Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu với mục đích tìm hiểu và xây dựng mô hình toán học để mô tả quá trình khí hóa vỏ trấu trong hệ thống thiết bị tầng sôi tuần hoàn nhằm thu được nguồn khí tổng hợp có nhiệt trị cao và thân thiện môi trường. Mời các bạn cùng thâm khảo nội cung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------- TRẦN NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA TRẤU TRONG HỆ THỐNG TẦNG SÔI TUẦN HOÀN Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học TS. NGUYỄN ĐẶNG BÌNH THÀNH Hà Nội - Năm 2017
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................3 DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................10 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU VỎ TRẤU VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA ..........................................................................................................................12 1.1. Vỏ trấu và tình hình sử dụng vỏ trấu ..............................................................12 1.1.1. Thành phần và tính chất của vỏ trấu .........................................................12 1.1.2. Hiện trạng sử dụng vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam ..........................13 1.1.3. Tiềm năng phát triển của vỏ trấu ..............................................................16 1.2. Phương pháp khí hóa ......................................................................................16 1.2.1. Khái niệm về khí hoá ................................................................................16 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của khí hoá ........................................................17 1.2.3. Các loại nhiên liệu sinh khối dùng cho khí hoá .......................................18 1.3. Công nghệ và thiết bị khí hoá .........................................................................18 1.3.1. Công nghệ khí hoá và thiết bị khí hoá tầng cố định .................................19 1.3.2. Công nghệ khí hoá tầng sôi và thiết bị khí hoá tầng sôi ...........................24 1.3.3. Khí hoá dòng cuốn theo ............................................................................30 1.4. Lựa chọn loại thiết bị khí hoá .........................................................................31 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH KHÍ HÓA TẦNG SÔI TUẦN HOÀN .............................32 2.1. Mô hình động học của khí hoá tầng sôi tuần hoàn .........................................32 2.1.1. Các phản ứng hoá học chính xảy ra trong quá trình khí hoá ....................32 2.1.2. Mô hình tính toán .....................................................................................33 2.1.3. Mô hình tính toán cho vùng nhiệt phân ....................................................35 2.1.4. Mô hình tính toán cho vùng tầng sôi ........................................................41 2.1.5. Mô hình tính toán cho vùng chuyển động tự do .......................................51
2.1.6. Xác định các thông số chưa biết của hệ phương trình cân bằng chất và nhiệt cho vùng tầng sôi và vùng chuyển động tự do ..........................................54 2.2. Phương pháp giải mô hình khí hoá tầng sôi ...................................................68 2.2.1. Giải mô hình vùng nhiệt phân ..................................................................68 2.2.2. Giải mô hình vùng tầng sôi ......................................................................69 2.2.3. Giải mô hình vùng chuyển động tự do .....................................................72 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG KHÍ HÓA TRẤU NĂNG SUẤT 500 kg/h .......................................................................77 3.1. Các thông số công nghệ cơ bản của công nghệ khí hóa .................................77 3.2. Mô tả sơ lược các chương trình trong sơ đồ thuật toán ..................................78 3.2.1. Chương trình con “MassBalanceForPyrolysis” .......................................78 3.2.2. Chương trình con “MassAndHeatBalanceForDenseBed” .......................78 3.2.3. Chương trình con “MassAndHeatBalanceForFreeBoard” .......................79 3.2.4. Chương trình con “MassAndHeatBanalceForGasifier” ...........................79 3.2.5. Chương trình con “DualCirculatingFluidizedBed” ..................................79 3.2.6. Chương trình chính “Result” ....................................................................79 3.2.7. Các chương trình con khác .......................................................................80 3.2.8. Các chương trình phụ trợ ..........................................................................81 3.3. Kết quả và thảo luận .......................................................................................82 KẾT LUẬN ...............................................................................................................92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................94 PHỤ LỤC ..................................................................................................................97 Phụ lục 1. Chương trình con: “DualCirculatingFluidizedBed” .............................97 Phụ lục 2. Chương trình con: “PyrolysisModel”. ................................................102 Phụ lục 3. Chương trình con: “Hydrodynamics” .................................................103 Phụ lục 4. Chương trình con: “RiserModel” .......................................................105
LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo, sự quan tâm của gia đình và bạn hữu. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Đặng Bình Thành, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các Thầy cô trong bộ môn Bộ môn Máy và Thiết bị công nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Trần Ngọc Vân 1
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn” là do tôi thực hiện. Các số liệu kết quả trong đề tài trung thực và chưa từng được công bố. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị ki Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng thứ i. s-1 Keqi Hằng số cân bằng của phản ứng thứ i. - k0i Yếu tố va chạm của phản ứng thứ i. s-1 Ei Năng lượng hoạt hoá của phản ứng thứ i. J/mol R Hằng số khí lý tưởng. J/mol.K T Nhiệt độ của vùng phản ứng. K Mbiomass Lưu lượng khối lượng của dòng nhiên liệu. kg/s Mchar Lưu lượng khối lượng của dòng than thiêu kết. kg/s Mtar Lưu lượng khối lượng của dòng hắc ín. kg/s Mvolatile Lưu lượng khối lượng của dòng khí (chất bốc). kg/s t Thời gian. s τ Thời gian phản ứng (thời gian lưu). s n Lưu lượng mol của các cấu tử. mol/s M Khối lượng phân tử của các cấu tử. kg/mol G i0 Năng lượng tự do Gibbs của các cấu tử. J/mol H i0 Enthanpy của các cấu tử. J/mol ij Hệ số tỉ lượng của cấu tử thứ i trong phản ứng thứ j. - λi Nhân tử Lagrange - A, B, C, D Hằng số nhiệt dung riêng của các cấu tử - Ab Tiết diện cắt ngang của vùng tầng sôi. m Af Tiết diện cắt ngang của vùng chuyển động tự do. m z Chiều cao đoạn chia thiết bị. m Sb Tiết diện cắt ngang của pha bong bóng. m Se Tiết diện cắt ngang của pha nhũ tương. m Sg Tiết diện cắt ngang của pha khí. m ρg Khối lượng riêng trung bình của pha khí. kg/m3 3
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị ρgi Khối lượng riêng của cấu tử thứ i trong pha khí. kg/m3 ρib Mật độ khối của cấu tử thứ i trong pha bong bóng. kg/m3 ρie Mật độ khối của cấu tử thứ i trong pha nhũ tương. kg/m3 ρif Mật độ khối của cấu tử thứ i trong vung chuyển động tự kg/m3 do. ρp Khối lượng riêng trung bình của pha rắn. kg/m3 ρsand Khối lượng riêng của cát. kg/m3 t Thời gian. s Vb Thể tích vùng tầng sôi. m3 Vg Thể tích pha khí. m3 VRb Thể tích khối phản ứng của pha bong bóng. m3 VRe Thể tích khối phản ứng của vùng chuyển động tự do. m3 VRf Thể tích khối phản ứng của pha nhũ tương. m3 δb Phần thể tích của pha bong bóng. - δe Phần thể tích của pha nhũ tương. - δf Phần thể tích của pha khí. - δs Phần thể tích của pha rắn. - δg Phần thể tích của pha khí. - u0 Vận tốc khí đi vào thiết bị. m/s ub Vận tốc của pha bong bóng. m/s ubr Vận tốc của một bong bóng trong pha bong bóng. m/s ue Vận tốc của pha nhũ tương. m/s umf Vận tốc tối thiểu để đạt chế độ tầng sôi. m/s ug Vận tốc của pha khí. m/s ut Vận tốc cuốn theo. m/s kaj Hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng thứ j. s-1 Kbe Hệ số truyền chất giữa pha bong bóng và pha nhũ tương. s-1 4
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị Kbc Hệ số truyền chất giữa pha bong bóng và lớp màng. s-1 Kce Hệ số truyền chất giữa pha lớp màng và pha nhũ tương. s-1 kg Hệ số dẫn nhiệt trung bình của pha khí. W/mK kgi Hệ số dẫn nhiệt của cấu tử thứ i. W/mK Kpj Hằng số cân bằng của phản ứng thứ j. - mib Khối lượng của cấu tử thứ i trong pha bong bóng. kg mie Khối lượng của cấu tử thứ i trong pha nhũ tương. kg mif Khối lượng của cấu tử thứ i trong vùng chuyển động tự do. kg Mi Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i. kg/mol n1,0 Số mol ban đầu của carbon. mol nib Số mol của cấu tử thứ i trong pha bong bóng. mol nie Số mol của cấu tử thứ i trong pha nhũ tương. mol nif Số mol của cấu tử thứ i trong vùng chuyển động tự do. mol  ni Lưu lượng mol của cấu tử thứ i trong pha khí. mol/s εmf Độ xốp của khối hạt rắn trong pha nhũ tương. - νij Hệ số tỷ lượng. - rj Tốc độ phản ứng hoá học. mol/m3s rj Tốc độ phản ứng hoá học. mol/s Igi Enthanpy của cấu tử thứ i trong pha khí. J/kg Isand Enthanpy của cát. J/kg Csand Nhiệt dung riêng của cát. J/kgK Cpgi Nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i trong pha khí. J/kgK Cpg Nhiệt dung riêng trung bình của pha khí. J/kgK Tf Nhiệt độ của vùng chuyển động tự do. K Tg Nhiệt độ của pha khí. K Ts Nhiệt độ của pha rắn. K 5
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị Fgi Lưu lượng khối lượng của cấu tử thứ i trong pha khí. kg/s Fsand Lưu lượng khối lượng của cát. kg/s Sm Diện tích bề mặt pha rắn trên một đơn vị thể tích khối m2/m3 phản ứng. h Hệ số truyền nhiệt giữa pha rắn và pha khí. W/m2K ΔHRj Enthanpy của phản ứng hoá học thứ j. J/mol g Gia tốc trong trường. m/s2 db0 Đường kính nhỏ nhất của bong bóng trong pha bong bóng. m db Đường kính của bong bóng trong pha bong bóng. m dbm Đường kính lớn nhất của bong bóng trong pha bong bóng. m dp,c Đường kính của than hoạt tính sinh ra sau nhiệt phân. m Hb Chiều cao của vùng tầng sôi. m Hf Chiều cao của vùng chuyển động tự do. m Db Đường kính của vùng tầng sôi. m ϕs Độ cầu của hạt rắn. - μg Độ nhớt trung bình của pha khí. Ns/m2 μgi Độ nhớt của cấu tử thứ i. Ns/m2 Re Chuẩn số Reynolds của dòng khí. - Rep Chuẩn số Reynolds của lớp hạt. - Ar Chuẩn số Archimedes. - Nu Chuẩn số Nusselt. - Aj Yếu tố va chạm của phản ứng thứ j. s-1 P Áp suất làm việc. atm Eaj Năng lượng hoạt hoá của phản ứng thứ j. J/mol G 0j Năng lượng Gibbs của phản ứng thứ j. J/mol g i0 Năng lượng tự do Gibbs của cấu tử thứ i. J/mol 6
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị Ri Tốc độ biến đổi chất của cấu tử thứ i. mol/s Ki Hằng số hấp thụ của cấu tử thứ i. Pa-1 Np Số hạt rắn trong một đơn vị thể tích không gian cân bằng. hạt Ap Diện tích bề mặt của hạt rắn. m2 mp Khối lượng hạt rắn trong không gian cân bằng. kg ρbu Khối lượng riêng đổ đống của nhiên liệu rắn. kg/m3 ρap Khối lượng riêng biểu kiến của hạt nhiên liệu rắn. kg/m3 Vp Thể tích của hạt nhiên liệu rắn. m3 fi Phần khối lượng của hạt rắn thứ i. -  mi Lưu lượng khối lượng của hạt rắn thứ i. kg/s xi Phần mol của cấu tử thứ i. - Cp,c Nhiệt dung riêng của than thiêu kết. J/kgK Dg Hệ số khuếch tán của hỗn hợp khí. m2/s Dij Hệ số khuếch tán của cấu tử i vào cấu tử j. m2/s Qadd Lượng nhiên liệu cần bổ sung thêm vào thiết bị đốt. kg/s Hdemand Nhiệt lượng cần thiết cho thiết bị khí hoá. J/s Qchar Lượng than thiêu kết không phản ứng hết. kg/s LHVchar Nhiệt trị thấp của than thiêu kết. J/kg LHVbiomass Nhiệt trị thấp của nhiên liệu. J/kg Hsyngas Nhiệt lượng do khí tổng hợp mang ra ngoài. J/s Hloss Nhiệt lượng tổn thất ra ngoài môi trường. J/s HHVbiomass Nhiệt trị cao của nhiên liệu. J/kg hg Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước. J/mol H Hàm lượng Hydro trong nhiên liệu. % M Hàm lượng ẩm trong nhiên liệu. % nadd Số mol nhiên liệu cần bổ sung. mol nair Số mol không khí đưa vào thiết bị đốt. mol 7
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị nchar Số mol than thiêu kết. mol Hr Chiều cao thiết bị đốt. m VwF Lưu lượng thể tích khí thải ở điều kiện làm việc. m3/s Ar Tiết diện cắt ngang của thiết bị đốt. m2 Dr Đường kính của thiết bị đốt. M Tr Nhiệt độ làm việc của thiết bị đốt. K qi Mật độ dòng nhiệt. W/m2 α Hệ số cấp nhiệt đối lưu. W/m2K qr Mật độ dòng nhiệt bức xạ. W/m2 dN Đường kính mũ gió. m dO Đường kính miệng phun. m uO Tốc độ khí qua miệng phun. m/s Hjet Chiều cao mũ gió. m NO Số miệng phun trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang Lỗ/m2 của tấm phân phối. PO Bước của miệng phun. m NOtot Tổng số miệng phun trên tấm phân phối. Lỗ nO Số miệng phun trên một mũ gió. Lỗ nN Số mũ gió trên tấm phân phối. mũ PN Bước của mũ gió. m Db Đường kính hộp gió. m De Đường kính cửa vào hộp gió. m He Khoảng cách từ cửa vào hộp gió tới tấm phân phối. m Dc Đường kính cyclone. m Dscrew Đường kính cánh xoắn của trục vít. m dscrew Đường kính của trục vít. m ρbiomass Khối lượng riêng đổ đống của nhiên liệu. kg/m3 8
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hữu cơ chủ yếu của vỏ trấu ...................................................12 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của vỏ trấu ...............................................................13 Bảng 1.3. Vỏ trấu và năng lượng sinh khối dùng cho sản xuất điện, năm 2005 ......16 Bảng 2.1. Yếu tố va chạm và năng lượng hoạt hoá của các phản ứng nhiệt phân ....36 Bảng 2.2. Enthanpy, năng lượng Gibbs và các hằng số nhiệt dung riêng của các cấu tử ở điều kiện tiêu chuẩn ...........................................................................................41 Bảng 2.3. Giá trị ban đầu để giải hệ phương trình phi tuyến xác định số mol của các cấu tử chất khí ...........................................................................................................41 Bảng 2.4. Yếu tố va chạm Ai và năng lượng hoạt hoá Eai ........................................59 Bảng 2.5. Các hằng số dùng để tính toán hằng số cân bằng .....................................60 Bảng 2.6. Hằng số hấp phụ của các cấu tử ở 1173 K ...............................................61 Bảng 2.7. Enthanpy của các phản ứng khí hoá .........................................................62 Bảng 2.8. Các hệ số dùng để tính toán khối lượng riêng của chất khí (Dải nhiệt độ: 0 – 15000C)...................................................................................................................64 Bảng 2.9. Các hệ số dùng để tính toán nhiệt dung riêng của Carbon và các chất khí (Dải nhiệt độ: 0 – 15000C) ........................................................................................65 Bảng 2.10. Các hệ số dùng để tính toán hệ số dẫn nhiệt của các chất khí (Dải nhiệt độ: 0 – 15000C) .........................................................................................................66 Bảng 2.11. Các hệ số dùng để tính toán độ nhớt của các chất khí ............................67 Bảng 2.12. Thể tích mol của các khí .........................................................................68 Bảng 3.1. Các thông số công nghệ cơ bản của công nghệ khí hóa ...........................77 Bảng 3.2. Kết quả tính toán thiết bị khí hoá .............................................................91 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Vỏ trấu .......................................................................................................12 Hình 1.2. Nguyên tắc hoạt động của lò khí hoá tầng cố định ...................................20 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò khí hoá tầng cố định ngược chiều ......22 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò khí hoá tầng cố định xuôi chiều .........23 Hình 1.5. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí hoá tầng sôi kiểu bong bóng ........26 Hình 1.6. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí hoá tầng sôi kiểu chảy rối ............27 Hình 1.7. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí hoá tầng sôi tuần hoàn .................28 Hình 1.8. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí hoá tầng sôi tuần hoàn hạt rắn trơ 29 Hình 1.9. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị khí hoá dòng cuốn theo ......................30 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống khí hoá tầng sôi vỏ trấu ...........33 Hình 2.2. Mô hình động học của quá trình phân huỷ vỏ trấu ...................................36 Hình 2.3. Quá trình khí hoá trong vùng tầng sôi.......................................................43 Hình 2.4. Không gian cân bằng chất dV = A.dz .......................................................45 Hình 2.5. Không gian cân bằng nhiệt dV = A.dz ......................................................49 Hình 2.6. Quá trình truyền chất giữa pha bong bóng và pha nhũ tương ...................57 Hình 2.7. Sơ đồ giải mô hình vùng nhiệt phân .........................................................73 Hình 2.8. Sơ đồ tính toán quá trình chia pha ............................................................74 Hình 2.9. Sơ đồ giải mô hình vùng tầng sôi..............................................................75 Hình 2.10. Sơ đồ giải mô hình vùng chuyển động tự do ..........................................76 Hình 3.1. Sự thay đổi thành phần các cấu tử trong vùng nhiệt phân theo nhiệt độ ..83 Hình 3.2. Sự thay đổi thành phần các cấu tử pha bong bóng ....................................84 Hình 3.3. Sự thay đổi thành phần các cấu tử pha nhũ tương ....................................85 Hình 3.4. Sự thay đổi thành phần các cấu tử của vùng tầng sôi theo chiều cao .......86 Hình 3.5. Sự thay đổi nhiệt độ pha rắn và pha khí vùng tầng sôi theo chiều cao .....87 Hình 3.6. Sự thay đổi thành phần các cấu tử trong vùng chuyển động tự do ...........89 Hình 3.7. Sự thay đổi nhiệt độ trong vùng chuyển động tự do theo chiều cao .........89 Hình 3.8. Sự thay đổi thành phần các cấu tử trong toàn bộ thiết bị theo chiều cao ..90 Hình 3.9. Độ chuyển hoá của carbon và hơi nước theo chiều cao ............................91 10
MỞ ĐẦU Với sự phát triển của các ngành công nghiệp thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn. Nguồn năng lượng đang được sử dụng phổ biến trên thế giới là từ nhiên liệu hoá thạch như dầu mỏ, than đá. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có giới hạn. Theo dự kiến thì trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp trong vòng 50 năm tới. Do đó mục tiêu cấp bách trong thời gian tới là tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế cho nhiên liệu hoá thạch để đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai. Mặt khác, việc chuyển hóa năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch và các loại vật liệu sinh khối đang gây ô nhiễm môi trường nên việc kiểm soát triệt để khí CO2 và các loại khí thải độc hại khác đang là mối quan tâm trên toàn thế giới. Ở Việt nam và một số nước sản xuất lúa gạo, trữ lượng vỏ trấu rất dồi dào. Do đó việc phát triển hệ thống khí hóa để chuyển hóa năng lượng từ vỏ trấu sang các dạng năng lượng khác là một việc làm có ý nghĩa và cần thiết, đây là nguồn năng lượng rất hiệu quả và góp phần bảo vệ môi trường. Đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình khí hóa trấu trong hệ thống tầng sôi tuần hoàn” với mục đích tìm hiểu và xây dựng mô hình toán học để mô tả quá trình khí hóa vỏ trấu trong hệ thống thiết bị tầng sôi tuần hoàn nhằm thu được nguồn khí tổng hợp có nhiệt trị cao và thân thiện môi trường. Nội dung của luận văn bao gồm 3 phần chính: - Tổng quan nhiên liệu vỏ trấu và công nghệ khí hóa - Xây dựng và giải mô hình khí hóa tầng sôi tuần hoàn - Ứng dụng mô hình trong tính toán hệ thống khí hóa trấu năng suất 500 kg/h 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU VỎ TRẤU VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 1.1. Vỏ trấu và tình hình sử dụng vỏ trấu 1.1.1. Thành phần và tính chất của vỏ trấu Vỏ trấu được tạo thành bởi vảy lá và mày hoa. Hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau. Phần cuối vỏ trấu là một cuống nhỏ quan sát được trên Hình 1.1. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát và được coi là phụ phẩm của nông nghiệp và thường được đốt hoặc bỏ đi [1]. Hình 1.1. Vỏ trấu Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt. Các thành phần chính của vỏ trấu được trình bày trong Bảng 1.1 và 1.2 [1, 2]. Bảng 1.1. Thành phần hữu cơ chủ yếu của vỏ trấu Thành phần hữu cơ Tỷ lệ % khối lượng α - Cellulose 35 - 40 Lignin 25 - 30 Hecmi - Cellulose 20 - 30 Nitơ và các thành phần khác 10 12
Bảng 1.2. Thành phần hoá học của vỏ trấu Thành phần hoá học Tỷ lệ % khối lượng Carbon 40,2 Hydro 5,0 Oxy 36,3 Nitơ 0,3 Lưu huỳnh 0,05 Clo 0,1 Tro 18,2 Ẩm 9,7 Ngoài các thành phần chính trên, trong vỏ trấu còn có các thành phần khác với hàm lượng nhỏ và một lượng ẩm nhất định (từ 8 đến 10%) tuỳ thuộc vào giống lúa và các điều kiện tồn tại khác nhau. Vỏ trấu có chiều dài từ 5 mm đến 10 mm, chiều rộng bằng khoảng 1/3 đến 1/2 lần chiều dài. Góc ma sát của vỏ trấu từ 350 đên 500 tuỳ thuộc vào độ ẩm và điều kiện môi trường. Trấu có khối lượng riêng khá nhỏ, khối lượng riêng đổ đống của trấu khoảng 426 kg/m3 [3]. Khối lượng riêng nhỏ có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình khí hoá cũng như các quá trình vận chuyển và bảo quản vỏ trấu. Trấu có nhiệt trị cao khá lớn, khoảng 16,2 MJ/kg và hàm lượng chất bốc khá lớn, khoảng 66% [2]. Do đó, với lượng vỏ trấu thu được từ nông nghiệp hàng năm có thể sử dụng làm nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng khác. 1.1.2. Hiện trạng sử dụng vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam Từ thời xa xưa, khi nền nông nghiệp vẫn chiếm ưu thế, vỏ trấu và các sản phẩm phụ từ nông nghiệp như rơm rạ, … được sử dụng làm chất đốt để đun nấu trong gia đình. Phần tro sau khi đốt được sử dụng làm phân bón cho cây trồng. Ngày nay, khi nền công nghiệp phát triển mạnh, con người đang ít sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp làm chất đốt. Sau một thời gian bị thải bỏ ra môi trường 13
thì hiện nay vỏ trấu đã có nhiều ứng dụng vượt trội trong công nghiệp và đời sống. Vỏ trấu được ứng dụng làm chất đốt trong các lò gạch, làm nhiên liệu sản xuất khí đốt thay thế cho LPG, LNG. Việc sử dụng trấu làm nhiên liệu đốt cho lò gạch phát sinh ra nhiều khí thải nên đã bị cấm sử dụng ở nhiều địa phương. Tuy nhiên, với nhiệt trị khá lớn và có sẵn quanh năm nên trấu hoàn toàn có thể được sử dụng làm nhiên liệu để sản xuất ra khí đốt thay thế cho các khí LPG, LNG. Khí đốt từ trấu có thể sửa dụng để đun nấu trong gia đình hoặc sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong chạy bằng khí, cho máy phát điện, nồi hơi…. Ngoài ra, trấu cũng có thể được sử dụng làm chất đốt để lấy khí làm khí sấy cho các hệ thống sấy trong công nghiệp. Trong thời gian gần đây, vỏ trấu được sử dụng để sản xuất SiO2, một hợp chất có vai trò quan trọng trong sản xuất sơn Nano, sơn chống cháy, sơn chống đạn. Ở một số vùng, vỏ trấu được ép lại thành củi trấu để sử dụng cho việc đun nấu hoặc kết hợp với các thành phần khác như xơ dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia… để tạo ra các vật liệu xây dựng xốp, nhẹ, có khả năng cách âm, cách nhiệt, chống thấm tốt. Nhờ đặc tính xốp, hàm lượng cac-bon cố định khá cao và hàm lượng chất bốc lớn, vỏ trấu là có thể làm nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính thay cho các nguồn nguyên liệu khác. Ngoài các ứng dụng trên, vỏ trấu còn được dùng làm phân bón, làm nguồn sản xuất các loại nấm ăn hoặc làm đệm sinh học trong các chuồng trại trong chăn nuôi gia cầm. Nhiều quốc gia sử dụng vỏ trấu và nhiên liệu sinh học để sản xuất điện năng. Ngoài ra, còn sử dụng công nghệ khí hoá trấu để sản xuất khí tổng hợp thay thế cho các loại khí đốt hiện có như LPG, LNG. Điện sinh học là sử dụng nhiên liệu sinh học để sản xuất điện năng. Một số hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới lấy nguồn năng lượng từ hệ thống đốt nhiên liệu sinh học trực tiếp, khí hoá nhiên liệu sinh học, nhiệt phân... Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ thống đốt trực tiếp. Họ đốt trực tiếp nguyên liệu sinh học để tạo hơi nước làm quay tua bin máy phát điện. Ngoài ra, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ vật liệu sinh học thông qua một quy trình gọi là nhiệt phân. Nhiệt phân xảy ra khi nhiên liệu sinh học được nung nóng trong điều 14
kiện thiếu oxy. Chúng sẽ biến đổi thành chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân. Có thể đốt dầu nhiệt phân giống như xăng để sản xuất điện năng. Một số hệ thống điện sử dụng nhiệt phân nhiên liệu sinh học hiện đang được sử dụng tại Mỹ. Mỹ là nước sản xuất điện từ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7500 MW điện mỗi năm, đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66000 việc làm. Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp... Ước tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30000 MW [7]. Ở nước ta, việc sử dụng vỏ trấu và các nguồn sinh khối khác chưa triệt để. Cho đến nay, vỏ trấu chủ yếu được sử dụng ở các vùng nông thôn làm chất đốt, phần không dùng đến được thải bỏ ra ngoài môi trường nên gây ô nhiễm môi trường ở nhiều tỉnh thành. Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, hai vùng trồng lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy. Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm. Vỏ trấu thường được sử dụng nhiên liệu đốt nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 12000 tấn vỏ trấu/năm [8]. Hơn nữa, do sự phát triển của các loại khí đốt có nguồn gốc từ dầu mỏ, than đá, nên nhu cầu sử dụng vỏ trấu làm chất đốt ngày càng giảm. Vì vậy, lượng lớn vỏ trấu hàng năm chỉ còn cách đốt hoặc thải ra ngoài môi trường. Việc đốt và thải vỏ trấu ra ngoài môi trường đang gây ô nhiễm môi trường khí và môi trường nước, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống con người. Để tận dụng được nguồn vỏ trấu, tránh gây ảnh hưởng đến môi trường, nhiều vùng miền trong cả nước, chủ yếu là các vùng nông thôn đang phát triển các hệ thống khí hoá để chuyển hoá vỏ trấu thành khí đốt phục vụ cho đời sống hàng ngày. Ở một số nhà máy để tận dụng nguồn nhiên liệu rẻ tiền và dồi dào này, công nghệ khí hoá vỏ trấu cũng đang dần được ứng dụng. Hiện nay, trong nước đã có một số dự án sản xuất điện từ vỏ trấu ở tỉnh An Giang, thành phố Cần Thơ, dự án sản xuất khí từ trấu để cung cấp cho sản xuất gốm sứ và ngói ở tỉnh Đồng Tháp. 15
1.1.3. Tiềm năng phát triển của vỏ trấu Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với nền nông nghiệp phát triển mạnh và là nước sản xuất và xuất khẩu gạo lớn của thế giới. Mặc dù quá trình đô thị hoá đang phát triển nhanh, diện tích sản xuất lúa gạo ngày càng bị thu hẹp nhưng nhờ thành tựu của khoa học kỹ thuật, sản lượng lương thực mỗi năm đều tăng trên 1 triệu tấn, năm 2015 đạt 45,1 triệu tấn [4]. Với tỷ lệ vỏ trấu và lúa khoảng 26% thì lượng vỏ trấu thu được sau khi xay xát tương đương 11,73 triệu tấn [5]. Tuy nhiên việc sử dụng lượng vỏ trấu thu được chưa thực sự hiệu quả. Do đó, cùng với việc phát triển của công nghệ khí hoá thì tiềm năng sử dụng vỏ trấu là rất lớn. Chiến lược và quy hoạch phát triển năng lượng tái tạo Việt nam đến năm 2015, tầm nhìn 2025 đưa ra con số tiềm năng khả dụng của năng lượng sinh khối cho sản xuất điện năm 2005 là khoảng 4,4 triệu tấn, chiếm một phần rất nhỏ của tổng tiềm năng sinh khối (Xem Bảng 1.3). Con số này tương đương với 230 đến 305 MW sản lượng điện sản xuất từ năng lượng sinh khối. Như vậy, tiềm năng sinh khối nói chung và tiềm năng sử dụng vỏ trấu nói riêng là rất lớn [6]. Bảng 1.3. Vỏ trấu và năng lượng sinh khối dùng cho sản xuất điện, năm 2005 Tiềm năng lý Tiềm năng khả Tiềm năng công Dạng sinh khối thuyết (triệu tấn) dụng (triệu tấn) suất (MW) Trấu 7,158 1,615 75 - 100 Bã mía 4,419 2,784 150 - 200 Phế phẩm gỗ 0,800 0,080 5 Tổng cộng 230 - 305 1.2. Phương pháp khí hóa 1.2.1. Khái niệm về khí hoá Khí hóa là phương pháp tạo ra năng lượng từ các dạng vật liệu hữu cơ khác nhau bằng cách chuyển hóa các loại vật liệu chứa carbon như than, dầu mỏ, nhiên liệu sinh khối thành carbon monoxit, hydro và methane thông qua các phản ứng với ôxy, carbon dioxit và hơi nước ở nhiệt độ cao. Sản phẩm khí thu được từ quá trình khí hóa được gọi là khí tổng hợp và là một dạng nhiên liệu. Ngoài khí tổng hợp còn 16
có các chất thải như tro, hắc ín. Các chất này cần phải loại bỏ khỏi khí tổng hợp trước khi sử dụng. 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp khí hóa a. Ưu điểm của phương pháp khí hóa Phương pháp khí hóa tạo ra khí tổng hợp hiệu quả hơn nhiều so với việc đốt trực tiếp các nguồn nhiên liệu. Khí tổng hợp có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, sử dụng để sản xuất methanol và hydro hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu tổng hợp. Phương pháp khí hóa cũng có thể áp dụng với các loại nhiên liệu không có ích khác như các phế thải hữu cơ hay sinh khối. Quá trình đốt ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ các thành phần tro ăn mòn như các hợp chất có chứa clorua, kali tạo thành sản phẩm khí sạch. Khí hóa là phương pháp toàn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới, hoặc các vật liệu hữu cơ chứa carbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp, …) thành các nguyên liệu hóa chất quan trọng như CO, H2 và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng. Khả năng sản xuất một cách hiệu quả điện năng, hydro và các nguyên liệu hóa chất khác, cũng như khả năng cắt giảm khí gây ô nhiễm đang làm cho công nghệ khí hóa trở thành một trong những công nghệ tốt cho các ngành năng lượng và hóa chất của tương lai, nhất là khi giá thành các nguồn nguyên liệu dầu khí có xu hướng dao động mạnh trước những biến động kinh tế, chính trị trên thế giới và ngày càng trở nên khan hiếm hơn. Hydro và các loại khí khác có trong khí tổng hợp có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm hóa chất quan trọng như amoniac, urê, các sản phẩm hữu cơ ... hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện. Khí hóa cũng là phương pháp tốt nhất để sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô và pin nhiên liệu trong tương lai. b. Nhược điểm của phương pháp khí hóa Phương pháp khí hóa có khả năng cắt giảm khí gây ô nhiễm tuy nhiên vẫn còn lượng nhỏ CO2, SO2, NOx, …phát thải ra môi trường. Chính vì vậy, việc khí hóa gián tiếp góp phần vào quá trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn 17