Đồ án Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối theo công nghệ downdraft

t 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 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 tar 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. II.1.5. Ngừng thí nghiệm Khi nhiên 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 500-5500C 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. Hệ thống thiết bị đo lường và phân tích II.2.1. Đo áp suất Hình 2.10: 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. Hình 2.10 II.2.2. Đo nhiệt độ Giám sát và kiểm soát nhiệt độ làm việc là rất quan trọng trong quá trình vận hành, vì nhiệt độ các vùng cháy, khí và nhiệt phân sẽ quyết định thành phần khí, nồng độ khí và hiệu suất nhiệt của hệ thống khí hóa sinh khối. Hệ thống thí nghiệm có dải nhiệt độ làm việc từ 0 - 13000C, vì vậy, hệ thống đã sử dụng 8 cặp nhiệt Chromel – Alumel (K-type) lắp dọc thân lò, các tín hiệu từ cặp nhiệt sẽ được kết nối với máy tính thông qua bộ chuyển đổi chuẩn RS232, đồng thời cũng được nối trực tiếp với bộ hiển thị digital để đảm bảo độ tin cậy và ổn định cao nhất. Chi tiết trên hình 2.11 Hình 2.11: Hệ thống đo nhiệt độ II.2.3. Đo lưu lượng không khí Để xác định được ảnh hưởng của chế độ vận hành, hệ thống thí nghiệm sử dụng van kim kết hợp với thiết bị đo lưu lượng khí kiểu rotameter để điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào lò, dải đo của thiết bị là từ 20-220lít/phút (hình 2.12) Hình 2.12: Hệ thống đo lưu lượng không khí II.2.4. Phân tích thành phần sản phẩm khí Để xác định thành phần sản phẩm khí ta sử dụng máy sắc kí khí (Gas Chromatography) để xác định được sự có mặt của các khí như: CO, H2, N2, O2, CH4, CO2 cũng như thành phần phần trăm của các khí này. Quy trình xác định như sau: cứ 5 hoặc 10 phút/ lần ta rút mẫu khí từ cửa lấy mẫu tại đầu ra của thiết bị khí hóa và đựng trong túi chuyên dụng, sau đó dùng xylanh hút khí từ túi đựng (mỗi lần khoảng 20ml) rồi bơm vào máy sắc kí khí (GC), máy sẽ phân tích được các khí dưới dạng đồ thị (peak), sau đó tính toán thành phần các khí so với đường chuẩn dựa vào các peak của các khí thành phần thu được để cho ta kết quả thành phần phần trăm thể tích các khí trong mẫu. [11] Hình 2.13: Máy sắc ký khí II.2.5. Đo tar Nguyên tắc tách tar là phải làm nguội sản phẩm khí, để ngưng hoàn toàn lượng tar trong sản phẩm khí thì phải đảm bảo làm nguội đến khi nhiệt độ khí ra khỏi bộ tách xuống dưới 500C [19]. Để đo tar ta thiết kế hệ thống để cho sản phẩm khí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống trên hình 2.16, cho sản phẩm khí đi bên trong và nước đá đi bên ngoài, tar lúc này sẽ nhả nhiệt và ngưng tụ lại rồi rơi xuống bình chứa phía dưới còn khí không ngưng sẽ tiếp tục đi sang bộ đo xác định lưu lượng khí, như vậy sau một thời gian nhất định ta ngừng và lấy tar ngưng lại trong bình chứa đem đi sấy ở nhiệt độ khoảng 1050C, trong 4 giờ rồi đem cân ta sẽ xác định được lượng tar tương ứng với lưu lượng sản phẩm khí. (để lấy hết tar trong bình chứa ta sử dụng dung môi CH2Cl2 để tẩy rửa và làm sạch). Hình 2.13: Sơ đồ hệ thống thu giữ tar lấy mẫu đo tar II.3. Phương pháp phân tích tính toán và xử lí số liệu II.3.1. Công thức tính toán a/ Tính lưu lượng sản phẩm khí [11] Tính lưu lượng khí sản phẩm bằng phương pháp cân bằng vật chất đối N2. Gg= Ga*CaCg , m3/h (2.3) Trong đó: Ga : Lưu lượng thể tích không khí cấp vào lò, (m3/h) Ca : Nồng độ phần trăm khí N2 trong không khí cấp vào lò (79%) Gg : Lưu lượng thể tích sản phẩm khí cần tìm, (m3) Cg : Nồng độ phần trăm khí N2 trong sản phẩm khí, %V b/ Tính nhiệt trị sản phẩm Nhiệt trị sản phẩm khí bằng tổng nhiệt trị của CO, H2 và CH4. LHV = 13.1 * CO + 11.2 * H2 + 37.1 * CH4 , (MJ/Nm3) (2.4) Trong đó: LHV: Nhiệt trị thấp của khí sản phẩm, (Mj/m3) Nhiệt trị của H2 tính bằng 11.2MJ/Nm3 Nhiệt trị của CO tính bằng 13.1MJ/Nm3 Nhiệt trị của CH4 tính bằng 37.1MJ/Nm3 c/ Độ chứa tar [10] Độ chứa tar tính bằng tổng lượng tar thu được trong khoảng thời gian ổn định của lò chia cho tổng lượng sản phẩm khí thu được trong thời gian đó. gtar = mtarGg(mg/m3) (2.5) Trong đó: gtar : Độ chứa tar, (mg/m3) mtar : Lượng tar thu được sau khoảng thời gian ổn định, (mg) Gg : Tổng lượng sản phẩm khí thu được sau khoảng thời gian ổn định, (m3) d/ Lượng nhiên liệu tiêu hao Lượng nhiên liệu tiêu hao được tính bằng tỷ số giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ thực tế và thời gian khí hóa. M= Mttt , kg/h Mtt : Nhiên liệu tiêu thụ thực tế, (kg) t: Thời gian khí hóa, (h) g/ Hiệu suất hệ thống khí hóa Hiệu suất của hệ thống khí hóa xác định bằng tỷ số giữa tổng năng lượng của sản khí đầu ra trên tổng năng lượng của nhiên liệu đầu vào ở khoảng thời gian ổn định. η= t1t2(LHVt*Ggt)dtLHVnl*M*(t2-t1) * 100% (2.6) Trong đó: Ggt : Là lưu lượng thể tích sản phẩm khí ở thời điểm t, (m3/h) LHVt: Là nhiệt trị thấp của sản phẩm khí ở thời điểm t, (MJ/m3) LHVnl: Là nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (MJ/kg) M: Là lượng nhiên tiêu hao, (kg/h) t2-t1: Là khoảng thời gian khí hóa ổn định, (h) h/ Hiệu suất chuyển hóa các bon Hiệu suất chuyển hóa cacbon được tính bằng tỷ số giữa tổng lượng cacbon sau quá trình khí hóa và tổng lượng cacbon đưa vào. Công thức tính hiệu suất chuyển hóa cacbon như sau: ηcb=t0t1Ggt*(%CO+%CO2+%CH4)*dt22.4*100m1- m2- m4*%C12 *100% (2.7) Trong đó: Ggt: Lưu lượng khí sản phẩm ở thời điểm t, (m3/h) %CO: Phần trăm thể tích CO %CO2: Phần trăm thể tích CO %CH4: Phần trăm thể tích CH4 %C: Phần trăm cacbon trong than hoa m1: Khối lượng than cấp, (kg) m2: Khối lượng than còn lại, (kg) m4: Khối lượng cacbon trong tro, (kg) t0, t1 là thời gian bắt đầu và kết thúc quá trình khí hóa, (h) i/ Tính vận tốc bề mặt (superficial velocity) Vận tốc bề mặt của thiết bị khí hóa là tỷ số giữa lưu lượng khí sản phẩm và tiết diện của thoát. SV= L1CA , m/s (2.8) Trong đó: L1: Lưu lượng trung bình khí sản phẩm, (m3/s) CA : Tiết diện của thoát, (m2) k/ Hệ số ER (Equivalent Ratio) Hệ số tỷ lệ tương đương được xác định như sau: ER= RARB (2.10) RA: Tỷ lệ không khí thực trên sinh khối, (m3/kg) RA= GΣM , m3/kg (2.13) M: Lượng nguyên liệu tiêu hao, (kg/h) GΣ: Lưu lượng không khí cấp vào thiết bị khí hóa, (m3/h) RB: Tỷ lệ không khí lý thuyết trên sinh khối, (m3/kg) (cân bằng hóa học) RB = 0,0889*(C + 0,375*S) + 0,266.H - 0,0333*O (2.14) C, S, O, H. Phần trăm khối lượng của các nguyên tố Cacbon, lưu huỳnh, oxy và Hydro I.3.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm a/ Xây dựng mối quan hệ giữa nhiệt độ (τ), chiều cao thân lò (H) theo thời gian Ví dụ hình 2.14 Hình 2.14. Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò b/ Xây dựng mối quan hệ giữa thành phần, lưu lượng, nhiệt trị sản phẩm khí Ví dụ hình 2.15 Hình 2.15: Đồ thị mối quan hệ giữa thành phần sản phẩm khí theo thời gian III. Kết quả thí nghiệm và thảo luận Dưới đây là kết quả của các lần chạy thực nghiệm. III.1. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa III.1.1. Trường hợp khí hóa 1 cấp Thí nghiệm 1, nhóm lửa tai T6 cách ghi lò 295 mm, lưu lượng không khí tổng 220lít/phút. Hình 2.1.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.1.2: Đồ thị mối quan hệ giữa thành phần sản phẩm khí theo thời gian Hình 2.1.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.1.4: Đồ thì mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Giai đoạn 16 phút đầu là giai đoạn nhóm lò. Tại khoảng thời gian này nhiệt độ vùng cháy còn thấp và tăng dần từ 200-800oC và chiều rộng vùng cháy khoảng 100 -200 mm (hình 2.1.1). Thành phần khí (CO, CO2, CH4, H2) còn thấp vì giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Lưu lượng khí sản phẩm và lượng sản cũng tăng dần theo thời gian. Giai đoạn từ 16 đến 50 phút đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 800oC với chiều rộng 190mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 600 đến 800oC với chiều rộng khoảng 130mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 140mm. Tại vùng nhiệt phân một lượng lớn chất bốc thoát ra đi qua vùng cháy, sẽ góp phần cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 800mm. Giai đoạn từ 50 đến 65 phút đây là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở gian đoạn này nhiệt độ chiều rộng vùng khí hóa cũng như nồng độ, lưu lượng khí sản phẩm cũng thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 15,49 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 3,45 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 111.00 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,64 kg/h Hiệu suất khí hóa: 38,85 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 84.70 % Hệ số ER = 0,33 Hệ số SV = 0,24 m/s Thảo luận: Từ kết quả trên cho thấy đối quá trình khí hóa 1 cấp cho ta chất lượng khí sản phẩm rất kém nhiệt trị thấp và tar nhiều. Đồng thời hiệu suất khí hóa rất thấp, do đó đối khí hóa 1 cấp thì không phù hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện, và các muc đích công nghiệp khác đổi hỏi chất lượng khí sản phẩm cao. III.1.2. Trường hợp khí hóa 2 cấp a/ Thí nghiệm 2 Mồi lửa tại T5 cách ghi lò 480mm, lưu lượng không khí tổng 260lít/phút. Hình 2.2.1:Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.2.2: Đồ thị mối quan hệ giữa thành phần sản phẩm khí theo thời gian Hình 2.2.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.2.4: Đồ thị mối quan hệ lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 2.2.1 ta thấy quá trình khí hóa rất ổn định, do đó nồng độ sản phẩm khí cũng như lưu lượng ổn định theo thời gian. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 19,17 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,03 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 60,10 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,17 kg/h Hiệu suất khí hóa: 63,17 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 90,68 % Hệ số ER = 0,44 Hệ số SV = 0,30 m/s b/ Thí nghiệm 3 Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665mm, lưu lượng không khí tổng 280lít/phút. Hình 2.3.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.3.2: Đồ thị mối quan hệ giữa thành phần sản phẩm khí theo thời gian Hình 2.3.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.3.4: Đồ thi mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 2.3.1 ta thấy quá trình khí hóa không ổn định, vùng cháy có xu hướng chuyển dịch xuống dưới, do đó chất lượng khí sản phẩm cũng kém. Kết quả tính toán: Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 21,03 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,37 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 92,3 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 5,01 kg/h Hiệu suất khí hóa: 62,43 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 88,63 % Hệ số ER = 0,39 Hệ số SV = 0,33 m/s Thảo luận: Cùng là quá trình khí hóa 2 cấp, nhưng ở thí nghiệm 2 quá trình cháy rất ổn định, còn thí nghiệm 3 thì quá trình cháy kém ổn định và có xu hướng chuyển dần xuống dưới. Do đó nồng độ khí sẩn phẩm, lưu lượng, lượng của thí nghiêm 2 ổn định hơn thí nghiệm 3. Nhìn vào đồ thị hình 2.2.1 ta thấy nhiệt độ tại ghi lò là 6000C phù hợp với công nghệ khí hóa downdraft (nhiệt độ ghi lò không quá 7000C), còn nhiệt độ ghi lò hình 2.3.1 4000C với chiều rộng tính từ ghi lò lên vùng khử là 100mm. Do đó ở vùng này sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân, đây là quá trình không mong muốn của khí hóa downdraft, quá trình này sẽ tạo ra nhiều tar đi theo khí sản phẩm, làm giảm chất lượng khí sản phẩm (thí nghiệm 2 lượng tar 60,1mg/m3, thí nghiệm 3 lượng tar 92,3 mg/m3). Như vậy thí nghiệm 2 cho sản phẩm khí chất lượng tốt hơn thí nghiêm 3, nhưng hàm lượng tar còn cao 60mg/m3 >50mg/m3, để chạy cho động cơ đốt trong phát điện và các mục đích công nghiệp khác với yêu cầu chất lượng cao thì cần phải tiếp trục loại tar. III.1.3. Trường hợp khí hóa 3 cấp a/ Thí nghiệm 4 Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 300 lít/phút Hình 2.4.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.4.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 2.4.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.4.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Giai đoạn 40 phút đầu là giai đoạn nhóm lò. Tại khoảng thời gian này nhiệt độ vùng cháy còn thấp và tăng dần từ 200-800oC và chiều rộng vùng cháy khoảng 150mm (hình 2.4.1). Thành phần khí (CO, CO2, CH4, H2) còn thấp vì giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Lưu lượng khí sản phẩm và lượng sản cũng tăng dần theo thời gian. Giai đoạn từ 40 đến 85 phút đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 800oC với chiều rộng 270mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 600 đến 800oC với chiều rộng khoảng 260mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 270mm. Tại vùng nhiệt phân một lượng lớn chất bốc thoát ra đi qua vùng cháy, sẽ góp phần cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 450mm. Giai đoạn từ 85 đến 95 phút đây là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở gian đoạn này nhiệt độ chiều rộng vùng khí hóa cũng như nồng độ, lưu lượng khí sản phẩm thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 23 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,51 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 20,89 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,25 kg/h Hiệu suất khí hóa: 84,05 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 95,76 % Hệ số ER = 0,49 Hệ số SV = 0,36 m/s b/ Thí nghiệm 5 Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 300 lít/phút Hình 2.5.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.5.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 2.5.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.5.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 22,54 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,3 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 20,45 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 4,69 kg/h Hiệu suất khí hóa: 70,45 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 96,34 % Hệ số ER = 0,45 Hệ số SV = 0,35 m/s c/ Thí nghiệm 6 Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng không khí tổng 420 lít/phút Hình 2.6.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.6.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 2.6.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.6.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 32,49 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,49 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 37,21 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 7,9 kg/h Hiệu suất khí hóa: 65,15 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 94,17 % Hệ số ER = 0,37 Hệ số SV = 0,51 m/s Thảo luận: Cùng là quá trình khí hóa 3 cấp với lưu lượng cấp gió ở các cấp khác nhau. Do đó các vùng khí hóa cũng như chất lượng khí sản phẩm cũng khác nhau. Ở thí nghiệm 4 và 5 quá trình cháy rất ổn định, còn thí nghiệm 6 thì quá trình cháy kém ổn định và có xu hướng chuyển dần xuống dưới. Do đó nồng độ, lưu lượng, lượng sản phẩm của thí nghiệm 4, 5 ổn định hơn thí nghiệm 6. Nhìn vào đồ thị hình 2.4.1, 2.5.1, 2.6.1 ta thấy chiều rộng vùng nhiệt phân cũng như vùng khử khác nhau không nhiều. Nhưng vùng cháy khác nhau nhiều do đó chất lượng khí sản phẩm cũng khác nhau. Chứng tỏ việc cấp gió đối với từng cấp ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng khí sản phẩm. Đối với thí nghiệm 4, 5 với tổng lưu lượng cấp gió không đổi 300 íit/phút, và gió ở cấp 1 là 80 lít/phút. Đối với thí nghiệm 4 lưu lượng gió cấp 2 là 120 lítt/phút, gió cấp 3 là 100lit/phut. Vì lưu lượng ở hai cấp này gần bằng nhau nên vùng cháy sẽ kéo dài từ cấp 2 đến cấp 3. Còn thí nghiệm 5 lưu lượng gió cấp 2 160 íit/phút, lớn hơn nhiều lưu lượng gió cấp 3 60 lít/phút. Do đó vùng cháy chỉ tập trung tại cấp 1 nên chiều rộng vùng cháy hẹp hơn thí nghiệm 4 (hình 2.4.1 và 2.5.1). Đối với thí nghiệm 5 và 6 với lưu lượng gió cấp 1 là 80 lít/phút, lưu lượng gió cấp 2 là 160lít/phút. Nhưng thí nghiệm 5 với lưu gió cấp 3 là 60 lít/phút, nên vúng cháy duy trì chủ yếu ở gió cấp 2, do đó quá trình khí hóa ổn định. Còn ở thí nghiệm 6 lưu lượng cấp gió 3 là 180 lít/phút rất lớn. Nên quá trình cháy ở đây rất mạnh nên vùng cháy có xu hướng kéo xuống dưới, quá trình khí hóa kém ổn định. Chứng tỏ lưu lượng cấp gió ở cấp 3 ảnh hưởng rất lớn đến kết quả khí hóa cũng như chất lượng khí sản phẩm. Như vậy việc cấp gió đối với thí nghiệm 3 cấp, ở các cổng cấp gió với lưu lượng khác nhau ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng khí sản phẩm. Như ta thấy ở trường hợp thí nghiệm 4 thì cho chất lượng khí sản phẩm tốt nhất với nhiệt trị 4,51Mj/m3, lượng tar rất nhỏ 20,89mg/m3, thích hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện và các mục đích công nghiệp khác. So sánh trường hợp 1 cấp, 2 cấp, 3 cấp Nhìn vào đồ thị hình 2.1.1, 2.2.1 và 2.4.1 ta thấy quá trình nhóm lò đều mất khoảng 30 phút đây là khoảng thời gian lò chưa ổn định. Ta xét trong khoảng thời gian ổn định. Thí nghiệm 1 vùng cháy với nhiệt độ tử 800 đến 10000C với chiều rộng 190mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 130mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 140mm, vùng sấy với nhiệt độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 800mm. Thí nghiệm 2 vùng cháy với nhiệt độ từ 800 đến 10000C với chiều rộng 200mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 300mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 150mm, vùng sấy với nhiệt độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 600mm. Đối với thí nghiệm 4 vùng cháy với nhiệt độ từ 800 đến 10000C với chiều rộng 270mm, vùng khử nhiệt độ 600 đến 8000C với chiều rộng 260mm, vùng nhiệt phân nhiệt độ với nhiệt độ từ 200 đến 6000C với chiều rộng 270mm, vùng sấy với nhiệt độ từ 30 đến 2000C với chiều rộng 450mm. Đối với thí nghiệm 1 cấp chiều rộng vùng nhiệt phân cũng như vùng khử rất nhỏ, do đó chất lượng khí sản phẩm kém, chứa nhiều tar. Đối với thí nghiệm 2 khí hóa 2 cấp chiều rộng vùng khử mặc dù có tăng lên 300mm nhưng vùng nhiệt phân có chiều rộng rất nhỏ 150mm. Còn đối với thí nghiệm 4 khí hóa 3 cấp, chiều rộng vùng nhiệt phân lớn 270mm. Với chiều rộng vùng nhiệt phân lớn nên chất bốc sẽ thoát ra nhiều hơn, chất bốc này sẽ qua vùng cháy, tại đây chất bốc sẽ cháy cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Như vậy tại nhờ cháy 1 phần chất bốc mà vùng cháy sẽ giảm quá trình cháy charcoal. Trong công nghệ khí hóa downdraft người ta mông muốn tạo ra khí sản phẩm chất lượng tốt (ít tar, nhưng vẫn đảm bảo nhiệt trị khí sản phẩm cao). Như vậy ưu điểm của quá trình khí hóa 3 cấp là tạo được vùng nhiệt phân có chiều rộng lớn hơn, và vùng cháy rộng hơn. Do đó quá trình khử tar sẽ tốt hơn, nhưng chất lượng khí sản phẩm vẫn cao. Thí nghiệm 1, khí hóa 1 cấp lượng tar 111mg/m3, nhiệt trị 3,45Mj/m3, thí nghiệm 2, khí hóa 2 cấp lượng tar 60,1 mg/m3, nhiệt trị 4,03MJ/m3, thí nghiệm 3 khí hóa 3 cấp lượng tar 20,89mg/m3, nhiệt trị 4,51MJ/m3. Vì vậy đối với khí hóa 3 cấp cho ta chất lượng khí sản phẩm cao hơn nhiều so với khí hóa 1 cấp và 2 cấp. Với lượng tar rất nhỏ nên rất thích hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện và mục đích công nghiệp khác. III.2. Kết quả thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa Ta những kết quả đã đạt được khi chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa, nhóm em tiếp trục chạy thử nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa được một số kết quả sau: III.2.1. Thí nghiệm 7 Mồi lửa tại T4 cách ghi lò 665 mm, lưu lượng khí tổng 260 lít/phút. Hình 2.7.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.7.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 2.7.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.7.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 2.7.1 ta thấy nhiệt độ các vùng khí hóa rất thấp, không ổn định cao nhất chỉ được 6000C ở thời gian cuối. Vì nhiệt độ thấp nên chủ yếu là quá trình nhiệt phân, cracking bẽ gãy mạch cacbon do đó nồng độ CO thấp, H2 cao (hình 2.7.2). Đối nhiên liệu viên nén mùn cưa hàm lượng chất bốc rất cao (Vdr =82,09%) do đó lượng chất bốc thoát ra rất nhiều trong quá trình khí hóa. Chất bốc chứa nhiều tar làm kết dính các hạt nhiên liệu thành cục lớn gây hiện tượng tắt lò. Kết quả tính toán: Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 19,51 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 3,99 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 799,55 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 6,59 kg/h Hiệu suất khí hóa: 64,18 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 88,77 % Hệ số ER = 0,49 Hệ số SV = 0,31 m/s III.2.2. Thí nghiệm 8 Mồi lửa tại T5 cách ghi lò 480 mm, lưu lượng không khí tổng 300 lít/phút Hình 2.8.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và chiều cao lò Hình 2.8.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 2.8.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 2.8.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 2.8.1 ta thấy nhiệt độ các vùng khí hóa tương đối ổn định hơn thí nghiệm 3. Nhưng nhiệt độ vùng cháy còn rất thấp (600-7000C), nên phản ứng khí hóa xảy ra kém, chủ yếu là nhiệt phân và cracking. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 25,85 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 5.06 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 45,48 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 10,34 kg/h Hiệu suất khí hóa: 68,04 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 97,73 % Hệ số ER = 0,36 Hệ số SV = 0,41 m/s Thảo luận: Qua hai thí nghiệm trên ta thấy cùng là quá trình khí hóa 3 cấp, nhưng ở thí nghiệm 5 quá trình cháy ổn định hơn và sản phẩm khí chất lượng tốt hơn. Thí nghiệm 3 nhóm lửa ở T4 với lưu lượng khí cấp 1 là 80lit/phut với nhiệt độ 300-4000C, quá trình nhiệt phân xảy ra rất mạnh tạo ra một lượng tar rấy lớn. Lượng tar này tạo ra làm kết dính các hạt nhiên liệu thành cục lớn gây ra hiện tượng tắt lò. Còn ở thí nghiệm 5 nhóm lửa ở T5, nhưng vẫn cấp gió ở cấp 1 là 80lit/phut. Mục đích là để kéo lượng tar tạo ra ở quá trình nhiệt phân xuống vúng cháy, chống hiện tượng tắt lò. Sản phẩn khí chất lượng tốt với nhiệt trị 5,06Mj/m3, lượng tar 45,48<50mg/m3 rất thích hợp cho động đốt và sử dụng trong công nghiệp. III. 3. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm Từ kết quả của các lần chạy thực nghiệm ta có bảng tổng kết số liệu sau: Bảng 2.3: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 8 kg/h TN Nhiên liệu Chiều rộng các vùng khí hóa (mm) Lưu lượng khí sản phẩm (m3/h) LHV (Mj/m3) Độ chứa tar (mg/m3) Nhiên liệu tiêu hao (kg/h) Hệ số ER SV (m/s) HS η % Nhiệt phân Vùng cháy Vùng khử 1 Than hoa 140 190 130 15,49 3,45 111,00 4,64 0,33 0,24 38,85 2 Than hoa 150 200 300 19,17 4,03 60,10 4,17 0,44 0,30 63,17 3 Than hoa 260 170 260 21,03 4,37 92,30 5,01 0,39 0,33 62,43 4 Than hoa 270 270 260 23,00 4,51 20,08 4,25 0,49 0,36 84,05 5 Than hoa 270 160 360 22,54 4,30 20,45 4,96 0,45 0,35 70,45 6 Than hoa 250 250 250 32,49 4,49 37,21 7,90 0,37 0,51 65,15 7 Viên nén 19,51 3,99 799,55 6,59 0,49 0,31 64,18 8 Viên nén 25,85 5,06 45,48 10,34 0,36 0,41 68,04 Đây chỉ là một số thí nghiệm đặc trưng khi tiến hành chạy thực nghiệm, trong quá trình chạy thử nghiệm nhóm đề tài tiến hành chạy rất nhiều thí nghiệm với nhiều loại nhiên liệu khác nhau như: Than hoa, viên nén mùn cưa, viên nén trấu, Woodchips, vỏ trấu. Dựa vào bảng 2.3 ta thấy, bước đầu đạt được kết quả rất tốt khi chạy thực nghiệm với nhiên liệu than hoa như thí nghiệm 4 trường hợp khí hóa 3 cấp cho chất lượng khí sản rất tốt (nhiệt trị 4,5Mj/m3, độ chứa tar nhỏ 20,45mg/m3) và hiệu suất khí hóa rất cao 84,05%. Đây là kết quả bước đầu cho chạy thí nghiệm động cơ phát điện tiếp theo. Một số kết quả chưa đạt được: Nhiệt độ và chiều rộng vùng nhiệt phân rất thấp như thí nghiệm 1 và 2. Chứng tỏ khả năng đối lưu của dòng khí ở vùng cháy lên vùng nhiệt phân rất kém dường như không có đối lưu. Chưa tận dụng được nhiệt tỏa ra của dòng khí sản phẩm Không khí hóa được nhiên liệu có hàm lượng chất bốc lớn như: viên nén mùn cưa, woodchips, viên nén trấu Vì trong chất bốc chứa nhiếu tar, tar là nguyên nhân làm các nhiên liệu kết dính thành cục lớn gây nên hiện tượng tắt lò như ở thí nghiệm 7. Không khí hóa được nhiên liệu với hàm lượng tro lớn như trấu, vì lò khí hóa chưa có bộ phận tháo tro liên trục, nên lượng tro tạo ra rất nhiều nằm lại ở thân lò gây hiện tượng tắt lò. Khắc phục những nhược điểm và phát huy những điểm đã đạt được của hệ thống khí hóa 8kg/h, nhóm đề tài tiếp tục xây dựng mô hình khí với công suất lớn hơn 30kg/h, chi tiết cụ thể xem phần III. PHẦN III: HỆ THỐNG KHÍ HÓA SINH KHỐI CÔNG SUẤT 30kg/h I. Hệ thống khí hóa I.1. Sơ đồ hệ thống Đặc điểm của hệ thống khí hóa công suất 30kg/h có hệ thống trao đổi nhiệt gồm: Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, dùng nhiệt của khí sản phẩm trao đổi nhiệt với không khí trước khi đưa vào thiết bị khí hóa, không khí trước khi vào lò khí hóa được gia nhiệt một lần nữa bởi bộ phận trao đổi nhiệt qua thành thiết bị khí hóa. Thứ hai ở lò khí hóa có chổ thắt (thót) lại ở vùng cháy với mục đích tăng khả năng đối lưu khí lên vùng nhiệt phân và để quá trình cháy tốt hơn (hình 3.2). Hệ thống bao gồm các thiết bị sau (hình 3.1) Lò khí hóa Hệ thống quạt cấp khí và bơm nước Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị lọc bụi kiểu xyclon Thiết bị rửa khí Thiết bị chống cháy ngược Bếp đốt Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống khí hóa 30 kg/h a/ Lò khí hóa và thiết bị trao đổi nhiệt Hình 3.2: Bản vẽ lò khí hóa và thiết bị trao đổi nhiệt b/ Thiết bị trách bụi xyclon và tháp rửa khí Hình 3.3. Thiết bị trách bụi và tháp rửa khí I.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 70-100kgnl sinh khối, tùy thuộc vào tỷ trọng đổ của nhiên liệu (ρbulk). 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 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 cấp vào lò được kiểm soát bằng van và thiết bị đo lưu lượng kiểu Rotameter có dải đo từ 0-1000 lít/phút. Lưu lượng gió 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 thì lưu lượng sản phẩm khí sẽ tăng lên do quá trình khí hóa diễn ra mạnh mẽ hơn. 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 khử. Ở vùng sấy nhiên 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 tar phần còn lại là cốc, như vậy tại vùng cháy chủ yếu là cháy cốc [17]. Với hệ thống khí hóa sinh khối thuận chiều chất bốc và tar đi qua vùng cháy sẽ bị cháy 1 phần vì vậy lượng tar 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 tar sẽ càng giảm, và nếu như vậy ta duy trì nhiều vùng cháy bề dày vùng cháy hợp lí thì lượng tar sẽ giảm mạnh dẫn đến sản phẩm khí có chất lượng tốt hơn 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 khíSản phẩm khí sau khi ra khỏi lò khí hóa sẽ đi qua bộ tách tro bụi kiểu cyclone rồi qua bộ lọc rửa khí và làm nguội khí sau đó đi vào bình chứa để 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 bỏ qua bộ tách tro bụi và bộ rửa khí mà đi trực tiếp từ thiết bị khí hóa sang cho hộ tiêu thụ nhiệt. II. Kết quả và thảo luận Vì thời gian có hạn nên bước đầu chạy thí nghiệm được mốt kết quả sau: II.1. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu than hoa II.1.1. Thí nghiệm 9 Mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng không khí tổng 900 lít/phút. Hình 3.9.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.9.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.9.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.9.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí theo thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 40 phút (hình 3.9.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên quá trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 700oC), ở giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Thời gian từ phút 40 đến phút 80 đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 700oC với chiều rộng khoảng 300mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 500 đến 700oC với chiều rộng khoảng 220mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 150mm. Tại vùng nhiệt phân một lượng chất bốc thoát ra đi qua vùng cháy, sẽ góp phần cung cấp nhiệt thêm cho vùng cháy. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 230mm. Thời gian từ phút 80 đến 90 là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở giai đoạn này nhiệt độ và chiều rộng vùng cháy cũng như nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 70,35 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,61 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 40,56 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 13,85 kg/h Hiệu suất khí hóa: 80,76 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 88,67 % Hệ số ER = 0,44 Hệ số SV = 0,28 m/s II.1.2. Thí nghiệm 10 Mồi lửa ở T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng không khí tổng 900 lít/phút Hình 3.10.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.10.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.10.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.10.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Nhìn vào đồ thị 3.10.1 ta thấy quá trình khí hóa ở thí nghiệm này kém ổn định hơn thí nghiệm 10, do đó chất lượng khí sản phẩm cũng kém hơn. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 70,5 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,59 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 42,8 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 13,83 kg/h Hiệu suất khí hóa: 75,04 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 97,71 % Hệ số ER = 0,4 Hệ số SV = 0,28 m/s II.1.3. Thí nghiệm 11 Mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng không khí tổng 1400 lít/phút. Hình 3.11.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.11.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.11.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.11.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 30 phút (hình 3.11.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên quá trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 800oC), ở giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Thời gian từ phút 30 đến phút 75 đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 800oC với chiều rộng khoảng 360mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 600 đến 800oC với chiều rộng khoảng 200mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 300mm. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 200mm. Thời gian từ phút 75 đến 85 là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở giai đoạn này nhiệt độ và chiều rộng vùng cháy cũng như nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 130,5 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 5,79 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 29,92 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 29,94 kg/h Hiệu suất khí hóa: 85,78 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 98,7 % Hệ số ER = 0,32 Hệ số SV = 0,51m/s Thảo luận: Qua 3 thí nghiệm (thí nghiệm 9, 10, 11) ở trên ta thấy nhiệt độ và chiều rộng các vùng khí hóa rất ổn định (hình 3.9.1, 3.10.1, 3.11.1), do đó nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí cũng ổn định. Thí nghiệm 9, 10 với lưu lượng cấp không khí tổng là 900 lít/phút. Thí nghiệm 9 khí hóa 2 cổng cấp gió, còn thí nghiệm 10 khí hóa 3 cổng cấp gió, nhưng cả hai thí nghiệm này đều mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm (tại cửa cấp gió thứ 2). Với hai thí nghiệm (thí nghiệm 9, và 10) này với lưu lượng cấp khí tổng là bằng nhau, đều mồi lửa tại T6 chỉ khác nhau về lưu lượng cấp gió tại mỗi cấp (khí hóa 2 cấp, khí hóa 3 cấp). Nhưng chất lượng sản phẩm khí khác nhau rất ít. Chứng tỏ việc cấp gió ở cấp1 không có tác dụng làm tăng nhiệt độ vùng nhiệt phân và phản ứng các vùng khí hóa, do đó chất lượng khí sản không thay đổi nhiều. Thí nghiệm 9, 10 với lưu lượng cấp không khí tổng là 900lít/phút nhỏ, do đó nhiệt độ vùng cháy thấp 700-8000C với chiều rộng 300mm, vùng nhiệt phân rất hẹp 150mm. Thí nghiệm 11 với lượng cấp không khí tổng là 1400lít/phút, nhiệt độ vùng cháy 800-10000C với chiều rộng 350mm, vùng nhiệt phân 300mm. Vì thí nghiệm 11 với nhiệt độ và chiều rộng các vùng khí hóa cao hơn thí nghiệm 9, 10 nên chất lượng khí sản phẩm cũng tốt hơn. Ta thấy thí nghiệm 11 chiều rộng vùng nhiệt phân là 300mm, chứng tỏ chổ thót có tác dụng nâng nhiệt độ và chiều rộng vùng nhiệt phân lên khi lưu lượng không khí cấp lớn 1400lít/phút. Như vậy đối với một lò khí hóa thì sẽ phù hợp với một lưu lượng không khí cấp nhất định. Việc cấp không khí không những ảnh hưởng đến chất lượng khí sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến công suất của lò. Đối với thí nghiệm 11 với nhiệt trị sản phẩm khí trung bình 5,79Mj/m3, độ chứa tar 20,92mg/m3<50mg/m3 do đó rất thích hợp cho chạy động cơ đốt trong phát điện và các mục công nghiệp khác. II.2. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu viên nén mùn cưa II.2.1. Thí nghiệm 12 Mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng không khí tổng 900 lít/phút Hình 3.12.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.12.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.12.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.12.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 40 phút (hình 3.12.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên quá trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 600oC), ở giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Thời gian từ phút 40 đến phút 80 đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 600oC với chiều rộng khoảng 260mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 400 đến 600oC với chiều rộng khoảng 270mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 120mm. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 230mm. Thời gian từ phút 80 đến 90 là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở giai đoạn này nhiệt độ và chiều rộng vùng cháy cũng như nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 67,19 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 2,32 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 71,41 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 21,48 kg/h Hiệu suất khí hóa: 37,71 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 88,54 % Hệ số ER = 0,48 Hệ số SV = 0,26 m/s II.2. Thí nghiệm 13 Mồi lửa tại T6 cách ghi lò 498mm, lưu lượng không khí tổng 1400 lít/phút Hình 3.13.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.13.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.13.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.13.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 30 phút (hình 3.13.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên quá trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 700oC), ở giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Thời gian từ phút 30 đến phút 90 đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 700oC với chiều rộng khoảng 300mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 500 đến 700oC với chiều rộng khoảng 220mm. Phía trên vùng cháy là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 140mm. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 230mm. Thời gian từ phút 90 đến 100 là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở giai đoạn này nhiệt độ và chiều rộng vùng cháy cũng như nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 128,68 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 6,17 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 41,56 mg/m3<50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 56,25 kg/h Hiệu suất khí hóa: 78,23 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 98,16 % Hệ số ER = 0,3 Hệ số SV = 0,51 m/s Thảo luận: Đối với hai thí nghiệm 12 và 13 với nhiên liệu là viên nén mùn cưa, đều là quá trình khí hóa 3 cấp, chỉ khác nhau về tổng lưu lượng không khí cấp, do đó chất lượng khí sản phẩm cũng khác nhau. Thí nghiệm 12 với lưu lượng không khí 900lít/phút nhỏ, nên nhiệt độ các và chiều cao vùng khí hóa thấp. Nhìn vào đồ thị hình 3.12.1 nhiệt cao nhất tại vùng cháy khoảng 8000C, với nhiệt độ này phản ứng khử tạo CO và H2 xảy ra rất kém, do đó trong sản phẩm khí chứa nhiều CO2. Ở thí nghiệm này ta thấy chất lượng khí sản phẩm rất kém, nhiệt trị thấp 2,32Mj/m3, nhiều tar 71,41 mg/m3, hiệu suất khí hóa thấp 37,71. Thí nghiệm 13 với lưu lượng không khí là 1400lít/phút lớn hơn thí nnghiệm 12. Nên nhiệt độ và chiều rộng vùng khí hóa cao hơn, do đó chất lượng khí sản cũng tốt hơn. Từ đó ta thấy việc cấp gió ảnh hưởng rất lớn đến kết quả của quá trình khí hóa, ở một giới hạn nào đó sẽ cho ta hiệu suất của quá trình khí hóa tốt nhất. Ở thí nghiệm này cho ta khí sản phẩm chất lượng rất tốt với nhiệt trị 6,17Mj/m3, độ chứa tar nhỏ 41,56 mg/m3 phù hợp cho động cơ đốt trong, và làm nhiên liệu trong công nghiệp. II.3. Kết quả chạy thí nghiệm với nhiên liệu vỏ trấu. Hình 3.14.1: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ theo chiều cao và thời gian Hình 3.14.2: Đồ thị mối quan hệ giữa nồng độ sản phẩm khí và thời gian Hình 3.14.3: Đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng và thời gian Hình 3.14.4: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng sản phẩm khí và thời gian Nhận xét: Thời gian ban đầu từ 0 đến 30 phút (hình 3.14.1) đây là giai đoạn nhóm lò nên quá trình cháy chưa ổn định, nhiệt độ vùng cháy còn thấp (200 đến 600oC), ở giai đoạn này chủ yếu là quá trình nhiệt phân, phản ứng vùng khí hóa còn kém. Thời gian từ phút 30 đến phút 60 đây giai đoạn quá trình khí hóa ổn định. Nhiệt độ vùng cháy trên 600oC với chiều rộng khoảng 270mm cung cấp nhiệt cho vùng khử tiếp theo. Phía dưới vùng cháy là vùng khử với nhiệt độ từ 400 đến 600oC với chiều rộng khoảng 240mm. Phía trên là vùng nhiệt phân (200 đến 600oC), với chiều rộng khoảng 320mm. Phía trên vùng nhiệt phân là vúng sấy (< 200oC) với chiều rộng 200mm. Thời gian từ phút 60 đến 70 là thời gian mà vùng cháy bắt đầu dịch chuyển xuống dưới, do đó quá trình khí hóa xảy ra không ổn định. Ở giai đoạn này nhiệt độ và chiều rộng vùng cháy cũng như nồng độ, lưu lượng sản phẩm khí thay đổi. Kết quả tính toán ở giai đoạn ổn định. Lưu lượng khí sản phẩm trung bình: 45,6 m3/h Nhiệt trị trung bình LHV= 4,19 MJ/m3 Độ chứa tar gtar= 57,42 mg/m3>50 mg/m3 Lượng nhiên liệu tiêu hao: m = 16,25 kg/h Hiệu suất khí hóa: 78,2 % Hiệu suất chuyển hóa Cacbon : η= 95,27 % Hệ số ER = 0,47 Hệ số SV = 0,17 m/s Thảo luận: Thí nghiệm 10 với nhiên liệu là vỏ trấu nhìn vào đồ thị hình 3.14.1 ta thấy nhiệt độ các vùng khí hóa rất thấp, với nhiệt độ vùng cháy khoảng 600-7000C rất thấp và quá trình khí hóa xảy ra kém ổn định, có hiện tượng kẹt nhiên liệu. Với nhiệt độ thấp nên các phản ứng ở đây chủ yếu là nhiệt phân và cracking. Đối với nhiên liệu nhiều tro như vỏ trấu (Adr=12,48%) để quá trình khí hóa xảy ra ổn định và chất lượng sản phẩm khí tốt hơn, thì cần phải tháo tro liên trục. II.4. Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm của hệ thống 30kg/h Bảng 3.1: Bảng tổng hợp kết quả chạy thực nghiệm hệ thống 30kg/h TN Nhiên liệu Chiều rộng các vùng khí hóa (mm) Lưu lượng khí sản phẩm (m3/h) LHV (Mj/m3) Độ chứa tar (mg/m3) Nhiên liệu tiêu hao (kg/h) Hệ số ER SV (m/s) HS η % Nhiệt phân Vùng cháy Vùng khử 9 Than hoa 150 300 220 70,35 4,61 40,56 13,85 0,44 0,28 80,76 10 Than hoa 150 300 230 70,5 4,59 42,8 13,83 0,40 0,28 75,04 11 Than hoa 300 360 200 130,5 5,79 29,92 29,94 0,32 0,51 85,78 12 Viên nén 120 260 270 67,19 2,32 71,41 21,48 0,48 0,26 37,71 13 Viên nén 120 300 220 128,68 6,17 41,56 56,25 0,3 0,51 78,23 14 Vỏ trấu 320 270 340 45,56 4,19 57,42 16,25 0,47 0,18 78,2 15 Cộng thuốc lá 76,20 4,10 48,56 30,10 0,30 Từ bảng số liệu 3.1 ta thấy bước đầu chạy thực nghiệm cho kết quả rất tốt đối với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, là cơ sở để chạy thử nghiệm với một số nhiên liệu mới. Từ một số kết quả đã được công bố trên thế giới , chọn SV = 0,7 m/s [12], [20] trên cơ sở đó ta có thể nâng công suất hệ thống khí hóa lên 178m3/h, kết quả tính toán bảng 3.2. Bảng 3.2: Kết quả tính toán với SV = 0,7 m/s Nhiên liệu Lưu lượng không khí (m3/h) Lưu lượng sản phẩm khí (m3/h) Nhiên liệu tiêu hao (kg/h) Nhiệt trị (Mj/m3) Nhiệt trị (MJ/h) Than hoa 115 178 40,45 5,5 979 Viên nén 116 178 77,8 5 890 Vỏ trấu 140 178 64,2 4,2 747,6 II.5. Kết quả tính toán cho một số mô hình khí hóa downdraft Từ kết quả đã đạt được ở hai hệ thống khí hóa sinh khối công suất 8 kg/h và 30 kg/h. Trên cơ sở này và kết hợp với một số tài liệu tham khảo [12], [20], tính toán cho một số mô hình khí hóa downdraft như sau: (bảng 3.3). Bảng 3.3: Kết quả tính toán khi SV = 0,6 m/s Đường kính thót Dt(mm) Vận tốc bề mắt SV(m/s) Hệ số ER Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/m3) Hiệu suất sinh khí G/A (m3 không khí/m3 sản phẩm khí) Kết quả tính toán Lưu lượng không khí (m3/h) Lưu lượng sản phẩm khí (m3/h) Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/h) Nhiên liệu tiêu hao M(kg/h) 200 0,6 0,3 5 1,5 45 68 340 35 250 71 106 531 55 300 102 153 765 79 350 139 208 1041 108 400 181 272 1360 141 450 229 344 1721 179 500 283 425 2125 221 550 343 514 2571 267 600 408 612 3060 318 650 479 718 3591 373 700 555 833 4165 432 750 637 956 4781 496 800 725 1088 5440 565 850 819 1228 6141 638 900 918 1377 6885 715 950 1023 1534 7671 797 1000 1133 1700 8500 883 Từ bảng số liệu 3.3 ta xây dựng mối quan hệ giữa đường giữa đường kính thót với lưu lượng không khí cấp vào, lưu lượng khí sản phẩm, nhiệt trị sản phẩm khí, nhiên liệu tiêu hao (hình 3.3). Hình 3.4 : Đồ thị mối quan hệ giữa đường kính thoát với nhiệt trị, lưu lượng, nhiên liệu tiêu hao. Dựa vào đồ thị hình 3.4 ta có thể chọn đường kính thót phù hợp cho lò khí hóa với yêu cầu công suất thiết bị nhất định. Bảng 3.4: Sự phụ công suất thiết bị vào SV khi Dt không đổi Đường kính thót Dt(mm) Vận tốc bề mắt SV(m/s) Hiệu suất sinh khí G/A (m3 khí sản phẩm/m3 kg nhiên liệu) Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/m3) Hiệu suất sinh khí G/A (m3 không khí/m3 sản phẩm khí) Kết quả tính toán Lưu lượng không khí (m3/h) Lưu lượng sản phẩm khí (m3/h) Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/h) Nhiên liệu tiêu hao M(kg/h) 300 0,40 2,3 5 1,5 68 102 510 44 0,50 85 127 637 55 0,60 102 153 765 67 0,70 119 178 892 78 0,80 136 204 1020 89 0,90 153 229 1147 100 1,00 170 255 1275 111 1,10 187 280 1402 122 1,20 204 306 1530 133 1,30 221 331 1657 144 1,40 238 357 1785 155 1,50 255 382 1912 166 Hình 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =300mm.Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =500mm Đường kính thót Dt(mm) Vận tốc bề mắt SV(m/s) Hiệu suất sinh khí G/M (m3 khí sản phẩm/kg nhiên liệu) Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/m3) Hiệu suất sinh khí G/A (m3 không khí/m3 sản phẩm khí) Kết quả tính toán Lưu lượng không khí (m3/h) Lưu lượng sản phẩm khí (m3/h) Nhiệt trị sản phẩm khí LHV(Mj/h) Nhiên liệu tiêu hao M(kg/h) 500 0,40 2,3 5 1,5 189 283 1417 123 0,50 236 354 1771 154 0,60 283 425 2125 185 0,70 331 496 2479 216 0,80 378 567 2833 246 0,90 425 637 3187 277 1,00 472 708 3542 308 1,10 519 779 3896 339 1,20 567 850 4250 370 1,30 614 921 4604 400 1,40 661 992 4958 431 1,50 708 1062 5312 462 Hình 3.6: Mối quan hệ giữa SV và công suất thiết bị khi Dt =500mm KẾT LUẬN Qua quá trình chạy thực nghiệm trên hệ thống khí hóa sinh khối công suất 8kg/h đã tìm được chế độ tối ưu với nhiên liệu than hoa. Kết quả của chế độ tối ưu có chất lượng sản phẩm rất tốt: Nhiệt trị 4,51 MJ/m3, lưu lượng sản phẩm khí 23 m3/h, độ chứa tar 20,89<50mg/m3, hệ số SV=0,36 m/s, nhiên liệu tiêu hao 4,25kg/h, hiệu suất khí hóa cao 84,05%. Kết quả này là cơ sở để chạy phát điện tiếp theo. Xây dựng mới hệ thống khí hóa sinh khối 30kg/h. Bước đầu chạy thí nghiệm đạt được kết quả rất tốt với nhiên liệu than hoa, viên nén mùn cưa, vỏ trấu, thuốc lá (bảng 3,1). Đây là cơ sở để tiếp trục chạy thí nghiệm với những loại nhiên liệu mới như : Viên nén trấu, Woodchips, vỏ hạt điều, lõi ngô. Tính toán nâng công suất thiết bị lên 178 m3/h đối với hệ thống khí hóa sinh khối 30 kg/h. Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số SV, đường kính thót với công suất thiết bị. Từ đó ta có thể tính toán sơ bộ cho hệ thống khí hóa với công suất đã biết. TÀI LIỆU THAM KHẢO Văn Đình Sơn Thọ, Võ Cao Hồng Thư. Nguyên cứu khả năng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nhiên liệu đốt kèm với than antraxite. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật hóa học. Hà. Nội. 2012 Văn Đình Sơn Thọ, Trần Quang Huy. Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn. Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2011. Văn Đình Sơn Thọ, Võ Cao Hồng Thư, Nguyễn Hà Hạnh, Nguyễn Hoàng Hiệp. Đánh giá một vài đặc trưng chính của nhiên liệu sinh khối. Báo cáo chuyên đề nhiên liệu sinh khối. 2012. Nguyễn Tiến Cương. Chuyên đề 3 xây dựng một hệ thống khí hóa sinh khối công suất nhỏ và nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối. 2013 Nguyễn Thiện Thanh. Phát triển ứng dụng sinh khối tại Việt Nam. 2005. Bộ Công Thương – Chương trình tham vấn về cơ chế khuyến khích phát triển điển tử sinh khối và rác thải tại Việt Nam. Nguyễn Quang Khải. Những vấn đề phát triển sinh khối ở Việt Nam. Trần Văn Quy. Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối nông nghiệp một số tỉnh vùng đồng bằng Bắc bộ. Đề tài NCKH, QG,08,17, ĐHKHTN. Nguyễn Tiến Cương, Lê Thành Anh. Nghiên cứu công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng. 2013. Văn Đình Sơn Thọ, Võ Huy Tú. Sử dụng phần mềm mô phỏng UNISIM và HOMER để đánh giá mô hình sản xuất điện từ nguồn nguyên liệu sinh khối bằng công nghệ khí hóa. Đồ án tốt nghiệp. 2013. Bhattacharya, San Shwe Hla, Hoang Luong Pham. Astudy on a multi-stage hybrid gasifier-engine system. Biomass and bioenergy. 2001. T,B, Reed and A, Das. Handbook of biomass downdraft gasifier engine system. US Department of energy. 1988. Van Loo, S, Koppejan. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing, Task 32, Earthscan, London. 2008. Vinay Shrivastava. Design and development of downdraft gasifier for operating CI engine on dual fuel mode. 2012. Ajay Kumar et al. Thermochemical Biomass Gasification: A Review of the Current Status of the Technology Energies. 2009. Michiel Geurd. Biomass gasification technologies status and applications. Svetlana Ladanai&Johan. Vinterbäck-Global Potential of Sustainable Biomass for Energy. P. Abdul salam. S. Kumar. Manjula Siriwardhana. The status of biomass gasification in Thailand and Cambodia. AIT. 2010. Shinya Yokoyama. The Asian biomass handbook, Japan institute of energy. 2008. Pedro Garicia-Bacaicoa, Rafael Bilbao, Jesus Arauzo & M. Luisa Salvador. Department of Chemical and Enviromental Engineering, University of Zaragaza, 50009 Zaragoza, Spain. 1994.