Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ sáu, 29/03/2024 | 06:23

Thứ sáu, 29/03/2024 | 06:23

Tin KHCN

Cập nhật lúc 13:54 ngày 12/07/2021

Nghiên cứu quá trình cháy sinh khối gỗ và biogas trong lò đốt nhiên liệu rắn

TÓM TẮT: Nội dung bài báo gới thiệu một số cơ sở lý thuyết của quá trình cháy sinh khối gỗ và khí Biogas trong lò đốt nhiên liệu rắn (solid fuels furnace). Từ đó đề xuất một số yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống đốt để cải thiện chất lượng cháy, giảm thiểu phát thải và tăng hiệu suất thu nhiệt, cụ thể như: i- Không khí đốt cần được hòa trộn đều với nhiên liệu rắn, khí và sản phẩm khí cháy; ii- Nhiên liệu cần cung cấp liên tục vào buồng đốt; iii- Cần giữ sản phẩm cháy còn lại trong buồng đốt có nhiệt độ cao, trong khoảng thời gian đủ lớn.
I. ĐẶC TÍNH NHIÊN LIỆU SINH KHỐI GỖ VÀ KHÍ BIOGAS
Bài báo đề cập đến một số đặc điểm của quá trình cháy sinh khối gỗ và khí biogas trong lò đốt nhiên liệu rắn. Ta thấy, đối với quá trình cháy nhiên liệu rắn và/hoặc khí các đặc tính lý-hóa và nhiệt trị thấp có vai trò hết sức quan trọng, vì chúng ảnh hưởng nhiều đến thiết kế kết cấu của lò đốt. Các đặc tính về nhiên liệu rắn sinh khối gỗ và khí biogas được trình bày như trong bảng 1. Thực chất chiếm tỷ lệ phần lớn trong nguyên liệu rắn là thành phần ôxy (O2) và thành phần “chất bốc”, bởi vậy khi đốt ở nhiệt độ bình thường dễ cháy và cháy sẽ nhanh.
Phân tích “tức thời” đưa ra kết quả chắc chắn cho quá trình cháy của nhiên liệu bên trong buồng đốt. Các thông tin đề cập về độ ẩm, độ tro, chất dễ bay hơi và các bon rắn, trong đó hàm lượng ẩm đối với nhiên liệu rắn (sinh khối gỗ) là một trong những vấn đề quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt trị cũng như chất lượng cháy trong quá trình đốt. Hàm lượng ẩm cao sẽ giảm nhiệt độ cháy, nó ảnh hưởng tới tổng thể quá trình cháy và các sản phẩm khí tạo thành. Đối với chất dễ bay hơi có trong nhiên liệu sinh khối gỗ trong quá trình đốt cháy có thể cháy tự do khi nhiệt độ cháy đã đạt đến mức nhiệt độ nhất định nào đó. Đối với khí biogas chất lượng (độ sạch) của khí ảnh hưởng nhiều đến nhiệt trị thấp, hơn nữa còn ảnh hưởng đến cả chất lượng cháy nhiên liệu trong quá trình đốt. Còn đối với các sản phẩm khí khi cháy tạo thành có ảnh hưởng đến quá trình cháy và khi thiết kế kết cấu buồng đốt.
II. VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu: Vật liệu nghiên cứu là sinh khối gỗ và khí biogas được đốt đồng thời cùng với khí sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu rắn, như vậy tổ hợp nhiên liệu rắn-khí sẽ được đốt đồng thời trong lò đốt. Từ đó làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế kết cấu buồng đốt hợp lý để phù hợp với đặc tính nhiên liệu cần đốt, tăng hiệu quả nhiệt thu được thông qua công suất nhiệt (năng lượng nhiệt) nhờ quá trình cháy “triệt để” nhiên liệu.
2.2. Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị nghiên cứu được đề cập trong nghiên cứu này chính là lò đốt nhiên liệu tổng hợp rắn-khí có nguyên lý, kết cấu như trên hình 1. Trên hình 1 cho thấy nhiên liệu rắn được cấp vào buồng đốt theo hướng từ trên xuống dưới, nhiên liệu khí biogas được nạp vào buồng đốt theo hướng ngang ở vị trí phí trên buồng đốt, ở vị trí này khí biogas cùng với khí cháy (khí do quá trình cháy nhiên liệu rắn sinh ra) sẽ được đốt đồng thời cùng nhiên liệu rắn. Nên bên trong buồng đốt lúc này sẽ có các phản ứng cháy khi đốt đồng thời nhiên liệu rắn-khí, các phương trình phản ứng này được đề cập chi tiết ở phần sau. Oxy cho quá trình cháy thực chất là lượng oxy có trong không khí được cấp vào buồng đốt thông qua đường cấp không khí ở dưới và cả phía trên buồng đốt. Quá trình cháy sau khi diễn ra hoàn tất phần tro sẽ được xả ra ngoài ở phần phía dưới đáy lò.
III. QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU
Đối với quá trình cháy nhiên liệu rắn sinh khối gỗ xảy ra trong ba giai đoạn đó là sấy khô, cháy chất dễ bay hơi và cháy “char” (hình 2). Khi cháy sinh khối thường chú ý tới giá trị hàm lượng carbon và hydro. Quá trình cháy bao gồm các phản ứng giữa các thành phần hóa học có trong nhiên liệu với oxy từ không khí đốt được cấp vào lò và thành phần oxy đã có sẵn bên trong nhiên liệu, sau phản ứng xảy ra sẽ giải phóng nhiệt và “ánh sáng”. Về quá trình cháy đối với bất kỳ loại nhiên liệu sinh khối rắn nào cũng cần đặc biệt quan tâm, đáp ứng đến ba yếu tố “T” để cho quá trình cháy diễn ra tốt hơn, đó là: i- thời gian (Time), ii- nhiệt độ (Temperature), iii- sự hỗn loạn đảo trộn đều giữa không khí cháy và nhiên liệu (Turbulence). Quá trình phản ứng cần duy trì đủ thời gian là rất cần thiết để: i- hoàn thành các phản ứng oxy hóa (các phản ứng cháy) mà tại đó phải đủ nhiệt độ để bắt đầu và duy trì sự cháy; ii- để đảm bảo sự pha trộn “đầy đủ” các thành phần nhiên liệu và khí đốt.
Quá trình cháy của nhiên liệu giàu chất bay hơi như sinh khối gỗ được minh họa tóm lược như trên hình 3. Khi nhiệt độ đủ cao để giúp nhiên liệu có độ ẩm ban đầu được làm khô tới độ ẩm cần thiết dễ bắt lửa để cháy được. Với nhiệt độ khoảng trên 150oC bắt đầu quá trình phản ứng nhiệt và sinh ra sản phẩm khí, sản phẩm của quá trình sẽ bắt đầu tăng chậm cho đến khi nhiệt độ khoảng trên 200oC. Tại vùng nhiệt độ từ 275oC-285oC các quá trình phản ứng sẽ nhanh hơn và các quá trình tỏa nhiệt mạnh mẽ hơn, tại đó sẽ “giải phóng” chất dễ bay hơi tự do. Từ quá trình cháy, cho thấy có các mối quan hệ rất chặt chẽ của hydrocacbon (CnHm), cacbondioxit (CO2), cacbonmonoxit (CO) và hydro (H2). Từ các mối quan hệ này, tạo ra các sản phẩm từ quá trình cháy nhiên liệu, đồng thời cũng sinh ra các phụ phẩm “tar”, mặt khác hơi nước được bốc ra lúc này cũng sẽ được đốt cháy như sản phẩm khí. Sản phẩm còn lại chỉ là lượng cacbon rắn, đây là thành phần chỉ được đốt chậm khi có ngọn lửa bên trong than hồng.
Quá trình cháy nhiên liệu rắn (sinh khối gỗ) và nhiên liệu khí biogas được trình bày thông qua các phương trình sau:
3.1 Tính toán quá trình cháy nhiên liệu rắn (sinh khối gỗ)[4-7]
Dưới đây tương ứng là diễn tả cho sự cháy của các thành phần carbon (C), hydro (H) và lưu huỳnh (S).
1. Quá trình cháy của thành phần Carbon (với khối lượng mol, M = 12 kg C/kmol)
2. Quá trình cháy của thành phần hydro (với khối lượng mol, M = 2 kg H2/kmol)
3. Quá trình cháy của thành phần lưu huỳnh (với khối lượng mol, M = 32 kg S/kmol)
Như vậy, ta có các phương cháy như sau:
Nhu cầu không khí tối thiểu cho quá trình cháy (Lmin)
Với môi trường không khí (KK) khí quyển (bình thường) ta có:
Theo [4, 5, 7], nhu cầu không khí cho quá trình cháy (L):
Tỷ lệ giữa lượng không khí thực cần cung cấp (L) với lượng không khí lý thuyết (Lmin) chúng được diễn tả như là tỷ lệ không khí dư 
Sinh ra của quá trình cháy:
Thể tích của khói „ẩm“ bởi (từ) quá trình cháy hoàn toàn bao gồm:
3.2 Tính toán quá trình cháy nhiên liệu khí (syngas từ biogas)[6]
Đối với nhiên liệu đốt là khí tổng hợp khái quát gồm các thành phần khí sau (Cacbonmonoxid-CO, Hydro-H2, Methan-CH4, Ethan-C2H6, Ethen-C2H4, Propan-C3H8, …tuy nhiên tỷ lệ thành phần sẽ khác nhau rất nhiều trong hỗn hợp khí. Bởi vậy tính toán quá trình cháy đối với các thành phần khí chiếm tỷ lệ chính (nhiều) trong hỗn hợp khí được mô tả sau đây:
IV. SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH CHÁY
Mối quan hệ nhiệt trị và sự phân phối bên trong hai pha cháy của sinh khối, với nhiên liệu sinh khối rắn chiếm tỷ lệ khoảng 2/3 nhiệt trị sẽ được tăng lên nhanh chóng khi đốt cháy chất dễ bay hơi. Do vậy sự cần thiết cung cấp không khí đốt tại 2 điểm, đó là: không khí sơ cấp cho quá trình cháy cacbon rắn và không khí thứ cấp cho quá trình cháy sản phẩm khí (sản phẩm khí ở đây là khí tổng hợp syngas), cũng như khi đốt khí biogas. Từ kết quả tính toán cho thấy khoảng 66% lượng cung cấp không khí cần thiết như là khí thứ cấp cho cân bằng hóa học. Về lý thuyết khi quá trình cháy diễn ra các bon rắn có thể chuyển đổi sang thành khí CO và khí thoát bên ngoài với hình thức CO2. Ở đây không khí đốt thứ cấp có thể được tăng lên tới 83%, kết quả này được chỉ ra chi tiết hơn như trên hình 4.
Khi cháy nhiên liệu rắn sinh khối, quá trình cháy hoàn thành trong khói thải chỉ có chứa các thành phần như: CO2, H2O, N2, O2. Mối quan hệ của sản phẩm cháy và lượng cung cấp không khí cháy (ở đây là oxy có trong không khí) có thể được chỉ ra trên một phương pháp đơn giản bằng đồ thị, đó là “tam giác cháy” (hình 5). Ba điều cần thiết trong mối liên kết trước khi “sinh lửa/bắt lửa” và đốt cháy sinh khối có thể sinh ra nhiệt, oxy và nhiên liệu, cụ thể: i- phải có nhiên liệu để đốt/cháy; ii- phải có không khí để cung cấp ôxy; iii- phải có nhiệt (nhiệt độ bắt lửa) để bắt đầu và tiếp tục quá trình đốt cháy.
Quá trình đốt cháy sinh khối và đặc biệt là đối với chất dễ bay hơi sẽ phát sinh yếu tố trung gian. Các sản phẩm như CnHm, CO, “Tar”, và bồ hóng có thể xuất hiện khi chưa hoàn thành quá trình cháy (cháy chưa hoàn toàn). Đây là nguyên nhân sinh ra các thành phần bụi và độc hại ở bên trong khói khí. Để hoàn thiện quá trình cháy (cháy hoàn toàn) cần phải có các điều kiện sau đây.
1. Đủ lượng không khí cháy cho quá trình cháy tổng thể hoặc cục bộ (mục đích giúp quá trình cháy tốt hơn); 
2. Làm lạnh nhanh khí cháy hoặc ngọn lửa, ví dụ bằng nước, bề mặt làm lạnh được cung cấp qua dòng khí lạnh thứ cấp (mục đích làm giảm các thành phần khí độc hại có trong khí/khói thải);
3. Hòa trộn đều sản phẩm cháy với không khí cháy (mục đích giúp quá trình cháy hoàn thiện hơn);
4. Giảm ngắn thời gian có thể sinh khí trong buồng đốt (mục đích giảm lượng khí độc hại có trong khí/khói thải, ví dụ CO, CO2, SO2, NOx …);
5. Nhiệt độ tại các vùng phản ứng thấp (mục đích tăng hiệu suất quá trình cháy, giảm thành phần phát thải độc hại)
Các thành phần phát thải có hại như là SO2, NOx và tro bay có thể không đều, vì hàm lượng lưu huỳnh (S) và ni tơ (N) trong sinh khối rất nhỏ, nên nồng độ phát thải của SO2 và NOx khi cháy thải ra không đáng kể.
Theo kết quả nghiên cứu của tác giả ([1,4,5,7], Nguyễn Đình Tùng và cs.) cho thấy, so sánh các thành phần phát thải có thể tạo thành sau khi đốt nhiên liệu rắn sinh khối gỗ, và/hoặc nhiên liệu khí (khí tổng hợp syngas, khí biogas) với nhiên liệu hóa thạch ví dụ như than (ở đây xét giá trị trung bình của thành phần phát thải) thì các thành phần phát thải như CO, SO2, NOx cà CO2 (đốt, sinh khối gỗ, khí tổng hợp syngas, khí biogas) đã nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cho phép về tiêu chuẩn môi trường khí thải, điều đó có nghĩa “ít” gây ô nhiễm môi trường và phát thải nhà kính. Nhưng ngược lại, khi đốt nhiên liệu hóa thạch than đá giá trị của các thành phần phát thải nêu trên sẽ lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép, điều đó cho thấy đã gây ô nhiễm môi trường khí, cho nên cần có giải pháp đi kèm khi đốt để giảm thiểu phát thải.
Việc giảm thiểu phát thải cần quan tâm trong quá trình đốt nhiên liệu, tuy nhiên cũng cần phải quan tâm đến hiệu suất nhiệt thu được từ quá trình đốt, bởi chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau liên quan đến “yếu tố 3 T” đã nêu ở trên, công suất nhiệt thu được khi thí nghiệm lò đốt trong nghiên cứu này được khái quát trên cơ sở tính toán trong quá trình đốt nhiên liệu như dưới đây:
Tuy nhiên, trong thực tế lò phải được bảo ôn cách nhiệt tốt, phần diện tích xung quanh của lò tiếp xúc với không khí môi trường không lớn, bởi vậy tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh cần phải đảm bảo không được nhiều. Giá trị đó hoàn toàn có thể tính toán, xác định trên thực nghiệm. Dựa trên các phương trình nêu trên là cơ sở tính toán công suất nhiệt, hiệu suất của buồng đốt và một số thông số chính của lò đốt. Kết quả xác định được trong nghiên cứu này được trình bày như trên bảng 2.
V. KẾT LUẬN
- Dựa trên kết quả thực nghiệm cho thấy, mẫu lò thí nghiệm này hoàn toàn có thể đốt được cho cả nhiên liệu rắn sinh khối gỗ kết hợp với nhiên liệu khí biogas. Tuy nhiên để cải thiện chất lượng cháy như giảm thiểu phát thải nhưng đồng thời vẫn tăng được hiệu suất nhiệt thu được thông qua công suất nhiệt đạt được thì lò đốt phải đạt được sự tối ưu đối với quá trình cháy nhiên liệu. Để đạt được kết quả này bắt buộc phải tuân theo 3 “quy tắc” sau:
1. Nhiên liệu cần cung cấp đều/liên tục vào buồng đốt (vào vùng phản ứng);
2. Không khí đốt cần được “hòa trộn đều” với nhiên liệu và sản phẩm khí cháy;
3. Cần giữ sản phẩm cháy còn lại trong buồng đốt ở nhiệt độ cao, trong thời gian đủ lớn.
- Khi đáp ứng đủ đối với yếu tố 3 “T” như: Thời gian (Time), nhiệt độ (Temperature), và “sự chuyển động rối” (Turbulence) pha trộn giữa không khí cấp (không khí đốt) với nhiên liệu đốt, khi đó hiệu suất cháy và thu nhiệt sẽ cao, phát thải thấp.
- Kết quả thực nghiệm khi đốt đồng thời hỗn hợp nhiên liệu rắn sinh khối gỗ và khí biogas cho ta hiệu suất nhiệt thu được cao hơn khoảng 1,32 lần, với công suất nhiệt đạt được tăng hơn khoảng gần 4 lần (xét trong các điều kiện khác không thay đổi). Qua đây cho thấy sự cần thiết của lượng không khí cấp vào buồng đốt (oxy sơ cấp, nhất là oxy thứ cấp) cung cấp cho quá trình cháy nhiên liệu và “cháy lại/cháy nốt” phần khí sinh ra trong quá trình đốt là rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt thu được và sự phát thải;
Tài liệu tham khảo
[1]. TUNG, NGUYEN DINH (2009). Theoretische und experimentele Untersuchungen zur energietische Nutzung von landwirtschaftlichen Abfällen aus Vietnam. Dissertation Universität Rostock, Deutschland.
[2]. GUMZ, W. (1962). Kurzes Handbuch der Brennstoff – und Feuerungstechnik, 3. Auflage. – Berlin: Springer 1962, 749 S.
[3]. HOFSTETTER, E.M (1978): Feuerungstechnische Kenngroessen von getreidestroh, Dissertation, Technische Universitaet Muenchen.
[4]. TUNG, DINH NGUYEN and D. STEINBRECHT (2008). Modeling a Combined Heat and Power Cogeneration System in Vietnam with a Fluidized Bed Combustor Burning Biomass. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript EE 08 008. Vol. X. September: 1-22. 
Bei: http://www.cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/viewFile/1125/1040 (Dez. 2008).
[5]. TUNG DINH NGUYEN; STEINBRECHT D. and VINCENT T. (2009). Experimental Investigations of Extracted Rapeseed Combustion Emissions in a Small Scale Stationary Fluidized Bed Combustor, Energies, Vol. 2(1), February 2009, p 57-70.
[6]. Steinbrecht, D. 2009a). Abschnitt 1, Technische Verbrennung, Emissionen,Verfahrenstechnische Berechnungen mit Verbrennungsabgasen, Univ. Rostock, Deutschland.
[7]. Nguyen, Dinh Tung, D. Steinbrecht and et al. 2008. Experimental Study on Hemp Residues Combustion in a small Scale stationary Fluidized Bed Combustor. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript EE 08 006. Vol. X: 1-11
[8]. Friedrich Lether, Helmut Timmer, Peter Haselbacher (2007). Deliverable 8: Biomass gasification- State of the art description , Graz Univertity of technology- Institute of Thermal Engineering.
PGS.TS Nguyễn Đình Tùng - Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp-RIAM (Bộ Công Thương)
Đỗ Chí Dũng - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
TS. Nguyễn Khắc Thông - Vụ KHCN & MT, Bộ GD&ĐT
Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam năm 2017; số 25
lên đầu trang