NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HÓA GA TỪ TRẤU LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN

TÓM TẮT Đề tài “ Nghiên cứu giải pháp công nghệ hóa ga từ trấu làm nhiên liệu cho động cơ diesel kéo máy phát điện” được thực hiện tại Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HÓA GA TỪ TRẤU LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

3 Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN TUYÊN

Đại học Bách khoa Tp.HCM

4 Phản biện 2: TS TRƯƠNG VĨNH

Đại học Nông Lâm Tp.HCM

5 Ủy viên: TS PHAN HIẾU HIỀN

Đại học Nông Lâm Tp.HCM

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HIỆU TRƯỞNG

Tình trạng gia đình: Đã kết hôn năm 2007, tên Vợ: Trần Đỗ Xuân Dung

Địa chỉ liên lạc: Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

Điện thọai: 08 37220725 - 0908 491 324

Email: tvtuan2509@yahoo.com

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các kết quả và số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Trần Văn Tuấn

LỜI CẢM TẠ

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:

- Thầy TS Phan Hiếu Hiền, Giảng viên Khoa Cơ khí - Công nghệ, nguyên Giám đốc Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi suốt quá trình thực hiện luận văn

- Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ khí - Công nghệ, Ban Giám đốc Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này

- Toàn thể quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu cho tôi trong suốt thời gian học Cao học

Tôi xin chân thành cảm ơn:

- Toàn thể CBCC Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Cán bộ và Giảng viên Khoa Cơ khí Công nghệ đã phối hợp và giúp đỡ trong quá trình tôi làm luận văn

- Công ty TNHH Cơ khí Công Nông nghiệp Bùi Văn Ngọ đã tài trợ một phần kinh phí để tôi thực hiện đề tài này

- Cám ơn các bạn trong Lớp Cao học khóa 2005 đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm luận văn này

TÓM TẮT

Đề tài “ Nghiên cứu giải pháp công nghệ hóa ga từ trấu làm nhiên liệu cho động cơ diesel kéo máy phát điện” được thực hiện tại Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 7 năm 2007 đến tháng 7 năm 2009 với kết quả đạt được như sau:

Thiết kế và chế tạo hệ thống hóa ga liên tục kết hợp với động cơ diesel kéo máy phát điện, công suất phát ra 3 kW bao gồm:

ƒ Cụm lò hóa ga kiểu đi xuống với bộ phận cấp trấu và tháo tro hoàn toàn là thiết kế mới so với các mẫu lò hiện có

ƒ Bộ phận lắng bụi bằng xy-clon hiệu suất cao

ƒ Bộ phận lọc ướt kiểu ống đứng

ƒ Bộ phận lọc khô bằng than hoạt tính

ƒ Bộ phận hòa trộn giữa ga và không khí kiểu lỗ phun

ƒ Chọn động cơ diesel 18 hp kéo máy phát điện xoay chiều một pha 12 kW Sau các thí nghiệm thăm dò, thực hiện 12 thí nghiệm với hai yếu tố đầu vào thì kết quả làm việc tốt nhất của hệ thống hóa ga liên tục này ở mức vận tốc gió bề mặt

V = 0,052 m/s, gian cách tháo tro T = 10 phút, đạt được tốc độ hóa ga riêng SGR = 171,4 kg.h-1.m-2, công suất phát ra P = 5,17 kW và phần trăm thay thế dầu diesel DR = 81,6%

Phương trình hồi qui của tốc độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2), phương trình hồi qui công suất phát ra P (kW) và phương trình hồi qui phần trăm thay thế dầu diesel DR (%) với các yếu tố đầu vào: vận tốc gió bề mặt V (m/s), gian cách tháo tro T (phút):

ga có thể làm việc liên tục trong nhiều giờ

ABSTRACT

The thesis “ Study on the technology of continuous rice husk gasification system to produce fuel for diesel engine to operate the electric generator” was conducted at the Center for Agricultural Energy and Machinery, Nong Lam University Ho Chi Minh City, from July 2007 to July 2009 with the following results:

Design and fabrication of the continuous gasification system coupled to diesel engine to operate electric generator, the output power was 3 kW The system included:

a downdraft gasifier reactor unit with rice husk feeder and ash remover (new design in comparison with existing gasifiers), a dust filter with high - efficiency cyclone, a wet filter with vertical pipe type, a dry filter with activated charcoal and a gas-air mixer with nozzle mixer type The gasifier was matched with a 18 hp diesel engine to operate

a 12 kW single–phase alternating-current generator

After exploratory testing, the main 12 experiments with two factors showed that: The optimal operation of this continuous gasification system was at superficial air velocity V = 0,052 m/s, ash removal duration T = 10 minutes and resulted in the specific gasification rate SGR = 171,4 kg.h-1.m-2, output power of engine P = 5,17 kW and diesel replacement percent DR = 81,6 %

The regression equations of the specific gasification rate SGR (kg.h-1.m-2), output power of engine P (kW) and diesel replacement percent DR (%) as function of the superficial air velocity V (m/s) and ash removal duration T (minutes):

SGR = 264,4122 + 2248,33 * V - 1,6167 * T

P = 0,8613 + 55,121* V + 544,53 * V2

DR = 28,36489 + 961,67 * V

Verification at superficial air velocity V = 0,052 m/s and ash removal duration

T = 10 minutes was conducted for continuous operation in 8 hours and 57 minutes The results confirmed that these levels of superficial air velocity and ash removal duration were well selected, and indicated that this gasification system could work continuously for hours

MỤC LỤC

Trang

Lý lịch cá nhân ii

Lời Cam đoan iii

Cảm tạ iv

Tóm tắt v

Abstract vii

Mục lục ix

Ký hiệu và chữ viết tắt xiv Danh sách các bảng xviii

1 MỞ ĐẦU 1

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tình hình sử dụng trấu và cơ lý tính của trấu 3

2.1.1 Tình hình sử dụng trấu ở Việt Nam và các nước trong khu vực 3

2.1.2 Phân tích nguyên tố (ultimate analysis) 5

2.1.3 Phân tích thành phần (proximate analysis) 6

2.1.4 Dung trọng 6

2.1.5 Nhiệt trị 7

2.1.6 Đặc điểm kích thước và góc chảy 7

2.2 Các dạng sử dụng năng lượng cho động cơ diesel 7

2.3 Nguyên lý hóa ga để chuyển đổi năng lượng sinh khối 7

2.3.1 Vùng cháy 8

2.3.2 Vùng khử 8

2.3.3 Vùng nhiệt phân 8

2.4 Các kiểu thiết bị hóa ga 9

2.4.1 Kiểu ga đi lên 9

2.4.2 Kiểu ga đi xuống 10

2.4.3 Kiểu ga đi ngang 10

2.4.4 Kiểu phân tầng ga đi xuống 11

2.4.5 Kiểu tầng sôi 11

2.5 Các thông số thiết kế hệ thống lò hóa ga 12

2.5.1 Tốc độ hóa ga SGR 12

2.5.2 Tổn áp 12

2.5.3 Lượng không khí 13

2.5.4 Vận tốc ga bề mặt 13

2.5.5 Thành phần của ga 13

2.5.6 Nhiệt trị của ga 14

2.5.7 Hiệu suất khí nguội 14

2.5.8 Chiều cao vùng hóa ga và nhiệt độ trong lò hóa ga 14

2.5.9 Tốc độ cháy thành tro 15

2.5.10 Các kiểu tháo tro 16

2.5.11 Các kiểu cung cấp gió 18

2.5.12 Thùng chứa và cung cấp trấu 19

2.6 Chất lượng ga chạy động cơ và phương pháp làm sạch ga 19

2.7 Các tiêu chuẩn chất lượng nước trước và sau khi hóa ga 20

2.8 Tìm hiểu các loại động cơ chạy ga 22

2.8.1 Động cơ xăng 22

2.8.2 Động cơ diesel 22

2.8.3 Sự hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu 23

2.9 Tổng quan tình hình nghiên cứu hóa ga từ trấu ở trong nước 23

2.9.1 Ga trấu chạy máy nước đá ở Cà Mau 23

2.9.2 Hóa ga chạy động diesel, phát điện 3,5 kW 24

2.9.3 Lò đốt ga trấu kép dùng cho máy sấy lúa 25

2.10 Tình hình nghiên cứu hóa ga trấu ngoài nước 28

2.10.1 Hệ thống hóa ga trấu và đốt ga 28

2.10.2 Hệ thống hóa ga trấu dùng để chạy động cơ và phát điện 30

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

3.1 Nội dung nghiên cứu 34

3.2 Phương pháp thiết kế 34

3.3 Phương pháp chế tạo 35

3.4 Phương tiện thí nghiệm 35

3.5 Cơ sở chọn yếu tố đầu vào và đầu ra 35

3.5.1 Yếu tố đầu vào 35

3.5.2 Yếu tố đầu ra 37

3.6 Phương pháp bố trí thí nghiệm thăm dò 37

3.7 Phương pháp bố trí các thí nghiệm chính 38

3.7.1 Giai đoạn I: khảo sát hai yếu tố ảnh hưởng nhất đến các hàm mục tiêu 38

3.7.2 Giai đoạn II: tuyển kết quả tốt nhất của giai đoạn I để chạy kiểm tra 39

3.8 Phương pháp đo đạc 39

3.8.1 Phương pháp đo áp suất tính ra lượng gió và ga bằng đĩa lỗ (orifice) 39

3.8.2 Phương pháp xác định phần trăm thay thế của dầu diesel DR 41

3.8.3 Phương pháp xác định công suất phát ra P 42

3.8.4 Phương pháp xác định tốc độ hóa ga SGR 43

3.9 Trang thiết bị, dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm 43

3.10 Tình hình phân tích thành phần ga 46

3.11 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 47

4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 48

4.1 Số liệu thiết kế ban đầu 48

4.2 Lựa chọn mô hình hóa ga liên tục 48

4.2.1 Cấu tạo và nhiệm vụ các bộ phận trong hệ thống hóa ga liên tục 50

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống hóa ga liên tục 52

4.3 Kết quả tính toán, thiết kế chế tạo hệ thống hóa ga liên tục 3 kW 54

4.3.1 Tính toán thiết kế kích thước lò hóa ga 54

4.3.2 Tính toán bộ phận cấp trấu 55

4.3.3 Tính toán bộ phận tháo tro 57

4.3.4 Thiết kế quy trình điều khiển cấp trấu và tháo tro 61

4.3.5 Tính lượng gió cần thiết cho quá trình hóa ga 61

4.3.6 Tính toán xy-clon lắng tro 62

4.3.7 Tính toán bộ phận lọc ướt (rửa nước) 65

4.3.8 Tính tổn áp toàn hệ thống 67

4.3.9 Tính toán chọn quạt hút tạo ga 68

4.3.10 Thiết kế bộ lọc khô 68

4.3.11 Thiết kế bộ phận hòa trộn không khí và ga 69

4.3.12 Lựa chọn động cơ và máy phát điện 70

4.3.13 Tóm tắt kết quả tính toán thiết kế hệ thống hóa ga liên tục 3 kW 71

4.4 Thí nghiệm sơ bộ 74

4.5 Các yếu tố đầu vào và đầu ra trong thí nghiệm 74

4.5.1 Yếu tố đầu vào 74

4.5.2 Yếu tố đầu ra 75

4.6 Thí nghiệm thăm dò 75

4.6.1 Giai đoạn 1: thí nghiệm đốt ga, không cho ga vào động cơ 75

4.6.2 Giai đoạn 2: thí nghiệm cho ga sau khi hóa ga vào chạy động cơ 77

4.6.3 Thí nghiệm đo nhiệt độ lò hóa ga xác định tốc độ cháy 78

4.7 Thí nghiệm hai yếu tố 80

4.7.1 Qui hoạch thực nghiệm 2 yếu tố 80

4.7.2 Chọn các mức, khoảng biến thiên cho hai yếu tố đầu vào 80

4.7.3 Xây dựng ma trận thực nghiệm 81

4.8 Kết quả xử lý số liệu và phân tích hồi qui giữa các yếu tố Y và X 81

4.8.1 Phân tích hồi qui tốc độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2) theo yếu tố đầu vào 82

4.8.2 Phân tích hồi qui công suất phát ra P (kW) theo yếu tố đầu vào 84

4.8.3 Phân tích hồi qui phần trăm thay thế dầu diesel DR (%) theo yếu tố đầu vào 85

4.8.4 Phân tích hồi qui hàm Y2 (công suất phát ra P) theo yếu tố đầu vào là tốc độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2) 86

4.8.5 Phân tích hồi qui hàm Y3 (phần trăm thay thế dầu diesel DR) theo yếu tố đầu vào là tốc độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2) 88

4.9 Kết quả chạy kiểm chứng 89

4.9 Khả năng ứng dụng tại cơ sở sản xuất 91

5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 92

5.1 Kết luận 92

5.2 Đề nghị 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 97

Chiều cao đường vào xy-clon

Đường kính dưới xy-clon

Chiều rộng đường vào xy-clon

Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

Bố trí ngẫu nhiên hoàn toàn

Đường kính trong vít tải

Giá trị cặn ban đầu

Tỷ số tương đương

Hiệu suất khí nguội

Chiều cao lò hóa ga

Tổng chiều dài của xy-clon

Chiều dài phần trụ trên của xy-clon

mm

mm

mm mg/l mg/l

Chi phí nhiên liệu riêng dầu (động cơ chạy toàn dầu)

Chi phí nhiên liệu riêng dầu (động cơ chạy dầu và ga)

Tiêu thụ trấu

Khối lượng trấu trong thùng

Khối lượng tro tạo thành

Năng suất vít tải

Lượng trấu hóa ga trên mặt cắt ngang lò

Hệ số điền đầy

Chiều dài ống lọc

Nhiệt trị thấp của trấu

Nhiệt trị thấp của ga

Tổng lượng trấu tiêu thụ

Năng lượng cung cấp cho động cơ

Hệ số thay đổi trong xy-clon

Công suất quạt hóa ga

Số lần đẩy của pít tông tháo tro

kg kg/h kg/h kg/s

-

m MJ/kg MJ/m3

kg MJ/h

-

W lần/h vòng/h

kW

Pa

Pa

Pa kg/s

m3/h

Lưu lượng gió lý thuyết

Lưu lượng nước

Lưu lượng gió thực tế

Diện tích toàn ghi lò

Diện tích thoát khí ghi lò

Diện tích đường vào xy-clon

Chiều cao phần ống phía trong xy-clon

Bước vít

Gian cách tháo tro

Nhiệt độ tuyệt đối ở 300 0C

Nhiệt độ tuyệt đối ở 25 0C

-

- m/h

m2kg.h-1.m-2

0K

0K

0C phút m/s

m3

m3

m3

Biến mã hóa của yếu tố đầu vào

Biến mã hóa của vận tốc gió bề mặt V

Biến mã hóa của gian cách tháo tro T

Khoảng cách từ đĩa lỗ đến lỗ đo áp suất P2

Yếu tố đầu ra

Tốc độ hóa ga (SGR)

Công suất phát ra (P)

Phần trăm thay thế dầu diesel (DR)

Chiều dài phần côn dưới của xy-clon

Hệ số dòng chảy không khí

Khối lượng riêng của ga

Khối lượng riêng của không khí

Khối lượng riêng của trấu

Khối lượng riêng của tro

Hiệu suất động cơ nhiệt

Hiệu suất quạt hóa ga

Hệ số cục bộ

Dấu nhân trong công thức tính

Dấu chia trong công thức tính

Dấu thập phân trong các số

Dấu thập phân trong đồ thị Excel

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 2.1: Phân tích nguyên tố 5

Bảng 2.2: Phân tích thành phần 6

Bảng 2.3: Thành phần của ga ở ẩm độ trấu 10- 40%, tỷ số tương đương ER = 0,3 14 Bảng 2.4: Thông số đặc trưng đối với chất lượng nước 21

Bảng 2.5: Chất lượng nước sau xử lý từ hóa ga ở Trung Quốc 21

Bảng 2.6: Phân tích và báo cáo của Tây Đức về tình trạng nước của Trung Quốc 21 Bảng 2.7: Sự hòa trộn giữa không khí (KK) và nhiên liệu 23

Bảng 3.1: Tỷ lệ đường kính đĩa lỗ và đường kính ống khảo nghiệm 40

Bảng 3.2: Bảng hệ số dòng chảy của các đĩa lỗ chuẩn 41

Bảng 4.1: Hiệu suất lắng bụi dự đoán của xy-clon thiết kế 65

Bảng 4.2: Thí nghiệm thăm dò đốt ga sau khi hóa ga 76

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm thăm dò đưa ga vào chạy động cơ 77

Bảng 4.4: Các mức thí nghiệm 2 yếu tố 80

Bảng 4.5: Ma trận qui hoạch thực nghiệm phương án 3k + n0 81

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Trấu ngập hai bên bờ sông ở Tân An 4

Hình 2.2: Hóa ga kiểu ga đi lên 9

Hình 2.3: Hóa ga kiểu ga đi xuống 9

Hình 2.4: Hóa ga kiểu ga đi ngang 10

Hình 2.5: Hóa ga kiểu phân tầng ga đi xuống 10

Hình 2.6: Hóa ga kiểu tầng sôi 11

Hình 2.7: Tổn áp giữa lý thuyết và thực nghiệm 12

Hình 2.8: Chiều cao các vùng hóa ga và nhiệt độ so với ghi lò 15

Hình 2.9: Hóa ga với vít cung cấp trấu và ghi đứng yên 16

Hình 2.10: Hóa ga với trấu tự chảy và dụng cụ làm sạch ghi 16

Hình 2.11: Hóa ga với trấu tự chảy và ghi rung 17

Hình 2.12: Hóa ga với vít cung cấp trấu và ghi nước 17

Hình 2.13: Hệ thống hóa ga ở Indonesia 17

Hình 2.14: Thanh gạt tro cong quay 17

Hình 2.15: Hóa ga kiểu ga đi xuống, không cổ thắt, ống gió giữa 18

Hình 2.16: Hóa ga kiểu ga đi xuống, có cổ thắt, ống gió giữa 18

Hình 2.17: Hóa ga kiểu ga đi xuống, không cổ thắt, ống gió vách hông 19

Hình 2.18: Hóa ga kiểu ga đi xuống, có cổ thắt, ống gió vách hông 19

Hình 2.19: Hệ thống ga trấu tại nhà máy nước đá ở Cà Mau năm 1996 24

Hình 2.20: Sơ đồ hệ thống hóa ga đóng nắp Ankur (Ấn độ) 25

Hình 2.21: Mẫu lò hóa ga DA-IRRI 26

Hình 2.22: Lò hóa ga kép tại Đại học Nông Lâm TP.HCM 27Hình 2.23: Bếp lò ga trấu dùng để nấu ăn trong hộ gia đình ở Philippin 28Hình 2.24: Hóa ga từ trấu kiểu liên tục ở Philippin 29Hình 2.25: Hệ thống hóa ga trấu ở Italia 30Hình 2.26: Sơ đồ hệ thống hóa ga từ trấu 60 kW ở Trung Quốc 31Hình 2.27: Sơ đồ hệ thống hóa ga từ trấu 15 kW ở Thái Lan 32Hình 3.1: Sơ đồ bố trí đĩa lỗ (orifice) vào dụng cụ đo gió 39Hình 3.2: Sơ đồ đo dầu diesel và xác định phần trăm thay thế dầu diesel bởi ga 41Hình 3.3: Áp kế điện tử 44Hình 3.4: Cân điện tử 44Hình 3.5: Máy đo công suất điện 45Hình 3.6: Máy đo số vòng quay động cơ 45Hình 3.7: Nhiệt kế điện tử 45Hình 3.8: Nhiệt kế tia laser 45Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống hóa ga liên tục đã thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm 50Hình 4.2: Hệ thống hóa ga liên tục được thiết kế, chế tạo chạy động cơ diesel kéo máy phát điện để phục vụ thí nghiệm 53Hình 4.3: Bộ phận cấp trấu có cảm biến xác định chiều cao lớp trấu trong lò 56Hình 4.4: Bộ phận tháo tro kiểu xy-lanh, pít tông 58Hình 4.5: Cấu tạo ghi lò kiểu thanh thép đặt nghiêng 60Hình 4.6: Hộp điều khiển cấp liệu và tháo tro liên tục 61Hình 4.7: Kích thước hình học của xy-clon hiệu suất cao 63Hình 4.8: Kích thước của xy-clon sau khi tính toán 64Hình 4.9: Sơ đồ bộ lọc ướt (rửa nước) 67

Hình 4.10: Sơ đồ bộ lọc khô 69Hình 4.11: Sơ đồ bộ hòa trộn giữa không khí và ga 70Hình 4.12: Kích thước của xy-clon sau khi tính toán 72Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ lò ga và nhiệt độ ga thoát 78Hình 4.14: Ngọn lửa ga trấu từ lò hóa ga liên tục đã thiết kế và chế tạo 79Hình 4.15: Đồ thị dự đoán hàm Y1 (tốc độ hóa ga SGR) phụ thuộc vào X1 và X2 83Hình 4.16 : Đồ thị biểu diễn hàm Y2 (công suất phát ra P) phụ thuộc vào vận tốc gió bề mặt V (m/s) 85Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn hàm Y3 (phần trăm thay thế dầu diesel DR) phụ thuộc vào vận tốc gió bề mặt V (m/s) 86Hình 4.18: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất phát ra P (kW) và tốc độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2) 87Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa phần trăm thay thế dầu diesel DR và tốc

độ hóa ga SGR (kg.h-1.m-2) 89Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn phần trăm thay thế dầu diesel và công suất phát ra 90Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ của hệ thống hóa ga 90

Chương 1

MỞ ĐẦU

Năng lượng có nguồn gốc hóa thạch như dầu mỏ ngày đang cạn kiệt và giá cả mặt hàng này ngày càng leo thang làm cho nền kinh tế thế giới rơi vào tình trạng suy thoái Thêm vào đó, sử dụng năng lượng dầu mỏ sản sinh ra khí thải CO2 gây ô nhiễm môi trường sống của chúng ta Vì vậy, thách thức có tính khẩn cấp đối với chúng ta và các nước trên thế giới là tìm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng mọi nguồn năng lượng tái tạo được để mang lại triển vọng lớn cho nền kinh tế trong tương lai Đây chính là vấn đề cần phải quan tâm, đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển

Các phế phẩm nông nghiệp như trấu được tận dụng đốt trực tiếp để thu nhiệt cung cấp trong ngành công nghiệp và nông nghiệp chế biến Ngoài ra, trấu còn được sử dụng trong công nghệ hóa ga, là quá trình nhiệt phân trấu hay nhiên liệu rắn khác xảy

ra trong môi trường thiếu oxy và nhiệt độ cao Ga sản sinh ra từ biomass như trấu và những phế phẩm nông nghiệp dùng để chạy động cơ diesel kéo máy phát điện

Việt Nam là nước nông nghiệp với vị trí thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo Theo Cục Thống kê (2007), năm 2007 sản lượng lúa cả nước khoảng 36 triệu tấn, lượng trấu chiếm 20% tổng số sản lượng lúa Song việc sử dụng một cách có hiệu quả nguồn năng lượng từ trấu vẫn còn là một vấn đề cần quan tâm đến Trong những năm qua ngoài việc dùng trấu đốt trực tiếp để thu nhiệt, còn sử dụng lò hóa ga để đốt ga cung cấp cho các máy sấy Đặc điểm kiểu hóa ga này tạo ra ga và đốt ga thu nhiệt nên hiệu suất thấp hơn đốt trực tiếp do đó không áp dụng được trong thực tế Hiện nay, lượng trấu ở Đồng bằng Sông Cửa Long còn dư nhiều nên việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel kéo máy phát điện để bổ

sung lượng điện tại các nhà máy chế biến lúa gạo cũng như góp phần công nghiệp hóa vùng sâu vùng xa

cơ (diesel replacement) DR (%) và công suất phát ra P (kW)

ƒ Chạy thí nghiệm kiểm chứng các thông số tốt nhất đã khảo sát để kiểm tra độ bền của hệ thống hóa ga liên tục đã thiết kế

Thời gian và địa điểm

ƒ Thời gian: từ tháng 7 năm 2007 đến tháng 7 năm 2009

ƒ Địa điểm thực hiện: Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

_

“Ga” là hỗn hợp khí thu được sau khi đốt trấu trong điều kiện thiếu oxy và định nghĩa này được dùng cho toàn luận văn

Chương 2

TỔNG QUAN

Để phục vụ mục đích của đề tài chúng tôi tìm hiểu các đề mục sau: trấu và tình hình

sử dụng trấu, lý thuyết hóa ga, các kiểu thiết bị hóa ga, thiết bị lọc ga, động cơ chạy ga phát điện, tình hình hóa ga từ trấu trong và ngoài nước và các ưu nhược điểm của từng

hệ thống để từ đó thiết kế mẫu lò hóa ga trấu liên tục

2.1 Tình hình sử dụng trấu và cơ lý tính của trấu

Trong phần này trình bày các mục như: tình hình sử dụng trấu ở Việt Nam và các nước trong khu vực, phân tích nguyên tố, phân tích thành phần, tỷ trọng, nhiệt trị và đặc tính góc chảy của trấu

2.1.1 Tình hình sử dụng trấu ở Việt Nam và các nước trong khu vực

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tạo ra từ nhà máy chế biến lúa gạo, một kilogram lúa chứa 200 gram trấu Theo Bronzeoak (2003) sản lượng lúa trên thế giới trong năm 2002 là 600 triệu tấn Trong đó các nước Indonesia, Thái lan, Philippin và Việt Nam là 134 triệu tấn lúa, chiếm khoảng 21% sản lượng của cả thế giới và chứa khoảng 26,8 triệu tấn trấu

Tại các nước trong khu vực trấu được dùng cho việc đun nấu tại hộ gia đình, cung cấp nhiệt cho máy sấy nông sản và cũng được sử dụng đốt lò hơi để chạy tuabin phát nhiệt - điện

Ở Việt Nam sản lượng lúa năm 2007 là 36 triệu tấn (Cục Thống kê, 2007), trong đó Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) được xem là vựa lúa lớn nhất cả nước, luôn chiếm khoảng 50% tổng sản lượng và có được khoảng 3,6 triệu tấn trấu Đây là một

lượng trấu không nhỏ từ các nhà máy chế biến lúa gạo Người dân tận dụng trấu (đốt trực tiếp hay ép thành củi trấu) để làm nguồn cung cấp năng lượng cho việc đun nấu trong hộ gia đình vì giá thành rẻ hơn nhiều so với củi, than đá, dầu mỏ hay điện Trấu còn là nguồn năng lượng cho các cơ sở chế biến thực phẩm qui mô nhỏ ở nông thôn, một lượng trấu rất lớn cho các lò nung gạch ngói, là nguồn cung cấp nhiệt lượng cho máy sấy nông sản và trấu được sử dụng để sản xuất ván các tông Tro trấu có thể ủ trồng dưa, rau và còn được sử dụng làm chất phụ gia cho công nghệ sản xuất xi măng

Vài chục năm trước trấu còn được sử dụng cho lò hóa ga để chạy động cơ phát điện cung cấp lượng điện tại các nhà máy nước đá hay nhà máy xay lúa, nhưng với kỹ thuật hóa ga cũ gây ô nhiễm môi trường nên các lò hóa ga này đã ngưng hoạt động

Ngày nay trấu còn được dùng đốt nồi hơi đồng hành phát nhiệt - điện nhưng mức độ

sử dụng đang còn thấp Tuy nhiên, hiện tại do nhu cầu sử dụng trấu trong trong ngề sản xuất gạch ngoái và lò đường không còn nhiều như trước Mặt khác người dân chuyển sang nấu ăn bằng bếp điện hoặc bếp ga nên lượng trấu dư thừa khổng lồ đã tràn ngập các dòng sông ở ĐBSCL (Hình 2.1) làm ảnh hưởng đến môi trường sống và sinh hoạt của người dân

Hình 2.1: Trấu ngập hai bên bờ sông ở Tân An (Báo Đất Việt, 08/06/2009)

Qua đây có thể khẳng định, sử dụng trấu làm nguyên liệu để hóa ga chạy động cơ phát điện với kỹ thuật hóa ga mới là lựa chọn hiệu quả vì giảm được chi phí đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do trấu gây ra

2.1.2 Phân tích nguyên tố (ultimate analysis)

Trấu gồm các nguyên tố cấu thành như: carbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh Mục đích của phân tích nguyên tố để tính toán lượng không khí cần thiết cho quá trình hóa

ga như tỷ số tương đương (equivalence ratio) ER và tính toán được lượng ga sinh ra Trấu chứa 35,8- 42,1% tổng số carbon (carbon trong carbon cố định và trong chất bốc) theo Bảng 2.1 gồm: 5% H, 2% N, 0,1% S, 33% O và 17- 26% tro, carbon của trấu thấp hơn gỗ và than đá nên cho nhiệt trị thấp hơn so với gỗ và than đá

Bảng 2.1: Phân tích nguyên tố (trích dẫn bởi Phan Hiếu Hiền, 1993)

O (%)

N (%)

S (%)

Tro (%)

Nhiệt trị cao (MJ/kg)

33,91 31,72 35,80 35,86 33,90 37,32

2,06 0,49 0,40 0,50 0,57

0,10 0,07 0,02 0,01 0,03

18,04 20,29 23,20 18,46 21,60 15,43

13,41 14,85 14,50 16,14 15,30

-

Maheshwari, 1975 Beagle, 1978 Cruz, 1983 Ebeling, 1985 Kaupp, 1984 Kaupp, 1984

42,60 2,20 1,60

- 0,90

0,24 8,90

18,85 31,90

Tillman, 1981 Osborn, 1985

2.1.3 Phân tích thành phần (proximate analysis)

Trấu chứa khoảng 14- 17% carbon cố định, 54- 70% chất bốc và 17- 26% tro, tro chứa 90- 95% silica (Bảng 2.2)

a) Thành phần chất bốc của trấu cao hơn gỗ và cao hơn nhiều so với than đá Ngược lại carbon cố định thấp hơn rất nhiều so với than đá

b) Lượng tro của trấu lớn hơn rất nhiều so với gỗ và than đá, đây cũng là vấn đề bất lợi cho quá trình chuyển đổi nhiệt

- Giảm năng lượng chứa trong đơn vị dung tích của vật liệu thô

- Cacbon cố định trong tro của vỏ trấu và không thể chuyển đổi hoàn toàn trong hệ thống nhiệt

- Tính chất ăn mòn của silica trong trấu và tro cao, nguyên nhân phá hại các thiết bị vận chuyển và các bộ phận của lò đốt

- Khối lượng lớn của tro là nguyên nhân của các vấn đề làm tắc nghẽn, đóng vỉ và di chuyển của tro trong dòng chảy của ga Đây là vấn đề khó khăn xử lý khi thiết kế hệ thống hóa ga liên tục

Bảng 2.2: Phân tích thành phần (trích dẫn bởi Phan Hiếu Hiền, 1993)

Nguyên liệu Carbon cố định

(%)

Chất bay hơi (%)

Tro (%)

Tác giả

Trấu 14,00

16,67

68,60 65,47

17,40 17,86

Maheshwari, 1975 Ebeling, 1985

Gỗ

Than đá

13- 21 81,4

77- 87 6,4

0,2- 2,0 12,3

Tillman, 1981 Osborn, 1985

2.1.4 Dung trọng

Dung trọng của trấu khoảng 100 kg/m3, bằng 1/6 dung trọng than đá và bằng 1/9 dung trọng dầu mỏ Biết được dung trọng để thiết kế hệ thống kho chứa và thùng cấp liệu của hệ thống hóa ga

2.1.5 Nhiệt trị

Theo FAO (1997), nhiệt trị thấp của trấu ở ẩm độ 9% là 3400 kcal/kg (14 MJ/kg), tương tương với củi vụn hay bằng 1/3 dầu mỏ

2.1.6 Đặc điểm kích thước và góc chảy

Phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, chiều dài của trấu khoảng 5- 10 mm và rộng bằng 1/3- 1/2 chiều dài Góc nghỉ của trấu từ 350 (Houston, 1982) đến 500(Chakraverty, 1989) Trong thực tế khi đặt khối trấu vào môi trường có ẩm độ cao có thể hình thành nên góc nghỉ cao đến 900 Góc chảy của trấu từ phễu cấp liệu khoảng

450 so với mặt ngang

2.2 Các dạng sử dụng năng lượng cho động cơ diesel

Động cơ diesel ngoài sử dụng năng lượng có nguồn gốc hoá thạch như dầu mỏ, còn

sử dụng năng lượng sinh khối biomass như: ga từ hóa ga, cồn ethanol, biodiesel từ cây

có dầu và khí sinh vật biogas Với mục đích của đề tài là hóa ga từ trấu để chạy động

cơ diesel kéo máy phát điện, do đó hướng tham khảo chủ yếu là các kiểu lò hóa ga trấu

có trong và ngoài nước

2.3 Nguyên lý hóa ga để chuyển đổi năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối được chuyển đổi từ dạng rắn qua dạng ga, ga được cung cấp cho động cơ diesel để chuyển thành cơ năng từ đó có thể sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành điện năng (Reed, 1981)

Quá trình hóa ga hỗn hợp từ nguyên liệu sinh khối được minh họa cụ thể ở Hình 2.2 kiểu hóa ga với ga đi xuống Nguyên liệu được nạp vào lò từ miệng phía trên chứa trong ống hình trụ thẳng đứng và được giữ lại trong ống hình trụ bởi ghi lò Không khí được thổi vào xuyên qua ghi lò từ dưới lên trên Quá trình hóa ga có thể phân ra những vùng kế tiếp như sau:

CO2, H2, H2O là sản phẩm chứa đựng những phân tử nhỏ như: hydrocarbon, cồn, axít, dầu và nhựa Ga tiếp tục đi lên vùng sấy tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu nạp vào Nhiệt độ vùng sấy thấp hơn 150 0C, là nơi trao đổi nhiệt giữa ga và nguyên liệu cháy Các phản ứng xảy ra trong quá trình hóa ga có thể tóm tắt bằng các phương trình sau (Gumz 1950; Kaupp và Goss 1984):

2.4 Các kiểu thiết bị hóa ga

Các kiểu hóa ga phụ thuộc bởi sự tiếp xúc giữa không khí và sự nạp nguyên liệu vào bên trong lò hóa ga, được phân ra các kiểu hóa ga như: kiểu ga đi lên, kiểu ga đi xuống, kiểu ga đi ngang, phân tầng ga đi xuống, tầng sôi Tất cả được trình bày cụ thể

ở các mục sau:

2.4.1 Kiểu ga đi lên

Hình 2.2: Hóa ga kiểu ga đi lên

Nhược điểm: ga sinh ra dơ chứa nhựa, dầu và axít Kiểu ga đi lên này rất tốn kém cho việc xử lý lọc ga trước khi đưa vào động cơ Vì vậy, đề tài không chọn thiết kế kiểu ga đi lên này

2.4.2 Kiểu ga đi xuống

Được minh họa ở Hình 2.3, có cấu tạo cổ thắt để tăng nhiệt độ và đốt cháy hoàn toàn nguyên liệu gồm có các ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm: ga sinh ra ít nhựa và ít dầu chỉ bằng 10% so với kiểu ga đi lên, nhiệt độ trong lò duy trì ổn định trong khoảng 800- 1000 0C

Nhược điểm: chất đốt có ẩm độ cao không hoạt động được, cấu tạo có cổ thắt rất khó cho việc di chuyển của tro nên chỉ thích hợp cho loại chất đốt có thành phần tro ít Đối với hóa ga trấu, kết cấu có cổ thắt không thể tháo tro liên tục được

2.4.3 Kiểu ga đi ngang

Hình 2.4: Hóa ga kiểu ga đi ngang (Reed, 1984) Hình 2.5: Hóa ga kiểu phân tầng ga đi

Nhược điểm : đường ống cung cấp gió và đường ra của ga gần nhau, lượng gió cung

cấp vào không đồng đều tại vùng cháy Vì vậy, việc tính toán chế tạo đường ống cấp gió phức tạp và khó khăn

2.4.4 Kiểu phân tầng ga đi xuống

Kiểu này gọi là kiểu mở nắp không cổ thắt, cải tiến từ kiểu ga đi xuống Bộ phận hóa ga cơ bản gồm một ống hình trụ với ghi lò ở phía dưới cùng của lò với các vùng sấy, nhiệt phân, oxy hóa, khử, tro được minh họa ở Hình 2.5

Ưu điểm: đơn giản dễ chế tạo vì không có cổ thắt nên chất đốt như trấu không bị đóng bánh và rất thuận tiện cho việc tháo tro liên tục

Nhược điểm: với kết cấu không cổ thắt nên ga sinh ra có nhiệt độ thấp chứa nhiều nhựa, dầu lẫn trong ga Kiểu này có kết cấu cồng kềnh do thùng chứa gần buồng đốt

2.4.5 Kiểu tầng sôi

Hình 2.6: Hóa ga kiểu tầng sôi (Reed, 1981)

Với kiểu tầng sôi (Hình 2.6), nguyên liệu như vỏ trấu chuyển động bên trong lò hóa

ga với áp lực cao từ quạt làm trấu cháy di chuyển và hóa ga

Ưu điểm: hệ thống hoạt động liên tục giữa các khâu cấp liệu và tháo tro, gọn, truyền nhiệt tốt do trộn đều và thích hợp với nhiều loại chất đốt

Nhược điểm: phức tạp trong quá trình xử lý tro vì tro và ga cùng một đường ra nên cần phải thiết kế quạt có cột áp lớn

2.5 Các thông số thiết kế hệ thống lò hóa ga

Các thông số thiết kế hệ thống hóa ga theo tài liệu của Kaupp (1984) như: tốc độ hóa ga, tổn áp, lượng không khí, vận tốc gió bề mặt, vận tốc ga bề mặt, thành phần ga, nhiệt trị của ga, hiệu suất khí nguội, chiều cao vùng hóa ga, tốc độ cháy thành tro, các kiểu tháo tro và cung cấp gió, thùng chứa và cung cấp trấu

2.5.1 Tốc độ hóa ga SGR

Tốc độ hóa ga SGR (specific gasification rate) là lượng nguyên liệu bị hóa ga trong

1 giờ trên 1 m2 tiết diện ngang của lò (kg.h-1.m-2) và đặc trưng cho khả năng hóa ga mạnh hay yếu của lò Với các thí nghiệm kiểu ga đi lên và ga đi xuống đối với trấu, theo Kaupp (1984), Tiangco (1990) tốc độ hóa ga khoảng 100- 200 kg.h-1.m-2

2.5.2 Tổn áp

Hình 2.7: Tổn áp giữa lý thuyết và thực nghiệm

Tổn áp là sự chênh lệch tĩnh áp giữa dòng ra của ga và đường vào của không khí ở cuối cột vật liệu theo kiểu ga đi lên Phương trình (Ergun, 1952 trích dẫn bởi Kaupp, 1984), tổn áp ΔP phụ thuộc vào độ rỗng vật liệu, khối lượng riêng, kích thước chất đốt

và vận tốc Thí nghiệm bởi Kaupp (1984) với trấu, đường kính lò là 20 cm và ở vận tốc gió bề mặt là 0,2 m/s (Hình 2.7)

2.5.3 Lượng khơng khí

Tính từ tỷ số tương đương ER (equivalence ratio)

E

thuyếtlýcháy kiệnđiềuở khí khônglượng

Lưu

tếthựckhíkhônglượng

Lưu

R =

Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu là Qlt = 4,8 kg KK/kg trấu hay là

4 m3 KK/kg trấu (Maheshwari, 1976 trích dẫn bởi Phan Hieu Hien, 1993)

Số liệu từ Tiangco (1990) làm thí nghiệm với trấu, tỷ số tương đương ER trong khoảng 0,25- 0,35 tương ứng với tốc độ hĩa ga SGR là 100- 200 kg.h-1.m-2 Tỷ số tương đương ER phụ thuộc vào ẩm độ trấu mà đặc biệt ở kiểu ga đi xuống, ẩm độ trấu cao phải cần ER lớn để đốt tạo nhiệt, làm giảm lượng khí CO và H2 chứa trong ga nhưng làm tăng lượng H2O

2.5.4 Vận tốc ga bề mặt

Vận tốc ga bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến lượng ga, là một hàm của tốc độ hĩa ga riêng SGR Tiangco (1990) thí nghiệm với đường kính của lị hĩa ga 160- 300 mm, tìm thấy tốc độ hĩa ga riêng SGR từ 100- 200 kg.h-1.m-2 Vận tốc ga (m/h) phụ thuộc trực tiếp tốc độ hĩa ga SGR (kg.h-1.m-2), Vg = 2,7878 * SGR - 156,64

2.5.5 Thành phần của ga

Tỷ lệ phần trăm của ga cĩ trong hỗn hợp tìm được bởi Kaupp (1984) đối với hĩa ga

từ trấu tại nhiệt độ của lị hĩa ga là 1000 0C, tỷ số tương đương ER = 0,3, ẩm độ của trấu từ 10- 40% trình bày ở Bảng 2.3, thành phần khí CO khoảng 15- 26,1%, khí H2khoảng 20,6- 21,6% Ẩm độ trấu càng cao thì thành phần khí CO và H2 giảm, nhiệt độ của lị hĩa ga ở 1000 0C thì lượng khí CH4 là khơng tồn tại

Vì vậy, trong thiết kế bộ phận hĩa ga thì tỷ số tương đương và ẩm độ của trấu thấp

sẽ sinh ra CO và H2 tốt nhất Khí CH4 khơng tồn tại ở nhiệt độ 1000 0C mà tồn tại ở mức nhiệt độ thấp hơn 500 0C

Bảng 2.3: Thành phần của ga ở ẩm độ trấu 10- 40%, tỷ số tương đương ER = 0,3

2.5.7 Hiệu suất khí nguội

Tính với lượng ga được làm nguội đến điều kiện chuẩn là 25 0C

đốtchất trongNhiệt

CH,HCO,trongchứaNhiệt cg

Hiệu suất với trấu 40- 60%, với gỗ 70%

2.5.8 Chiều cao vùng hĩa ga và nhiệt độ trong lị hĩa ga

Theo Kaupp (1984), làm thí nghiệm hĩa ga trấu với kiểu lị ga đi xuống, xác định lị hĩa ga hoạt động ổn định khi các vùng trong lị hĩa ga như: vùng nhiệt phân, vùng cháy, vùng khử, vùng tro cĩ chiều cao khoảng 500 mm so với ghi lị (Hình 2.8), chiều cao của vùng cháy so với ghi lị khoảng 350– 400 mm, nhiệt độ của vùng cháy cao nhất khoảng 950– 1000 0C Đây là cơ sở đặt vị trí nhiệt kế để đo nhiệt độ trong lị hĩa

ga sau khi thiết kế Chiều cao của lớp tro so với ghi lị để lị cháy ổn định khoảng

50– 100 mm, là cơ sở để thiết kế chiều cao của pít tông đẩy tro Nhiệt độ vùng hóa ga khoảng 700– 900 0C, nếu cao hơn 900 0C làm giảm chất lượng ga

Hình 2.8: Chiều cao các vùng hóa ga và nhiệt độ so với ghi lò (Kaupp, 1984)

2.5.9 Tốc độ cháy thành tro

Trong quá trình hoạt động của lò hóa ga liên tục, việc tháo tro hết sức quan trọng để duy trì tốc độ cháy trong lò Tháo tro nhanh hay chậm cũng ảnh hưởng đến tốc độ cháy của lò hóa ga nên cần phải tính toán việc tháo tro hợp lý để tốc độ cháy của lò ổn định Theo Kaupp (1984), đã tính được tốc độ cháy tạo thành tro của trấu rtro (m/h) phụ thuộc vào tiêu thụ trấu Gt (kg/h), khối lượng riêng của trấu ρt, giá trị phân số phần còn lại giá trị cặn ban đầu E = 37% và đường kính lò D (m)

t 2

t tro

ρ

*D

G

*E

*1,27

2.5.10 Các kiểu tháo tro

Kết cấu bộ phận tháo tro có nhiệm vụ quan trọng trong hệ thống hóa ga, vì vậy cần thiết kế kiểu tháo tro hợp lý để đáp ứng khả năng hoạt động liên tục hay theo từng mẻ của hệ thống hóa ga Các kiểu tháo tro được phân ra theo ba phương pháp sau:

- Cố định ghi lò cho quay thanh gạt tro (Hình 2.10, 2.14)

- Ghi lò quay (Hình 2.11, 2.13 )

- Ghi lò giới hạn bởi nước (Hình 2.12)

Hình 2.9: Hóa ga với vít cung cấp trấu

và ghi đứng yên (Kaupp, 1984)

Hình 2.10: Hóa ga với trấu tự chảy và

dụng cụ làm sạch ghi

(Kaupp, 1984)

Hình 2.11: Hóa ga với trấu tự chảy và

ghi rung (Kaupp,1984)

Hình 2.12: Hóa ga với vít cung cấp trấu

và ghi nước (Kaupp,1984)