Tóm tắt Luận án tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp phân tích nhiệt và tính toán năng lượng hoạt hóa của quá trình. Đánh giá sản phẩm của quá trình nhiệt phân, phân tích thành phần và tính chất hóa học của chúng. Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa như tốc độ dòng khí cấp qua vùng thắt (SVa), tỷ lệ mol hơi nước và cacbon (S/C), đánh giá hiệu quả của quá trình khí hóa. Phân tích các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhiên liệu hóa thạch có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế của các quốc gia trên toàn thế giới. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt trong khi nhu cầu ngày càng tăng. Bên cạnh đó sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất năng lượng phát thải khí NOx, SOx, CO2 gây hiệu ứng nhà kính gây ra tác động đến môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, nghiên cứu phát triển nguồn nhiên liệu mới có khả năng tái tạo và bổ sung thêm vào nguồn nhiên liệu để sản xuất năng lượng là vấn đề quan trọng trên toàn thế giới. Việt Nam là đất nước có khí hậu nhiệt đới nên nguồn sinh khối rất dồi dào. Theo số liệu thống kê có khoảng hơn 100 triệu tấn sinh khối gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và từ phụ phẩm nông nghiệp, chủ yếu là trấu, bã mía, ngô,…. Với công nghệ hiện nay, chuyển hóa các phụ phẩm nông lâm nghiệp có thể tạo ra năng lượng nhiệt, điện theo phương pháp truyền thống như đốt cháy để sản xuất điện. Các công nghệ mới như khí hóa sinh khối để sản xuất điện theo công nghệ dùng chu trình tích hợp khí hóa (Integrated gasification combined cycle, IGCC) hoặc sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ, cho tuabin khí hoặc sử dụng cho pin nhiên liệu,…đang được nghiên cứu phát triển. Vì vậy, sử dụng khí hóa sinh khối là phương pháp để nâng cao giá trị của phụ phẩm nông lâm nghiệp, ngoài ra còn giảm phát thải khí nhà kính, đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng cho quốc gia. Nghiên cứu công nghệ khí hóa sinh khối thành khí nhiên liệu sử dụng sản xuất điện, nhiệt, vận hành động cơ đốt trong hay sản xuất hóa chất bắt đầu được quan tâm nghiên cứu tại trường đại học và các trung tâm nghiên cứu tại Việt Nam. Để làm chủ công nghệ khí hóa thì cần phải hiểu rõ các đối tượng sinh khối sẽ sử dụng làm nguyên liệu và bản chất biến đổi hóa học khi tiến hành khí hóa, các yếu tố quan trọng ảnh hướng đến quá trình khí hóa, thiết kế thiết bị khí hóa, xử lý khí sản phẩm và sử dụng khí sản phẩm,.... cần được nghiên cứu. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo và quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu dưới đây. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nhiệt phân của gỗ keo và xác định điều kiện phù hợp để khí hóa sản xuất khí nhiên liệu (có thành phần khí cháy CO, H2 và hàm lượng hắc ín thấp), định hướng sử dụng cho động cơ đốt trong để sản xuất điện. 1
3. Nội dung nghiên cứu cụ thể của luận án 1- Nghiên cứu, phân tích và đánh giá thành phần kỹ thuật: hàm ẩm, hàm lượng chất bốc và hàm lượng tro; thành phần nguyên tố như cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh. Phân tích hàm lượng oxit kim loại trong tro và xác định nhiệt độ chảy mềm của tro gỗ keo. Phân tích xác định các liên kết, nhóm chức trong gỗ keo. 2- Nghiên cứu quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp phân tích nhiệt và tính toán năng lượng hoạt hóa của quá trình. Đánh giá sản phẩm của quá trình nhiệt phân, phân tích thành phần và tính chất hóa học của chúng. 3- Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa như tốc độ dòng khí cấp qua vùng thắt (SVa), tỷ lệ mol hơi nước và cacbon (S/C), đánh giá hiệu quả của quá trình khí hóa. Phân tích các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa. 4- Nghiên cứu nâng cấp chất lượng khí nhiên liệu bằng phương pháp cấp thêm oxy trong quá trình khí hóa và bước đầu nghiên cứu reforming toluen (thành phần chính của hắc ín) sử dụng xúc tác Ni/Char. 4. Ý nghĩa về khoa học và thực tiễn của luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu về thành phần kỹ thuật của gỗ keo là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng và giải thích các quá trình xảy ra cũng như các thông số cho thiết kế, chế tạo thiết bị khí hoá. Ngoài ra, kết quả, luận giải về thành phần kỹ thuật của gỗ keo tạo nền tảng để nghiên cứu mở rộng hướng ứng dụng cũng như nghiên cứu cho các loại sinh khối khác. - Đã đưa ra được phương pháp luận để đánh giá quá trình nhiệt phân sinh khối và có thể áp dụng cho các đối tượng nghiên cứu khác. - Phân tích, biện luận và bình chú về thiết bị khí hoá, công nghệ khí hóa và trình bày các kết quả nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng đến quá trình khí hóa, giúp cung cấp thông tin cơ sở và khoa học cho các nghiên cứu sau này. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn - Những phân tích chi tiết về thành phần kỹ thuật của gỗ keo cung cấp đầy đủ thông tin để góp phần sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu sinh khối cho quá trình cháy, quá trình nhiệt phân và quá trình khí hóa. - Góp phần làm chủ công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện và có khả năng áp dụng ở quy mô công nghiệp tại Việt Nam khi sử dụng nguyên liệu là gỗ keo với công suất phát điện < 1MWh. 5. Những đóng góp mới của luận án - Lần đầu tiên đã xác định được thành phần kỹ thuật của gỗ keo Việt Nam: hàm lượng chất bốc, hàm lượng cacbon cố định, hàm lượng tro và 2
thành phần hóa học: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, các thành phần oxit kim loại trong tro và nhiệt độ chảy mềm của tro, nhiệt trị. - Đã phân tích và lượng hóa được các sản phẩm hình thành trong quá trình nhiệt phân. Xác định được năng lượng hoạt hóa phản ứng nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp phân tích nhiệt. Char hình thành trong quá trình nhiệt phân chủ yếu do phân hủy nhiệt của lignin. - Lần đầu tiên nghiên cứu sử dụng gỗ keo làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa tạo ra khí nhiên liệu. Đã tìm được các thông số công nghệ (S/C, SVa và nồng độ oxy phù hợp) để khí hóa gỗ keo sản xuất khí nhiên liệu trong thiết bị khí hoá thuận chiều đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Đã đề xuất các phản ứng chính xảy ra tại các vùng của thiết bị khí hoá dựa vào nhiệt độ, tốc độ dòng khí, hàm lượng khí và đã viết được phản ứng hóa học xảy ra từng vùng. - Đã phát hiện ra quy luật khoa học, mối liên quan giữa hàm lượng chất bốc, hàm lượng cacbon cố định và vai trò của chúng đối với các phản ứng quan trọng của thiết bị khí hoá. Hàm lượng chất bốc và hàm lượng cacbon cố định của sinh khối liên quan trực tiếp đến sự hình thành sản phẩm khí lỏng và rắn trong quá trình nhiệt phân. Khi khí hóa sinh khối có hàm lượng chất bốc nhiều thì phản ứng reforming các hydrocacbon lỏng thành CO và H2 chiếm ưu thế. Lignin trong sinh khối đóng vai trò chính hình thành char khi nhiệt phân. Hàm lượng lignin lớn sẽ hình thành nhiều char khi nhiệt phân và quá trình khí hóa char tạo CO và H2 cũng sẽ có vai trò quan trọng. 5. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 152 trang: Mở đầu 3 trang; Chương 1 - Tổng quan 17 trang; Chương 2 - Thực nghiệm 20 trang; Chương 3 - Kết quả và thảo luận 55 trang; Kết luận và đề xuất 2 trang; Tài liệu tham khảo gồm 117 tài liệu; Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án 1 trang, phụ lục 30 trang. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Các công nghệ nhiệt hóa học mới để chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu Quá trình nhiệt hóa học chuyển hóa sinh khối thành hóa chất hoặc thành nhiên liệu là hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Ở Việt Nam, công nghệ mới có tiềm năng ứng dụng chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu như công nghệ nhiệt phân, công nghệ khí hóa và quá trình thủy nhiệt. 1.2. Công nghệ khí hóa để sản xuất khí nhiên liệu Thiết bị khí hóa thuận chiều lớp cố định có ưu điểm là khí sản phẩm có hàm lượng hắc ín thấp hơn, thiết kế đơn giản hơn, chi phí đầu tư thấp, khí 3
sản phẩm rất linh hoạt thích ứng cho các nhu cầu phụ tải khác nhau. Bên cạnh đó, thiết bị loại này cũng có nhược điểm thiết bị có kích thước lớn, yêu cầu cụ thể về nhiên liệu (kích thước, hình dạng và hàm ẩm), nhiệt trị khí sản phẩm trung bình, có thể đóng xỉ và với mỗi quy mô sử dụng thì cấu tạo thiết bị và điều khiển vận hành có thể khác nhau. Với mục tiêu sản xuất khí nhiên liệu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong để sản xuất điện, thiết bị khí hoá thuận chiều được lựa chọn để sản xuất khí từ sinh khối cho quá trình sản xuất điện với quy mô nhỏ phân tán với công suất nhỏ hơn 1 MWh, tuy nhiên phải nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của chúng. 1.3. Lựa chọn nguyên liệu cho quá trình khí hóa Nguyên liệu được lựa chọn dựa vào tiềm năng, đặc tính kỹ thuật, thành phần hóa học và nhiệt trị của nó. Việt Nam có diện tích trồng keo lớn, khoảng gần 1 triệu hecta đến năm 2025), tổng sản lượng điện có thể sản xuất được theo công nghệ khí hóa tương đương 3,25 tỷ MWh. Gỗ keo là sinh khối gồm thành phần hemixenlulôzơ, xenlulôzơ và lignin và có thể chuyển thành khí sản phẩm qua quá trình khí hoá, các đặc tính khác còn được nghiên cứu phân tích đánh giá ở phần sau. 1.4. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc và trong nƣớc liên quan đến đề tài Trên thế giới, nhiều nghiên cứu công nghệ khí hóa sinh khối đã được thực hiện, đối với gỗ keo thì chưa có nghiên cứu công bố. Trong nước, hiện nay trong lĩnh vực nhiên liệu tái tạo, chủ yếu các nghiên cứu tập trung vào phát hiện xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học ở các trường Đại học, Viện nghiên cứu. Những công trình nghiên cứu về khí hóa sinh khối sản xuất khí nhiên liệu cũng chưa có công trình nào công bố. CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Phƣơng pháp phân tích đặc tính của gỗ keo Hàm ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro lần lượt được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E871, E872, D1102. Thành phần nguyên tố hóa học gồm cacbon, oxy được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 255:2007, hàm lượng hydro (TCVN 5229:90), nitơ (TCVN 6014:1995), lưu huỳnh (TCVN 4916:2007). Nhiệt trị đo được từ thiết bị Parr 1266 Bomb Calorimeter là Qbom theo tiêu chuẩn ASTM D5865-08. 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu đặc tính nhiệt phân của gỗ keo 2.2.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt và tính toán năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng nhiệt phân sinh khối Phân tích nhiệt của các mẫu được đo trên máy PerkinElmer PYRIS Diamond. Để xác định năng lượng hoạt hóa trong từng giai đoạn của quá trình phân hủy nhiệt, về mặt lý thuyết ta dựa vào phương trình Arrhenius. Phương pháp Flynn–Wall–Ozawa (FWO), Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) 4
là 2 phương pháp thông dụng để xác định năng lượng hoạt hoá của phản ứng nhiệt phân sinh khối. 2.2.2. Nghiên cứu, phân tích và đánh giá sản phẩm quá trình nhiệt phân gỗ keo bằng thiết bị lớp cố định Xác định thành phần, nồng độ khí sản phẩm và xác định hiệu suất tích luỹ sản phẩm lỏng từ quá trình nhiệt phân gỗ keo (hình 2.3). Khối lượng sản phẩm lỏng được xác định liên tục ở mỗi nhiệt độ phân tích sản phẩm khí. Sản phẩm lỏng được phân tích bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) và sắc ký khối phổ (GC-MS) để xác định nhóm chức, liên kết và thành phần. Xác định hiệu suất sản phẩm rắn từ quá trình nhiệt phân gỗ keo tiến hành gia nhiệt lò phản Hình 2.3 Sơ đồ phản ứng nhiệt ứng từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ khảo phân gỗ keo sát và dừng gia nhiệt, làm nguội thiết bị 1. Thiết bị phản ứng dạng ống; 2. Hệ phản ứng. Tiến hành tương tự cho thí thống ngưng tụ sản phẩm lỏng và nghiệm xác định hiệu suất sản phẩm rắn nước; 3. Thiết bị tách ẩm; 4. Máy ở 250oC, 300oC, 350oC, 450oC, 550oC, phân tích sắc ký khí; 5.Can nhiệt 650oC. Sản phẩm rắn được xác định theo dõi nhiệt độ của thiết bị phản ứng; 6. Điều chỉnh lưu lượng dòng nhóm chức, liên kết bằng phương pháp khí; 7. Sinh khối được giữ cố định phổ hồng ngoại (FT-IR). Ngoài ra, sản trong thiết bị phản ứng bằng bông phẩm rắn được phân tích bằng phương thủy tinh; 8. Bộ đo lưu lượng dòng pháp BET, SEM để xác định diện tích sau phản ứng; 9. Lớp bông thủy tinh bề mặt riêng, đường kính mao quản, giữa sinh khối. hình thái bề mặt. Phản ứng giữa char và hơi nước cũng được thực hiện trong thiết bị lớp cố định. 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu khí hóa sinh khối 2.3.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động Trong nghiên cứu này, dăm gỗ keo được sử dụng như nguyên liệu với kích thước dăm gỗ keo khoảng 3x5x0,5 cm, tỷ trọng đổ 450 kg/m3 và thành phần kỹ thuật, thành phần hóa học, nhiệt trị, thành phần oxit kim loại trong tro, nhiệt độ chảy mềm của tro, đặc tính nhiệt phân đã được xác định theo các phương pháp và tiêu chuẩn đưa ở phần trên và kết quả được đưa ra ở phần 3.1. Thông số của các thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng khí qua vùng thắt của TBKH, tỷ lệ mol nước và cacbon đến thành phần khí sản phẩm, nhiệt trị, hiệu quả khí hóa. 5
1. Quạt cấp không khí; 2. Thiết bị đo lưu lượng không khí ratomet; 3. Thiết bị trao đổi nhiệt; 4. Thiết bị khí hóa sinh khối; 5. Hệ thống xi lanh đóng ngắt; 6. Thiết bị xyclon tách bụi; 7. Thiết bị ngưng tụ tách hắc ín; 8. Thiết bị rửa khí và hệ thống bơm nước làm mát; 9. Thiết bị chống cháy ngược; 10. Bếp đốt cháy khí. 2.3.2 Hệ thống xác định hàm lƣợng hắc ín trong khí sản phẩm 2.4. Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng sản phẩm khí 2.4.1. Phƣơng pháp bổ sung thêm oxy vào tác nhân khí hóa Oxy công nghiệp được bổ sung thêm vào dòng khí cấp tại ống cấp khí và nồng độ oxy pha trộn được tính toán theo công thức: (2.38) Trong đó: Ga là lượng không khí cấp (m3/h), là lượng oxy cấp vào 3 (m /h), CO2v là nồng độ oxy cần đạt được trong dòng khí cấp (%). 2.4.2. Phƣơng pháp reforming hơi nƣớc chuyển hóa toluen 1. Thiết bị phản ứng dạng ống, 2. Hệ thống ngưng tụ sản phẩm lỏng và nước, 3. Thiết bị tách ẩm, 4. Máy phân tích sắc ký khí, 5. Can nhiệt theo dõi nhiệt độ của thiết bị phản ứng, 6. Thiết bị đo lưu lượng dòng khí vào, 7. Lớp xúc tác được giữ cố định trong thiết bị phản ứng bằng bông thủy tinh, 8. Xylanh bơm nước, 9. Thiết bị bay hơi thành phần hắc ín, 10. Thiết bị đo lưu Hình 2.8 Sơ đồ phản ứng lượng khí ra, 11. Lớp bông thủy tinh, chuyển hóa toluen 12. Lớp đệm sứ Độ chuyển hóa toluen thành khí trong thí nghiệm reforming hơi nước được xác định theo công thức: (%) (2.39) 6
Trong đó, Y1 (%) độ chuyển hóa toluen thành khí sản phẩm CO, CO2 và CH4; , , (mol) là tổng lưu lượng mol của khí sản phẩm CO, CO2 và CH4, (mol) là tổng lưu lượng mol của toluen tham gia phản ứng. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc tính nhiệt phân của gỗ keo 3.1.1. Thành phần kỹ thuật, thành phần nguyên tố hóa học và thành phần oxit kim loại trong tro gỗ keo 3.1.1.1. Thành phần kỹ thuật và thành phần nguyên tố hóa học Gỗ keo có hàm ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng cacbon cố định và hàm lượng tro lần lượt 6,02%, 85,92%, 13,78% và 0,3%. Hàm lượng cacbon, oxy và hydro trong gỗ keo cũng lần lượt 47,68%, 44,38% và 5,17%. Hàm lượng nitơ không đáng kể và có giá trị khoảng 0,37%. Đặc biệt, trong gỗ keo hàm lượng lưu huỳnh rất nhỏ khoảng 0,02%, là một ưu điểm của gỗ keo cũng như sinh khối hơn so với nhiên liệu khoáng vì lượng lưu huỳnh cao thì thành phần khí sản phẩm từ quá trình khí hóa hoặc cháy sẽ chứa khí SOx gây ăn mòn và ô nhiễm môi trường. Tỷ lệ nguyên tử O/C và H/C của gỗ keo lần lượt là 0,7 và 1,3 được biểu diễn trên giản đồ van Krevelen chỉ ra rằng mật độ năng lượng của gỗ keo cao hơn so với một số sinh khối như bã mía, trấu, rơm, cùi ngô và thấp hơn gỗ bạch đàn. Hình 3.1 Thành phần kỹ thuật và Hình 3.2 Sơ đồ van Krevelen nhiệt trị của gỗ keo và sinh khối 3.1.1.2. Thành phần oxit kim loại trong tro gỗ keo Trong tro của gỗ keo, hàm lượng SiO2 là cao nhất (23,24%) tiếp đến là các oxit kim loại CaO, Fe2O3, K2O có hàm lượng (>10%), các oxit kim loại MgO, Al2O3 và Na2O chiếm hàm lượng ít hơn (
3.1.2. Hình thái bề mặt, các liên kết, nhóm chức chính của gỗ keo 3.1.2.1. Hình thái bề mặt Cấu trúc của gỗ keo có dạng thớ sợi được quan sát rất rõ qua ảnh SEM. Dạng thớ sợi của gỗ keo bao gồm xenlulôzơ, hemixenlulôzơ và lignin đan xen vào nhau rất đặc trưng và song song cách nhau khoảng 15µm. 3.1.2.2. Nhóm chức và liên kết chính của gỗ keo Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu gỗ Phổ FT-IR của gỗ keo, keo độ phóng đại x1000 xenlulôzơ, lignin được đo và so sánh các nhóm chức, liên kết để xác định dao động đặc trưng của xenlulôzơ, lignin và có thể khẳng định liên kết hay nhóm chức trong gỗ keo nào thuộc về xenlulôzơ, lignin. Hình 3.4 cho thấy dao động tại 3420 cm-1, 2917cm-1 và 2850 cm-1đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm O-H, dao động hóa trị đối xứng của liên kết C-H và dao động hóa trị bất đối xứng của liên kết C-H của các hydrocacbon. Dao động tại 1639 cm-1, 1382 cm-1, 1164 cm-1 và 897 cm-1 lần lượt đặc trưng cho dao động của khung vòng thơm, liên kết C-H, nhóm C-O-C và liên kết β-glucosidic giữa các đơn vị đường. Các dao động tại 1604 cm-1, 1509 cm-1 và 1034 cm-1 lần lượt đặc trưng dao động của liên kết C=C, C-O. (a) (b) Hình 3.4 Phổ FT-IR của gỗ keo, xenlulozơ và lignin từ dăm gỗ keo trong khoảng số sóng (a) 4000-2500 cm-1; (b). 2000-500 cm-1 3.1.2.3. Độ bền của các liên kết hóa học Qua phép phân tích FT-IR cho thấy trong gỗ keo chứa nhiều các nhóm chức và các liên kết hóa học C-O, C-C, C-H, C=O, C=C, O-H …... Năng lượng phá vỡ liên kết được xắp xếp theo thứ tự sau: C-O < C-H < O-H < C=C < C=O. Trong môi trường nhiệt độ các liên kết sẽ thay đổi theo 2 giai đoạn: giai đoạn đầu tiên là sự dao động các liên kết ở nhiệt độ thấp và giai đoạn thứ hai là các liên kết bị bẻ gẫy ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ tăng dưới 8
102oC thì chiều dài liên kết tăng. Khi nhiệt độ cao hơn 102oC, phụ thuộc vào độ bền của các liên kết hóa học mà chúng sẽ bị bẻ gãy tại các nhiệt độ khác nhau. Các liên kết dao động mạnh hơn khi tăng nhiệt độ, một số liên kết dao động vượt qua lực tĩnh điện, lực van der waals và tách ra khỏi mạch phân tử. Khi chiều dài liên kết hóa học lớn hơn 1,2 lần chiều dài gốc của nó, các liên kết hoá học bị bẽ gãy và cũng là lúc xenlulôzơ, hemixenlulôzơ và lignin bắt đầu phân hủy bởi nhiệt độ. 3.1.3. Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt phân của gỗ keo 3.1.3.1. Nghiên cứu nhiệt phân gỗ keo bằng phương pháp TGA Nhiệt phân gỗ keo, xenlulôzơ, 100 lignin được thực hiện bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng với 80 o tốc độ gia nhiệt 10 C/phút từ nhiệt độ 60 TG (%) phòng đến 800oC trong môi trường khí Lignin 40 nitơ. Nhiệt phân của gỗ keo xảy ra là do sự bẽ gãy các liên kết hóa học của 20 Gç keo các thành phần chính trong gỗ keo. 0 Xenlul«z¬ Khối lượng giảm trong khoảng nhiệt độ 0 100 200 300 400 500 NhiÖt ®é ( C)o 600 700 800 o (25-107 C) là quá trình thoát ẩm trong Hình 3.6 Nhiệt phân gỗ keo, gỗ keo. Trong khoảng nhiệt độ từ xenlulôzơ và lignin tại 107oC đến 210oC, khối lượng giảm 10oC/min không đáng kể (≈1,5%), giai đoạn này là ẩm liên kết còn lại trong sinh khối tiếp tục thoát ra. Nhiệt độ lớn hơn 200oC, quá trình mất khối lượng của các mẫu xảy ra rất đáng kể, xảy ra do quá trình nhiệt phân. Quá trình nhiệt phân xenlulôzơ xảy ra trong khoảng nhiệt độ 280-342oC với tổng khối lượng giảm là 91,2% và phần rắn còn lại tại 800oC là khoảng 3%. Lignin bị nhiệt phân trong khoảng nhiệt độ rộng Hình 3.7 Tỷ lệ sản phẩm rắn, lỏng từ 100 đến 800oC, với tốc độ mất khối và khí thu được của quá trình lượng thấp. Phần rắn còn lại sau quá nhiệt phân gỗ keo trình nhiệt phân đến 800oC là 36%, cao hơn so với xenlulôzơ. Quá trình nhiệt phân của gỗ keo trong khoảng 205- 385oC với khối lượng giảm là 64,46%. Trong giai đoạn từ 385 đến 800oC, với phần trăm mất khối lượng là 6,9%. Phần rắn còn lại sau khi nhiệt phân tại 800oC là 19,73% (gồm cả tro). 9
3.1.3.2. Nghiên cứu hình thành sản phẩm khí, lỏng và rắn (char) trong quá trình nhiệt phân gỗ keo a) Hiệu suất sản phẩm nhiệt phân gỗ keo Kết quả cho thấy tỷ lệ thu sản phẩm lỏng tăng dần trong khoảng nhiệt độ 200oC đến 450oC và trong khoảng nhiệt độ từ 450oC đến 650oC không thay đổi nhiều. Tại nhiệt độ 450oC, tỷ lệ tích lũy sản phẩm lỏng đạt 49,95% khối lượng sinh khối ban đầu và ở nhiệt độ 650oC hiệu suất tích lũy sản phẩm lỏng đạt 50,67%. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả phân tích nhiệt trọng lượng tại đó gỗ keo phân hủy nhiệt mạnh nhất dưới 450oC. Tỷ lệ sản phẩm rắn giảm Hình 3.8 Thành phần khí nhiệt nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 200oC phân gỗ keo theo nhiệt độ đến 450oC và tiếp tục giảm chậm trong khoảng nhiệt độ từ 450 đến 650oC. Hiệu suất thu sản phẩm khí tăng dần từ nhiệt độ 200 đến 650oC. Tại nhiệt độ 200oC, tỷ lệ sản phẩm rắn và sản phẩm khí lần lượt đạt 89% và 10%. Ở nhiệt độ 450oC, thể tích tích lũy thu sản phẩm khí là 28% trong khi đó hiệu suất sản phẩm rắn là 22%. Tại nhiệt độ 650oC, thể tích tích lũy của sản phẩm khí tiếp tục tăng và bằng 30% trong khi đó tỷ lệ sản phẩm rắn giảm xuống còn lại 18,89%. Có thể thấy rằng quá trình nhiệt phân gỗ keo chia làm hai giai đoạn chính, trong giai đoạn nhiệt độ từ 250oC đến 450oC thu được 3 sản phẩm chính là lỏng, rắn và khí. Trong khoảng nhiệt độ từ 450oC đến 650oC, quá trình nhiệt phân tiếp tục xảy ra chủ yếu là do phần rắn còn lại tiếp tục bị phân hủy nhiệt tạo ra sản phẩm khí. Sản phẩm lỏng không hình thành trong giai đoạn nhiệt phân này. b) Thành phần khí sản phẩm từ nhiệt phân gỗ keo Sản phẩm khí không ngưng hình thành trong quá trình nhiệt phân được phân tích bởi thiết bị GC bao gồm H2, CO, CO2 và CH4. CO hình thành chủ yếu ở giai đoạn đầu (
gãy các liên kết trong xenlulôzơ xảy ra ở nhiệt độ thấp tạo sản phẩm khí chủ yếu CO, CO2. Khí H2 và CH4 chủ yếu được tạo ra từ quá trình phân hủy nhiệt vòng thơm và nhóm chức O-CH3 từ lignin có trong gỗ keo. Khí H2 hình thành do phản ứng cracking và phá vỡ của nhóm chức C=C và C-H trong vòng thơm và CH4 được tạo ra do quá trình cracking của nhóm methoxyl (O-CH3). Khí H2 được tạo thành ở nhiệt độ cao do phân hủy bẻ gãy mạch nhánh trong cấu tạo lignin và so sánh với quá trình nhiệt phân lignin ở nhiệt độ cao chứng minh rõ hiện tượng này. c) Phân tích sản phẩm lỏng bằng phương pháp FT-IR Sản phẩm lỏng chiếm đến 49,95% khối lượng khi nhiệt phân gỗ keo tại 450oC. Xác định đặc trưng nhóm chức và liên kết bằng phương pháp hồng ngoại Fourier (FT-IR) và kết quả được đưa ra trong Hình 3.9. Kết quả phổ FT-IR cho thấy xuất hiện dao động tại 3450 cm-1, điều này chỉ ra rằng dao động hóa trị O–H trong Hình 3.9 Phổ FT-IR của sản thành phần hợp chất phenolic, rượu. phẩm lỏng từ nhiệt phân gỗ keo Các dao động tại 1633 cm-1 bao gồm các bước sóng hấp thụ chồng nhau có thể đặc trưng cho nhóm chức của andehyt, xeton, axit và este. Hấp thụ tại 1392 cm-1 đặc trưng cho liên kết C–H dao động đối xứng trong – CH3 và – CH2 –. Hơn nữa, hấp phụ tại 1047 cm-1 chỉ ra dao động của các hydrocacbon thơm đơn vòng và đa vòng. Dao động đặc trưng cho nhóm cacbonyl (C=O) tại 1736 cm-1 xuất hiện, bao gồm các bước sóng hấp thụ chồng nhau cho andehit, xeton, axit Hình 3.10 Kết quả GC của sản và este. phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân d) Phân tích sản phẩm lỏng bằng phương pháp GC-MS Để xác định thành phần của sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân, phương pháp phân tích sắc ký khí khối phổ được sử dụng. Có thể định danh được 17 chất trong sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân và sản phẩm lỏng bao gồm các nhóm hydrocacbon của rượu, axit hữu cơ, andehit, furan, 11
hydrocacbon thơm và phenol (Hình Bảng 3.3 Thành phần hydrocacbon 3.10 và Bảng 3.3). Kết quả này khá lỏng trong quá trình nhiệt phân tương đồng với kết quả phân tích FT- IR ở phần trên. Ngoài ra, sản phẩm lỏng chứa hàm lượng cacbon (58,7%), hydro (9,6%) và oxy (31,3%) và có thể viết công thức đơn giản của sản phẩm lỏng là (CH1,96O0,4)i. e) Đánh giá sản phẩm rắn hình thành trong quá trình nhiệt phân gỗ keo Phổ hồng ngoại FT-IR cũng được sử dụng để phân tích đánh giá liên kết và nhóm chức trong sản phẩm rắn (char) (Hình 3.16). So sánh Hình 3.4 và Hình 3.16 nhận thấy rằng, các loại nhóm chức trong gỗ keo thay đổi nhiều sau khi nhiệt phân. Dao động tại 3442 cm-1 là do quá trình hấp phụ ẩm của không khí vào sản phẩm rắn sau quá trình nhiệt phân, do đó dao động này không phải là các nhóm chức O-H Hình 3.16 Phổ FT-IR của sản xuất hiện trong sản phẩm rắn. Dao phẩm rắn từ nhiệt phân gỗ keo động hấp thụ C=O tại 1736 cm-1 biến mất bởi C=O đã bị cắt đứt để hình thành CO và CO2 (phân tích sản phẩm khí trong quá trình nhiệt phân đã chứng minh điều đó). So sánh với gỗ keo, dao động C=C của sản phẩm rắn sau nhiệt phân (char) tại 1639 cm-1 cường độ mạnh hơn. Dao động C-H tại 1450 cm-1 và 870 cm-1 xuất hiện yếu, điều đó có nghĩa sản phẩm rắn vẫn còn một ít các nhóm -CH3 và -CH2-. Có thể thấy rằng char là sản phẩm rắn của quá trình nhiệt phân có cấu tạo là hydrocacbon thơm đa vòng và còn xuất hiện thêm nhóm -CH3 và - CH2- liên kết với vòng thơm. Trong thiết bị khí hoá, sau vùng oxy hóa, sản phẩm rắn (char) sẽ tiếp tục đi vào vùng khí hóa. Tại đây sẽ tiếp tục xảy ra quá trình nhiệt phân sâu của char hoặc thực hiện phản ứng với H2O để tạo H2, CO và CO2. Phản ứng nhiệt phân sâu của char vẫn tiếp tục xảy ra tại 750oC và hình thành khí CO và H2. Đây là quá trình phân hủy sâu của char và hiệu suất sinh khí thấp (2,04%). Khi có mặt hơi nước, lượng khí H2 và CO sinh ra nhiều và độ chuyển hóa cacbon tăng lên rõ rệt. Nồng độ H2 và tổng nồng độ CO và CO2 đạt được lần lượt là 10,57% và 8,94%. Khi có mặt hơi nước, độ chuyển hóa cacbon đạt 36,12%. Như vậy, hơi nước đóng vai 12
Hình 3.17 So sánh thành phần khí của Hình 3.18 So sánh độ chuyển hóa quá trình nhiệt phân sâu char và phản cacbon của quá trình nhiệt phân sâu ứng khí hóa char với hơi nước tại char và khí hóa char 750oC trò rất quan trọng trong phản ứng để chuyển hóa char (thành phần chính là cacbon) thành khí. Điều này có nghĩa là tại vùng khí hoá của thiết bị, lượng CO và H2 sinh ra do phản ứng nhiệt phân là không đáng kể, nếu có mặt hơi nước và nhiệt độ đủ cao thì phản ứng giữa cacbon và hơi nước sẽ xảy ra mãnh liệt. Các Hình 3.21 Sự biến đổi của năng phản ứng này sẽ tiếp tục được khảo lượng hoạt hóa phân hủy gỗ keo sát ở các phần tiếp theo. theo độ chuyển hóa 3.1.3.3. Xác định năng lượng hoạt hoá quá trình phân hủy nhiệt của gỗ keo Năng lượng hoạt hóa của quá trình phân hủy nhiệt của gỗ keo theo độ chuyển hóa từ 0,25 đến 0,45 là 117,52 đến 189,50 kJ/mol, độ chuyển hóa từ 0,55 đến 0,85 là 149,37 đến 203,3 kJ/mol (Hình 3.21). 3.2. Nghiên cứu khí hóa dăm gỗ keo và đánh giá các vùng phản ứng trong thiết bị khí hóa thuận chiều 3.2.1. Kết quả khí hóa dăm gỗ keo với ER 0,3 (SVa 0,14 m/s) i) Phân bố nhiệt độ trong thiết bị khí hóa Theo thời gian khí hóa, nhiệt độ trong vùng cấp khí trong khoảng 650- 750oC, vùng khí hóa (497-604oC). ii) Thành phần khí sản phẩm Nồng độ của các thành phần khí sản phẩm tương đối ổn định theo thời gian nghiên cứu. Nồng độ CO2 trung bình trong khí sản phẩm 18,76%, H2 (14,75%), CO (11,94%) và CH4 (1,29%). 13
iii) Tính toán thông số kỹ thuật của quá trình khí hóa ER 0,30 tương ứng tốc độ dòng khí qua thót của thiết bị SVa 0,14 m/s, tốc độ khí hóa riêng 270 kg/m2h với nhiệt trị thấp của khí sản phẩm 3,69 MJ/m3; hàm lượng hắc ín 142 mg/m3 khí. 22 20 CO2 18 16 H2 14 Nång ®é (%) 12 CO 10 8 6 4 2 CH4 O2 0 0 20 40 60 80 Thêi gian (phót) Hình 3.22 Phân bố nhiệt độ trong TBKH Hình 3.23 Đồ thị thành phần khí sản theo chiều cao và thời gian phản ứng, phẩm theo thời gian phản ứng, ER 0,3 ER 0,30 iv) Biến thiên dòng năng lượng của gỗ keo trong thiết bị khí hoá Nhiệt lượng dăm gỗ keo vào thiết bị là 93,70 kW, nhiệt lượng của khí sản phẩm hữu ích 54,65 kW, ẩn nhiệt 12,38 kW. Hiệu quả khí lạnh và hiệu quả khí nóng của thiết bị khí hóa đạt lần lượt là 58,33% và 71,54%. 3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ khí qua thót của thiết bị khí hóa (SVa) Hình 3.28 Giản đồ nhiệt độ dọc theo Hình 3.29 Đồ thị quan hệ giữa thành chiều cao thiết bị khí hóa của thí phần khí trung bình và SVa nghiệm SVa khác nhau Vùng cấp khí (vùng oxy hóa) và vùng khí hóa (vùng khử) là 2 vùng quan trọng của quá trình khí hóa. Quá trình xảy ra trong 2 vùng này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: a) Hàm lượng hơi nước có mặt trong vùng và b) tốc độ dòng khí cấp qua thót, thót nằm trong vùng oxy hóa, của thiết bị khí hóa (hay liên quan đến thời gian lưu của dòng khí trong các vùng của thiết bị khí hóa). Khí hóa với tốc độ dòng khí qua thót (SVa) tăng dần từ 0,14 đến 0,24 m/s thì nhiệt độ trong các vùng của thiết bị khí hóa có xu hướng tăng 14
dần. Khí hóa với SVa 0,14 m/s cho kết Bảng 3.9 Thông số đặc trưng quả nhiệt độ trong vùng oxy hóa, nhiệt trong khí hóa với SVa khác nhau độ trong vùng khí hóa và nhiệt độ trong vùng nhiệt phân lần lượt là 600- 650oC; 500-600oC và 200-370oC. Nhiệt độ trong vùng oxy hóa, vùng khí hóa và vùng nhiệt phân lần lượt trong Bảng 3.10 Chuyển hóa năng lượng khoảng (750-800oC), (600-650oC) và trong TBKH trong nghiên cứu ảnh 240-400oC với SVa 0,24 m/s. hưởng của SVa Kết quả nồng độ khí CO, H2, CH4, O2 và nhiệt trị của khí sản phẩm tăng dần và CO2 có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của SVa từ 0,14 đến 0,24 (m/s). Giá trị SVa tăng tương ứng với nồng độ oxy trong tác nhân khí hóa cũng tăng lên, nhiệt độ trong thiết bị khí hoá cũng có xu hướng tăng dần (theo kết quả ở phần trước). Với SVa 0,24 m/s cho kết quả thành phần khí cao và nhiệt trị đạt 4,28 MJ/m3. SVa tăng dần từ 0,14 đến 0,24 m/s, tốc độ khí hóa riêng (SGR) tăng dần từ 270 đến 605 kg/m2h và hàm lượng hắc ín giảm dần từ 142 đến 72 mg/m3. Nhiệt lượng của gỗ keo mang vào TBKH tăng dần từ 93,70 kW đến 210,48 kW theo chiều tăng của SVa từ 0,14 đến 0,24 m/s. Theo chiều tăng dần của SVa từ 0,14 đến 0,24 m/s, hiệu quả khí lạnh và hiệu quả khí nóng có xu hướng tăng dần tương ứng từ 58,33 đến 73,18 % và 71,54 đến 89,55 %. 3.2.2. Ảnh hƣởng tỷ lệ mol nƣớc và cacbon (S/C) đến quá trình khí hóa tạo khí nhiên liệu Hình 3.38 Ảnh hưởng của tỷ lệ S/C trong Hình 3.39 Đồ thị quan hệ giữa thành TBKH đến giản đồ nhiệt độ phần khí trung bình và tỷ lệ S/C Nhiệt độ vùng oxy hóa khi S/C 0,11 và 0,20 trong khoảng 800-850oC cao hơn so với nhiệt độ vùng oxy hóa khi S/C 0,35 và 0,46 (750-800oC). 15
Nhiệt độ vùng khí hóa có sự chênh Bảng 3.11 Thông số đặc trưng lệch rất thấp giữa các thí nghiệm với trong khí hóa trong thí nghiệm tỷ lệ S/C khác nhau. với S/C từ 0,11 đến 0,46 Theo chiều tăng dần của tỷ lệ S/C, nồng độ CO trong khí sản phẩm giảm dần từ 22,63% đến 14,66%. Nồng độ CO2 tăng dần từ 13,17% đến 16,21% theo chều tăng dần của Bảng 3.12 Chuyển hóa năng tỷ lệ S/C từ 0,11 đến 0,46. Nồng độ lượng của TBKH trong nghiên của khí H2 có cùng xu hướng với cứu ảnh hưởng của tỷ lệ S/C nồng độ của khí CO2 và tăng dần từ 12,25% đến 14,47% theo chiều tăng của tỷ lệ S/C. Nồng độ khí CH4 trong khí sản phẩm trong khoảng 1,59- 2,39%. Theo chiều tăng của tỷ lệ S/C, nhiệt trị thấp của khí sản phẩm giảm dần từ 4,93 đến 4,15 MJ/m3, có thể là do hàm lượng CO trong khí sản phẩm giảm theo chiều tăng của tỷ lệ S/C. Theo chiều tăng dần của tỷ lệ S/C từ 0,11 đến 0,46, tốc độ dòng khí qua thót của TBKH SVa =0,19 m/s, tốc độ khí hóa riêng (SGR) giảm dần từ 441 đến 371 kg/m2h, hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm tăng dần từ 48,02 đến 156,47 mg/m3. Dòng nhiệt mang ra khỏi TBKH bao gồm nhiệt lượng thu được khi đốt khí sản phẩm (hữu ích), ẩn nhiệt của khí sản phẩm và ẩn nhiệt của hơi nước, nhiệt lượng trong phần rắn còn lại. Phần nhiệt còn lại không xác định được là nguồn nhiệt mất mát ra ngoài môi trường. Trong đó, chỉ có nguồn nhiệt hữu ích, ẩn nhiệt của khí sản phẩm và nhiệt hơi nước có thể sử dụng được. Nhiệt lượng của dăm gỗ keo mang vào TBKH giảm dần với tỷ lệ S/C tăng dần và đạt giá trị cao nhất (153,04 kW) với tỷ lệ S/C 0,11 và thấp nhất (128,60 kW)với tỷ lệ S/C=0,46. Ẩn nhiệt của khí sản phẩm tăng từ 13,07 đến 20,87 kW và nhiệt lượng của khí sản phẩm giảm dần từ 101,58 kW đến 82,81 kW theo chiều tăng của tỷ lệ S/C từ 0,11 đến 0,46. Theo chiều tăng dần của tỷ lệ S/C từ 0,11 đến 0,46 thì hiệu quả khí lạnh và hiệu quả khí nóng có xu hướng giảm dần tương ứng từ 66,37 đến 64,39 kW và 79,28 đến 75,25 kW. 3.2.4. Nhiệt độ và thành phần khí trong vùng cháy và vùng khí hoá của TBKH i) Vùng nhiệt phân 16
Trong TBKH, vùng nhiệt phân xảy ra các phản ứng phân huỷ nhiệt gỗ keo và hình thành sản phẩm khí, sản phẩm lỏng và sản phẩm rắn. Tại vùng nhiệt phân tạo ra nhiều các sản phẩm khí nhẹ, hydrocacbon lỏng và char và sẽ chuyển động xuống vùng oxy hóa và vùng khí hóa. Nồng độ khí CO và CO2 chiếm tỷ lệ lớn, điều này phù hợp với kết quả thảo luận ở phần 3.1.3. Ta quan sát thấy Hình 3.40 Tỷ lệ thể tích khí lượng nhỏ khí O2 có thể do khuyếch tán H2, CH4, CO, CO2 và O2 tại lên từ vùng oxy hóa. Kết quả cũng cho vùng nhiệt phân của TBKH thấy khí H2 có hàm lượng khoảng 7,5% (SVa 0,17 và S/C 0,23) thể tích và khí CH4 có hàm lượng khoảng 5% thể tích. Sản phẩm từ quá trình nhiệt phân sẽ đi vào vùng oxy hóa và tham gia các phản ứng cháy toả nhiệt để cung cấp nhiệt cho các vùng khác trong TBKH. ii) Vùng oxy hoá Nhiệt độ, lưu lượng của khí tổng và lưu lượng mol của khí thành phần dọc theo chiều cao của TBKH ở thời điểm t1 và t2 của vùng oxy hóa và vùng khử được phân tích và thể hiện trong Hình 3.41. Hình 3.41a kết quả cho thấy nhiệt độ vùng oxy hoá có sự thay đổi nhiệt độ rất rộng. Tại tâm vùng oxy hóa nhiệt độ đạt cao nhất từ 650 đến 700oC và giảm ngay sau đó. Khi vào vùng khử, nhiệt độ duy trì ổn định đến vùng khí hóa (450-550oC) và có xu hướng giảm sau khi đi ra khỏi vùng khí hoá. Lưu lượng khí sản phẩm tăng mạnh nhất trong vùng oxy hoá sau đó tăng nhẹ và dần ổn định Hình 3.41 Biến thiên lưu lượng mol khí sản phẩm dọc thân TBKH (SVa 0,17 và S/C 0,23) 17
trong vùng khí hóa. Kết quả tăng tốc độ khí rất nhanh trong vùng oxy hoá với thời gian lưu ngắn trong vùng oxy hóa 2,14 giây, chứng tỏ có nhiều phản ứng hóa học xảy ra mãnh liệt. Tại cửa cấp gió của vùng oxy hóa chỉ duy nhất quan sát thấy khí oxy, tuy nhiên tại vị trí phân tích tiếp sau đó khí oxy giảm rất nhanh và bắt đầu xuất hiện cả 4 khí chính là CH4, H2, CO và CO2 trong đó tỷ lệ khí CO và CO2 là lớn nhất, tiếp đến là khí H2 và chỉ một phần nhỏ là khí CH4. Sự hình thành CO và CO2 là do phản ứng oxy hóa hoặc oxy hóa không hoàn toàn khí hydrocacbon dễ cháy hình thành ở giai đoạn nhiệt phân. Tùy thuộc vào tỷ lệ ER sẽ quyết định mức độ tham gia phản ứng khác nhau tại vùng oxy hóa. Khí H2 xuất hiện nhiều tại vùng này chứng Hình 3.42 Dòng vật chất xảy ra tỏ đã xảy ra phản ứng reforming. trong thiết bị khí hoá Khí CH4 xuất hiện chứng tỏ phản ứng cracking nhiệt của các hydrocarbon lỏng. Với sự tăng tốc độ dòng rất lớn trong vùng này chứng tỏ các phản ứng oxy hóa, các phản ứng cracking và phản ứng reforming đều xảy ra mãnh liệt. iii) Vùng khí hóa Trong vùng khí hóa quan sát thấy, tốc độ dòng khí tăng nhẹ và sau đó khi ra khỏi vùng khí hóa, tốc độ dòng khí đạt trạng thái ổn định. Tại trung tâm của vùng khử, thành phần các khí bắt đầu có sự thay đổi. Quan sát thấy khí H2 tăng nhẹ và khí CH4 ổn định. 1600 Điều đó có nghĩa các phản ứng 1400 reforming và cracking đã kết thúc. 1200 1000 Nếu nhiệt độ đủ cao thì phản ứng C + ChiÒu cao (mm) 800 H2O xảy ra mạnh thì lưu lượng dòng 600 khí sẽ mạnh. Thực nghiệm cho thấy 400 lưu lượng dòng tăng nhẹ kèm với sự 200 0 tăng nhẹ nồng độ của khí CO và H2 và 21% O 26% O 42% O -200 2 2 2 sự giảm nồng độ khí CO2. Sự giảm 0 200 400 600 NhiÖt ®é (oC) 800 1000 nồng độ khí CO2 có thể do phản ứng Hình 3.43 Giản đồ nhiệt độ CO2 + H2 CO+H2O xảy ra trong trong thiết bị khí hóa và nồng vừng khử. độ oxy trong không khí cấp 18
3.3. Nâng cao chất lƣợng sản phẩm khí trong khí hóa sinh khối 3.3.1. Phƣơng pháp bổ sung thêm oxy vào vùng oxy hóa (làm giàu oxy trong không khí cấp) Ảnh hƣởng của nồng độ oxy trong khí cấp vào TBKH đến nhiệt độ trong TBKH Nhiệt độ các vùng của TBKH có sự thay đổi rõ rệt khi tiến hành khí hóa với nồng độ oxy trong khí cấp khác nhau. Phân bố nhiệt độ của TBKH cao nhất khi nồng độ oxy là 42%, sau đó là 26% và 21%. Nhiệt độ cao nhất của vùng oxy hóa trong TBKH trong trường hợp khí hóa với khí cấp có chứa 42% O2 cao nhất là 1100oC, 26%O2 là 950oC và 21%O2 780oC. Với nhiệt độ quá cao của vùng oxy hóa (1100oC) và cao hơn nhiệt độ chảy nềm của tro sẽ xảy ra hiện tượng thiêu kết tro trong vùng cháy do đó dẫn đến thay đổi dòng chuyển động của pha rắn và pha khí trong TBKH, trong trường hợp xấu có thể dẫn đến tắc TBKH. Do đó nên khống chế nhiệt độ vùng oxy hóa dưới nhiệt độ chảy mềm của tro. Ảnh hƣởng của nồng độ oxy trong khí cấp vào TBKH đến thành phần và nhiệt trị khí sản phẩm Thành phần khí sản phẩm của quá trình khí hóa với nồng độ oxy thay đổi được thể hiện trên Hình 3.44. Thành phần 3 khí chính là CO, CO2 và H2 đều tăng khi tăng hàm lượng oxy trong khí cấp. Nồng độ khí CO tăng mạnh nhất, trong khi đó nồng độ khí CO2 và H2 chỉ tăng nhẹ. LHV của sản phầm khí tăng lên đáng kể từ 4,75 đến 6,64 MJ/m3 tương ứng với khi khí hóa Hình 3.44 Đồ thị so sánh thành với khí cấp có nồng độ oxy tăng lên từ phần khí trung bình 21% đến 42%. Ảnh hƣởng của nồng độ oxy trong khí cấp đến hàm lƣợng hắc ín trong khí sản phẩm và hiệu suất khí lạnh Khí hoá gỗ keo trong TBKH thuận chiều sử dụng nồng độ oxy tăng dần từ 21% đến 42% trong dòng khí cấp tạo khí sản phẩm có chứa hàm lượng hắc ín giảm dần từ 65 đến 33 mg/m3 và hiệu suất khí hóa tăng dần từ 63,53 đến 81,54%. Giảm Hình 3.45 So sánh hàm lượng hàm lượng hắc ín trong khí nhiên liệu hắc ín và hiệu suất khí hóa bằng phương pháp làm tăng nồng độ oxy lạnh 19
trong khí cấp là tương đối thuận lợi vì không phải thay đổi các thiết bị của cụm khí hóa. Tuy nhiên, nên khống chế nhiệt độ trong TBKH thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tro gỗ keo để tránh sự cố xảy ra. Do đó nên duy trì oxy trong không khí cấp vào là khoảng 26% sẽ thu được khí sản phẩm đảm bảo chất lượng (nhiệt trị 6 MJ/m3, hàm lượng hắc ín trong khí (64 mg/m3