Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ tư, 29/06/2022 | 02:00

Thứ tư, 29/06/2022 | 02:00

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 10:00 ngày 06/09/2021

Một số kết quả tính toán thiết kế chế tạo lò đốt kết hợp khí hóa sinh khối

Tóm tắt:
Nội dung bài báo trình bày sơ lược kết quả nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo và đưa vào sản xuất mẫu lò mới, đó là lò đốt khí hóa sinh khối đồng thời, điều đó có nghĩa là quá trình chuyển đổi sinh khối thành năng lượng nhiệt được diễn ra đồng thời với hai quá trình là quá trình đốt trực tiếp và quá trình khí hóa. Với mẫu lò này sẽ giảm được phát thải vì quá trình đốt kết hợp với khí hóa sẽ triệt để hơn của quá trình cháy nhiên liệu, qua đó nâng cao được hiệu suất chuyển đổi năng lượng của lò, ở đây hiệu suất đạt được khoảng 68%.
Từ khóa: Lò đốt kết hợp khí hóa; đốt, khí hóa, sinh khối
1. Đặt vấn đề
Việt nam là nước chiếm phân lớn dân số làm nông nghiệp, bởi vậy hàng năm sau mùa thu hoạch lượng tồn dư sinh khối từ phụ phẩm nông-, lâm nghiệp chưa được sử dụng còn lớn. Phần lớn lượng tồn dư này người dân chưa thực sự dùng nhiều, hoặc sử dụng chưa hiệu quả, thường bỏ đi gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, tại các cơ sở chế biến (sấy) các sản phẩm nông nghiệp vẫn đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch là chủ yếu,  nhưng năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí gas tự nhiên,…) ngày một cạn kiệt và còn gây ô nhiễm môi trường. Vì thế, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ sinh khối là cần thiết, do vậy việc nghiên cứu thiết kế ra “mẫu” lò đốt kết hợp với khí hóa sinh khối để tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ sinh khối thành năng lượng nhiệt là cần thiết và cấp bách trong lĩnh vực nông nghiệp. Được như vậy sẽ đáp ứng nhu cầu hiện nay trong việc ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống để sử dụng trong sấy nông sản quy mô hộ gia đình, doanh nghiệp vừa và nhỏ hay cho các cơ sở chế biến đối với các vùng nông thôn, miền núi là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao[1-3].
2. Vật liệu, phương pháp và thiết bị nghiên cứu
- Vật liệu nghiên cứu (hình 1): trong nghiên cứu này, vật liệu nghiên cứu là sinh khối sẵn có tại các địa phương được sử dụng để làm nhiên liệu đốt/khí hóa, trong nghiên cứu này đề cập đên hai nhóm sinh khối: i- sinh khối khô có độ ẩm khoảng 11-25% (ở đây là lõi ngô); ii- Sinh khối tươi có độ ẩm vào khoảng 26-50% (ở đây là vỏ cây sau khi chế biến gỗ bóc).
Hình 1: Sinh khối lõi ngô và vỏ cây sau khi chế biến gỗ bóc[1]
- Phương pháp nghiên cứu: trong nghiên cứu này nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết nhằm tính toán các quá trình cháy khi đốt và quá trình khí hóa sinh khối, làm cơ sở khoa học cho công đoạn thiết kế và chế tạo thiết bị.
- Thiết bị nghiên cứu: một trong những phương thức để nâng cao hiệu suất của lò đốt/lò khí hóa đó là lò có cấp gió thứ cấp. Với kiểu lò đốt có cấp gió thứ cấp sẽ đảm bảo cho quá trình cháy được triệt để hơn,khi cháy được triệt để sẽ góp phần làm giảm thiểu các thành phần phát thải độc hại, như vậy sẽ làm cho môi trường được thân thiện, vì ít thành phần phát thải gây hiệu ứng nhà kính. Chính bởi thế mà lò đốt cần phải thiết kế có cấp gió (oxy) thứ cấp. Đối với lò đốt có cấp gió (oxy) thứ cấp sẽ đem lại hiệu quả cháy tốt (triệt để) cho ta hiệu suất nhiệt cao thường là lò dạng đứng, vì lò dạng đứng việc cấp gió thứ cấp để bổ trợ không khí (oxy) cho quá trình “cháy trên ngọn lửa đốt sơ cấp” (hình 2) là hiệu quả và dễ thực hiện hơn. Trên hình 2 sau đây là nguyên lý lò đốt-khí hóa đồng thời phụ phẩm nông nghiệp tiết kiệm nhiên liệu được sử dụng trong nghiên cứu này. Nguyên lý hoạt động của thiết bị như sau: 
Không khí được cấp vào lò nhờ quạt (1), nguyên liệu được cấp vào lò nhờ cấp liệu (12). Khi lò bắt đầu hoạt động ghi xoay (2) được đóng, ô xy có trong không khí đi qua buồng khí trung gian (3) thông qua ghi tĩnh (4) len lỏi vào lớp nguyên liệu phía trên ghi tĩnh tham gia quá trình cháy/quá trình đốt để tạo nên vùng cháy (6) quá trình cháy như vậy là cháy trực tiếp sẽ không cháy được triệt để hoàn toàn đối với nguyên liệu rắn. Bởi vậy sẽ sinh ra vùng cháy yếm khí/vùng khí hóa (8), tại vùng này sẽ được cấp thêm ôxy thứ cấp (7) thông qua hai tầng cấp gió (cấp ô xy) vào vùng khí hóa nhằm phát huy hiệu quả quá trình khí hóa đồng thời tạo ra quá trình đốt cháy khí tổng hợp syngas sinh ra tại vùng phía trên của lò. Như vậy đã làm tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng sinh khối thành năng lượng nhiệt của lò. Khí nóng tạo được từ lò đốt-khí hóa được đưa ra ngoài đi sử dụng nhờ quạt hút (10), cũng nhờ quạt hút (10) sẽ làm tăng hiệu quả quá trình cháy trực tiếp và quá trình khí hóa kiểu này. Lượng tro thải ra của quá trình đốt cháy và khí hóa được đưa ra ngoài thông qua cửa (13).
Hình 2: Nguyên lý kết cấu lò đốt-khí hóa đồng thời phụ phẩm nông nghiệp tiết kiệm nhiên liệu và lưu nhiệt
3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
3.1. Kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế
- Tính buồng phản ứng thông qua các phương trình khí hóa
Khí hóa là kết quả của các phản ứng hóa học giữa carbon trong than và hơi nước, carbon dioxide và hydro trong buồng phản ứng của lò khí hóa cũng như các phản ứng hóa học giữa các khí thu được. Phương trình cho quá trình cháy hoàn toàn sản phẩm khí hóa, với oxy (oxy trong không khí) được cấp vào bên dưới buồng phản ứng từ vùng khử, thông qua các phương trình từ (1) đến (10) cân bằng hóa học dưới dạng các phản ứng xảy ra trong lò khí hóa bao gồm:
C + O2 → CO2, (1)
C + 1/2 O2 → CO, (2)
H2 + 1/2 O2 → H2O, (3)
C + H2O → CO + H2, (4)
C + 2H2O → CO2 + 2H2, (5)
C + CO2 → 2CO, (6)
C + 2H2 → CH4, (7)
CO + H2O → H2 + CO2, (8)
CO + 3H2 → CH4 + H2O, (9)
C + H2O → 1/2CH4 + 1/2CO2, (10)
Trong trường trường hợp oxy được cấp vào là ô xy có trong không khí, được tiêu thụ trong các phản ứng (1) đến (3), giai đoạn này nhằm cung cấp nhiệt cần thiết để làm khô nhiên liệu sinh khối, phá vỡ liên kết hóa học, và tăng nhiệt độ lò phản ứng để tạo ra các phản ứng khí hóa từ (4) đến (9). Các phản ứng (4) và (5), được gọi là giai đoạn/ phản ứng “khí-nước”/tách nước tạo khí, là các phản ứng khí hóa chính, là phản ứng nhiệt, ứng với nhiệt độ cao và áp suất thấp. Phản ứng (6), là phản ứng nhiệt và chậm hơn nhiều so với phản ứng đốt cháy (1) trong trường hợp không có chất xúc tác. Phản ứng (7), khí hóa tạo khí CH4. Phản ứng (8), phản ứng chuyển dịch khí-nước/phản ứng tách nước, rất quan trọng để tạo ra khí H2. Phản ứng (9), phản ứng metan hóa, tiến hành rất từ từ ở nhiệt độ thấp trong trường hợp không có chất xúc tác. Phản ứng (10) tạm gọi là phản ứng “trung tính”, cho thấy quá trình khí hóa có thể tiến hành với đầu vào nhiệt nhỏ nhưng sự hình thành mêtan chậm so với các phản ứng (4) và (5) trừ khi được xúc tác. Ngoài các tác nhân khí hóa (không khí, oxy, hoặc hơi nước), nhiệt độ và áp suất của lò khí hóa, các yếu tố khác ảnh hưởng đến thành phần hóa học, giá trị gia nhiệt và các ứng dụng/sử dụng cuối cùng của khí sản phẩm khí hóa (syngas) không được đề cập sâu trong nghiên cứu này.
Để đơn giản hóa cho quá trình khí hóa nhiên liệu rắn (sinh khối) ta có thể tóm lược thông qua mô hình như trên hình 3 sau [4].
Hình 3: Mô hình khí hóa sinh khối (nhiên liệu rắn)[4]
Theo tài liệu [1-3] cho thấy nhu cầu O2 /kg nhiên liệu (kg nl) = 32/28 = 1,143 kg, và tỉ số cân bằng hóa học giữa không khí/nhiên liệu A/F = 1,143/0,233 = 4,905/1. Cơ sở để tính toán cần dựa trên đặc tính nguyên liệu sinh khối, trong nghiên cứu này nhóm tác giả lựa chọn nguyên liệu lõi ngô để tính toán. Bởi vậy các thông số về đặc tính của nguyên liệu lõi ngô được tác giả ([3] Nguyễn Đình Tùng, 2009) đã phân tích tại phòng nghiệm công nghệ cao về kỹ thuật Năng lượng và Môi trường tại CHLB Đức như trong bảng 1, được tham khảo để làm số liệu tính toán cho nghiên cứu này.
Bảng 1: Phân tích giá trị nhiên liệu lõi ngô làm ví dụ cho lựa chọn nhiên liệu[3,5,6]
Riêng về nhiệt trị (nhiệt trị thấp, hoặc nhiệt trị cao) có thể tính toán nhờ các phương trình tính toán gần đúng dựa trên kết quả phân tích các thành phần hóa học có trong nhiên liệu như nêu ở bảng 1.
* Tính nhiệt trị thấp (Hu) như sau [5-7]:
Hu = [Nhiệt trị cao (BW) -  nhiệt mang đi trong quá trình bốc hơi nước của nhiên liệu trong quá trình cháy (kj/kg)] (phụ thuộc lượng ẩm có trong nhiên liệu).
* Tính nhiệt trị thấp (Hu) [5-7]:
Nhiệt trị thấp của lõi ngô từ giá trị trên bảng 1.
* Tính nhiệt trị cao (BW) [5-7]:
Nhiệt trị cao của lõi ngô  từ giá trị trên bảng 1.
* Tính tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu (FCR):
Công suất thiết kế hệ thống khí hóa ngược dòng với quy mô công suất nhiệt 1000kWth. Thiết kế lò khí hóa bao gồm các thành phần là cơ sở tính toán công suất và các biến số chỉ số làm thay đổi, tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu với các thông số tính toán.
Lượng tiêu thu nhiên liệu được tính như sau:
Lượng tiêu thụ trong 1h: Từ các phương trình tính toán trên ta có nhiệt trị thấp là 15.130,3418 (kJ/kg) đã tính toán được, đối với lò khí hóa xuôi chiều tỉ lệ tiêu thụ là 8,8. Đối với hệ thống khí hóa này thì hiệu suất nhiệt ta lựa chọn là khoảng 80%.
Khi đó tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu (FCR) được tính như sau:
* Đường kính lò phản ứng (D):
- Đường kính của buồng phản ứng được tính toán theo phương trình sau[1]:
Trong đó:
SGR = [khối lượng nhiên liệu sử dụng (kg)] / [diện tích buồng phản ứng (m2) x thời gian hoạt động (h)
- Khối lượng nhiên liệu nhiên liệu sử dụng: (kg)
- Diện tích lò phản ứng: (m2)
- Thời gian hoạt động (làm việc): (h)
- SGR: tỉ lệ khí hóa riêng phần của vùng nhiên liệu 
Đường kính của buồng phản ứng:
Ta lấy tròn = 1,2m, (Ở đây lựa chọn SGR = 260 kg/m2.h tương ứng mức nhỏ nhất, để cho ta D lớn nhất cần tìm)
* Chiều cao của buồng phản ứng (H): 
Đó chính là tổng khoảng cách từ đỉnh tới đáy của buồng phản ứng. Khoảng cách này chính là để làm cơ sở cho việc xác định thời gian khí hóa là bao lâu, nghĩa là thời gian hoạt động trong một lần khi hết nguyên liệu. Đó là cơ sở, hàm số biến số cũng như xác định thời gian tĩnh tới khi hoạt động lò khí hóa (T), tỉ lệ khí hóa riêng phần (SGR) và khối lượng riêng nhiên liệu.
Chỉ ra như sau đây là chiều cao lò khí hóa được tính sử dụng phương trình sau[1].
Mong muốn thời gian hoạt động (vận hành) của lò khí hóa T = 2,5h, với khối lượng riêng của nhiên liệu  pf = 450 kg/m3
Chiều cao làm việc của buồng phản ứng được cố định, chỉ tính khoảng 37,75% với lý do cần lưu ý đến: - Hốc/lỗ và miệng; - Ghi chứa; - Khoảng hốc trống thu tro ở phía dưới, hệ số điền đầy nguyên liệu, …..
- Tổng chiều cao của lò khí hóa (từ đỉnh tới chân lò khí hóa) tới vùng thu tro được lựa chọn (H) »1900 mm.
- Chiều cao của phễu/thùng chứa liệu (hf):
+ Đây là khoảng cách từ đỉnh của buồng phản ứng tới mặt trên của ghi lò
+ Chiều cao của phần chứa liệu (hf = 1,5 m = 1500mm)
+ Chiều cao  (hf) là tương tự cho cả bên trong và bên ngoài phần chứa liệu
+ Chiều cao của phần chứa tro hac = 0,35m
* Thời gian để tiêu thụ nhiên liệu(T):
Tổng thời gian cần thiết để nhiên liệu được khí hóa hết nhiên liệu trong lò phản ứng: gồm thời gian cần thiết để cho các phản ứng cháy hết nhiên liệu trong buồng phản ứng và thời gian tạo khí. Được tính theo phương trình[1].
Trong đó:
pf- Khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3)
Vr- Thể tích của buồng phản ứng (m3)
FCR- Tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu
Vậy:
 
* Chiều cao trở lực của dòng không khí:
Đây cần giải quyết/lưu ý trở lực bởi ngoài lớp liệu và còn có lớp than hóa bên trong buồng phản ứng trong suốt quá trình khí hóa. Đây là yếu tố rất quan trọng trong việc xác định quạt gió hoặc lượng gió cần thiết cho lò phản ứng. Chiều cao của phần chứa nhiên liệu (hf) và trở lực riêng phần (Sr) của lớp nhiên liệu là 0,65cm cột nước trên mét nhiên liệu[1]. Đây là yếu tố quan trọng xác định quạt cần thiết cho lò phản ứng.
- Chiều cao của phần chứa liệu hf 
- Trở lực cụ thể của lớp nhiên liệu cm cột H2O/m nhiên liệu 
Vậy, Rf = 1,4.0,65 = 0,91cm
Xuất phát từ nhu cầu tiêu thụ công suất nhiệt (năng lượng nhiệt) cần sử dụng thực tế trong sản xuất, để làm cơ sở cho quá trình tính toán công suất nhiệt và các thông số liên quan đến thiết kế lò đốt-khí hóa, các phương trình tính toán được trình bày như trong phương trình (19) đến (26) như sau đây[1-3].
Ta có Q’vào = Q’kk + Q’N liệu (19)
Trong đó: 
Q’kk = ṁkk . hkk = ṁkk . cpkk . Δtkk = ṁkk . cpkk . tkk
Q’kk =  V .ρkk .cpkk . tkk (20)
Q’N liệu = ṁnl . Hu (21)
Từ đó ta có Q’vào = ( V.ρkk .cpkk . tkk ) + (ṁnl . Hu)           (22)
Tương tự ta có:
Q’ra = Q’sd + Q’Thất thoát (23)
Trong đó:
Q’sd = ṁkhí nóng . hkhí nóng = ṁkhí nóng . cpkhí nóng. Δtkhí nóng (24)
=> Cân bằng năng lượng: Q’vào = Q’ra (25)
Thông qua các phương trình (19) đến (26) ta có thể xác định được công suất nhiệt (Q’Thất thoát) tổn thất ra ngoài môi trường: Q’Thất thoát = Q’vào - Q’sd (26)
* Kết quả tính toán, lựa chọn các thông số:
- Kết quả tính toán xác định được các thông số quá trình; thông số kỹ thuật của lò đốt kết hợp khí hóa và thiết bị phụ trợ (quạt cấp gió/cấp không khí) như trong bảng 2 sau.
Bảng 2: Kết quả tính toán lò đốt kết hợp khí hóa [1-2]
3.2. Kết quả thiết kế, chế tạo [1-2]
- Kết quả thiết kế: Qua kết xác định nguyên lý kết cấu và thiết kế đối với “mẫu” lò đốt-khí hóa nguyên liệu rắn sinh khối (lõi ngô, vỏ cây) như trên hình 4. Mẫu lò đốt này có ưu điểm là dễ gia công, chế tạo, vận hành, có thể ứng dụng ngay vào sản xuất [1-2].
Hình 4: Nguyên lý, kết cấu lò đốt kết hợp khí hóa sinh khối [1-2]
1- Quạt cấp oxi (gió) sơ cấp; 2- Đường cấp oxi (gió) sơ cấp; 3- Đường cấp oxi (gió) thứ cấp; 4- Lò đốt; 5- Đường cấp oxi cho quá trình đốt khí syngas; 6- Đường dẫn khí nóng đi sử dụng; 7- Quạt sấy (quạt hút gió nóng); 8- Đường cấp liệu; 9- Van xả tro.
Dựa trên các kết quả như trong bảng 2 làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo ra mẫu lò đốt kết hợp khí hóa nguyên liệu rắn với các thông số kết cấu và thông số kỹ thuật như trên hình 4 – hình 5[1-2].
- Kết quả chế tạo: kết quả nghiên cứu chế tạo mẫu lò đốt kết hợp khí hóa sinh khối được thể hiện thông qua hình ảnh như trên hình 5[1].
Hình 5. Kết quả chế tạo lò đốt-khí hóa sinh khối[1]


4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu này đã “đưa” ra được “mẫu” lò sinh khối kiểu mới vì theo nguyên lý đốt-khí hóa đồng thời, do vậy trong quá trình sử dụng cho máy sấy sẽ phát huy được ưu điểm của cả hai phương pháp đốt và khí hóa, bởi vậy tiết kiệm được nguyên liệu đốt và hiệu suất của lò sẽ được tăng lên.
Đã tính toán, thiết kế, chế tạo được “mẫu” lò đốt-khí hóa đồng thời sinh khối tiết kiệm nhiên liệu hoàn toàn có thể ứng dụng ngay vào sản xuấtvới các thông số tối ưu tìm được là: công suất nhiệt (1000 kWth); lượng nhiên liệu tiêu thụ (295,2 kg/h), đường kính lò (1,2m); chiều cao buồng phản ứng (1,5m); lượng gió tiêu thụ 1550 (/m3/h).
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Đình Tùng, Mai Thanh Huyền, Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Đình Quý và Ngô Đăng Huỳnh (2015). Nghiên cứu thiết kế chế tạo lò đốt-khí hóa đồng thời phụ phẩm nông nghiệp tiết kiệm nhiên liệu với mô hình di động. Báo cáo đề tài khoa học công nghệ, cấp Bộ.
[2]. Nguyễn Đình Tùng (2015). Tính toán thiết kế lò đốt-kết hợp khí hóa sinh khối. Tạp chí công nghiệp nông thôn, số 20 (số đặc biệt kỷ niệm 45 năm thành lập Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp).
[3]. Nguyen Dinh Tung (2009). Theoretische und experimentelle Untersuhungen zur energetische Nutzung landwirtschaftliche Abfälle aus Vietnam. Dissertation, Universität Rostock, Deutschland.
[4]. Christopher, H. and Maarten van der B (2007). Gasification. Elsevier.
[5]. Nguyễn Đình Tùng (2008). Nghiên cứu thực nghiệm sự đốt cháy sinh khối trong lò đốt tầng sôi tĩnh quy mô nhỏ (SFBC-400). Tạp chí khoa học và công nghệ, Trường Đại học Đà Nẵng, Tập VI, số 29, trang 33-40.
[6]. Tung, N. D.; Steinbrecht, D.; Vincent, T. (2009). Experimental Investigations of Extracted Rapeseed Combustion Emissions in a Small Scale Stationary Fluidized Bed Combustor, Energies, Vol. 2(1), p. 57-70.
[7]. Steinbrecht D. (2014). Wirbelschichtfeuerungen, Schwerpunkt, Stationäre Wirbel-schichtfeuerungen, Skript für Vorlesung, Universität Rostock, Deutschland.
Some results of calculation, design, and manufacturing of combustors combining of biomass combustion and gasification
Abstract:
The content of the article briefly presents the results of research, calculation, design, manufacture, and production of new furnace models, which are simultaneous biomass gasification furnaces, which means the conversion process. Biomass into thermal energy takes place simultaneously with two processes: direct burning and gasification. With this furnace sample will reduce emissions because the combustion process combined with gasification will be more thorough in the combustion of the fuel, thereby improving the energy conversion efficiency of the furnace, where efficiency reaches about 68%.
Keywords: Co-combustion and gasification; combustion, gasification, biomass
Nguyễn Đình Tùng*),2); Nguyễn Văn Tiến1),2), Mai Thanh Huyền1),2), Nguyễn Đình Quý1),2); Ngô Đăng Huỳnh1),2
*) - PGS.TS; 1 - ThS; 2 - Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp - Bộ Công Thương
Theo Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam; số 35, trang 39-45.


lên đầu trang