Tóm tắt Luận án Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
PHẠM DUY VŨ
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS
SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã ngành: 62.52.01.15
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, năm 2018
Công trình được hoàn thành tại Đại học Đà Nẵng.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hoàng Dương Hùng
2. PGS.TS. Trần Văn Vang
Phản biện 1: PGS.TS. Hà Mạnh Thư
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Bốn
Phản biện 3: PGS.TS. Trần Gia Mỹ
Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ kỹ
thuật cấp Đại học Đà Nẵng họp vào 14h ngày 2 tháng 2 năm 2018
tại Đại học Đà Nẵng.
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trước thực trạng trữ lượng nguồn năng lượng truyền thống ngày
cảng giảm, ngày nay con người tập trung nghiên cứu, khai thác, ứng
dụng các nguồn năng lượng mới. Các nguồn năng lượng này được coi
là năng lượng sạch, có thể tái tạo được và chúng không gây ô nhiễm
môi trường. Trong các nguồn năng lượng này, nguồn năng lượng sinh
khối (biomass) đóng vai trò quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học
dần thay thế cho các nhiên liệu truyền thống.
Việt Nam là nước đang phát triển chủ yếu dựa vào nền nông lâm
nghiệp, nên tiềm năng về năng lượng từ sinh khối rất đa dạng và có
trữ lượng khá lớn. Vì vậy, ở Việt Nam việc nghiên cứu sử dụng nguồn
năng lượng từ sinh khối dần thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch
đang được các cơ quan Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm.
Nguồn năng lượng từ sinh khối được sử dụng chủ yếu từ quá trình
đốt cháy, khí hóa và nhiệt phân. Trong đó, quá trình đốt cháy có hiệu
suất cao nhất, quá trình khí hóa làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao.
Nhược điểm của hai quá trình này là năng lượng sinh ra được sử dụng
tại chỗ, không thể tồn trữ và vận chuyển. Trong khi đó, quá trình nhiệt
phân làm việc ở nhiệt độ thấp hơn, sản phẩm mong muốn của quá trình
nhiệt phân nhanh là lỏng được gọi là dầu sinh học (bio-oil) rất thuận
tiện cho vấn đề bảo quản và vận chuyển, được sử dụng nhiều trong
ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện.
Hiện nay, dầu sinh học đang được nghiên cứu nâng cấp để trở
thành nguồn nhiên liệu cho quá trình đốt cháy và dần thay thế một
phần nhiên liệu truyền thống trong nhu cầu phát điện [13]. Vì vậy, việc
nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối thu hồi dầu sinh học
sẽ góp phần định hướng việc sử dụng năng lượng từ sinh khối.
Với những phân tích trên, việc nghiên cứu góp phần hoàn thiện
cơ sở lý thuyết cũng như nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh
2
sinh khối ở Việt Nam sản xuất nhiên liệu sinh học là nhu cầu cấp thiết.
Do vậy “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu
sinh học” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nhằm góp phần hoàn thiện cơ sở
lý thuyết quá trình nhiệt phân nhanh, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm
nhiệt phân nhanh một số loại sinh khối phổ biến ở Việt Nam, bao gồm:
- Xây dựng được cơ sở lý thuyết để xác định kích cỡ hạt sinh khối
phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh;
- Đánh giá được các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu
hồi dầu sinh học cũng như phân tích tính chất vật lý của dầu sinh học;
- Xây dựng được phương pháp xác định thông số động học cho
quá trình nhiệt phân nhanh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Sinh khối nghiên cứu là bột gỗ và bã mía có tại địa phương;
- Nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Hoàn thiện cơ sở lý thuyết về nhiệt phân nhanh và nghiên cứu
thực nghiệm trên hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía
trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học với năng suất 500 g/h.
4. Nội dung nghiên cứu
ü Nghiên cứu tổng quan về nhiệt phân sinh khối;
ü Xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối;
ü Xây dựng mô hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối
trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học;
ü Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất
dầu sinh học trong lò tầng sôi;
ü Nghiên cứu phương pháp xác định thông số động học quá
trình nhiệt phân nhanh. Qua đó xác định được thông số động học quá
trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH
SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối
1.1.1. Giới thiệu về sinh khối
Sinh khối được sử dụng sản xuất dầu sinh học là sinh khối thực
vật, bao gồm: gỗ, cỏ và các loại cây trồng nông nghiệp, được xác định
như là một nguồn năng lượng tái tạo. Thành phần hóa học chính của
sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Các thành phần
nguyên tố chủ yếu của sinh khối là hydro, carbon, oxy; trong khi đó
các nguyên tố lưu huỳnh và nitơ có thể có mặt với số lượng rất ít.
1.1.2. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối
1.1.2.1. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới
Trích ly
Nhiệt
phân
Chất
Hóa học
Diesel
Nâng cấp
Tuốc bin
Tổng hợp
Động cơ
Lò hơi
Hóa
lỏng
Dầu
sinh học
Sinh
Methanol
Hóa
khí
Chất
Điện năng
Nhiệt
năng
Đốt
cháy
Amoniac
Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15]
Việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối phục vụ đời sống, giao
thông, công nghiệp và sản xuất điện năng được tóm tắt trên hình 1.1.
Với các ứng dụng đa dạng của dầu sinh học, ngày nay các nhà
khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu để hoàn thiện cơ sở
lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối
nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng dầu sinh học thu hồi.
1.1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam
4
Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên tiềm năng sinh khối
thực vật được đánh giá đa dạng và phong phú. Nguồn sinh khối chủ
yếu từ các loại gỗ và phụ phẩm cây trồng (bã mía, trấu, rơm rạ …).
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng nguồn năng lượng
từ sinh khối còn qui mô nhỏ lẻ, chủ yếu sử dụng sinh khối làm chất
đốt, làm nhiên liệu đốt trong lò hơi và sản xuất điện cục bộ. Trong khi
đó, việc tạo ra nguồn dầu sinh học từ sinh khối chỉ mới dừng lại việc
nghiên cứu ban đầu và chưa làm chủ được công nghệ này.
1.1.3. Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối
Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối được thực hiện bằng 3
phương pháp: thủy phân sinh học, khí hóa và nhiệt phân. Trong 3
phương pháp này chỉ có phương pháp nhiệt phân cho sản phẩm là dầu
sinh học với hiệu quả cao nhất [36], [37].
1.2. Tổng quan về nhiệt phân sinh khối
1.2.1. Khái niệm
Nhiệt phân sinh khối là quá trình phân hủy sinh khối dưới tác
động nhiệt trong môi trường không có ôxy. Sản phẩm của quá trình
nhiệt phân là khí không ngưng, rắn và dầu sinh học.
1.2.2. Phân loại quá trình nhiệt phân
Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt mà quá trình nhiệt phân được phân
thành các loại: nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình và nhiệt phân
nhanh. Trong đó, quá trình nhiệt phân nhanh cho sản phẩm là dầu sinh
học có hiệu quả thu hồi cao nhất [1].
1.3. Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học
Nhiệt phân nhanh sinh khối được phát triển hơn 25 năm qua, đến
nay đã có nhiều kiểu lò khác nhau được nghiên cứu thí nghiệm và
thương mại như: côn quay, trục vít, ma sát, tầng sôi, tầng sôi tuần hoàn.
Qua phân tích các ưu nhược điểm của các kiểu lò, tác giả lựa chọn
kiểu lò tầng sôi để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học.
1.4. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng quá trình nhiệt phân nhanh
1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối
5
Thành phần hóa học chính của sinh khối bao gồm: hemicellulose,
cellulose và lignin. Tính chất của mỗi loại sinh khối phụ thuộc chủ yếu
vào tỉ lệ khối lượng của 3 thành phần này. Do đó, tỉ lệ của các thành
phần hóa học này có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả thu hồi dầu sinh
học và chất lượng các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh.
1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học
Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ phản
ứng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh [79],
[80], [99]. Các nghiên cứu đều cho thấy rằng khoảng nhiệt độ phản
ứng phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh từ 450 đến 525 °C. Nếu
tăng nhiệt độ phản ứng lên quá cao thì sẽ xuất hiện các phản ứng thứ
cấp làm phân hủy các hợp chất hữu cơ ở thể khí, dẫn đến sự giảm hàm
lượng dầu sinh học.
1.4.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu
lượng khí cấp nhiệt
Đối với quá trình nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi, thời gian
lưu sản phẩm phản ứng trong lò đóng vai trò rất quan trọng trong việc
nâng cao khối lượng cũng như chất lượng của dầu sinh học thu hồi.
Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đều chỉ ra rằng để hiệu quả
thu hồi dầu cao nhất thì thời gian lưu sản phẩm phản ứng trong lò nhiệt
phân nhanh không được quá 2s [9], [14]. Trong thực tế, chiều cao lò
phản ứng không thay đổi nên việc điều khiển thời gian lưu sản phẩm
phản ứng bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí cấp vào lò. Vì vậy hàm
lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng (vận tốc) khí nitơ.
1.4.4. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối
Trong quá trình nhiệt phân nhanh, tốc độ truyền nhiệt giữa lớp
sôi với sinh khối ảnh hưởng lớn đến sự phân hủy các phân tử để tạo
thành dầu sinh học. Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp
đến tốc độ truyền nhiệt là kích cỡ hạt sinh khối. Tuy nhiên, đến nay
việc xác định kích cỡ phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh của từng
loại sinh khối chủ yếu được nghiên cứu bằng thực nghiệm, chưa có cơ
6
sở lý thuyết để thực hiện công việc này [9], [44], [79].
Ngoài ra, độ ẩm trong sinh khối và áp suất trong buồng phản ứng cũng
ảnh hưởng đến chất lượng và khối lượng dầu sinh học. Độ ẩm thích
hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh là < 12% [57]. Áp suất trong buồng
phản ứng càng thấp thì hiệu quả thu hồi dầu sinh học càng cao [60].
1.5. Thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh
Khi nghiên cứu động học quá trình nhiệt phân nhanh, mô hình hai
giai đoạn trên hình 1.15 được sử dụng khá phổ biến [51], [54].
k1
Khí không ngưng tụ
Khí ngưng tụ thành dầu
Khí không ngưng
tụ
k4
k5
k2
k3
Sinh khối
Cốc
Hình 1.15: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối
Từ mô hình phản ứng trên hình 1.15 cho thấy các sản phẩm thu
được phụ thuộc vào hằng số tốc độ phản ứng ki. Hằng số ki được tuân
theo định luật Arrhenius: ki = Aiexp(-Ea,i/RT) [51]. Trong đó, các thông
số năng lượng hoạt hóa Ea,i và hằng số trước hàm số mũ Ai của quá
trình nhiệt phân nhanh thường được sử dụng từ kết quả nghiên cứu
thông số động học từ quá trình nhiệt phân chậm [19], [25], [81].
Các thông số động học đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình
điều khiển thành phần sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh. Tuy
nhiên, đến nay các thông số động học tương ứng cho mỗi loại sinh khối
thực hiện trong mỗi công nghệ nhiệt phân nhanh chưa được xác định
đầy đủ. Do đó, dẫn đến kết quả xác định các sản phẩm từ quá trình nhiệt
phân nhanh giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm còn nhiều sai khác.
1.6. Kết luận chương 1
Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan về nhiệt phân nhanh sản
xuất dầu sinh học cho phép rút ra các kết luận như sau:
1. Sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân
nhanh nhằm thay thế dần nhiên liệu truyền thống là hướng nghiên cứu
khả thi, được nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới quan tâm.
7
2. Sử dụng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi để
nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ sinh khối là phương pháp đạt hiệu
quả cao. Tuy nhiên, đến nay cơ sở lý thuyết nghiên cứu quá trình nhiệt
phân nhanh chưa được hoàn thiện, cụ thể là:
- Việc xác định thời gian và kích cỡ hạt sinh khối cho quá trình
nhiệt phân nhanh chủ yếu từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chưa có
cơ sở lý thuyết để tính toán vấn đề này. Đồng thời cũng chưa có cơ sở
lý thuyết để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp trong
lò tầng sôi đến thời gian phản ứng.
- Đến nay, các thông số động học của quá trình nhiệt phân nhanh
trong lò tầng sôi chưa được xác định cụ thể cho từng loại sinh khối.
- Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc
nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ sinh khối phổ biến ở Việt Nam.
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam thiết bị nghiên cứu thực nghiệm còn
mới mẻ, chưa có cơ sở nào thực hiện việc tính toán thiết kế và chế tạo.
Do vậy, định hướng nghiên cứu của luận án là:
1. Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán nhằm xác định kích cỡ hạt
sinh khối phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh và nghiên cứu ảnh
hưởng hệ số trao đổi nhiệt trong lò tầng sôi tới thời gian phản ứng.
2. Xây dựng phương pháp xác định thông số động học cho quá
trình nhiệt phân nhanh, từ đó áp dụng cho một số sinh khối phổ biến
ở Việt Nam khi nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi.
3. Xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm tính toán thiết kế các
thiết bị trong hệ thống nhiệt phân nhanh lò tầng sôi, qua đó chế tạo hệ
thống có năng suất 500 g/h. Trên cơ sở thiết bị này, thực hiện các
nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số vận hành thích
hợp để nâng cao hiệu quả thu hồi dầu sinh học tương ứng với mỗi loại
sinh khối ở Việt Nam. Đồng thời, từ nguồn dầu sinh học thu hồi được
từ các nghiên cứu thực nghiệm, tác giả phân tích đánh giá các đặc tính
của nó. Kết quả nghiên cứu này tạo cơ sở cho việc định hướng nghiên
cứu nâng cấp dầu sinh học để dần thay thế nhiên liệu truyền thống.
8
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH
TOÁN CHO QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH
BỘT GỖ VÀ BÃ MÍA
Tác giả sử dụng phương pháp giải tích để giải phương trình vi
phân dẫn nhiệt của hạt sinh khối nằm trong môi trường khí nitơ nóng
nhằm xác định trường nhiệt độ bên trong hạt sinh khối phụ thuộc vào
thời gian và bán kính t(r, t). Qua đó, xác định được kích cỡ hạt sinh
khối phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh và khảo sát sự phụ thuộc
thời gian nhiệt phân nhanh vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a.
2.1. Xác định trường nhiệt độ t(r, t) trong hạt sinh khối khi nhiệt
phân nhanh
2.1.1. Phát biểu bài toán xác định t(r, t)
Khảo sát một hạt sinh khối
được xem như là hình cầu đồng
chất với bán kính tương đương
R=3V/Fs, trong đó V là thể tích và
Fs là diện tích toàn phần của hạt.
Các thông số vật lý được giả thiết
là phân bố đều trong thể tích V và
không đổi trong thời gian khảo sát,
gồm: nhiệt dung riêng Cp, hệ số
dẫn nhiệt l, khối lượng riêng r và
hệ số khuếch tán nhiệt a. Nhiệt độ
ban đầu của hạt là t0 (°C), thực hiện
quá trình nhiệt phân nhanh trong
môi trường khí nitơ có nhiệt độ tf
l/a
tf, t=λ
t(r, t)
t0, t=Ͳ
r
R
r
V, Fs, ρ, Cp, l, a
v N2, tf a
Hình 2.1: Mô hình bài toán t(r,t)
> t0 và hệ số trao đổi nhiệt phức hợp α (W/m2.K). Xác định hàm nhiệt
độ t = f(r, t, R, r, Cp, l, t0, tf, α).
2.1.2. Mô tả toán học
Từ các phát biểu vật lý và mô hình hình học của bài toán mô tả
sự phụ thuộc t(r, t) trên hình 2.1, trường nhiệt độ t(r, t) được mô tả
9
bởi hệ phương trình như sau:
2
æ
ç
ö
÷
ø
¶t
l
¶ t 2 ¶t
=
+
,"rÎ(0,R),"t > 0
¶t rCp ¶r2 r ¶r
è
t(r, t = 0) = t0 (điều kiện ban đầu)
t
t(r, t) = t(-r, t) (điều kiện đối xứng qua tâm)
¶t
¶r
-l (r = R, t) = α[t(R, t) - tf] (điều kiện biên loại 3 tại r = R)
2.1.3. Xác định phương trình mô tả trường nhiệt độ t(r, t)
Giải hệ phương trình (t) bằng cách đổi sang các biến không thứ
nguyên, sử dụng phương pháp tách biến Fourier kết hợp với các điều
kiện biên nêu trong (t) ta tìm được phương trình mô tả trường nhiệt độ
t(r, t) "r Î (0, R), "t > 0 khi nhiệt phân hạt sinh khối là:
r
æ
è
ö
sin ni
ç
÷
ø
3
at
R
æ
è
ö
exp -ni2
(2.10)
t(r,t) = t -(t - t ) c
å
f
f
0
i
ç
÷
ø
R2
r
i=1
ni
R
Trong đó: ni là nghiệm của phương trình tgn = n/(1-Bi), Bi = aR/l
ci = 2(sinni - nicosni)/(ni - sinnicosni)
2.1.4. Xác định thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R
Trong thực tế, quá trình nhiệt phân
nhanh còn lượng nhỏ sinh khối chưa kịp
tham gia phản ứng (mkpu) bay ra khỏi lò
và được thu hồi cùng với hàm lượng cốc.
Giả thiết lượng sinh khối này tập trung
vào tâm hạt sinh khối có bán kính rp tương
ứng với khối lượng là mkpu (hình 2.4).
Từ kết qủa nghiên cứu của De Wild
tf
t
rp
r
PJ (2011) [29] cho thấy hạt sinh khối
nhiệt phân đến bán kính rp khi nhiệt độ tại
rp đạt giá trị là tp, với tp là giá trị nhiệt độ
Hình 2.4: Mô hình
nhiệt phân sinh khối
bắt đầu nhiệt phân của mỗi loại sinh khối và được xác định bằng thiết
bị phân tích nhiệt khối lượng TGA. Lúc đó thay r = rp vào phương
trình (2.10), ta được:
(2.11)
10
Với y = mkpu/ms0
Giải phương trình (2.11) bằng phương pháp gần đúng Newton tìm
được nghiệm thời gian thực hiện phản ứng nhiệt phân tp.
2.2. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và xác định kích cỡ hạt
phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía
2.2.1. Mô phỏng trường nhiệt độ khi nhiệt phân nhanh bột gỗ
Sử dụng phương trình (2.10) với các thông số vật lý của bột gỗ,
và khí nitơ ta mô phỏng được trường nhiệt độ của bột gỗ (hình 2.5).
350
300
250
200
150
100
50
400
350
300
250
200
150
100
50
500
400
300
200
100
0
450
400
300
200
100
0
0,5
0,4
1
0,4
1
0,8
0,8
0,3
0,3
0,6
0,6
0,2
0,4
0,4
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
b)
a)
400
350
300
250
200
150
100
50
350
300
250
200
150
100
50
500
400
300
200
100
450
400
300
200
100
0
1
1
0,8
0,8
2
2
0,6
1,5
0,6
1,5
0,4
1
0,4
1
0,2
0,5
0,2
0,5
0
0
d)
c)
0
0
Hình 2.5: Trường nhiệt độ t(r,t) của gỗ
a) R = 0,5 mm và tf = 450 oC; b) R = 0,5 mm và tf = 500 oC;
c) R = 1 mm và tf = 450 oC; d) R = 1 mm và tf = 500 oC.
Nhận xét:
- Tốc độ tăng nhiệt độ của bề mặt vỏ hạt sinh khối nhỏ hơn tốc
độ tăng nhiệt độ lò phản ứng. Kết quả này được ứng dụng trong quá
trình vận hành điều khiển khoảng gia tăng nhiệt độ lò phản ứng tương
ứng với khoảng gia tăng nhiệt độ bề mặt hạt sinh khối mong muốn.
- Kết hợp với kết quả phân tích xác định giá trị nhiệt độ bắt đầu
thực hiện nhiệt phân trên thiết bị TGA cho thấy thời gian bắt đầu thực
11
hiện quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào kích cỡ hạt sinh khối và nhiệt
độ lò phản ứng.
- Ngoài ra, so sánh kết quả mô phỏng trường nhiệt độ bằng
phương pháp giải tích và phương pháp số của K. Papadikis [54] khi
cùng các điều kiện mô phỏng cho thấy sai số giữa hai phương pháp từ
3,8 đến 7,1 %. Kết quả này là cơ sở cho việc đánh giá mức độ chính
xác khi sử dụng phương trình trường nhiệt độ t(r, t) (2.10) để phân
tích quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối.
Tương tự ta cũng mô phỏng được trường nhiệt độ của bã mía.
2.2.2. Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh
Giá trị nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình nhiệt phân tp của gỗ
và bã mía được xác định bằng kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA
trên thiết bị Perkin Elmer STA6000. Kết quả phân tích cho thấy tp của
gỗ là 290 °C, của bã mía là 245 °C.
Từ công thức (2.11), sử dụng phương pháp xác định nghiệm theo
phương pháp Newton ta tính được thời gian nhiệt phân cho các hạt gỗ
và bã mía theo các giá trị R khác nhau, kết quả thể hiện trên hình 2.9.
Bột gỗ
Bã mía
2,2
1,8
1,4
1
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,6
0,2
0,5
0
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,2 0,4 0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,9
2
Bán kính, mm
Bán kính, mm
Hình 2.9: Mối quan hệ giữa bán kính và thời gian nhiệt phân nhanh
Nhận xét:
- Từ đồ thị trên hình 2.9 ta chọn được bán kính hạt sinh khối theo
thời gian nhiệt phân nhanh.
- Từ hình 2.9 ta lựa chọn bán kính phù hợp cho quá trình nhiệt
phân nhanh bột gỗ là nhỏ hơn 0,95 mm; bã mía là nhỏ hơn 1,6 mm.
12
Kết quả này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu thực nghiệm của
Zhongyang Luo [104], K. Papadikis [54] và Binh M.Q. Phan [9].
2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a trong
lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh
Sử dụng phương trình 2.11 ta khảo sát được hệ số tỏa nhiệt phức
hợp a trong lớp sôi ảnh hưởng đến thời gian nhiệt phân, kết quả thể
hiện trên hình 2.11.
R = 0,5 mm
t = 475 °C
f
R = 1 mm
t = 450 °C
f
t = 500 °C
f
tf = 450 °C
tf = 475 °C
tf = 500 °C
1.10
0.95
0.80
0.65
0.50
3.00
2.60
2.20
1.80
1.40
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 42
Hệ số a, W/m2°C
Hệ số a, W/m2°C
Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào hệ số a
Từ kết quả mô phỏng cho thấy thời gian quá trình nhiệt phân
nhanh phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp a. Khi nhiệt độ
phản ứng từ 450 đến 500 °C, hạt gỗ có bán kính 0,5 mm thì thời gian
nhiệt phân đều nhỏ hơn 2 s, tức là đều thực hiện được phản ứng nhiệt
phân nhanh. Nếu tăng kích cỡ hạt thì phải tăng giá trị hệ số a.
Ngoài ra, kết quả khảo sát còn cho thấy ở điều kiện nhiệt độ từ
450 đến 500 °C, khi hệ số a càng lớn thì thời gian nhiệt phân nhanh
có xu hướng gần bằng nhau.
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT
PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LÒ TẦNG SÔI SẢN
XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Chương này trình bày kết quả mô phỏng khí động lực học nhằm
xác định lưu lượng khí nitơ cấp, trở lực lớp sôi và vị trí cấp liệu cho lò
tầng sôi. Đồng thời thiết lập được các bước tính toán thiết kế các thiết
bị trong hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi và áp dụng để xây
dựng mô hình thí nghiệm có năng suất nguyên liệu cấp là 500 g/h.
13
3.1. Mô hình thực nghiệm
5
3
2
4
1
6
1
1
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong
lò tầng sôi sản suất dầu sinh học
1: Bộ gia nhiệt; 2: Vít tải liệu; 3: Bình chứa liệu;
4: Lò phản ứng; 5: Cyclone, 6: Bình ngưng.
Từ nguyên lý làm việc của hệ thống cho
thấy để xây dựng được mô hình thực nghiệm
cần phải xác định các thông số khí động lực
học của khí nitơ cấp cho lò phản ứng để tạo
được lớp sôi, tính toán thiết kế lò phản ứng
đảm bảo điều kiện thời gian lưu các sản phẩm
trong lò phải nhỏ hơn 2s, tính toán công suất
nhiệt và tính toán thiết kế các thiết bị như
cyclone, bình ngưng phù hợp cho các sản
phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh.
3.2. Mô phỏng khí động lực học
- Mô tả mô hình: Mô hình lò tầng sôi nhiệt
phân nhanh bột gỗ thể hiện trên hình 3.3.
N2
- Thiết lập mô hình mô phỏng: Trong nghiên
cứu này, sử dụng phần mềm Ansa để chia lưới
và phần mềm Ansys Fluent 14 thực hiện mô
t phân
1. Ống phun, 2. Cấp liệu,
3. Thân lò, 4. Sản phẩm.
14
phỏng. Mô hình toán khí động lực học trong lò được tích hợp trong
phần mềm này.
3.3. Kết quả mô phỏng và bình luận
3.3.1. Mô phỏng xác định vận tốc tạo lớp sôi và trở lực lớp sôi
ws= 0,1 m/s
ws = 0,2 m/s
7000
7000
6000
6000
5000
5000
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
0
50
100
150
200
250
300
0
50
100
150
200
250
300
Thời gian, s
Thời gian, s
ws = 0,3 m/s
ws = 0,4 m/s
7000
7000
6000
6000
5000
5000
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
0
50
100
150
200
250
300
0
50
100
150
200
250
300
Thời gian, s
Thời gian, s
Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí
Để duy trì trạng thái lớp sôi trong lò thì vận tốc dòng khí ωsmin<ωs
<ωsmax, khi đó trở lực lớp sôi đồng thời lớn nhất và ổn định nhất [5],
[76]. Kết hợp với kết quả mô phỏng (hình 3.6) cho thấy để duy trì lớp
sôi trong lò nhiệt phân, vận tốc khí nitơ cấp vào lò có giá trị khoảng
ωs = 0,3 m/s tương ứng với trở lực lớp sôi từ 1.900 đến 2.200 Pa.
3.3.2. Mô phỏng xác định vị trí cấp sinh khối vào lò tầng sôi
Kết quả mô phỏng mật độ thể tích hạt cát và hạt gỗ thể hiện trên
hình 3.7 và 3.8. Theo đó cho thấy mật độ thể tích hạt cát lớn nhất từ
40 đến 60 % tại vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm. Trên hình 3.8, tại
vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm mật độ thể tích bột gỗ từ 20 đến
30%, đây cũng là vùng có mật độ bột gỗ lớn nhất. Như vậy, kết hợp
kết quả mô phỏng này với kết quả nghiên cứu của Y. C. Yan [98] ta
chọn vùng cấp nguyên liệu sinh khối vào lò nhiệt phân cách đáy lò từ
70 đến 95 mm. Nguyên liệu cấp vào lò bằng vít tải, nên để hiệu quả
thu hồi dầu sinh học cao nhất thì khoảng cách đường trục của vít tải
đến đáy là 82 mm.
15
0,75s
1,25s
1,75s
t =0,25s
0,5s
1s
1,5s
2s
2,25s 2,5s
Hình 3.7: Mật độ thể tích hạt cát trong lò nhiệt phân
t = 0,25 s 0,5 s
0,75 s
1 s
1,25 s
1,5 s
1,75 s
2 s
2,25 s
2,5 s
Hình 3.8: Mật độ thể tích hạt gỗ trong lò nhiệt phân
3.4. Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh
sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học
3.4.1. Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân
- Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân:
Qnp = Qs + Qr + Qtt,W
(3.1)
(3.2)
Trong đó: Qs = Ggỗ.Cpgỗ.(tp1 – tp0), W
Qr: Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng nhiệt phân và xác định
theo công thức thực nghiệm [58]: Qr = Ggỗ(553 – 3142zcốc), W (3.3)
Ggỗ: Lượng gỗ nhiệt phân được tính theo đơn vị kg/s.
zcốc = mc/ms0
16
Qtt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường.
- Xác định lưu lượng khí nitơ cấp cho quá trình nhiệt phân nhanh:
Dòng khí nitơ có nhiệt độ t1 = 525 °C dẫn vào lò phản ứng cung
cấp nhiệt QN2 cho quá trình nhiệt phân nhanh, nhiệt độ hỗn hợp khí ra
khỏi lò giảm xuống đến t2 = 420 °C. Do đó ta có phương trình cân
bằng nhiệt: Qnp = QN2, từ đây ta tính được lượng khí nitơ VN2 cung cấp
cho quá trình nhiệt phân.
3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng
Từ mô hình lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối mô tả trên hình
3.3, các thông số chính để thiết kế lò phản ứng là:
F = 4VN2 / wsp
- Đường kính lò phản ứng:
(3.8)
- Chiều cao phần phản ứng trong lò được xác định: hfu = ωs.t
- Chiều cao của lò phản ứng: hlò = hcát + hfu
Trong đó: hcát là chiều cao lớp cát tĩnh.
(3.9)
(3.10)
Ngoài ra, luận án này cũng thiết lập được các bước tính toán thiết
kế các thiết bị cyclone, bình ngưng tụ phù hợp với quá trình nhiệt phân
nhanh trong lò tầng sôi.
3.5. Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh
khối sản xuất dầu sinh học năng suất 500 g/h
Áp dụng các bước tính toán thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh
sinh khối trong lò tầng sôi trong mục 3.4 ta thiết kế được các thiết bị
cho hệ thống có năng suất nguyên liệu bột gỗ cấp là 500 g/h.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN
NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Trong chương này tác giả thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm
nhằm đánh giá các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi
dầu sinh học. Qua đó xác định được khoảng giá trị các thông số vận
hành thích hợp để khối lượng dầu sinh học thu hồi đạt được giá trị lớn
nhất. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn đánh giá được tính chất vật lý,
thành phần hóa học của sinh khối, dầu sinh học và khả năng ứng dụng
dầu sinh học được tạo ra từ bột gỗ và bã mía ở Việt Nam.
17
4.1. Nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
4.1.1. Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Sinh khối được sử dụng nghiên cứu thực nghiệm là các phế phẩm
phổ biến tại địa phương. Đó là bột gỗ từ cây cao su giống PB260 trồng
tại huyện Hiệp Đức, tỉnh Quảng Nam và bã mía từ giống mía QĐ93-
159 trồng tại huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng.
4.1.2. Xác định thành phần hóa học và nguyên tố của sinh khối
- Thành phần hóa học hemicellulose, cellulose, lignin trong sinh
khối được xác định theo phương pháp Van Soest [42].
- Thành phần nguyên tố trong sinh khối được xác định theo các
tiêu chuẩn ASTM D5373-08, AOAC 993.13 (2012), TCVN 175:1995.
4.1.3. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA
Việc xác định giá trị nhiệt độ bắt đầu thực hiện nhiệt phân của
mỗi loại sinh khối được dựa trên kết quả phân tích mức độ phân hủy
khối lượng TGA từ thiết bị Perkin Elmer STA6000.
4.1.4. Phương pháp xác định thành phần và tính chất của các sản
phẩm từ quá trình nhiệt phân
Các thành phần nguyên tố và tính chất của dầu sinh học được
phân tích theo tiêu chuẩn ASTM D4809, ASTM D445, ASTM 4815.
Các cấu tử có trong dầu sinh học được thực hiện trên máy sắc ký
khí phối phổ GCMS ISQ – GC Trace 1300. Ngoài ra, luận án còn sử
dụng máy GA 2000 Plus để phân tích thành phần khí CO2, O2; máy
Rasi 900-1 để phân tích các khí hydro cacbon có trong sản phẩm khí.
4.2. Kết quả xác định đặc điểm của sinh khối
4.2.1. Kết quả xác định thành phần hóa học và nguyên tố sinh khối
Bảng 4.5: Thành phần hóa học và nguyên tố của sinh khối
Loại
sinh
Thành phần hóa học
Hemice- Cell- Ligin
llulose ulose
Thành phần nguyên tố
C
H
N
O
S
Tro
khối
Bột gỗ
Bã mía
20,5
41,5
27
47,5 6,8 0,1 44,8 0,1 0,6
24,44
44,5 18,6 45,1 6,2 0,46 41,5
-
2
18
Sử dụng các phương pháp phân tích nêu ở mục 4.1 xác định được
thành phần hóa học và nguyên tố của sinh khối thể hiện trên bảng 4.5.
4.2.2. Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía
Đặc điểm quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào nhiệt độ của bột gỗ
và bã mía thể hiện trên hình 4.1.
a)
b)
Hình 4.1: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa của sinh khối
a): Bột gỗ, b) bã mía
Kết quả phân tích cho thấy quá trình nhiệt phân được chia thành
ba giai đoạn. Giai đoạn 1 là quá trình thoát toàn bộ lượng ẩm tự do và
ẩm liên kết có trong vật liệu. Giai đoạn 2 là quá trình phân hủy các
thành phần hemicellulose và cellulose [29]. Giai đoạn 3 là quá trình
phân hủy lignin và các thành phần vô cơ có trong sinh khối [83], [100].
4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm một số yếu tố vận hành chính
ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh
4.3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm
Khí
Khí
Dầu
Rắn
Dầu
Rắn
60
50
40
30
20
10
0
60
50
40
30
20
10
0
425
450
475
Nhiệt độ, oC
500
525
550
425
450
475
Nhiệt độ, oC
500
525
55
b)
a)
Hình 4.4: Lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh phụ thuộc vào nhiệt độ
a) Bột gỗ, b) Bã mía
Tải về để xem bản đầy đủ
28 trang
17860
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_qua_trinh_nhiet_phan_biomass_san.pdf
