Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô hình mô phỏng về buồng phản ứng lò khí hóa lõi ngô. Kết quả cho thấy: tại lớp 1, vùng I: Nhiệt độ đo được từ thực nghiệm = 581⁰C, từ mô phỏng = 582⁰C; sự sai lệch » 10C;  tại lớp 1, vùng II: Nhiệt độ đo được từ thực nghiệm = 774⁰C, từ mô phỏng = 775⁰C; sự sai lệch » 1⁰C; tại lớp 1, vùng III: Nhiệt độ đo được từ thực nghiệm = 909⁰C, từ mô phỏng = 910,5⁰C; sự sai lệch » 1,5⁰C. Kết quả trên cho thấy sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đối với lớp 1 là không nhiều, vào khoảng » 0,2% (đối với vùng I); » 0,13% (đối với vùng II) và » 0,17% (đối với vùng III).

Hiện nay xu thế phát triển toàn cầu hóa trên Thế gới, sản xuất nông nghiệp ngày càng phải quan tâm theo hướng ứng dụng công nghệ mới, Việt Nam cũng không ngoại trừ theo xu thế đó. Tuy nhiên khi sản xuất nông nghiệp phát triển ngày một tăng cả về chất lượng và số lượng, các phụ phế phẩm cần phải có biện pháp xử lý để tránh lãng phí tiềm năng, đồng thời tránh gây ô nhiễm môi trường. Chính vì thế nhiệm vụ hàng đầu là tận dụng có hiệu quả các phụ phẩm sau chế biến này. Đối với Việt Nam, trong các phụ phẩm nông nghiệp phải kể đến lõi ngô, hàng năm sản lượng lõi ngô thải ra môi trường khoảng 8-10 triệu tấn [1,2], nhưng trong đó chỉ có một tỷ lệ nhỏ được sử dụng làm phân bón vi sinh, làm giá thể trồng nấm, một phần nhỏ nữa làm chất đốt thủ công trong các hộ gia đình, còn lại phần lớn là vứt thải ra ngoài môi trường (hình 1), do đó hiệu quả sử dụng không cao, hơn nữa còn gây ô nhiễm môi trường[1,2]. Bởi vậy tìm ra giải pháp để sử dụng hiệu quả phụ phẩm này theo hướng chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhờ công nghệ khí hóa để sử dụng cho các hệ thống sấy ngô thay vì các cơ sở sấy ngô hiện nay vẫn đang sử dụng lò đốt trực tiếp than đá, hoặc đốt trực tiếp lõi ngô bằng lò thủ công, dẫn đến chi phí sản xuất lớn, hiệu quả kinh tế không cao, còn làm gây ô nhiễm môi trường và phát thải nhà kính. Ngoài ra khói bụi còn ám vào ngô ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sấy[2]. Nhằm giải quyết vấn đề nêu trên việc ứng dụng phương pháp khí hóa lõi ngô theo nguyên lý liên tục ở quy mô công nghiệp sẽ phù hợp trong trường hợp này. Riêng đối với lò khí hóa sự ảnh hưởng đến khả năng hoạt động và khả năng sinh khí cũng như chất lượng khí tổng hợp syngas tạo ra ngoài chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ còn chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi nguyên lý, kết cấu của buồng phản ứng. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu khả năng chịu nhiệt, giữ nhiệt, phân bố nhiệt độ bên trong buồng phản ứng của lò khí hóa nhờ vào kết quả mô phỏng, và thực nghiệm.

   

- Đối tượng nghiên cứu: là buồng phản ứng của lò khí hóa xuôi chiều quy mô công nghiệp đối với nguyên liệu lõi ngô.

- Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết/phương pháp mô phỏng, kết hợp phương pháp thực nghiệm.

- Thiết bị nghiên cứu: là buồng phản ứng của lò khí hóa được phân ra làm 3 lớp, 3 vùng tương ứng với 3 phần làm viêc có nguyên lý kết cấu được chỉ dẫn chi tiết như hình 2 và hình 3.

Kết quả tính toán thiết kế tổng thể lò khí hóa lõi ngô, tác giả căn cứ vào đó phân tích kết cấu lò khi làm việc chịu ảnh hưởng của nhiệt độ để đánh giá tuổi thọ của thân lò nói chung và của buồng phản ứng nói riêng. Với các thông số đầu vào như lượng gió được cấp vào lò là 150-180m3/h và lượng nguyên liệu được cấp vào là 100-120kg/giờ… Khi làm việc thì tại buồng phản ứng của lò khí hóa lõi ngô xảy ra quá trình phản ứng hóa học, tại đây quá trình cháy yếm khí diễn ra, lúc này dòng khí nóng được sinh ra (syngas) [3,5,9,10] và được đưa ra ngoài sử dụng. Để đánh giá mức ảnh hưởng của nhiệt độ lên buồng phản ứng chúng tôi xây dựng mô hình 3D của buồng phản ứng ứng dụng trên phần mềm Ansys để phân tích,  mô hình hóa quá trình phân bố nhiệt lên từng miền trong buồng phản ứng. Kết quả của quá trình phân tích được thể hiện như trên hình 3. Do kết cấu của buồng phản ứng bao gồm 3 lớp vật liệu khác nhau cấu thành cho nên trong quá trình cháy nhiệt độ phân bố trên mỗi vị trí của từng lớp vật liệu cũng khác nhau. Nhiệt độ thay đổi từ trên xuống dưới dọc buồng phản ứng theo xu hướng tăng dần và thay đổi từ lớp vật liệu bên trong buồng phản ứng ra lớp vật liệu bên ngoài buồng phản ứng theo xu hướng giảm dần [4,6-8]. 

Cụ thể tại mỗi vị trí của lớp vật liệu thứ 3 (lớp vật liệu bên ngoài cùng) của buồng phản ứng đo được từng giá trị nhiệt là khác nhau thể hiện qua các giá trị đo được hoặc là thể hiện bằng màu sắc thông qua thang phân bố nhiệt độ (hình 3) và tại lớp vật liệu này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ là nhỏ hơn so với hai lớp bên trong; nhiệt độ tại lớp vật liệu thứ 2 (trong thực tế là lớp bê tông chịu nhiệt) đo được các giá trị thay đổi theo từng vị trí, nhiệt độ của lớp này so với lớp vật liệu ngoài cùng là cao hơn; nhiệt độ tại lớp vật liệu thứ 1 (thép chịu nhiệt) cũng thay đổi rõ rệt theo xu hướng tăng dần từ trên xuống dưới. Kết quả của quá trình phân tích nhiệt trên mô hình nhằm kiểm tra/đánh giá khả năng làm việc và sự ổn định về kết cấu của thân buồng phản ứng. Ngoài ra thiết bị đã được kiểm chứng/đánh giá qua thực nghiệm lò (mục 3.2) để khẳng định cho tính phù hợp và đạt yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Quá trình kiểm chứng thực nghiệm được thể hiện thông qua các thông số đo đạc được thiết lập thành bảng như trên bảng 1.

Cơ sở khoa học cho quá trình thực nghiệm là dựa trên kết quả của quá trình tính toán thiết kế lò khí hóa khi làm việc dưới sự ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ, trên cơ sở đó lấy kết quả nghiên cứu để phân tích đánh giá sự phân bố nhiệt độ trên từng vị trí làm việc khác nhau. Với các thông số đầu vào: lượng không khí và lượng nhiên liệu được cấp vào buồng phản ứng (như nêu trên). Khi đó tại buồng phản ứng xảy ra các quá trình phản ứng hóa học, lúc này quá trình cháy yếm khí diễn ra, khí tổng hợp (syngas) được sinh ra và được đưa ra ngoài sử dụng. Thực nghiệm cho thấy sự phân bố nhiệt độ trên từng vùng làm việc là khác nhau, nhiệt độ thay đổi được thể hiện rõ thông qua sự thay đổi về giá trị tại mỗi vị trí đo (bảng 1 và hình 4). Cụ thể tại buồng phản ứng nhiệt độ thay đổi phân bố đều thông qua các giá trị đo từ vùng I đến vùng III và từ lớp 1 đến lớp 3 của mỗi vùng. Ví dụ điển hình cho thấy nhiệt độ nằm trong khoảng giá trị với giá trị nhỏ nhất 497,04⁰C (tại lớp 3 vùng I) đến giá trị lớn nhất 908,98⁰C (tại lớp 1 vùng III), tại đây sảy ra quá trình phản ứng cháy yếm khí, lúc này nhiệt độ bắt đầu tăng lên qua mỗi lần đo ở từng vị trí khác nhau và đạt được ở mức cao nhất khoảng hơn 1000⁰C trong khoang chứa khí nóng thể hiện bằng màu đỏ (hình 3); mặt khác trong khoang chứa tro (cuối buồng phản ứng) nhiệt độ đo được cũng giảm dần đến mức thấp nhất được đánh giá qua sự thay đổi về màu sắc hoặc giá trị đo. Kiểm tra kết quả của quá trình phân tích nhiệt cho thấy nhiệt độ phân bố tương đối ổn định trên toàn buồng phản ứng, từ đó làm căn cứ lựa chọn phương pháp tối ưu để chế tạo buồng phản ứng, hơn nữa, nhờ đó mà hạn chế những sai sót trong quá trình thiết kế chế tạo.

Để hiểu rõ hơn và có cơ sở cho việc so sánh, đánh giá về sự khác nhau giữa thông số nhiệt độ của các lớp trên buồng phản ứng tương ứng với các vùng làm việc khác nhau được trình bày như trên hình 4.

Từ đồ thị hình 4 cho thấy nhiệt độ giữa các vùng làm việc chênh nhau rất nhiều (điều này phản ánh đúng quy luật), trong khi đó nhiệt độ giữa các lớp chênh nhau không nhiều (điều đó cho thấy cần bảo ôn giữ nhiệt tại lớp ngoài cùng trong thực tiễn khi chế tạo với mục đích giảm tổn thất nhiệt ra môi trường), cụ thể:

- Nhiệt độ lớp 1 của vùng I chênh lệch với lớp 1 vùng III:   256,58⁰C

- Nhiệt độ lớp 2 của vùng I chênh lệch với lớp 2 vùng III:   367,31⁰C

- Nhiệt độ lớp 3 của vùng I chênh lệch với lớp 3 vùng III:   349,96⁰C

Trong khi nhiệt độ chênh lệch giữa các lớp trong cùng một vùng theo đồ thị < 100⁰C

Trên cơ sở các thông số kỹ thuật đã được tính toán tác giả đã xây dựng được mô hình 3D, mô phỏng phản ánh về hình dáng, kết cấu và nhiệt độ làm việc của các lớp trong thân buồng phản ứng tương ứng với từng khu vực/từng vùng làm việc trên thân buồng phản ứng của lò khí hóa.

So sánh quá trình phân tích nhiệt giữa các lớp trong buồng phản ứng cũng như tại các vùng làm việc trên buồng phản ứng của lò khí hóa từ hình mô phỏng với kết quả thực nghiệm ta thấy được sự chênh lệch, cụ thể như sau:

- Tại vùng I.   Lớp 1(t⁰max) giảm 0,15%; lớp 3(tomin) tăng 0,066%

- Tại vùng II   Lớp 1(t⁰max) tăng 0,068%⁰C; lớp 3(tomin) giảm 1,52%

- Tại vùng III  Lớp 1(t⁰max) tăng 0,167% ; lớp 3(tomin) tăng 0,68%.

Kết quả này cho ta thấy nhiệt độ làm việc của các lớp trên thân lò, cũng như các vùng khác nhau trên buồng phản ứng phù hợp với kết quả phân tích và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, qua đó có cơ sở khoa học để đánh giá sự tổn thất nhiệt ra môi trường và hiệu suất nhiệt của lò.

Từ kết quả mô phỏng ta có cơ sở khoa học để hoàn thiện thiết kế và/hoặc tối ưu hóa thiết kế, hướng tới lò có kết cấu phù hợp hơn, đáp ứng được yêu cầu sản xuất thực tiễn đòi hỏi, góp phần nâng cao được hiệu suất nhiệt cho quá trình khí hóa và giảm tổn thất mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh.

[1]. Nguyen, Dinh Tung (2009). Theoretische und experimentele Untersuchungen zur energietische Nutzung von landwirtschaftlichen Abfällen aus Vietnam. Dissertation Universität Rostock, Deutschland.

[2]. Nguyễn Đình Tùng và cs. (2014): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò khí hóa liên tục phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) quy mô công nghiệp, Đề tài nghiên cứu cấp Nhà Nước 2014, Bộ Công Thương.

[3]. Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer. 2011. Energie aus Biomasse, 3 Auflage, Springer Berlin Verlag Springer Verlag.

[4]. William L. Luyben (1999). Process modeling, simulation, and control for chemical engineering, 2nd Edition, McGraw-Hill Publishung Company.

[5]. Peter von Boeckh, T. Wetzel. (2011). Wärmeübertragung, Grundlagen u. Praxis, 4 Auflage, Springverlag.

[6]. Henriksen U. (2001). Development of a two-stage gasifier at DTU-Gasification with low tarcontent, 2001.

[7]. Henriksen U., Ahrenfeldt J., et al (2003). The Design, Construction and Operation of a 74 kW Two-Stage Gasifier, 2003

[8]. Koch T. (2005). The TKE  3-stage gasifier, Gasification and combined heat and power production in small scale, presentation Trondheim, 2005.

[9]. Friedrich Lether, Helmut Timmer, Peter Haselbacher (2007). Deliverable 8: Biomass gasification- State of the art description , Graz Univertity of technology- Institute of Thermal Engineering.

[10]. Hammerer D. (2000). Vergasung von Biomasse zur gekoppelten Strom- und Waermeerzeugung. Dissertation TU Garz, Institut fuer Waermetechnik, Februar 2000.