Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:199

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí "Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam" nghiên cứu sự ảnh hưởng một số thông số công nghệ của quá trình hóa khí kiểu dòng khí đi xuống (downdraft) đối với trấu tại vùng Đồng bằng Sông Cửu Long, Việt Nam đến sản phẩm khí tổng hợp (syngas) và than sinh học (biochar) sử dụng cho sản xuất nhỏ và nông hộ tại các vùng nông thôn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM NGUYỄN VĂN LÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN SẢN PHẨM KHÍ VÀ THAN TRONG THIẾT BỊ HÓA KHÍ TRẤU TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành : 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. Hồ Chí Minh – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM NGUYỄN VĂN LÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN SẢN PHẨM KHÍ VÀ THAN TRONG THIẾT BỊ HÓA KHÍ TRẤU TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành : 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HUY BÍCH TS. BÙI NGỌC HÙNG TP. Hồ Chí Minh – Năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Văn Lành xin cam đoan rằng công trình “Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam” được trình bày trong luận án này là do chính bản thân tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. HCM, năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Lành
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô và Cán bộ viên chức Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi làm nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2015. Xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Thầy Cô khoa Cơ Khí Công Nghệ, Phòng Đào tạo Sau Đại học và Phòng Quản trị - Vật tư đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS. Nguyễn Huy Bích và TS. Bùi Ngọc Hùng, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến GS. Keng Tung-Wu và các cộng sự tại Biomass Energy Research Lab, National Chung Hsing University, Taiwan đã hỗ trợ, phối hợp thực hiện một số phân tích liên quan đến trấu. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. TS. Nguyễn Hay, PGS.TS. Lê Anh Đức, TS. Nguyễn Thanh Nghị và TS. Nguyễn Đức Khuyến đã tận tình giúp đỡ, góp ý xây dựng cho những nội dung của luận án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn đến GS. TS. Dương Nguyên Khang, TS. Huỳnh Văn Biết, TS. Phạm Đức Toàn đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện một số nghiên cứu trong luận án. Cảm ơn các đồng nghiệp Phạm Duy Lam, Trần Minh Hải và Nguyễn Nam Quyền đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu. Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Xin chân thành cảm ơn! Tp. HCM, năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Lành
iii TÓM TẮT Luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam Nghiên cứu sinh: Nguyễn Văn Lành Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9 52 01 03 Hiện nay, thế giới đang đối mặt với biến đổi khi hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là lượng khí thải có hại như CO2 tăng vì con người sử dụng quá nhiều nhiên liệu hóa thạch và diện tích rừng ngày càng giảm. Một trong những giải pháp làm giảm tình trạng này là việc tăng cường khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Trong đó, sinh khối là một trong những nguồn năng lượng có triển vọng có thể thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Sinh khối có nguồn cung cấp dồi dào nhưng chủ yếu là ở thể rắn, điều này dẫn đến hạn chế rất lớn trong việc khai thác và sử dụng. Do đó, để tiện lợi và sử dụng sinh khối có hiệu quả đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp chẳng hạn như hóa khí, hóa lỏng từ nguồn sinh khối thể rắn. Sinh khối thể rắn có thể chuyển đổi sang dạng khí được gọi là quá trình hóa khí để tạo ra khí tổng hợp (syngas). Hóa khí sinh khối là quá trình chuyển đổi hóa nhiệt được thực hiện trong môi trường yếm khí. Quá trình này chia làm bốn giai đoạn chính là sấy, nhiệt phân, cháy và khử. Quá trình hóa khí là một quá trình rất phức tạp trong đó chất lượng khí, hiệu suất hóa khí, chất lượng than sinh học (biochar) là những thông số chính đánh giá tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống. Để góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên, luận án được tiến hành với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học trong thiết bị hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống tại Việt Nam gồm các nội dung chính như sau: - Thực nghiệm xác định các thông số lý hóa của trấu để làm cơ sở xác định công thức hóa học tổng quát; xác định tác nhân hóa khí; xác định các sản phẩm hóa khí. - Nghiên cứu lý thuyết lập phương trình tổng quát hóa khí trấu và hệ phương trình gồm: các phương trình cân bằng khối lượng của nguyên tố C, H2 và O2; phương trình cân bằng phản ứng tạo khí CH4 và phương trình cân bằng phản ứng chuyển H2O; phương trình
iv cân bằng năng lượng. Giải hệ phương trình phi tuyến tính để xác định các thành phần khí tổng hợp và lượng than sinh học bằng ngôn ngữ lập trình Python. - Thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống. - Kiểm chứng mức độ phù hợp của mô hình lý thuyết và xây dựng các phương trình dự đoán sản phẩm của quá trình hóa khí trấu trong thiết bị hóa khí kiểu dòng khí đi xuống. - Thực nghiệm tìm các giá trị hợp lý của các thông số công nghệ để thu được sản phẩm khí tổng hợp và than sinh học phù hợp nhất. - Đánh giá sơ bộ chất lượng của than sinh học thông qua thực nghiệm tác động của than sinh học đến sự phát triển của cây trồng. Kết quả đạt được của luận án tóm tắt như sau: Đã xác định được các thông số lý hóa của trấu IR 50404. Dung Ẩm Phân tích nguyên tố (%) Phân tích thành phần (%) Nhiệt trị trọng độ Chất Carbon Tro (MJ/kg) C H O N S (kg/m3) (%) bốc cố định 100,42 9,99 15,55 41,26 4,75 35,46 0,48 0,01 58,28 13,98 17,71 Đã lập được phương trình tổng quát hóa khí trấu IR 50404: CH1,38 O0,64 + 0,146H2 O(l) + qH2 O(g) + mO2 + 3,76mN2 = n1 C+ n2 H2 + n3 CO + n4 CO2 + n5 H2 O + n6 CH4 + 3,76mN2 Đã xây dựng được mô hình toán là hệ phương trình phi tuyến tính 6 ẩn n1 , n2 , n3 , n4 , n5 , n6 được biểu diễn dưới đây. n1 + n3 + n4 + n6 = 1 2n2 + 2n5 + 4n6 = 1,672 + 2q n3 + 2n4 + n5 = 0,786 + q + 2m n K1 = 6 2 (n2 ) n 2 n4 K2 = n 3 n5 dHtrau + 0,146dHH2 O(l) + qdHH2O(k) = n1 dHC + n2 dHH2 + n3 dHCO + n4 dHCO2 { n5 dHH2O(k) + n6 dHCH4 + 3,76mdHN2 Tiến hành giải mô hình toán bằng ngôn ngữ lập trình Python nhằm dự đoán được các thành phần khí tổng hợp (syngas) và hàm lượng than sinh học (biochar) khi thay đổi 2 thông số công nghệ là hệ số không khí cấp ER và nhiệt độ vùng khử T 2.
v Đã tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống để thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy khi nhiệt độ tăng lên thì lượng than sinh học thu được từ kết quả thực nghiệm cũng như lý thuyết đều giảm; Bên cạnh đó, tại cùng một mức nhiệt độ vùng khử nếu tăng hệ số không khí cấp (ER) từ 0,2 đến 0,4 thì lượng than sinh học cũng giảm, tuy nhiên hàm lượng khí tổng hợp tăng khi ER = 0,2 ÷ 0,3 và hàm lượng khí tổng hợp giảm khi ER = 0,3 ÷ 0,4. So sánh kết quả giữa mô hình toán học và thực nghiệm cho thấy hàm lượng than sinh học và thành phần khí tổng hợp của mô hình toán thấp hơn nghiên cứu thực nghiệm. Độ lệch chuẩn RMSE của mô hình toán và thực nghiệm ở các mức nhiệt độ vùng khử T2 = 750oC, 800oC, 850oC và 900oC lần lược là 1,642; 1,882; 1,445 và 1,345. Từ kết quả phân tích và xử lý số liệu cho thấy sự sai khác giữa mô hình toán và thực nghiệm ở tất cả các trường hợp đều không có ý nghĩa, vì vậy mô hình toán đã xây dựng là phù hợp. Căn cứ vào kết quả kiểm chứng lý thuyết phù hợp với thực nghiệm, luận án cũng đã xây dựng các phương trình dự đoán thể tích các khí thành phần (H2, CO và CH4) và khối lượng than sinh học (C) ứng với nhiệt độ vùng khử T2 và hệ số không khí cấp ER. + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YH2 với T2 và ER YH2 = 35,569 – 0,099.T2 + 28,439.ER – 55,721.ER2 với R2 = 0,98 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCO với T2 và ER YCO = 50,124 – 0,153.T2 + 109,009.ER – 152,271.ER2 với R2 = 0,97 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCH4 với T2 và ER YCH4 = 30,952 – 0,083.T2 + 23,750.ER – 66,529.ER2 với R2 = 0,97 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YC với T2 và ER YC = 84,174 – 0,061.T2 – 12,684.ER với R2 = 0,98 Kết quả quy hoạch thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc phù hợp của hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống cũng được thực hiện. Kết quả giải bài toán đa mục tiêu đã xác định được các thông số và chỉ tiêu phù hợp như sau: + Thông số phù hợp: T2 = 745 (oC) và ER = 0,29 + Chỉ tiêu phù hợp: LHVmax = 5,53 (MJ/Nm3) và Cmax = 37,5 (%). Đánh giá tác động của than sinh học đến cây trồng cũng được thực hiện. Thông qua thực nghiệm đã chỉ ra rằng chất lượng than sinh học phụ thuộc vào nhiệt độ vùng khử và hệ số không khí cấp. Sự phát triển của cây bắp sau 35 ngày chỉ ra rằng có sự ảnh hưởng của than sinh học là rất rõ ràng.
vi SUMMARY Doctoral dissertation title: Study the effects of downdraft gasifier technological parameters on the syngas and biochar production for Viet Nam rice husk gasification. PhD Student: Nguyen Van Lanh Major: Mechanical Engineering Code: 9 52 01 03 Currently, the world is facing climate change and the depletion of fossil energy resources. The main reasons are the increase in harmful emissions, such as CO2, due to the extensiveuse of fossil fuels and the deforestation. One of the solutions to reduce this situation is to increase the exploitation and use of other energy forms alternative to fossil energy. Among them, biomass is one of the potential energy sources that can replace fossil energy. Biomass is an abundant source from agricultural production, but it is mainly in solid form that limits itsutilization and use. Therefore, developing gasification or liquefaction technology from this biomass source is necessary. Solid biomass can be converted to gas through a gasification process to produce syngas. Biomass gasification is a thermochemical conversion process under limited air supply condition. Gasification is a complex process, which includes four main stages: drying, pyrolysis, combustion and reduction. In this process, gas quality, gasification efficiency, biochar quality are the main parameters to be evaluated for the technical and economic viability of the system. To contribute to solving the mentioned problems, this study was conducted to study the effects of technological parameters on the syngas and biochar production in a downdraft rice husk gasifier in Vietnam, including the following main activities: - To conduct the composition and physico-chemical parameters of IR 50404 rice husk as baseline data for determining its general chemical formula, and the gasified agents and products - To establish general gasification reaction and set of equationsinclude: three balanced equations for C, H2 and O2; two equations of the equilibrium constants for reactions of CH4 and H2O; one equation of the heat balance for the gasification process. Python program was used to solve the set of non-linear equations to determine syngas components and biochar quantity.
vii - To conduct experiments on the rice husk downdraft gasifier. - To verify the theoretical model and build equations for predicting the products of rice husk downdraft gasifier. - To investigate the technological parameters appropriate for syngas components and biochar products. - To carry out a pre-assessment on the biochar quality through testing biochar effect on the growth of maize. The obtained results are summarized as follows: IR 50404 rice husk ultimate and proximate analysis. Heating Ultimate analysis (%) Proximate analysis (%) Density Moisture value Volatile Fixed Ash (kg/m3) (%) C H O N S (MJ/kg) matter carbon 100.42 9.99 15.55 41.26 4.75 35.46 0.48 0.01 58.28 13.98 17.71 The general equation of gasification reaction can be written as follows: CH1.38 O0.64 + 0.146H2 O(l) + qH2 O(g) + mO2 + 3.76mN2 = n1 C+ n2 H2 + n3 CO + n4 CO2 + n5 H2 O + n6 CH4 + 3.76mN2 In which, there are six unknowns n1, n2, n3, n4, n5 and n6. The set of six equations was formulated as follows: n1 + n3 + n4 + n6 = 1 2n2 + 2n5 + 4n6 = 1.672 + 2q n3 + 2n4 + n5 = 0.786 + q + 2m n K1 = 6 2 (n2 ) n2 n4 K2 = n3 n5 dHtrau + 0.146dHH2O(l) + qdHH2O(k) = n1 dHC + n2 dHH2 + n3 dHCO + n4 dHCO2 { n5 dHH2O(k) + n6 dHCH4 + 3.76mdHN2 The set of equations was solved using the Newton-Raphson method. The Python program was used to code for predicting the the syngas composition and biochar products, based on the two technological parameters (equivalence ratio ER and temperature T2 at reduction zone). In order to verify the model, a rice husk downdraft gasifier was calculated, designed and manufactured. Experimental results showed that the produced amount of biochar decreased when the temperature increased. This outcome was in agreement with
viii thedeveloped model. Besides, at the same temperature at the reduction zone, the amount of biochar decreased if the ER increased from 0.2 to 0.4. Regarding the syngas, its amount increased whenthe ER was from 0.2 to 0.3 but decreased with increasing ER from 0.3 to 0.4. The comparison between the developed model and experiment results showed that the syngas composition and biochar predicted by the model waslower than those of the experiment. The root mean square errors (RMSE) of model and experiment at the reduction zone temperature T2 = 750oC, 800oC, 850oC and 900oC were 1.642; 1.882; 1.445 and 1.345, respectively. These values indicated that the difference between the mathematical model and the experiment is negligible in all cases; thus the model is considered reasonable. Based on the verification results, the equations for prediction of volume of syngas (H2, CO and CH4) and mass of biochar (C) with the reduction zone temperature T2 and the equivalence ratio ER were found as follow: + Equation represents the relationship between YH2 with T2 and ER YH2 = 35.569 – 0.099.T2 + 28.439.ER – 55.721.ER2; R2 = 0.98 + Equation represents the relationship between YCO with T2 and ER YCO = 50.124 – 0.153.T2 + 109.009.ER – 152.271.ER2; R2 = 0.97 + Equation represents the relationship between YCH4 with T2 and ER YCH4 = 30.952 – 0.083.T2 + 23.750.ER – 66.529.ER2; R2 = 0.97 + Equation represents the relationship between YC with T2 and ER YC = 84.174 – 0.061.T2 – 12.684.ER; R2 = 0.98 Experimental planning to evaluate the reasonable working of the rice husk downdraft gasifier. Based on the results of solving the multi-objective problem, the parameters and suitable targets were determined as follows: + The reasonable parameters: T2 = 745 (oC) and ER = 0.29 + The suitable targets: LHVmax = 5.53 (MJ/Nm3) and Cmax = 37.5 (%). An assessment of the biochar affecting the crop development was also carried out. The results showed that the quality of biochar depends on the reduction temperature and the equivalence ratio. The growth of maize in 35 days indicated that biochar's effect was pronounced.
ix MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ................................................................................................................. ix CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................................ xii CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................. xiv DANH MỤC HÌNH.................................................................................................. xv DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xix MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu ................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 3 4. Giới hạn của đề tài .......................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 4 6. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 4 7. Điểm mới và đóng góp của luận án ................................................................. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 6 1.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và các khái niệm........................................... 6 1.1.1 Trấu ........................................................................................................... 6 1.1.2 Hóa khí ...................................................................................................... 7 1.1.3 Công nghệ hóa khí ..................................................................................... 8 1.2 Tổng quan về hệ thống hóa khí sinh khối ...................................................... 10 1.2.1 Một số hệ thống hóa khí sinh khối ở Việt Nam. ........................................ 10 1.2.2 Một số hệ thống hóa khí sinh khối của thế giới ......................................... 13 1.3 Tổng quan về thông số công nghệ của hệ thống hóa khí ................................ 14 1.3.1 Cấu tạo hệ thống hóa khí .......................................................................... 15 1.3.2 Ẩm độ nhiên liệu ...................................................................................... 17 1.3.3 Kích thước nhiên liệu ............................................................................... 19 1.3.4 Nhiệt độ hệ thống ..................................................................................... 20 1.3.5 Hệ số không khí cấp ER ........................................................................... 21 1.4 Than sinh học................................................................................................ 25 1.4.1 Đặc tính của than sinh học........................................................................ 26
x 1.4.2 Phương pháp sản xuất than sinh học ......................................................... 26 1.4.3 Lợi ích của than sinh học trong nông nghiệp ............................................ 30 1.5 Mô hình mô phỏng quá trình hóa khí ............................................................ 32 1.5.1 Mô hình động lực học lưu chất tính toán .................................................. 32 1.5.2 Mô hình động học .................................................................................... 32 1.5.3 Mô hình cân bằng nhiệt động lực học ....................................................... 33 1.6 Cơ sở lựa chọn hướng nghiên cứu ................................................................. 35 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ....................... 37 2.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 37 2.2 Phương pháp xác định các thông số lý hóa của trấu....................................... 38 2.2.1 Xác định khối lượng thể tích của trấu ....................................................... 38 2.2.2 Xác định ẩm độ ........................................................................................ 38 2.2.3 Phân tích xác định các thành phần ............................................................ 39 2.2.4 Phân tích xác định các nguyên tố C, H, O , N và S ................................... 40 2.2.5 Xác định nhiệt trị của trấu ........................................................................ 40 2.2.6 Xác định nhiệt trị của khí tổng hợp ........................................................... 41 2.3 Phương pháp xây dựng mô hình toán hóa khí trấu ......................................... 41 2.4 Phương pháp giải hệ phương trình của mô hình toán ..................................... 42 2.4.1 Phương pháp giải hệ phương trình theo Newton - Raphson ...................... 42 2.4.2 Ngôn ngữ lập trình giải hệ phương trình theo Newton - Raphson ............. 45 2.4.3 Cấu trúc mã nguồn bằng ngôn ngữ lập trình Python ................................. 46 2.5 Phương pháp điều khiển thông số công nghệ và thu thập số liệu .................. 46 2.5.1 Điều khiển lưu lượng không khí cấp ......................................................... 46 2.5.2 Điều khiển nhiệt độ vùng khử T2 .............................................................. 47 2.5.3 Thu thập số liệu thành phần khí ................................................................ 48 2.5.4 Phân tích và so sánh hai tổ hợp số liệu ..................................................... 49 2.6 Phương tiện nghiên cứu ................................................................................ 49 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. 52 3.1 Kết quả xác định các thông số lý hóa của trấu IR 50404................................ 52 3.2 Xây dựng và giải mô hình toán hóa khí trấu .................................................. 53 Mô hình hóa khí trấu ................................................................................ 53 Xây dựng mô hình toán hóa khí trấu ......................................................... 55
xi Giải mô hình toán hóa khí trấu ................................................................. 59 3.3 Kết quả thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu ................................................... 87 3.3.1 Kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu ...................... 87 3.3.2 Thực nghiệm ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm hóa khí ... 89 3.4 Kết quả kiểm chứng mô hình toán và xây dựng phương trình hồi quy ......... 104 3.4.1 Kiểm chứng mô hình toán ...................................................................... 104 3.4.2 Xây dựng các phương trình hồi quy........................................................ 110 3.5 Kết quả thực nghiệm xác định chế độ hóa khí trấu phù hợp......................... 115 3.5.1 Phát biểu bài toán hộp đen...................................................................... 115 3.5.2 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm bậc hai và lập ma trận thực nghiệm ..... 115 3.5.3 Kết quả thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm .......................... 116 3.5.4 Xác định các thông số và chỉ tiêu phù hợp .............................................. 118 3.6 Kết quả đánh giá sơ bộ chất lượng than sinh học ......................................... 118 3.6.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng than sinh học ............................................. 118 3.6.2 Kết quả đánh giá than sinh học ở tiêu chí diện tích bề mặt riêng ............. 119 3.6.3 Kết quả thí nghiệm tác động của than sinh học đến với cây trồng ........... 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 122 1. Kết luận ...................................................................................................... 122 2. Kiến nghị .................................................................................................... 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ..................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 125 PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................ 132 PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................ 138 PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................ 150 PHỤ LỤC 4 ............................................................................................................ 160 PHỤ LỤC 5 ............................................................................................................ 164 PHỤ LỤC 6 ............................................................................................................ 170 PHỤ LỤC 7 ............................................................................................................ 175
xii CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ̅̅̅̅̅ ∆GT0 Hàm Gibbs tiêu chuẩn kJ/kmol Hf0 Nhiệt hình thành kJ/kmol ∆H Biến thiên Enthalpy kJ/kmol ∆T Biến thiên nhiệt độ K a Số nguyên tử hydro của trấu b Số nguyên tử oxy của trấu CmHn Hydrocarbon CP Nhiệt dung riêng kJ/kmol K D Đường kính buồng phản ứng mm dH Nhiệt lượng kJ/kmol ER Hệ số không khí cấp Gtr Lượng trấu tiêu thụ trong 1 giờ kg/h Gtro Lượng tro tạo thành trong 1 giờ kg/h H Chiều cao buồng phản ứng mm HHV Nhiệt trị cao MJ/kg K1 Hệ số cân bằng phản ứng tạo khí CH4 K2 Hệ số cân bằng phản ứng chuyển nước LHV Nhiệt trị thấp MJ/Nm3 LHVCH4 Nhiệt trị của khí Methane MJ/Nm3 LHVCO Nhiệt trị của khí Carbon monoxide MJ/Nm3 LHVH2 Nhiệt trị của khí Hydrogen MJ/Nm3 LHVsyngas Nhiệt trị của khí tổng hợp MJ/Nm3 LHVtr Nhiệt trị của trấu MJ/kg m Số mol của oxy mol m1 Khối lượng lon kg m2 Khối lượng trấu và lon kg mc Khối lượng lọ kg mf Khối lượng cuối cùng gồm trấu khô và lọ kg Mg Lưu lượng khí sinh ra trong 1 giờ m3/h
xiii Mgi Lưu lượng khí đi vào cyclone m3/h mi Khối lượng ban đầu gồm trấu và lọ kg Mlt Lưu lượng không khí lý thuyết m3/h mlt Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu. m3/kg Mq Lưu lượng không khí cấp m3/h Mtt Lưu lượng không khí thực m3/h n1 Số mol của C mol n2 Số mol của H2 mol n3 Số mol của CO mol n4 Số mol của CO2 mol n5 Số mol của H2O mol n6 Số mol của CH4 mol Nv Năng suất cấp trấu của vít tải kg/h P Công suất hệ thống hóa khí kW q Số mol của nước trong không khí mol Q Nhiệt lượng cần thiết cho hệ thống hóa khí MJ/h R Hằng số khí lý tưởng (R= 8,314) kJ/kmol K T Nhiệt độ vùng phản ứng K T1 Nhiệt độ môi trường K T2 Nhiệt độ vùng khử K v0 Thể tích lon chứa trấu m3 vs Vận tốc khí qua lớp trấu m/s Vth Thể tích thùng chứa trấu m3 Vvt Thể tích cấp trấu của vít tải m3/h W Ẩm độ của trấu % w Số mol của nước trong trấu mol Z Tốc độ cháy m/h ρkk Khối lượng riêng không khí kg/m3 ρtr Khối lượng thể tích của trấu kg/m3 η Hiệu suất hệ thống khí hóa %
xiv CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Ý nghĩa ASTM American Society for Testing and Materials Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ ĐBSCL Đồng bằng Sông Cửu Long ĐHNL Tp.HCM Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IRRI The International Rice Research Institute Viện nghiên cứu lúa quốc tế RMSE Root Mean Square Error Độ lệch chuẩn của phần dư SPIN Sustainable Product Innovation Đổi mới sản phẩm bền vững Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh
xv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo của hạt lúa ..................................................................................... 6 Hình 1.2 Sản lượng lúa và trấu của cả nước giai đoạn 2015-2020 [19]. ...................... 6 Hình 1.3 Bốn giai đoạn quá trình hóa khí [11]............................................................ 7 Hình 1.4 Phân loại hệ thống hóa khí theo tầng [37] .................................................... 9 Hình 1.5 Bếp hóa khí quy mô nông hộ ..................................................................... 10 Hình 1.6 Hệ thống hóa khí phát điện 1,8 kW............................................................ 10 Hình 1.7 Hệ thống khí tầng sôi [39] ......................................................................... 11 Hình 1.8 Hệ thống hóa khí trấu 3 - 6 kW [40] .......................................................... 11 Hình 1.9 Mô hình hệ thống hóa khí trấu nung gốm ở Đồng Tháp ............................. 12 Hình 1.10 Hệ thống hóa khí trấu kết hợp động cơ diesel 150 kW [41]...................... 12 Hình 1.11 Bếp hóa khí ở Philippines [28]................................................................. 13 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu kiểu tầng sôi ................................................ 13 Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu trong máy sấy tầng sôi ................................. 13 Hình 1.14 Thiết bị hóa khí dăm gỗ [43].................................................................... 15 Hình 1.15 Thiết bị hóa khí thân cây bắp [44] ........................................................... 15 Hình 1.16 Thiết bị hóa khí dăm gỗ kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [45] .................. 16 Hình 1.17 Thiết bị hóa khí viên gỗ nén kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [47] ........... 16 Hình 1.18 Than sinh học [70] ................................................................................... 25 Hình 1.19 Đặc tính TSH thay đổi theo nhiệt độ quá trình nhiệt phân [71] ................ 26 Hình 1.20 Các doanh nghiệp sản xuất than sinh học [32] ......................................... 27 Hình 1.21 Số doanh nghiệp sử dụng phương pháp sản xuất than sinh học [32]......... 27 Hình 1.22 Công nghệ chuyển đổi hóa nhiệt của sinh khối [72] ................................. 27 Hình 1.23 Phương pháp sản xuất và ứng dụng than sinh học [31] ............................ 28 Hình 1.24 Lượng than sinh học thu được ứng với nhiệt độ [73] ............................... 28 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu dùng trong nghiên cứu ................................... 37 Hình 2.2 Nghiệm của hệ phương trình theo Newton - Raphson ................................ 42 Hình 2.3 Ý tưởng của thuật toán Newton-Raphson .................................................. 43 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán của phương pháp Newton Raphson ............................... 44 Hình 2.5 Cấu trúc mã nguồn (sourcecode structure) ................................................. 46 Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển lượng không khí cấp .............. 47
xvi Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển nhiệt độ T2 ............................. 48 Hình 2.8 Biểu diễn vị trí đo các thành phần khí ........................................................ 48 Hình 2.9 Thiết bị thí nghiệm 1 ................................................................................. 50 Hình 2.10 Thiết bị thí nghiệm 2 ............................................................................... 50 Hình 2.11 Thiết bị phân tích khí trực tiếp GABOARD 3100P .................................. 51 Hình 3.1 Thực nghiệm xác định thông số lý hóa của trấu tại Việt Nam .................... 52 Hình 3.2 Thực nghiệm xác định thông số lý hóa của trấu tại Đài Loan ..................... 52 Hình 3.3 Mô hình buồng phản ứng của hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống ................................................................................................................ 54 Hình 3.4 Hộp đen mô tả quá trình hóa khí trấu ........................................................ 55 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình theo phương pháp Newton Raphson ............................................................................................................ 68 Hình 3.6 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,2 ............................... 71 Hình 3.7 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,25 ............................. 72 Hình 3.8 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,3 ............................... 72 Hình 3.9 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,35 ............................. 73 Hình 3.10 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,4 ............................. 74 Hình 3.11 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC ................................................. 74 Hình 3.12 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 750oC .............................. 75 Hình 3.13 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 800oC ................................................. 76 Hình 3.14 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 800oC .............................. 77 Hình 3.15 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 850oC ................................................. 78 Hình 3.16 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 850oC .............................. 78 Hình 3.17 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 900oC ................................................. 79 Hình 3.18 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 900oC .............................. 80 Hình 3.19 So sánh thành phần các khí ...................................................................... 80 Hình 3.20 Phân bố năng lượng của hệ thống hóa khí trấu [106] ............................... 81 Hình 3.21 So sánh lượng than sinh học và khí tổng hợp ........................................... 81 Hình 3.22 So sánh nhiệt trị nhiên liệu và nhiệt trị khí tổng hợp ................................ 82 Hình 3.23 So sánh nhiệt trị của khí tổng hợp dùng thay thế nhiên liệu diesel ........... 83 Hình 3.24 Biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ với than sinh học và khí tổng hợp ... 84 Hình 3.25 So sánh phần trăm và nhiệt trị khí tổng hợp ............................................. 85
xvii Hình 3.26 Hệ thống hóa khí trấu đã thiết kế ............................................................. 88 Hình 3.27 Hệ thống hóa khí trấu dùng trong thực nghiệm ........................................ 89 Hình 3.28 Hệ thống hóa khí trấu và thiết bị đo ......................................................... 89 Hình 3.29 Kiểm tra lưu lượng không khí cấp bằng Testo 400................................... 91 Hình 3.30 Lượng không khí cấp đo bằng Testo 400 ................................................. 92 Hình 3.31 Thành phần khí tổng hợp được phân tích bằng Gasboard 3100P .............. 92 Hình 3.32 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 750oC ........................................... 93 Hình 3.33 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 750oC ...................................... 93 Hình 3.34 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 800oC ........................................... 94 Hình 3.35 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 800oC ...................................... 95 Hình 3.36 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 850oC ........................................... 96 Hình 3.37 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 850oC ...................................... 96 Hình 3.38 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 900oC ........................................... 97 Hình 3.39 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 900oC ...................................... 98 Hình 3.40 Nhiệt trị của khí tổng hợp ........................................................................ 99 Hình 3.41 Lượng than sinh học ứng với nhiệt độ và hệ số ER .................................. 99 Hình 3.42 Hiệu suất của hệ thống hóa khí ứng với nhiệt độ và ER ......................... 100 Hình 3.43 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh học thu được khi ER = 0,2 .............................................................................. 101 Hình 3.44 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh học thu được khi ER = 0,25 ............................................................................ 101 Hình 3.45 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh học thu được khi ER = 0,3 .............................................................................. 102 Hình 3.46 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh học thu được khi ER = 0,35 ............................................................................ 102 Hình 3.47 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa đến hiệu suất khí hóa và lượng than sinh học thu được khi ER = 0,4 .............................................................................. 102 Hình 3.48 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh học thu được khi nhiệt độ hóa khí 750oC ......................................................... 103 Hình 3.49 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh học thu được khi nhiệt độ hóa khí 800oC ......................................................... 103
xviii Hình 3.50 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh học thu được khi nhiệt độ hóa khí 850oC ......................................................... 103 Hình 3.51 Ảnh hưởng của chế độ cấp gió đến hiệu suất hóa khí và lượng than sinh học thu được khi nhiệt độ hóa khí 900oC ......................................................... 103 Hình 3.52 Kiểm chứng mô hình toán khi T2 = 750oC ............................................. 105 Hình 3.53 Kiểm chứng mô hình toán khi T2 = 800oC ............................................. 106 Hình 3.54 Kiểm chứng mô hình toán khi T2 = 850oC ............................................. 108 Hình 3.55 Kiểm chứng mô hình toán khi T2 = 900oC ............................................. 109 Hình 3.56 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa C với T2 và ER ................................ 111 Hình 3.57 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa H2 với T2 và ER ............................... 112 Hình 3.58 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa CO với T2 và ER.............................. 113 Hình 3.59 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa CH4 với T2 và ER ............................ 114 Hình 3.60 Bài toán mô tả quá trình nghiên cứu ...................................................... 115 Hình 3.61 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ C – ER – T2 ............................................. 117 Hình 3.62 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ LHV – ER – T2........................................ 118 Hình 3.63 Chiều cao của bắp ứng với tỉ lệ than sinh học trong đất ......................... 119 Hình 3.64 Chiều cao bắp ứng với lượng chứa nước và tỉ lệ của than sinh học ........ 120