ISSN 1859-1531 - TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH - ĐẠI HC ĐÀ NẴNG, VOL. 22, NO. 7, 2024 33
NGHIÊN CU THC NGHIM CI THIN CHT NG SYNGAS T
KHÍ HÓA RDF SINH KHI VI CHT OXY HÓA KHÔNG KHÍ B SUNG
OXY
EXPERIMENTAL STUDY ON IMPROVING SYNGAS QUALITY FROM
RDF BIOMASS USING OXY-ENRICHED AIR AS OXIDANT
Phùng Minh Tùng*, Khc Thnh, Phm n Quý, Thành , Hoàng Văn Vit
Trường Đại hc phm K thut - Đại hc Đà Nng, Vit Nam1
*Tác gi liên h / Corresponding author: pmtung@ute.udn.vn
(Nhn bài / Received: 22/3/2024; Sa bài / Revised: 03/6/2024; Chp nhận đăng / Accepted: 04/6/2024)
m tt - Khi tăng hàm ng oxy trong không khí làm cht
oxy hóa cho lò khí hóa RDF sinh khi t nhit độ cc đại ca
k hóa và nhit tr syngas thu đưc ng, gp ci thin q
trình khí hóa cht lượng syngas. Nghn cu thc nghim
này tp trung vào vic nghn cu ci thin cht ng khí
syngas bng cách làm giàu khí Oxy vào không k cp cho lò
khí hóa kiu hút xung. Khi làm giàu k oxy, nhiệt độ cực đi
của lò tăng lên đến 1020oC nhưng kng làm thay đi v trí các
vùng phn ng. Tng thành phn các cht khí cháy trong
syngas 41%, 61%, 67% 73% khi cht oxy hóa là không
khí đưc làm giàu bi 0%, 10%, 20% 30% oxy. K hóa
sinh khi vi chất oxy hóa là không khí đưc làm giàu bng
khí oxy giúp nâng cao cht ng syngas, tạo điều kin ng
dng nhiên liu i to y trên các đng đốt trong.
Abstract - Increasing the oxy content in the air as an oxidizing
agent during RDF biomass gasification enhances both the
maximum temperature of the gasification furnace and the heat
value of the resulting syngas, thereby improving the gasification
process and syngas quality. This experimental study focuses on
investigating the improvement of syngas quality by enriching the
oxy content in the air supplied to the downdraft gasification
furnace. Enriching the air with oxy raises the maximum
temperature of the furnace to 1020°C without altering the reaction
zones. The overall composition of combustible gases in syngas is
41%, 61%, 67%, and 73% when the oxidizing agent is air
enriched with 0%, 10%, 20%, and 30% oxy, respectively.
Gasification of biomass with oxy-enriched air enhances the
quality of syngas, facilitating the application of this renewable
fuel in internal combustion engines.
T khóa - Năng lượng tái to; RDF; Syngas; Khí hóa; Nhit tr
thp
Key words - Renewable energy; RDF; Syngas; Gasification;
Lower heating value
1. Gii thiu
Trong nhng năm gn đây, thế gii đang đối mt vi s
gia tăng nhanh chóng nhit độ do phát trái các knhà kính.
Để đảm bo mc tăng nhit độ bu khí quyn không quá
2°C so vi thi k tin công nghip theo tha thun Paris
2015 thì ng phát thi ròng CO2 hàng năm trên toàn cu
phi gim xung mc bng 0 hoc âm ròng vào năm 2050.
Vào cui năm 2021, ti Hi ngh thường niên v chng biến
đổi khí hu ln th 26, các quc gia đã đề ra chiến c
Net-Zero. Ti hi ngh này, Vit Nam cũng cam kết gim
phát thi CO2 đạt mc tiêu Net-Zero vào năm 2050 [1]. Để
đạt được mc tiêu này, ct gim phát thi CO2 cn đến n
lc toàn cu. Vic s dng năng ng tái to thay cho năng
ng hóa thch gii pháp không th trì hoãn.
Việt Nam là nước nông nghip nên có nhiu tiềm năng
v năng lượng sinh khi. Các cht thi rn hữu trong
sinh hot và sn xut nông thôn được chế biến thành viên
nén nhiên liu RDF. T đó, RDF được chuyn thành k
tng hp syngas thông qua khí a. Phương pháp khí
hóa có th gim 70% trọng lưng và 90% th tích cht thi
rn, gim phát thi khí nhà kính, tiết kim diện tích đất
chôn lp [2].
nhiu công ngh khí hóa hin nay đang được áp
dng rng rãi trong công nghip, tuy nhiên mi công ngh
đều ưu, nhược điểm, khác nhau v công ngh chế to
1 The University of Danang University of Technology and Education, Vietnam (Phung Minh Tung, Le Khac Thinh,
Pham Van Quy, Vo Thanh Vu, Hoang Van Viet)
loi nhiên liu s dng.khí hóa tng c định là kiu
có v trí các vùng phn ứng xác định (vùng sy, vùng nhit
phân, vùng oxy hóa (cháy), vùng kh (to khí). Loi lò khí
hóa tng c định này 3 kiu: hút xung (downdraft),
lò hút lên (updraft) và lò hút chéo (crossdraft). Khác vi lò
khí hóa tng c định, thiết b khi hóa tng sôi không
vùng phn ng riêng bit và quá trình làm khô, nhit phân
khí hóa xảy ra đồng thi trong quá trình trn. Chúng
phc tp và s dng h thống điều khiển đt tin. vy
thiết b khí a tầng sôi thường áp dng vi quy
kích thước ln.
Trong phm vi s dng có quy mô nh, loi lò khí hóa
tng c đnh nhiều ưu điểm hơn: có kết cấu đơn giản, d
chế to, giá thành r vận hành đơn giản. Hơn nữa, đi
vi lò khí hóa tng c định thì loi downdraft dòng khí
thoát ra đi qua vùng nhiệt độ cao giúp làm giảm lượng hc
ín trong syngas. Do đó, loi này cho ra khí syngas
chất lượng tt nht, phù hợp để làm nhiên liệu cho động
đốt trong kéo máy phát điện có công suất dưới 10 kW [3].
Vì vy, trong nghiên cu này, nhóm tác gi s dng loi lò
khí hóa tng c định kiu downdraft.
Viên nén sinh khi thành phn t rác thi ca quá
trình hoạt động nông lâm nghiệp đưc s dng trong
nghiên cu thc nghim này. Thành phần, kích thước đồng
nhất và đ m khong 10%. Thông s c th ca viên nén
34 Phùng Minh Tùng, Lê Khc Thnh, Phạm Văn Quý, Võ Thành Vũ, Hoàng Văn Việt
đưc th hin Hình 1 Bng 2.
V ng dng ca khí tng hp trong động đốt trong,
các nghiên cu gn đây cho thy, cn lưu ý hai vn đề liên
quan đến tp cht trong khí tng hp hin ng gim
công sut động do nhit tr ca nhiên liu thp. So vi
vic ng dng khí tng hp trên tuabin khí, vic s dng
nhiên liu này trong động đốt trong phù hp hơn do yêu
cu v mc độ tp cht trong nhiên liu khí tng hp ít
nghiêm ngt hơn. Trong s các loi tp cht, hc ín cha
trong khí tng hp tr ngi ln nht đối vi động cơ. Đối
vi động đốt trong c nh, vic s dng khí hóa tng
c định kết hp với điều kin vn hành nhiệt độ phn ng
cao độ m thp mt phương án nhm hn chế đưc
ng hc ín [4-5], thích hp vi hình dùng để thc
nghim sn xut syngas [6].
Syngas khí tng hp bao gm các cht giá tr sinh
nhit như H2, CO, CH4, n li các tp cht như N2, H2O,
CO2 các cht vi ng như H2S, NH3, HCN, HCl, thy
ngân,... Thông tng trong syngas đến mt na các
khí trơ. Nếu s dng hơi c hoc O2 làm cht oxy hóa
thì nhit tr trung bình ca syngas khong t 10 MJ/Nm3
đến dưới
30 MJ/Nm3. Trong khi đó, nếu ch dùng không khí làm cht
oxy hóa thì nhit tr syngas nm trong khong 4-7 MJ/Nm3
[7]. Thành phn th tích ca syngas khi s dng không khí
làm cht oxy hóa thường 18-20% H2, 18-20% CO, 2%
CH4, 11-13% CO2, mt ng H2O phn còn li N2
[8]. Thành phn N2 trong syngas chiếm đến 50% làm cho
nhit tr syngas rt thp nh ng đến vic vn hành
động đốt trong. vy, khi s dng syngas làm nhiên
liu thì công sut động gim mt phn do gim h s
np và mt phn khác là nhit tr nhiên liu thp [9]. Khi
s dng syngas trên động đánh la ng bc, mc tt
gim công sut th lên ti 50%, trong đó gim do nhit
tr nhiên liu lên đến 30% [9]. Để khc phc vấn đề này,
th b sung vào syngas bng các loi nhiên liu nhit tr
cao hơn như H2 hay biogas [10]. Tuy nhiên, gii pháp k
thut này không loi tr đưc các cht khí trơ trong syngas
để ci thin nhit tr nhiên liu. Thành phn N2 trong
syngas chiếm trên 50% làm cho nhit tr syngas rt thp
nh ng đến kh năng vận hành động cơ.
Trong nghiên cu này s trình bày kết qu nghiên cu
thc nghim nâng cao thành phn các cht khí cháy CH4,
CO, H2 trong syngas nh s dng cht oxy hóa không
khí có b sung oxy cho lò khí hóa kiu hút xung.
2. Phương pháp nghiên cu
2.1. Nghiên cu thuyết
Các quá trình xy ra trong khí hóa đưc t như
sau:
Quá trình sy: Biomass thô đưc làm khô i tác đng
ca nhit t quá trình đốt cháy. Vùng làm khô đặt trên vùng
nhit phân. Phương trình tng quát:
CxHyOz.nH2O CxHyOz + nH2O (1)
Quá trình nhit phân: Biomass đưc oxy hóa nhit độ
cao to thành than các khí CO, H2, CO2, H2O tp cht.
Vùng nhit phân đặt gia tng đốt cháy vùng làm khô.
CxHyOz C + CO + H2 + CO2 + H2O + Tp cht (2)
Sau quá trình nhit phân thành phn ch yếu than
(Carbon) cùng h thng khí, hơi c (CO + H2 + CO2 +
H2O) nhng tp cht khác như H2S.
Quá trình đt cháy: Hn hp khí than t quá trình
nhit phân đưc đốt cháy vi oxy t không khí, to ra CO2,
H2O khí tp cht N2 (được làm sch sau đó).
C + CO + H2 + CO2 + H2O CO2 + H2O (3)
Phn không cháy hết (C) s đưc đưa đến tng nén phía
i.
Quá trình sinh khí: CO2 H2O t quá trình đốt cháy
đưc điu chế li thành khí đốt cháy CO H2 trong tng
sinh khí qua than nóng (ca quá trình nhit phân).
CO2 + H2O + 2C 3CO + H2 (4)
Sau khi đi qua khí hóa, hn hp khí thu đưc gm
các khí đốt CO + H2 đưc làm sch tp cht làm ngui
trước khi chuyn đến động phát đin. Quá trình sinh khí
đưc t động hoàn toàn các phn ng hóa hc c th
đưc trình bày Bng 1 [11].
Bng 1. Các phn ng trong khí hóa
Giai
đon
Phn ng
S phn ng/
loi phn ng
Nhit
phn ng
(KJ/Kmol)
Sy
CxHyOz.nH2O
CxHyOz + nH2O
Để hydro hóa (1)
<0
Nhit
phân
CxHyOz CaHb + CO
Nhit phân (2)
<0
CxHyOz CnHmOp
Nhit phân (3)
<0
Đốt
cháy
2C + O2 2CO
Oxy hóa mt phn (4)
+110,700
C + O2 CO2
Oxy hóa CO (5)
+283,000
2CO + O2 2CO2
Oxy hóa hoàn toàn (6)
+393,790
CxHyOz CO2 + H2O
Oxy hóa hoàn toàn (7)
>>0
2H2 +O2 2H2O
Oxy hóa H2 (8)
+241,820
CO + H2O CO2+ H2
Oxy hóa kh H2O /
CO (9)
+41,170
CO2 + 3H2 CH4 +
H2O
Oxy hóa kh metan
(10)
+206,300
Sinh
khí
C + H2O CO+ H2
Oxy hóa kh sinh khí
hóa (11)
-131,400
C + CO2 2CO
Oxy hóa kh sinh khí
CO (12)
-172,580
CO2 + H2 CO+ H2O
Oxy hóa kh sinh khí
CO (13)
-41,170
C + H2 CH4
Oxy hóa kh sinh khí
CH4 (14)
+74,900
Viên RDF g hình dng tr, vi đưng kính trung
bình 10 mm chiu dài trong khong t 10 mm đến
15 mm như Hình 1. Trong nghiên cu thc nghim này các
viên nén đưc sp xếp mt cách ngu nhiên.
Hình 1. Hình nh viên nén RDF g
ISSN 1859-1531 - TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH - ĐẠI HC ĐÀ NẴNG, VOL. 22, NO. 7, 2024 35
Bng 2. Thành phn ca viên nén RDF g
C (khô, không tro)
50,02
H
6,43
N
0,09
S
0,09
O
43,37
Tro
0,3
Nhit tr thp (LHV)
15,37 MJ/kg
Nghiên cu đưc thc hin phng bng phn mm
3D Solidworks vi loi khí hóa tng c định kiu
downdraft các kích thước thiết kế như sau: Vùng hoàn
nguyên đưng kính 150mm, cao 150mm, vùng cháy
dng phu chiu cao 150mm.
Hình 2. phng khí hóa bng phn mm Solidworks
Hình 3. V trí các tng ca khí hóa
Bng 3. Kích thước cơ bn
Kí hiu
Tên
Giá tr Đơn vị
D
Đưng kính
450
mm
Do
Đưng kính thót
150
mm
Hs
Chiu cao vùng sy
655
mm
Hnp
Chiu cao vùng nhit phân
150
mm
Hch
Chiu cao vùng cháy
187
mm
Hkh
Chiu cao vùng kh
168,34
mm
Hđ
Chiu cao vùng đệm, tro x
250
mm
3. Nghiên cu thc nghim
3.1. Thiết b thc nghim
Hình 4. B trí h thng thc nghim khí hóa kiu hút xung
Hình 4 gii thiu toàn b thiết b thc nghim sn xut
syngas bng kiu downdraft. khí hóa đưc thiết kế
với kích thước phù hp cho vic thc nghim. Cht oxy
hóa được đưa vào tâm thông qua qut thi, th
không khí t nhiên hoc oxy b sung t bình khí nén. Đ
giám sát nhiệt độ, các cm biến nhiệt độ đưc lắp đặt dc
và cách đu trên thân lò khí hóa.
Hình 5. Cm biến nhit độ tâm vùng cháy
Hình 5 gii thiu cm biến nhit đ tâm vùng cháy vi
các thông s như Bng 4.
Bng 4. Thông s k thut cm biến nhit độ
Chiu dài
300mm
Đưng kính
11mm
Tín hiu đầu ra (analog)
4-20mA
B ngun
24V DC
Phm vi đo
00-12000C
Loi cm biến
Integrated Temperature Transmitter
Nhà sn xut
Tianjin U-ideal Instrument Co., Ltd
- Máy phân tích khí:
Hình 6. Máy phân tích khí
Syngas cha các khí cháy CO, CO2, CH4, H2
còn li N2. Trong thí nghim này, nhóm nghiên cu s
dngy đo Gasboard-3100P vi các thông s ti Bng 5.
36 Phùng Minh Tùng, Lê Khc Thnh, Phạm Văn Quý, Võ Thành Vũ, Hoàng Văn Việt
Bng 5. Bng thông s máy phân tích khí
Bộ nguồn
Pin bên trong Li-ion, nguồn điện sạc ngoài
12,6V
Độ lặp lại
1%
Kiểu màn hình
hiển th
Màn hình LCD
Sai số
CO/CO2/CH4/H2/O2/C2H2/C2H4/CnHm: ± 1%
F.S.;O2/ H2: ± 2% F.S.
Điều kiện khí mẫu
Không hắc ín, không bụi không ớc
Thời gian phản hồi
T90<15S(NDIR)
Lưu ng khí lấy
mẫu
(0.7~1.2)L/min
Áp suất khí đầu vào
(2~50) Kpa
Các chất đo
CO/CO2/CH4/H2/O2/C2H2/C2H4/CnHm: NDIR;
H2: TCD; O2: ECD;
Cổng trao đổi
RS-485/RS-232
Khí
CO/CO2/CH4/H2/O2/C2H2/C2H4/CnHm*/tính
giá trị nhiệt ng
Giới hạn đo
CO/CO2/CH4/H2: (0~100)% O2: (0~25)%;
C2H2/C2H4/CnHm: (0~10)% (không bắt buc)
3.2. Quy trình thc nghim
Trưc tiên, đổ mt ng RDF va đến ming ca
đưng cp khí chính (khong 5 kg), sau đó tiến hành mi
la. Đốt khong 0,2 kg RDF đ làm lp mi cho vào
để khi động lò. Qut thi cp khí đưc điu chnh vi lưu
ng ln để nhit độ vùng cháy tăng nhanh khiến các viên
nén mi d dàng cháy lan ra. Quan sát nhit độ thông
qua các cm biến nhit độ. Khi đạt trên 150oC th đ
đầy RDF vào đóng np lò.
Hình 7. Quá trình khởi động
Sau khi đóng np t 10 đến 15 phút, quan sát các cm
biến nhit đ gn quanh thân đề điu chnh qut thi
van cp khí đến lưu ng phù hp vi yêu cu ca thí
nghim. Quan sát cho đến khi syngas thoát ra n định
thông qua máy phân tích kđể xác đnh thành phn syngas
n định thì bt đầu tiến hành ly s liu ly khí. Khí
syngas thu đưc s đưc np vào vào túi cha khí th
tích xác đnh.
4. Kết qu bình lun.
4.1. So nh thành phn khí syngas vi cht oxy hóa
không khí vi các di lưu ng khác nhau
Hình 8. So sánh thành phn khí syngas ng với lưu lượng không
khí c định lần lượt là 80, 90, 185, 300 L/min
Hình 8 gii thiu so sánh thành phn khí syngas ng
với lưu lượng không khí c định lần lượt 80, 90, 185,
300 L/min. T đồ th trên ta thy, đối vi mức lưu lượng
không khí 90 L/min thì nồng độ các cht CO, CH4, H2 ln
ợt là 24,51%, 5,4%, 12,35% cao hơn các trường hp còn
lại. Do đó, với mức lưu lượng không khí 90 L/min thu được
syngas vi giá tr tt nht vi 42,26% tng thành phn khí
cháy nhit tr 6,6402 MJ/kg. Tuy nhiên, t l này vn
còn thp, chưa đạt ti 50%. Vì vậy, để có th s dng cho
động đt trong không làm gim đáng kể công sut
của động cơ, cần phi nâng cao t l kcháy trong syngas.
B sung oxy vào làm chất oxy hóa phương án thể
nâng cao thành phn khí cháy trong syngas. Phn thc
nghiệm sau đây trình bày kết qu thu được khi b sung oxy
vào không khí vi mc 0%, 10%, 20% và 30%.
4.2. Kết qu thc nghim nhit độ thân khí hóa
Hình 9. Kết qu thc nghim nhiệt độ thân lò khí hóa
các điều kin khí hóa khác nhau
Hình 9 gii thiu kết qu di nhiệt độ thân lò. Thc
nghiệm được thc hin ti 10 v trí đo cách nhau 100mm
t ghi khí a. Nhiệt độ cực đại khí a đạt được ngay
ti v trí ca ming đường ng cấp khí không thay đi
v trí. Nhiệt độ cực đại đạt trên 1000oC khi cht oxy hóa là
ISSN 1859-1531 - TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH - ĐẠI HC ĐÀ NẴNG, VOL. 22, NO. 7, 2024 37
không khí được b sung 30% oxy với lưu lượng không khí
c định 90 L/min.
4.3. So sánh kết qu thc nghim
Trưng hp khi khí khóa vi cht oxy hóa hoàn toàn là
không khí, tng thành phn các khí cháy như CO, CH4, H2
chiếm t l thp, khong 41%.
Khi tăng hàm lượng oxy trong cht oxy hóa lần lượt
10%, 20%, 30% dẫn đến nồng đ/thành phn khí N2 gim,
nhiệt đ c vùng phn ng tăng nhiệt độ khu vc hoàn
nguyên tăng ảnh hưởng tích cực đến quá trình khí hóa làm
tăng tng nồng độ các khí cháy lần lượt 61%, 67%
73% dẫn đến tăng nhiệt tr syngas.
Lưu lượng không khí cp vào được gi mc c
định 90 L/min. Kết qu thc nghim là giá tr trung bình
ca 06 ln thí nghiệm đối vi mỗi trường hp.
Hình 10. Thành phn syngas khi khí hóa vi
cht oxy hóa hoàn toàn là không khí
Hình 11. Thành phn syngas khi b sung 10% oxy
Hình 12. Thành phn syngas khi b sung 20% oxy
Hình 13. Thành phn syngas khi b sung 30% oxy
Hình 14 biu din tng quát các giá tr syngas thu đưc
t khí hóa viên nén sinh khi vi cht oxy hóa là không khí
và không khí được b sung bi lần lượt là 10%, 20%, 30%
oxy. Chúng ta thấy khi tăng hàm lượng O2 làm giàu không
khí thì thành phn c khí cháy được CO, H2, CH4 trong
syngas đều tăng dẫn đến tăng nhiệt tr ca nhiên liu. Nhit
tr nhiên liệu tăng lần lượt là 40%, 50% và 55% tương ứng
với không khí được làm giàu bi 10%, 20%, 30% oxy so
vi khi s dng chất oxy hóa không khí. Điu này giúp
nâng cao chất lượng syngas, tạo điều kin ng dng nhiên
liu tái tạo này trên các động cơ kéo máy phát đin.
Hình 14. Đồ th radar biu din thành phn và nhit tr ca
syngas khi cht oxy hóa là không khí và không khí được b sung
lần lượt 10, 20, 30% oxy
Bng 6. Thành phn các cht khí cháy và nhit tr tng
trường hp
CH4
CO
CO2
H2
QLHV
100%Air
5,4
24,51
15,91
10,98
6,2034
10%02
7,71
35,52
17,65
17,97
9,3156
20%02
8,42
38,63
20,21
20,11
10,55
30%02
8,58
44,26
22,85
20,53
11,008
H s
8,6
44,3
22,9
20,55
11,1
5. Kết lun
Kết qu nghiên cứu trên đây cho phép rút ra đưc
nhng kết lun sau:
- Khi cht oxy a không khí với lưu lượng 90 L/min,
thành phn các cht kcháy nhit tr đạt được giá tr
ln nht là 42,26% và 6,6402 MJ/kg.