá trình đốt cháy gỗ keo trong môi trường không khí tính theo phương pháp F.O.W 72

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TGA Phân tích nhiệt trọng lượng

DTA Phân tích nhiệt vi sai

SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

WadPhần trăm lượng ẩm trong nhiên liệu khô

Aad Phần trăm khối lượng tro trong nhiên liệu

Cad Lượng cacbon trong nguyên liệu khô

G1 Lưu lượng gió cấp vào cửa gió cấp 1 của lò khí hóa

G2 Lưu lượng gió cấp vào cửa gió cấp 2 của lò khí hóa

LHV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

KHSK Khí hóa sinh khối

FOW Phương pháp Flynn-Ozawa-Wall

KAS Phương pháp Kissinger-Akahira-SUNOSE

NLSK Năng lượng sinh khối

LỜI MỞ ĐẦU

An ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nước trên thế giới bao gồm cả những nước phát triển và nước đang phát triển do các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ Vì vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc biệt chú trọng Sinh khối là một nguồn năng lượng tái tạo có khả năng đáp ứng được những vấn

đề thời sự trên Thế giới đang quan tâm tìm cách sử dụng năng lượng sinh khối một cách có hiệu quả, trong đó công nghệ khí hóa sinh khối là một công nghệ mang lại hiệu quả cao

Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ Việc sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại ở lĩnh vực cung cấp nhiệt cho công nghiệp quy mô nhỏ và các hộ gia đình Trong khi tiềm năng về nguồn nguyên liệu sinh khối của Việt Nam rất lớn, và đa dạng về nguyên liệu, chủng loại Nhưng cũng chính

vì sự đa dạng này dẫn đến hoạt động vận hành kém hiệu quả của các dây chuyền khí hóa, do mỗi dây chuyền chỉ được thiết kế cho một số dạng nhiên liệu cụ thể

Vì vậy luận văn với đề tài “ Khí hóa sinh khối sản xuất điện” được đưa ra với

mục đích sau:

- Từng bước làm chủ được công nghệ khí hóa sinh khối Downdraft

- Phân tích, đánh giá các đặc tính kỹ thuật và hóa học của nguyên liệu để từ đó có thể lựa chọn nguyên liệu phù hợp sử dụng cho quá trình khí hóa

- Nghiên cứu động của quá trình cháy và nhiệt phân của từng loại sinh khối

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của việc làm giàu oxi trong thiết bị khí hóa đến sự hình thành hắc ín và chất lượng sản phẩm khí

- Nghiên cứu khả năng thay thế nhiên liệu diesel bằng khí sản phẩm của quá trình khí hóa để chạy hệ thống động cơ máy phát lưỡng nhiên liệu, đồng thời luận văn cũng tiến hành nghiên cứu khả năng thay thế khí sản phẩm để chạy hệ thống động cơ-máy phát (động cơ khí) trên hệ thống khí hóa sinh khối downdraft kiểu open top tại đại học Thủy Lợi

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA

SINH KHỐI

I.1 Tổng quan về nguyên liệu sinh khối

I.1.1 Khái niệm

Sinh khối là bất cứ những vật liệu có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ thực vật (gỗ, hạt, thực vật biển, chất thải động vật…) được sử dụng như một nguồn năng lượng Sinh khối là nguồn vật chất có thể tái tạo và năng lượng từ sinh khối là nguồn năng lượng có thể tái tạo Sinh khối bao gồm hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông nghiệp của ngành lương thực thí dụ: Trấu, vỏ hạt điều, rơm rạ, …v.v Thứ hai: Sinh khối gỗ: Có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ: Gỗ cây cao su, cây điều, cây keo, bạch đàn …v.v

Năng lượng sinh khối (NLSK) có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng Ngoài ra, năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn Ngoài ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ Vì vậy, lợi ích của nguồn năng lượng sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh

đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó khăn khi sử dụng NLSK[2, 5]

I.1.2 Đánh giá tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối ở Việt Nam [3,5]

Việc xác định nguồn sinh khối hiện nay còn nhiều bất cập, cách đánh giá truyền thống mất rất nhiều công sức và thời gian vì vậy số liệu thường không được cập nhật thường xuyên hơn nữa sai số phụ thuộc nhiều vào người làm công tác đánh giá Để đánh giá chính xác được tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối em đã sử dụng phần mềm Geospatial Toolkit (GsT) để đánh giá trữ lượng sinh khối ở từng vùng của Việt

Nam Đây là phần mềm không gian địa lý được phát triển bởi phòng nghiên cứu phát triển năng lượng tái tạo quốc gia của Mỹ (NREL) Phần mềm cung cấp dữ liệu về nguồn năng lượng tái tạo với thông tin về địa lý, khu dân cư, biên giới, giao thông, cơ

sở hạ tầng GsT có thể tự động nhận các dữ liệu về thời tiết để tiến hành phân tích cụ thể cho từng quốc gia khác nhau, cho biết các dữ liệu về thời tiết, địa hình, nguồn nguyên liệu tái tạo (gió, mặt trời, sinh khối) Đây là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu và đánh giá các nguồn sinh khối cho các vùng tại Việt Nam, các dữ liệu của GsT

đã được cập nhật về các nguồn sinh khối của Việt Nam dựa trên cuốn "Niên giám thống kê năm 2010" Hiện nay, phần mềm GsT mới tập trung vào các sản phẩm của sinh khối nông nghiệp và phân loại thành 5 danh mục: phụ phẩm cây lúa, cây ngô, cây lạc, cây mía và cây sắn Chi tiết nguồn sinh khối của mỗi danh mục có thể được đánh giá cho tất cả các tỉnh của Việt Nam Ngoài ra, GsT còn cho phép tính toán được trữ lượng các nguồn sinh khối có thể đạt được trong một địa điểm cụ thể với khoảng cách của nó đến các vùng lân cận, điều này giúp cho nhà hoạch định chính sách, chủ đầu tư

có thể định hình được quy mô của dự án đầu tư

Việt nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, vỏ cà phê, rơm rạ và

bã mía Phụ phẩm nông nghiệp rất phong phú dồi dào ở Vùng đồng bằng sông Mê kông, chiếm khoảng 50% tổng sản lượng phụ phẩm nông nghiệp toàn quốc và vùng đồng bằng Sông Hồng với 15% tổng sản lượng toàn quốc Hàng năm tại Việt Nam có gần 60 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp trong đó 40% được sử dụng đáp

ứng nhu cầu nhiệt cho hộ gia đình và sản xuất điện [11, 30, 41] Dưới đây là thống kê

phụ phẩm nông nghiệp tại một số tỉnh ở Việt Nam được tổng hợp từ phần mềm Geospatial Toolkit

Qua đồ thị hình 1.1 và 1.2 ta thấy các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lạc như: Bắc Giang, Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm sắn như: Sơn

La, Thanh Hóa, Tây Ninh, Gia Lai Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm mía như: Thanh Hóa, Hòa Bình, Tây Ninh, Nghệ An, Sóc Trăng Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm ngô như: Hà Tây, Thanh Hóa, Đắc Lắc Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lúa như: Thái Bình, Bắc Giang, Thanh Hóa, An Giang, Đồng Tháp, Long An Tuy nhiên, nhìn chung phụ phẩm từ lúa, ngô, mía chiếm tỷ trọng lớn

Hình 1.1 Sản lượng sinh khối một số tỉnh phía Bắc

Hình 1.2 Sản lượng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam

Ngoài các nguồn sinh khối là phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam còn

có các nguồn sinh khối từ các quá trình sản xuất khác như: phụ phẩm từ chế biến lâm sản, sản xuất công nghiệp (giấy, vải sợi…), chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, rác thải

đô thị và chất thải hữu cơ khác Dưới đây là bảng tổng hợp các nguồn sinh khối ở Việt Nam

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối gỗ [4,23]

Nguồn cung cấp Tiềm năng

(triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu TOE)*

Tỷ lệ (%)

Bảng 1.2.Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp

Nguồn cung cấp Tiềm

năng(triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu TOE)*

Tỷ lệ (%)

Bảng 1.3 Tiềm năng, khả năng khai thác năng lượng sinh khối ở Việt Nam [5,22]

Loại sinh khối

Tiềm năng(triệu tấn/năm)

Khả năng khai thác cho năng lượng (triệu tấn/năm)

Khả năng khai thác cho sản xuất điện (MW)

Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lượng khá lớn đặc biệt là phụ phẩm từ gỗ, nông nghiệp và chăn nuôi Chủng loại sinh khối đa dạng và phong phú nhưng rất phân tán và phân bố không đồng đều do: i) vùng sản xuất trải dài theo lãnh thổ, ii) tập tục, quy mô sản xuất của người dân và iii) chính sách địa điền của nhà nước

I.1.3 Hiện trang sử dụng sinh khối ở Việt Nam

Hiện nay, trên quy mô toàn cầu NLSK là nguồn cung cấp năng lượng thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, NLSK là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng

Bảng 1.4 Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng

Việt Nam là nước nông nghiệp, nguồn nguyên liệu sinh khối từ phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp rất dồi dào Tuy nhiên, hiện nay phế phẩm nông nghiệp không còn được sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hướng sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ Hơn nữa, việc sử dụng phụ phẩm theo cách thức truyền thống cho việc đun nấu không còn nữa Do vậy, người dân sau khi thu hoạch sản phẩm chính, phần còn lại (phụ phẩm) được thải bỏ tại đồng ruộng, chất đống rồi đốt Việc đốt phụ phẩm này không những gây ô nhiễm môi trường do phát thải vào không khí nhiều khí độc hại mà còn lãng phí tài nguyên

I.2 Tổng quan về công nghệ khí hóa sinh khối

I.2.1 Qúa trình khí hóa sinh khối

Khí hoá sinh khối là quá trình biến đổi nhiệt hóa nguyên liệu sinh khối ở nhiệt

độ cao (khoảng từ 600 - 13000C) thành nhiên liệu khí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế oxy nguyên chất, oxy trong không khí, CO2, hơi nước hoặc hỗn hợp các thành phần trên để chuyển từ nguyên liệu dạng rắn thành khí tổng hợp để có thể tận dụng khí sản phẩm vào quá trình chạy máy phát điện hay tận dụng lượng nhiệt thu được từ quá trình để đun nấu cho hộ gia đình vừa và nhỏ [21,36,43]

Khí hoá nhiên liệu sinh khối bằng không khí sẽ tạo ra nhiên liệu khí có nhiệt trị thấp, chứa khoảng 50% nitơ Khí hoá sinh khối bằng oxy nguyên chất hoặc hơi nước

sẽ tạo ra khí sản phẩm có nhiệt trị trung bình Thành phần chính của nhiên liệu khí bao gồm CO, H2 và CH4, ngoài ra còn có CO2, hơi nước, N2 và hắc ín (hay tar là hydrocacbon cao phân tử) Nguyên liệu khí từ quá trình khí hóa sinh khối được sử dụng trong nhiều trường hợp tại đó nguyên liệu sinh khối dạng rắn không thể hoặc khó

sử dụng Ví dụ: làm nguyên liệu cho động cơ phục vụ vận tải, phát điện, cấp nhiệt [3, 21]

Theo sơ đồ hình 1.3, khí hóa sinh khối sản xuất điện theo 3 con đường:

 Khí sản phẩm từ quá trình khí hóa được dẫn trực tiếp vào hệ thống nồi hơi, đốt

và cấp nhiệt để sản xuất hơi nước dùng chạy tuabin hơi sản xuất điện

 Khí sạch dùng để chạy tuabin khí sản xuất điện

 Khí sạch dùng để chạy động cơ xăng, diesel sản xuất điện

Như vậy với việc sử dụng công nghệ khi hóa sinh khối có thể ứng dụng rất lớn trong sản xuất điện quy mô hộ gia đình cũng như có thể sản xuất điện trong quy mô công nghiệp Công nghệ khí hóa đã và đang là một công nghệ sản xuất điện rất hứa hẹn và đầy tiềm năng ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa sinh khối và các hộ sử dụng [4]

I.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ khí hóa sinh khối

a Ưu điểm

Ưu điểm của khí hóa sinh khối so với đốt trực tiếp: Nó có thể sử dụng nguyên liệu có giá trị thấp và chuyển đổi chúng không chỉ thành điện, mà còn là nhiên liệu cho các phương tiện vận tải Trong những năm sắp tới, nó sẽ phục vụ như là một công nghệ chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sử dụng công nghệ tiên tiến như tua bin khí và pin nhiên liệu với khí tổng hợp được tạo ra từ quá trình khí hóa hiệu suất cao Để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu rắn, không khí dư thừa là cần thiết, và nhiệt

độ đốt cháy cao tạo ra NOx và phát thải khác, so với quá trình đốt cháy các sản phẩm khí hóa Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt – điện, các chất gây ô nhiễm trong khói như SOx, NOx được loại bỏ hiệu quả, kết quả lượng khí thải ô nhiễm thấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ ràng cho quá trình xử lý, vận chuyển, và

sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải [6]

So với các công nghệ sử dụng nguyên liệu sinh khối khác thì khí hóa sinh khối còn có những ưu điểm sau:

+ Khí hoá sinh khối có tính linh hoạt cao về sử dụng nguyên liệu sinh khối làm nhiên liệu

+ Khí hoá có hiệu quả chuyển đổi nhiệt-hóa trong phạm vi 70% đến 90% là cao nhất trong số các công nghệ sử dụng sinh khối.[36]

+ Có thể thực hiện ở quy mô lớn

+ Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn trên một đơn vị năng lượng

+ Việc điều khiển và thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng hơn so với công nghệ khác

+ Sản phẩm khí đầu ra phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết các loại động cơ đốt

trong và có thể thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng khác

- Công nghệ vẫn đang trong quá trình nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa nhằm đáp ứng đa dạng nhu cầu về sử dụng đặc biệt là nhu cầu đòi hỏi khí sản phẩm chất lượng cao, quy mô lớn, tận dụng được các nguồn sinh khối sẵn có

I.2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa sinh khối

a Qúa trình khí hóa

Quá trình khí hóa điển hình thường diễn ra theo các bước được liệt kê trên hình 1.4 Xu hướng của quá trình và thành phần của sản phẩm khí hóa phụ thuộc vào tác nhân khí hóa và quá trình nhiệt phân Từ hình 1.5 ta thấy nếu nhiệt phân chậm thì xu hướng sinh khối hình thành char sẽ nhiều hơn, ngược lại nếu nhiệt phân nhanh thì sản phẩm của quá trình khí hóa sẽ nhiều hợp chất hydrocacbon hơn Mặt khác, nếu sử dụng oxy là tác nhân khí hóa thì sản phẩm sẽ chứa nhiều oxy hơn và tiến về khu vực của sản phẩm cháy gồm CO2 và H2O…[26, 39]

Phương trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối như sau:

CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí) + H2O (hơi nước có thể có) CH4 + CO + CO2 + N2 + H2 + H2O (Hơi nước trong nhiên liệu

và hơi nước không phản ứng) + C (char) + hắc ín (tar) [47] (1.1)

Đối với lò khí hoá theo lớp cố định thì quá trình khí hóa sinh khối bao gồm 4 vùng khác nhau chi tiết trên hình 1.6: i) vùng sấy khô, ii) vùng nhiệt phân, iii) vùng suy giảm và iv) vùng cháy Quá trình nhiệt hóa xảy ra trong các vùng sấy khô, nhiệt phân và vùng suy giảm được duy trì do nhiệt thoát ra từ vùng cháy (còn gọi là vùng oxy hoá)

Hình 1.4 Lưu trình của quá trình khí hóa

Hình 1.5 Biểu đồ C-H-O của quá trình khí hóa

Mặc dù các giai đoạn này được mô phỏng theo thứ tự trong quá trình khí hóa, nhưng nó không có ranh giới rõ ràng mà thường xảy ra đan xen với nhau [9, 36]

Vùng sấy: nhiệt độ khoảng 150 - 2000C ẩm trong nguyên liệu sinh khối sẽ bốc hơi Trong thiết bị khí hoá ngược chiều, hơi ẩm thoát ra theo khí cháy ở phía trên đỉnh của thiết bị Trong thiết bị khí hoá cùng chiều, hơi ẩm thoát ra trong vùng suy giảm và vùng cháy và tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra trong 2 vùng này

Vùng nhiệt phân: nguyên liệu sinh khối sau khi được sấy khô sẽ chuyển sang

vùng nhiệt phân, nhiệt độ vùng nhiệt phân khoảng 200 - 6000C Quá trình nhiệt phân

biến đổi sinh khối khô thành char, hơi hắc ín (tar) và các khí không ngưng khác

Hình 1.6 Mô hình quá trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lò kiểu downdraft [39]

Sản phẩm của quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào thiết kế của lò, đặc tính vật lý

và hóa học của sinh khối, và các thông số hoạt động quan trọng như: Tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ cuối cùng (nhiệt độ nhiệt phân), thời gian lưu trong vùng phản ứng Bên cạnh

đó, hắc ín và sản lượng của các sản phẩm khác phụ thuộc vào: (i) áp lực, (ii) thành phần khí môi trường xung quanh, và (iii) sự hiện diện của chất xúc tác [36] Hắc ín và các khí không ngưng thoát ra ngoài ở phía trên đỉnh trong trường hợp thiết bị khí hoá ngược chiều Còn trong các thiết bị khí hoá cùng chiều, hỗn hợp khí này chuyển động qua vùng cháy và tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra tại đây Nếu nhiệt độ vùng nhiệt phân đủ cao thì một lượng hắc ín sơ cấp cũng được cracking nhiệt để chuyển thành các khí không ngưng trong vùng này [39] Char được tạo ra trong vùng nhiệt phân có khối lượng khoảng 20% tổng khối lượng sinh khối ban đầu và được chuyển qua vùng cháy và vùng khí hóa

Trong vùng cháy: Oxy (không khí) cung cấp cho lò sẽ tiếp xúc với sản phẩm

của quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra phản ứng cháy char và cháy các khí nhiệt phân (được gọi là flaming pyrolysis) Nhiệt của quá trình cháy sẽ là nguồn cung cấp nhiệt cho các vùng còn lại.[47]

Trong vùng khí hóa: Sản phẩm của phản ứng oxy hoá hoàn toàn (CO2, hơi nước) và oxy có thể còn dư sẽ phản ứng với char tạo ra trong quá trình nhiệt phân

Ngoài ra trong vùng khí hoá và vùng nhiệt phân có thể xảy ra quá trình cracking nhiệt của hắc ín sơ cấp và thứ cấp để tạo ra một số khí không ngưng

Trong các thiết bị khí hoá theo lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn, do có sự hoà trộn tốt giữa nguyên liệu sinh khối với các hạt trơ và dòng khí, tất cả các quá trình sấy, nhiệt phân, suy giảm và cháy do vậy có thể coi như xảy ra đồng thời trong toàn bộ thể tích của thiết bị mặc dù cường độ phản ứng của từng quá trình có thể khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí tương đối của từng vùng, chẳng hạn quá trình cháy sẽ diễn ra mạnh mẽ

ở gần ghi của thiết bị khí hóa, còn quá trình sấy diễn ra mạnh mẽ ở gần miệng cấp nhiên liệu sinh khối

Như vậy, ta thấy trong lò khí hóa sinh khối có rất nhiều phản ứng hóa học xảy

ra tại các vùng khác nhau Bảng 1.9 trình bày các phản ứng hóa học quan trọng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối [21, 39]

Bảng 1.5 Các phản ứng đặc trưng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối ở nhiệt độ 25 0

R14: CO2 + 4H2 2H2O + CH4 - 165 kJ/mol

Phản ứng reforming có mặt hơi nước

b Các phản ứng xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối

Dưới đây là các phản ứng hoá học xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối [39, 47]

Trong vùng nhiệt phân:

CxHyOzNt (sinh khối) → char + hắc ín (tar) + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm) (1.2)

Trong vùng khí hóa còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

CO + H2O CO2 + H2 - 41,20 kJ/mol (ở 25oC, 1 at) (1.11)

Và khi nhiệt độ khoảng 500-6000C trong vùng khí hóa còn xảy ra phản ứng tạo H2 như sau:

Khí metan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng trên 5000C nhưng với tốc độ rất chậm:

Ngoài ra ở vùng khí hóa có thể xảy ra phản ứng reforming hơi nước với CH4:

Phản ứng (1.3) cũng có thể xảy ra ở vùng khí hóa do oxy dư từ vùng cháy

Kích thước nguyên liệu

Kích thước nguyên liệu nhỏ hơn nên ta có diện tích bề mặt lớn hơn trên một đơn vị khối lượng do đó tạo điều kiện cho truyền nhiệt và khí hóa nhanh hơn Francisco quan sát thấy rằng các hạt nguyên liệu nhỏ hơn dẫn đến sản phẩm khí có thành phần CH4, CO, C2H4 cao hơn và ít CO2, nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa carbon cao hơn [18] Ví dụ: Bằng cách giảm kích thước hạt từ 1,2 mm đến 0,075 mm, người

ta quan sát thấy rằng sản phẩm khí chứa H2 và CO cũng như hiệu suất khí hóa và chuyển hóa carbon tăng trong khi lượng CO2 lại giảm Sản lượng khí cao hơn và hiệu quả năng lượng là do sự truyền nhiệt tăng lên trong các hạt kích thước nhỏ hơn do diện tích bề mặt lớn hơn [6, 20]

Độ ẩm nguyên liệu

Độ ẩm nguyên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp,

vì vậy quá trình sấy sinh khối sau khi thu gom từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa sinh khối (độ ẩm phù hợp trong khoảng 10 - 30%) Sấy là một quá trình tốn kém năng lượng mà có thể làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của quá trình Tuy nhiên, trong công nghệ khí hóa nhiệt thải có thể được sử dụng để làm giảm độ ẩm của sinh khối do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này Tuy nhiên, đối với sinh khối nguyên khai có

độ ẩm thấp (dưới 10%) giai đoạn sấy có thể không cần thiết [6]

Chủng loại và đặc tính nguyên liệu

Hanaoka quan sát thấy rằng ở 800 – 900°C, hiệu suất chuyển hóa các bon của cellulose, xylan và lignin tương ứng là 97,9%; 92,2% và 52,8% Như vậy, ta có thể

thấy rằng ở cùng điều kiện như nhau nhưng thành phần nhiên liệu khác nhau sẽ dẫn đến khả chuyển hóa carbon khác nhau.[6]

Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí

Với sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí (ER) sẽ làm quá trình cháy tốt hơn, nhiệt độ vùng cháy cao hơn dẫn đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối tốt hơn, tuy nhiên đến một giá trị nào đó sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí sẽ làm cho quá trình cháy hoàn toàn xảy ra và giảm thời gian lưu của không khí trong lò, kết quả là hiệu quả quá trình khí hóa lại giảm đi Wang nhận thấy rằng với mức tăng hệ số tỷ lệ không khí từ 0,16 đến 0,26, nhiệt độ vùng cháy tăng dẫn đến tăng hiệu quả khí hóa từ 57% đến 74%, tăng hàm lượng H2 từ 8,5% đến 13,9%, và sự gia tăng khí CO từ 12,3% đến 14% [6]

Ảnh hưởng của giản đồ nhiệt độ trong lò

Nhiệt độ khí hoá là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất ảnh hưởng đến thành phần khí sản phẩm và sản lượng khí, ở nhiệt độ trên 750 – 800°C bản chất thu nhiệt của các phản ứng sản xuất H2 (từ phản ứng nước (hơi) và khí - nước) kết quả

là sự gia tăng thành phần khí H2 và giảm khí CH4 Ở nhiệt độ trên 850 – 900°C, cả hai phản ứng tạo CO chiếm ưu thế, dẫn đến sự gia tăng thành phần khí CO Nhiệt độ cao cũng hỗ trợ cho quá trình phân hủy tar dẫn đến giảm lượng hắc ín trong sản phẩm khí

và tăng năng suất khí Người ta thấy rằng thành phần khí H2 thu được tối đa ở 1000°C đối với nguyên liệu từ giấy, và 900°C nguyên liệu bao gồm các tông và gỗ vụn [6]

Ảnh hưởng của hắc ín (tar)

Trong quá trình khí hóa hàm lượng hắc ín có thể đạt tới 7 ÷ 8% nếu ta khí hóa củi gỗ, bạch đàn, than non, than bùn…Với các nhiên liệu rắn khác hắc ín có hàm lượng thấp hơn Hắc ín có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ và thành phần các hợp chất polyme Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó thì hắc ín tách ra ở dạng lỏng gây tắc

hệ thống, hoặc tổn hại cho thiết bị đầu cuối (như động cơ đốt trong, thiết bị trao đổi nhiệt, pin nhiên liệu…)

Có nhiều giải pháp để giảm thiểu hắc ín như: sử dụng chất xúc tác để xử lí hắc ín trong quá trình khí hóa sinh khối, tách rửa hắc ín sau khí hóa (làm sạch khí sau quá

trình khí hóa), và một giải pháp rất hữu hiệu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay

là cracking nhiệt (sử dụng công nghệ có thiết kế phù hợp để tăng nhiệt độ vùng cháy hoặc tăng thời gian lưu) Ví dụ: hệ thống khí hóa có nhiều cấp, tăng nhiệt độ và chiều cao vùng khí hóa, tăng thời gian lưu để giảm lượng hắc ín [6]

I.2.4 Công nghệ khí hóa sinh khối lớp cố định

Có nhiều cách phân loại công nghệ khí hóa sinh khối khác nhau, tuy nhiên cách phân loại thường đề cập đến nhiều nhất là phân loại theo trạng thái lớp nguyên liệu trong lò: Lò khí hóa lớp cố định (Fixed bed/ moving bed), lò khí hóa lớp sôi (Fluidized bed), lò khí hóa dòng cuốn (Entrain flow) Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối theo lớp cố định-downdraft

Lò khí hóa ngược chiều

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối updraft được trình bày trên hình 1.7 Nguyên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dưới trong khi đó không khí cho quá trình khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên của thiết bị Nhiên liệu khí được tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị Trong trường hợp này, nguyên liệu rắn đầu vào và dòng nhiên liệu khí đầu ra chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa

Lò khí hóa thuận chiều (downdraft)

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối downdraft được trình bày trên hình 1.8 Cả nhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống

ra chuyển động cùng chiều trong thiết bị khí hóa

Lò khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft)

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối crossdraft được trình bày trên hình 1.9 Không khí cần cho quá trình khí hóa chuyển động theo phương vuông góc với chuyển động của nhiên liêu rắn trong thiết bị khí hóa Sản phẩm khí lấy ra gần vùng cấp không khí

ở phía đối diện.[37]

a Đặc điểm của khí hoá sinh khối theo lớp cố định

Thông thường, khả năng khí hoá sinh khối theo lớp cố định phụ thuộc vào tính chất của sinh khối như kích thước, hình dạng sinh khối, khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, thành phần hóa học của tro và nhiệt trị của sinh khối

Khả năng lưu chuyển của sinh khối bên trong thiết bị khí hóa phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng riêng chất đống của sinh khối

Tổn thất áp suất trong thiết bị khí hóa sẽ tăng khi giảm kích thước hạt nhiên liệu

và do vậy có thể hạn chế tốc độ lưu động của không khí bên trong thiết bị hóa khí

Nói chung, hiệu suất khí hoá sẽ giảm khi độ ẩm của sinh khối tăng, độ ẩm của sinh khối vì thế không nên vượt quá 30% với lò khí hóa downdraft [21, 39]

Hình 1.7 Khí hóa

ngược chiều (updraft)

Sinh khối có hàm lượng chất bốc thấp là nguồn nhiên liệu phù hợp cho các thiết

bị khí hóa, đặc biệt trong các ứng dụng có sử dụng động cơ đốt trong và máy phát để sản xuất điện năng công suất nhỏ

Sinh khối có độ tro cao có thể gây nên những sự cố khi vận hành Việc thải tro

xỉ do vậy phải được tiến hành liên tục hoặc định kỳ

b Ưu nhược điểm của các loại lò khí hóa sinh khối lớp cố định

Mỗi loại lò khí hóa sinh khối (KHSK) kiểu lớp cố định đều có những ưu điểm

và nhược điểm riêng, vì vậy khi sử dụng cần lựa chọn để phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa nhược điểm của nó

Bảng 1.6 Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp cố định [6]

4 Thiết kế đơn giản

5 Linh hoạt cho nhiên liệu đầu vào (kích thước, hình dạng và

độ ẩm)

6 Khí sản phẩm có nhiệt trị cao

1 Hiệu quả thiết bị phụ thuộc nhiều vào lượng hắc ín và độ ẩm của nhiên liệu

(Downdraft)

1 Sản phẩm khí rất linh hoạt thích ứng cho các nhu cầu phụ tải khác nhau

2 Thiết kế đơn giản

2 Không khả thi đối với kích thước hạt rất nhỏ của nhiên liệu

3 Nhiệt trị khí sản phẩm thấp (Lượng CO2 nhiều)

4 Có thể đóng xỉ

5 Hiệu quả khí hóa tương đối thấp

6 Yêu cầu cụ thể về nhiên liệu (kích

thước, hình dạng và độ ẩm) Dòng cắt

1 Khả năng đóng xỉ cao

2 Trở lực áp suất cao

I.3 Đặc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng

Hiện nay có 2 xu hướng chính trong phát triển công nghệ năng lượng sinh khối để sản xuất điện năng :i) quy vừa và nhỏ, ii) quy mô lớn Quy mô công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp sản xuất điện năng được một số tác giả đưa ra như sau:

+ Công suất nhỏ: 1 MWe

+ Công suất vừa: > 1 MW đến 5 MWe

+ Công suất lớn: > 5 Mwe [1, 28]

Do đặc tính công nghệ nên với sản xuất điện năng quy mô vừa và lớn thường sử dụng công nghệ khí hóa tầng sôi và chu trình kết hợp sản xuất đồng thời nhiệt và điện năng Với sản xuất điện năng quy mô nhỏ thường sử dụng công nghệ khí hóa tầng cố định kết hợp với động cơ đốt trong (động cơ khí hoặc động cơ diesel) [10] Việc lựa chọn động cơ khí hay động cơ diesel phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của hộ sử dụng

I.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất 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 [44] 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 Sản xuất điện năng quy mô nhỏ từ khí hóa sinh khối thường kết hợp với động cơ đốt trong vì [14]: đây là công nghệ đã được minh chứng trong lịch sử phát triển [10], đặc tính vận hành đơn giản, tính hệ thống không đòi hỏi quá cao, chi phí ban đầu thấp Hơn nữa, có thể tận dụng và cải tạo từ hệ thống máy phát sẵn có của các hộ sử dụng Tuy nhiên, công nghệ cũng có những đòi hỏi về chất lượng khí sản phẩm khá cao như:

+ Nhiệt trị thấp làm việc: khoảng 4 - 6 MJ/m3

+ Hàm lượng hắc ín: 100 mg/m3

+ Nồng độ bụi: 30 mg/m3

Việc lựa chọn động cơ diesel hay động cơ khí để kết hợp với công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể sau:

+ Đặc tính làm việc của hệ thống khí hóa sinh khối: liên tục, gián đoạn

+ Tính ổn định và chất lượng khí sản phẩm của hệ thống khí hóa sinh khối

+ Yêu cầu về tính ổn định và tính sẵn sàng của hệ thống với hộ sử dụng Ví dụ: với

hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ diesel tính ổn định và hệ số sẵn sàng cao hơn so với động cơ khí vì khi hệ thống khí hóa gặp sự cố ta có thể vận hành bằng diesel

+ Điều kiện thực tế của hộ sử dụng, ví dụ: Qua thực tế khảo sát ở Việt Nam, hầu hết các hộ sử dụng có sẵn hệ thống máy phát điện dự phòng, công suất nhỏ hơn 10 kVA chủ yếu là sử dụng động cơ xăng, công suất lớn hơn 10 kVA chủ yếu sử dụng động cơ diesel Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng chủ yếu hai loại động cơ

để chạy phát điện là động cơ diesel và động cơ khí

Động cơ Diesel [3,5]

Là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ So với động

cơ xăng, động cơ diesel có tỷ số nén cao hơn , động cơ diesel có công suất lớn hơn khi tiêu tốn cùng một lượng nhiên liệu Động cơ diesel chia ra là 4 kì: kỳ nạp, kì nén, kỳ cháy và kỳ thải, ứng với mỗi kỳ thì thực hiện những nhiệm vụ khác nhau

Động cơ khí

Là loại động cơ nhiệt, dạng rotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí

Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối tuốc bin khí rotor Khối máy nén và khối tuốc bin có trục được nối với nhau để tuốc bin làm quay máy nén So với một loại

động cơ nhiệt khác rất thông dụng là động cơ piston điển hình là động cơ Diesel thì động cơ tuốc bin khí có nhiều điểm yếu hơn: công nghệ chế tạo rất cao nên rất đắt (chỉ một vài nước có công nghệ tiên tiến chế tạo được động cơ này), có hiệu suất nhiệt động lực học thấp hơn (khoảng 2/3 so với động cơ Diesel) dẫn đến tính kinh tế kém hơn, hiệu suất giảm sút nhanh khi chạy ở chế độ thấp tải Nhưng ưu điểm nổi bật của động cơ tuốc bin khí là cho công suất cực mạnh với một khối lượng và kích thước nhỏ gọn: chỉ số công suất riêng (mã lực/kg) của loại động cơ này lớn gấp hàng chục lần động cơ diesel

Động cơ khí có đặc điểm [3]

 Động cơ rotor: trong động cơ này các khối công năng chính là máy nén và tuốc bin chỉ có chuyển động quay một chiều, khác với động cơ piston có khối công năng chính là piston của xi lanh chuyển động tịnh tiến

 Động cơ loại hở (tuyến khí hở): không khí từ lối vào của máy nén qua buồng đốt và ra khỏi tuốc bin đều chảy qua khoảng không gian hở không có vùng không gian bị đóng kín (ví dụ như ở động cơ piston: không khí sinh công trong

xi lanh là vùng không gian kín ngăn cách với bên ngoài bằng các van xu páp)

Vì tính chất hở như vậy đảm bảo cho quá trình cháy trong buồng đốt là quá trình cháy đẳng áp (áp suất giữ nguyên) nếu cháy trong không gian kín quá trình cháy sẽ làm tăng áp suất không khí làm áp suất trong buồng đốt cao hơn

áp suất tại máy nén, không khí bị gia nhiệt có thể thổi ngược lại máy nén

 Động cơ quá trình liên tục: chu trình nhiệt động lực học của động cơ tuốc bin khí là chu trình Brayton Về cơ bản, nó giống với chu trình của động cơ piston cũng có các chu trình hút – nén – gia nhiệt (đốt) – giãn nở Nhưng ở động cơ piston tất cả các giai đoạn đó diễn ra tại cùng một bộ phận (tại xi lanh động cơ) nhưng ở các thời điểm khác nhau, luân phiên theo quá trình hút, nén, nổ, xả, quá trình như vậy là quá trình gián đoạn Còn tại động cơ tuốc bin khí các quá trình này diễn ra liên tục nhưng tại các bộ phận khác nhau: tại máy nén quá trình nén liên tục, tại buồng đốt liên tục quá trình gia nhiệt, và tại tuốc bin liên tục quá trình giãn nở sinh công, chính yếu tố này quyết định tính công suất cao của loại động cơ này

Trong nghiên cứu này chúng tôi cũng tiến hành chạy hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h kết hơp động cơ máy phát điện (động cơ xăng), tuy nhiên với việc sử dụng khí sản phẩm để chạy động cơ phát điện thì chúng tôi thấy rằng hệ thống máy phát chỉ

ổn định trong khoảng thời gian 5-10 phút thì hệ thống dừng lại Do vậy chúng tôi thấy rằng để có thể sử dụng khí sản phẩm thay thế cho xăng khi chạy động cơ thì phải cải tiến lại một số bộ phận như bộ chế hòa khí, tốc độ vòng quay, và các thông số khác của động cơ

I.3.2 Xu hướng nghiên cứu trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng [5]

a Nâng cao hiệu suất

Gồm có nâng cao hiệu suất của hệ thống khí hóa sinh khối và hệ thống động cơ – máy phát Trong đó việc cải thiện hiệu suất hệ thống khí hóa sinh khối như cải thiện cấu trúc lò khí hóa cũng như các thông số vận hành cho phù hợp với đặc tính nhiên liệu sử dụng, tăng cường tận dụng nhiệt thải từ hệ thống Đối với hệ thống động cơ máy phát thì việc nâng cao hiệu suất được thực hiện thông qua việc tối ưu hóa hệ thống kết nối và điều khiển quá trình cấp nhiên liệu khí và tận dụng nhiệt thải

b Cải thiện chất lượng khí sản phẩm

Việc cải thiện chất lượng khí sản phẩm chủ yếu được thực hiện thông qua 2 giai đoạn của quá trình khí hóa đó là giai đoạn nhiệt phân và khí hóa bằng cách tận dụng triệt để các đặc tính nhiệt động của 2 giai đoạn này cũng như sử dụng thêm chất xúc tác hoặc thay đổi, bổ sung tác nhân khí hóa khác (oxi, hơi nước…) để tối đa hóa quá trình chuyển đổi của các hydro cacbon trong nguyên liệu sinh khối thành khí sản phẩm hoặc thậm chí nhằm đạt được thành phần khí sản phẩm như mong muốn

hành, nguyên liệu sử dụng, tác nhân khí hóa, thiết bị phụ trợ hay thậm chí là các chất xúc tác phù hợp

d Sử dụng đa dạng các loại nguyên liệu sinh khối

Sinh khối là nguồn nguyên liệu hữu hạn và mang tính địa phương, quá trình vận hành và sử dụng lò bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của nguyên liệu như hàm lượng chất bốc, độ ẩm, độ tro…, vì vậy việc nghiên cứu phát triển các lò khí hóa sinh khối có thể

sử dụng đa dạng các loại sinh khối phù hợp với nguồn nguyên liệu sẵn có ở từng địa phương là rất cần thiết, giúp tăng tính thích ứng và tính cạnh tranh của công nghệ

e Dễ sử dụng, rẻ tiền, vận hành ổn định

Một công nghệ muốn thương mại hóa thì phải hướng tới những mục tiêu trên, những nghiên cứu gần đây ngoài việc cải thiện hiệu suất chất lượng khí sản phẩm…cũng chú trọng tới cải tiến cơ khí hóa, tự động hóa để giảm sức lao động và ngoài ra nghiên cứu còn hướng tới những công nghệ có tính đơn giản dễ chế tạo, dễ làm chủ để có thể tự bảo trì bảo dưỡng và sửa chữa và vận hành ổn định, dễ thương mại hóa

I.4 Các phương pháp phân tích

I.4.1 Phương pháp phân tích thành phần kỹ thuật và hóa học của nguyên liệu

a Hàm lượng chất bốc

Theo tiêu chuẩn E872, 50g mẫu được thực hiện và không ít hơn 10kg mẫu sinh khối sử dụng theo ASTM-346 Mẫu này được nghiền đến kích thước nhỏ hơn 1mm Lấy 1g đem đi sấy và đặt trong chén nung để tránh tiếp xúc với không khí Chắn nung đậy nắp và được đặt trong tủ nung tại 9600C và gia nhiệt cho 7 phút Chất bốc thoát ra được phát hiện bởi ngọn lửa quan sát bên ngoài Sau 7 phút chén nung được đưa ra, làm nguội trong bình hút ẩm, cân chính xác khối lượng mất do chất bốc thoát

b Hàm lượng tro

Tro là cặn rắn vô cơ còn lại sau khi nguyên liệu bị đốt cháy hoàn toàn Thành phần chủ yếu là silic, nhôm sắt, canxi và một lượng nhỏ magie, natri, kali Hàm lượng tro được xác định theo tiêu chuẩn D-1102 cho gỗ, E-1755-01 cho sinh khối khác, và D-3174 cho than Tiêu chuẩn D-1102 cơ bản như sau: 2g mẫu gỗ được sấy trong điều

kiện tiêu chuẩn và đặt trong lò nung với cốc sứ Nhiệt độ của lò nung tăng chậm từ 580-6000C để tránh bị cháy, khi tất cả cacbon bị cháy, mẫu được làm nguội và cân ta xác định được hàm lượng tro Tiêu chuẩn E-1755-01: 1g mẫu của sinh khối được đốt, mẫu được làm lạnh và giữ cho đến khi tất cả cacbon bị đốt, sau đó mẫu được làm nguội và đem cân

là hàm ẩm trong nguyên liệu Hàm ẩm sinh khối thường được xét trong khô cơ bản Ví

dụ, nếu Wwet của sinh khối ướt trở thành Wdry sau sấy, ẩm khô cơ bản và ẩm ướt cơ bản được xác định như sau:

FC= 1-M-VM-Ash Ngoài ra trong nghiên cứu này chúng tôi còn tiến hành xác định thành hóa học của nhiên liệu như cacbon, hydro, oxi, những thành phần này được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E777 Nhiệt trị thấp của nguyên liệu được xác định bằng thiết bị Parr

1266 Bomb Calorimeter theo tiêu chuẩn ASTM 5865-04 Thành phần của tro được xác định bằng thiết bị ICP-MS (IRIS-INTREPID, PE Optimal 7300DV)

I.4.2 Các phương pháp TGA, BET, SEM

a Phương pháp TGA

Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hay nhận vào) trong quá trình chuyển pha như một hàm của nhiệt độ TGA cho ta xác định khối lượng chất bị mất đi trong quá trình chuyển pha Đường phổ TGA đặc trưng cho một hợp chất hoặc một hệ do thứ tự của các phản ứng hoá học xuất hiện tại một khoảng nhiệt độ xác định là một hàm của cấu trúc phân tử Các đường dữ liệu liên quan tới nhiệt động học và động năng của dạng phản ứng hoá học, cơ chế phản ứng

Hệ đo TGA có cấu tạo tương tự như DTA, nhưng TGA có thêm phần sensor khối lượng Mẫu được cân liên tục và nung nóng đến nhiệt độ bay hơi, mẫu được đặt trên đĩa và gắn với bộ cân bằng ghi tự động, bộ cảm biến tự động chọn điểm cân bằng Bộ biến năng là các tế bào quang điện, khi vị trí cân bằng ban đầu được thiết lập, sự thay đổi khối lượng của mẫu sẽ được làm cân bằng

b Phương pháp BET

Bề mặt riêng Sr là thông số quan trọng của xúc tác Là diện tích bề mặt của vật rắn tính trên một đơn vị khối lượng, đơn vị m2/g Đối với xúc tác, bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ tăng, do đó hoạt tính xúc tác càng tăng Để xác định bề mặt riêng ta dùng phương trình BET là phương pháp thực nghiệm cho đến nay là phương pháp hữu dụng nhất Có 2 phương pháp: BET đơn điểm và BET đa điểm Phương pháp BET đơn điểm thường được dùng để xác định một cách tương đối diện tích bề mặt của xúc tác và so sánh giữa các mẫu xúc tác trước và sau phản ứng Giá trị diện tích bề mặt xác định theo phương pháp BET đơn điểm thường không chính xác (nhỏ hơn giá trị BET đa điểm) nhưng phương pháp này có ưu điểm là tiến hành trong thời gian ngắn

c Phương pháp SEM

Kính hiển vi điện tử quét SEM là phương pháp duy nhất cho phép quan sát trực tiếp hình dáng và kích thước của các hạt riêng rẽ Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh của bề mặt mẫu vật với độ phân giải cao Nhờ khả năng phóng đại và tạo thành ảnh mẫu rõ nét và chi tiết, kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để nghiên cứu bề mặt xúc tác, cho phép xác định kích thước và hình dáng của vật liệu xúc tác Phương pháp này cho phép nghiên cứu các vật liệu có kích thước <150 μm và có thể nhìn thấy lỗ xốp của một số chất rắn

Nhờ vào khả năng phóng đại, tạo ảnh rất rõ nét và chi tiết, phương pháp SEM dùng để xác định kích thước trung bình của các hạt xúc tác, đồng thời cho thấy hình dạng của các hạt vật liệu Khi sử dụng SEM nghiên cứu xúc tác có thể đánh giá bề mặt cũng như xác định được kích thước hạt xúc tác cũng như đánh giá sơ bộ độ tinh thể, sự xuất hiện của các tạp chất Phương pháp đo SEM có thể thu được các bức ảnh đa chiều

có chất lượng cao, rõ nét mà không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu Phương pháp SEM đặc biệt hữu dụng bởi vì nó cho độ phóng đại cao có thể thay đổi từ 10 tới 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp với việc phân tích hình dạng

và cấu trúc bề mặt

Kính hiển vi điện tử quét SEM được thực hiện bằng cách quét một chùm tia điện tử hẹp có bước song khoảng vài Å lên bề mặt mẫu Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các điện tử thứ cấp Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng Chúng được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra bởi bộ thu và phụ thuộc vào bề mặt mẫu nghiên cứu

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG KHÍ HÓA CÔNG SUẤT 150KG/H

II.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động hệ thống khí hóa

II.1.1 Sơ đồ hệ thống[4,5,48]

Hệ thống khí hóa sinh khối bao gồm:

 Quạt cấp không khí

 Thiết bị đo lưu lượng không khí ratomet

 Lò phản ứng là khí hóa sinh khối

 Quạt hút không khí

 Thiết bị xyclon tách bụi

 Thiết bị rửa khí và hệ thống bơm nước làm mát

 Hệ thống tách tar

 Thiết bị chống cháy ngược[30]

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h

a Lò khí hóa

Thiết bị khí hóa thuận chiều Downdraft, tại đây xảy ra quá trình khí hóa thu đƣợc lƣợng sản phẩm rắn,lỏng và khí

Hình 2.2 Thiết bị khí hóa sinh khối

b Bộ tách bụi

Trong quá trình khí hóa sinh khối, một phần các hạt tro bụi bị cuốn theo dòng sản phẩm khí đi ra, để sử dụng cho mục đích năng lƣợng có chất lƣợng cao nhƣ: động cơ đốt trong thì phải loại bỏ lƣợng tro bui này Bộ tách tro bụi kiểu cyclone đƣợc thiết kế để làm nhiệm vụ này, việc tính toán thiết kế bộ phận này dựa trên những thông số của hệ thống

T7

T8

khởi động lò chọn một quạt hút có công suất 1,1kW, áp suất làm việc 350-

450mmH2O, lưu lượng khí 500-750m3

/h Quạt hút chỉ bật trong thời gian nhóm lò, sau khi nguyên liệu đã bén quá trình cháy đã ổn định thì ta tắt quạt hút và chạy quạt

cấp

e Hệ thống bơm nước rửa khí

Do thiết bị rửa khí sử dụng lưu lượng và cột áp nhỏ: H = 6mH2O; Q = 1m3/h ta chọn bơm có công suất 150W, H = 5-11mH2O; Q = 1.2-2.5m3/h

II.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống khí hóa sinh khối được thiết kế vận hành theo mẻ, mỗi mẻ chứa được khoảng 70 – 100 kgnl sinh khối, tùy thuộc vào tỷ trọng đổ của nguyên liệu Thiết bị chính của hệ thống là lò khí hóa, sau khi nhóm lò quá trình khí hóa xảy ra trong lò là do quạt thổi cấp gió cùng với oxy từ bình chứa qua các cửa cấp gió dọc thân

lò để xảy ra quá trình cháy cục bộ một phần sinh khối trong lò, nhiệt của quá trình cháy này sẽ cung cấp cho quá trình khí hóa Lưu lượng khí từ quạt gió cũng như oxy

từ bình chứa cấp vào lò được kiểm soát bằng van và thiết bị đo lưu lượng kiểu Rotameter có dải đo từ 0 - 1000 l/ph Lưu lượng gió và oxy cấp thay đổi sẽ quyết định công suất nhiệt và lưu lượng sản phẩm khí của hệ thống, trong một ngưỡng nào đó nếu

ta tăng lưu lượng gió và oxy thì lưu lượng sản phẩm khí sẽ tăng lên do quá trình khí hóa diễn ra mạnh hơn [42]

Trong quá trình khí hóa, tại các vùng cấp gió sẽ xảy ra quá trình cháy, phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân và vùng sấy, phía dưới là vùng suy giảm Ở vùng sấy nguyên liệu được gia nhiệt đến khoảng 1250C và thoát hết hơi ẩm sau đó nếu tiếp tục gia nhiệt đến khoảng 7000C sinh khối sẽ bị nhiệt phân hoàn toàn, thoát chất bốc và hắc

ín phần còn lại là cốc, như vậy tại vùng cháy chủ yếu là cháy chất bốc và một phần cốc [39] Với hệ thống khí hóa sinh khối thuận chiều chất bốc và hắc ín đi qua vùng cháy

sẽ bị cháy 1 phần (hoặc hoàn toàn) vì vậy lượng hắc ín giảm đáng kể, tuy nhiên chất lượng khí cũng có thể giảm đôi chút, nếu duy trì vùng cháy càng dày và nhiệt độ vùng cháy càng cao thì lượng hắc ín sẽ càng giảm dẫn đến sản phẩm khí có hàm lượng hắc

ín thấp hơn và có thể sử dụng cho các nhu cầu năng lượng đòi hỏi chất lượng cao ví dụ như động cơ đốt trong hay tua bin khí…Sản phẩm khí sau khi ra khỏi lò khí hóa sẽ đi qua bộ tách tro bụi kiểu cyclon rồi qua bộ lọc rửa khí và làm nguội khí sau đó đi sang

bộ sấy khí rồi cung cấp khí cho chạy máy phát điện hoặc hộ tiêu thụ dùng nhiệt Nếu chỉ dùng cho hộ tiêu thụ dùng nhiệt (đốt) thì có thể đi qua bộ tách tro bụi và bộ rửa khí

mà đi trực tiếp từ thiết bị khí hóa sang cho hộ tiêu thụ nhiệt.[39]

II.2 Quy trình vận hành và phương pháp xử lý số liệu cho hệ thống khí hóa

II.2.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm

a Chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu ban đầu mua về có kích thước và độ ẩm không đồng đều vì vậy phải được đập nhỏ và dùng rây để sàng tuyển những hạt có kích thước thích hợp Sau

đó phơi đều đến khi độ ẩm nguyên liệu cân bằng với độ ẩm không khí, với mỗi đợt nhiên liệu mua lại phải xác định thành phần của chúng

b Thông gió và kiểm tra hệ thống

Vì vận hành theo mẻ nên trước khi thí nghiệm ta phải bật quạt hút thông gió cho lò, sau đó mở nắp nạp liệu và tháo xỉ để kiểm tra bên trong lò xem còn nhiên liệu

cũ và tro xỉ mắc kẹt không Sau đó kiểm tra cách nhiệt và các đầu can nhiệt bên trong

lò trước khi nạp liệu Đồng thời kiểm tra các bích nối thân lò, rắc co trên đường ống, các van chặn, van xả, đường ống xem có bị rò rỉ hay tắc do hắc ín không Sau đó kiểm tra hiệu chỉnh thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí sản phẩm…

c Khởi động hệ thống

Sau khi kiểm tra và nạp liệu xong ta lắp kín lò và mở nắp nhóm trên thân lò, dùng đèn khò nhóm lửa qua cửa nhóm sau đó bật quạt hút đồng thời mở van quạt hút, đóng van xả trên đường ống nối từ lò sang bộ tách bụi, quan sát nhiệt độ trên đồng hồ tại điểm nhóm khí nhiệt độ đạt khoảng 200-2500C thì lửa đã bén (sau khoảng 3-5 phút) Ta dừng quạt hút, đóng van quạt hút, mở van đường thoát khí từ lò sang thiết bị tách bụi và bật quạt cấp gió, không khí sau khi vào ống góp sẽ chia nhỏ tại các đường ống cấp gió cấp 1, cấp 2, cấp 3, và đi vào thiết bị khí hóa Lúc đầu cấp gió ở cửa trên vùng nhóm và tại vùng nhóm sau khoảng 5-10 phút để vùng cháy không bị tắt sau đó bắt đầu điều chỉnh các cửa cấp gió theo chế độ thí nghiệm định trước, sau khoảng 10-

15 phút chế độ lò sẽ ổn định.Thí nghiệm hoạt động ổn định ta phải đợi sau từ 25-30 phút và lúc này ta có thể đốt khí hoặc chạy máy phát điện

d Vận hành hệ thống và thu thập số liệu

Quá trình vận hành thí nghiệm được thực hiện theo các bước sau:

1 Sau khi khởi động xong ta bắt đầu mở các van tại các đường ống dẫn khí sản phẩm để thu khí

2 Điều chỉnh lưu lượng khí đầu vào cho phù hợp từng trường hợp thí nghiệm, bằng cách điều chỉnh van dẫn đến lưu lượng khí qua ratomet được điều chỉnh phù hợp

3 Mở van qua tách hắc ín (tar) và mở van qua bộ phận thu khí lấy mẫu để phân tích tại các điểm tiến hành thí nghiệm

4 Khí sản phẩm sau khi qua tách hắc ín và phân tích lấy mẫu được góp chung đưa qua bếp đốt và tiến hành đốt tại bếp hoặc chạy máy phát

Việc ghi chép và thu thập số liệu được tiến hành ngay sau khi nhóm lò xong (sau khoảng 3-5 phút từ khi bắt đầu) mặc dù sau khoảng 25-30 phút lò mới ổn định Định kì sau 5 phút ghi số liệu 1 lần và sau 10 phút lấy mẫu khí một lần để phân tích, việc lấy số liệu ngay từ đầu để tránh sai số cho quá trình tính toán vì thí

nghiệm tiến hành theo mẻ

e Dừng thí nghiệm

Khi nguyên liệu gần hết phải dừng lò để tránh hỏng ghi lò và hệ thống ống vì khi đó vùng cháy sẽ dịch chuyển xuống gần T7 (nằm gần ghi), vì vậy khi nhiệt độ T7 khoảng 750-8000C và nhiệt độ T8 khoảng 500-6000C thì phải dừng lò bằng cách tắt quạt cấp gió, khóa van cấp gió, khóa van thoát khí sau đó mở van quạt hút và bật quạt hút (1-2 phút) để hút hết khí ra Việc dừng lò hoàn tất thì khóa hết các van và để ở chế

độ ủ không có không khí để lò tắt dần

II.2.2 Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích

a Hệ thống đo áp suất

Do áp suất trong hệ thống không lớn, hơn nữa sự chênh lệch áp suất dọc thân lò

là không nhiều vì vậy hệ thống được lắp đăt bộ đo áp suất kiểu manometer Tín hiệu

áp suất được lấy trực tiếp từ 7 cổng thao tác dọc trên thân lò và dẫn bằng ống nhựa đưa vào ống thủy tính hình chữ U, trên đó có các thang chia vạch từ 0-1100 mmH2O

b Hệ thống đo nhiệt độ