Thiết kế hệ thống hóa khí viên nén RDF công suất 50KW ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Ngày nay, con người chủ yếu phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, khí tự nhiên và than cho nguồn năng lượng Theo Lior, trong tổng số 20,2 PWh điện sản xuất năm 2008, 66% đến từ nhiên liệu hóa thạch, 18% từ thủy điện, 14% từ điện hạt nhân và chỉ 2% từ các nguồn năng lượng tái tạo Trong cơ cấu điện từ nhiên liệu hóa thạch, than chiếm 62%, khí tự nhiên 29% và dầu 9% Dự báo trong giai đoạn từ 2007 đến 2020, nhu cầu năng lượng sẽ tiếp tục gia tăng.

Đến năm 2030, nhu cầu năng lượng dự kiến sẽ tăng khoảng 40%, đạt khoảng 16.800 MTOE Sự gia tăng nhanh chóng này dẫn đến việc cạn kiệt các nguồn năng lượng, kéo theo giá năng lượng tăng cao và các vấn đề liên quan đến bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm trọng.

Việc tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là sinh khối, đang được chú trọng do những ưu điểm như giá thành rẻ và hàm lượng lưu huỳnh thấp Sinh khối không chỉ giúp giảm phát thải CO2 mà còn được xem là giải pháp tiềm năng để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch thông qua hóa khí sinh khối Tuy nhiên, vấn đề hắc ín trong sản phẩm hóa khí vẫn là thách thức lớn trong việc ứng dụng cho sản xuất năng lượng chất lượng cao Do đó, nhiều quốc gia đang tập trung nghiên cứu và phát triển công nghệ hóa khí sinh khối nhằm giảm hàm lượng hắc ín, đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu công nghệ và có khả năng vận hành ổn định với nhiều loại sinh khối khác nhau.

Các quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, Phần Lan, Nhật Bản, Áo và Đan Mạch, cùng với các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ và Thái Lan, đều nổi bật trong bức tranh toàn cầu.

Nhu cầu sử dụng năng lượng chất lượng cao, đặc biệt là điện năng, tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, với mức tăng trưởng đạt 14,9% mỗi năm trong giai đoạn 1995 đến nay.

Từ năm 2005, nguồn cung điện năng đã thiếu hụt nghiêm trọng, với mức giảm khoảng 4% mỗi năm, trong khi hệ thống phân phối điện vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu Báo cáo của Bộ Công Thương năm 2009 đã chỉ ra vấn đề này.

Hiện nay, tỷ lệ phủ điện lưới tại Việt Nam đã đạt trên 97% dân số Tuy nhiên, nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, với ước tính trữ lượng dầu và khí đốt chỉ đủ dùng trong 40 - 50 năm tới, dẫn đến việc Việt Nam sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng từ năm 2015 Bên cạnh đó, việc sử dụng sinh khối hiện tại chưa hiệu quả, chủ yếu chỉ dừng lại ở hình thức đốt cháy trực tiếp để cung cấp nhiệt, dẫn đến hiệu suất thấp và ô nhiễm môi trường Theo báo cáo, 59% sinh khối được sử dụng cho mục đích cung cấp nhiệt và đun nấu hộ gia đình Công nghệ hóa khí sinh khối vẫn chỉ dừng lại ở mức lý thuyết và quy mô bếp đun hộ gia đình.

Viên nén RDF được xem là một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng trong kỷ nguyên công nghiệp hóa, tuy nhiên, việc sử dụng chúng cũng gây ra lo ngại về sự gia tăng nóng lên toàn cầu và hiệu ứng nhà kính, theo báo cáo của Hội đồng Năng lượng Thế giới năm 2010 Việc sử dụng viên nén RDF như một chất đốt thông thường dựa vào các quá trình như nhiệt phân, hóa khí và chuyển đổi carbon Sản xuất và vận chuyển viên nén RDF thông qua các quy trình như nhiệt phân, este hóa, lên men và hóa khí không chỉ mang lại lợi ích về năng lượng mà còn tạo ra hiệu ứng thương mại quan trọng.

Hóa khí là quá trình chuyển đổi vật liệu carbon như viên nén RDF thành khí có thể sử dụng hoặc nguyên liệu hóa học Các quá trình liên quan bao gồm nhiên phân, oxi hóa một phần và hidro hóa Mặc dù quá trình đốt cháy cũng chuyển đổi carbon thành nhiên liệu khí, nhưng hóa khí quan trọng hơn vì nó giữ lại năng lượng trong sản phẩm khí Khi khí này được đốt cháy, năng lượng sẽ được giải phóng hoàn toàn thông qua việc bẻ gãy các liên kết hóa học Quá trình hóa khí diễn ra khi lượng oxy từ môi trường không đủ để đốt cháy hoàn toàn vật liệu, dẫn đến việc oxi hóa và giải phóng nhiệt vào môi trường.

Mục tiêu của hóa khí và nhiệt phân không chỉ là chuyển đổi năng lượng mà còn sản xuất nguyên liệu hóa học quan trọng Hiện nay, hóa khí không chỉ giới hạn trong việc chuyển đổi các hidrocacbon rắn mà còn áp dụng cho nhiên liệu lỏng và khí, giúp chúng trở nên hữu ích trong thực tế Một ví dụ điển hình là quá trình oxy hóa một phần, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất metan và các khí dễ cháy khác, gọi là syngas, chủ yếu bao gồm CO và H2.

Việc nhập khẩu công nghệ và sao chép mẫu hệ thống hóa khí hiện đang gặp nhiều khó khăn và rủi ro, do công nghệ này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm Các báo cáo cho thấy sau khi nhập công nghệ về Việt Nam, hệ thống hoạt động không ổn định với hàm lượng hắc ín cao và hiệu quả thấp, dẫn đến việc phải dừng vận hành sau thời gian ngắn, gây lãng phí Do đó, nghiên cứu và phát triển công nghệ hóa khí sinh khối để sản xuất năng lượng là cần thiết, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng cho các khu vực chưa có điện lưới hoặc có chi phí điện quá cao, đồng thời tận dụng nguồn sinh khối dồi dào và rẻ tiền, mặc dù có thể gây ô nhiễm môi trường.

Tính cấp thiết của đề tài

Viên nén RDF, hay năng lượng sinh khối, là nguồn năng lượng phong phú và giá cả phải chăng, có mặt trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và du lịch Chúng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và có khả năng chuyển đổi năng lượng từ các ngành này thành các dạng thân thiện với môi trường, đồng thời góp phần giảm tải cho ngành công nghiệp xử lý rác thải hiện tại.

Nghiên cứu này cho phép các đơn vị tự thiết kế và chế tạo thiết bị hóa khí sinh khối trong nước, đặc biệt là thiết bị có hàm lượng hắc ín thấp, mà không cần nhập khẩu Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí thuê chuyên gia cho việc bảo trì, bảo dưỡng và xử lý sự cố, mà còn nâng cao độ tin cậy và hệ số sẵn sàng của hệ thống.

Nghiên cứu này cho phép Việt Nam tận dụng hiệu quả đa dạng nguồn sinh khối sẵn có và giá rẻ, thay vì phụ thuộc vào một số nhiên liệu đắt tiền và nhập khẩu Nó nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống và sử dụng sinh khối cho các mục đích năng lượng chất lượng cao như sản xuất điện và cung cấp nhiệt, thay thế các nhiên liệu ô nhiễm như LPG và SNG Đặc biệt, nghiên cứu hóa khí viên nén RDF góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và khí độc hại trong khí quyển Ngoài ý nghĩa môi trường, nghiên cứu còn mang lại tác động kinh tế lớn cho chính quyền, doanh nghiệp và cơ sở sản xuất, giúp tái sử dụng nguồn rác thải hiệu quả.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, con người cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật để cải tạo môi trường Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, các nền kinh tế mới nổi và đang phát triển cần đầu tư vào năng lượng sạch gấp bảy lần để giảm thiểu tác động tiêu cực của nông nghiệp đối với môi trường.

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu và phát triển công nghệ hóa khí sinh khối tại Việt Nam nhằm tạo ra nguồn năng lượng chất lượng cao từ các nguồn nhiên liệu sinh khối sẵn có, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Công nghệ này có đặc tính vận hành ổn định, hỗ trợ đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo.

Hệ thống hóa khí sinh khối được thiết kế và phát triển nhằm phục vụ cho lò hơi sản xuất hơi có áp suất Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chế độ vận hành, đặc tính nhiên liệu và loại sinh khối đến hiệu suất năng lượng của hệ thống Bên cạnh đó, việc phân tích tiềm năng nguồn và các đặc tính nhiệt, lý, hóa của sinh khối tại Việt Nam là cần thiết để ứng dụng công nghệ hóa khí trong sản xuất điện năng.

Tổng quan các nghiên cứu về hóa khí

Nghiên cứu năng lượng tái tạo đang trở thành một chủ đề hấp dẫn và khả thi trong thực tế Các nhà khoa học toàn cầu đã phát triển nhiều phương pháp tính toán và tổng hợp ứng dụng năng lượng sinh khối trong hóa khí Dưới đây là một số ví dụ về các mô hình hóa khí và các phương pháp xây dựng mô hình, cùng với kế hoạch phát triển và cải tạo các mô hình này.

Bảng 1.1: Các tổng kết về mô hình hóa khí [52]

Tác giả Tổng quan Nội dung

Mô hình hóa viên nén RDF trong lò tầng sôi

Mục tiêu của bài viết này là xem xét mô hình của hóa khí tầng sôi sinh khối và chất thải

Bài viết dự đoán hiệu suất của một tầng sôi hóa khí sinh khối dạng tầng, tập trung vào thành phần khí, quá trình chuyển hóa cacbon và hiệu suất hóa khí.

Xem xét và phân tích các mô hình hóa khí

Bài viết này tổng kết và so sánh các quá trình hóa khí của các loại lò khác nhau, đồng thời đánh giá vai trò của từng mô hình trong ứng dụng thực tiễn.

Mục đích của việc so sánh và phân tích các loại viên nén RDF khác nhau trong mô hình hóa khí có sẵn trong lý thuyết

Tổng hợp các mô hình hóa khí

Mục tiêu của bài viết nhằm tổng kết và so sánh các loại hình hóa khí có trong lý thuyết

Nghiên cứu so sánh sự phát triển của các mô hình hóa khí đặc biệt, nhấn mạnh ứng dụng thực tế và những hạn chế của chúng Việc hiểu rõ những ưu điểm và nhược điểm của các mô hình này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng trong các lĩnh vực liên quan.

Loha et al (2014) Những cải tiến về mô hình toán học của hóa khí tầng sôi

Bài viết này tổng kết về các lò hóa khí tầng sôi, nêu rõ những lợi ích và bất lợi của mô hình hóa khí này Đồng thời, nó cũng bàn luận về các điểm quan trọng liên quan đến lò hóa khí tầng sôi, từ hiệu suất hoạt động đến tác động môi trường, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về công nghệ này.

Mô hình hóa khí thuận chiều

Trọng tâm của bài viết tổng kết các mô hình hóa khí thuận chiều hiện hành

Tổng kết các quá trình hóa khí và mô tả về những mô hình

Villetta et al (2017) Mô hình hóa các phương pháp hóa khí sinh khối: nhấn mạnh vào phương pháp phân tích

Bài viết này nhằm mục đích cung cấp cái nhìn tổng quan về các mô hình hóa khí, với trọng tâm là các mô hình dựa trên phương pháp phân tích.

Bài viết này thảo luận về ảnh hưởng của độ ẩm sinh khối, tỷ lệ đương lượng, sự thay đổi áp suất và sự làm giàu oxy đến chất lượng khí sản xuất Mục tiêu chính là tổng kết các mô hình hóa khí sử dụng phương pháp cân bằng, nhấn mạnh vào các phương pháp không phân tầng và phân loại, cùng với các tiếp cận mô hình cân bằng để cải thiện hiệu quả sản xuất khí.

Việc áp dụng các mô hình phân loại là rất quan trọng trong quá trình thực hiện thí nghiệm trên các mô hình thực tế Dựa trên các công bố khoa học, chúng ta có thể thiết kế và phát triển những mô hình này, từ đó định hướng cho các mục đích cụ thể.

Bảng 1.2: Các cấu trúc căn bằng nhiệt động học áp dụng cho mô hình hóa khí[52]

Phương pháp tạo lập mô hình hóa khí Mô tả

Cân bằng nhiệt động học là một khía cạnh quan trọng trong việc ước đoán thành phần khí CO và H2, cũng như đánh giá các hợp chất như CH4, CO2, hydrocacbon nhẹ và hắc ín Phương trình cân bằng nhiệt học hiện đại giúp mô tả quá trình dự đoán hắc ín và chuyển đổi cacbon, mang lại cái nhìn sâu sắc về các phản ứng hóa học liên quan.

Phản ứng với hơi nước trong mô hình cân bằng

Xử lý hậu phản ứng với mối tương quan và tính enthanpy

Mô hình nhiệt học tổng hợp các phương diện sử dụng mô hình cân bằng, đặc biệt áp dụng cho các mô hình có nhiệt độ thấp nhằm ước đoán sự hình thành khí metan (CH4).

Phương pháp tự do năng lượng có giới hạn (CFE)

Dự đoán CH4, hắc ín và sự hình thành than xương Phản ứng hóa học và tác động của mô phỏng mô hình

Mô hình cân bằng nhiệt động học là công cụ quan trọng trong thiết kế và tính toán các mô hình hóa khí, đặc biệt hiệu quả cho các mô hình hoạt động ở nhiệt độ cao trên 800 °C, giúp dự đoán chính xác lượng chuyển.

Bảy đổi lớn nhất đã được ghi nhận qua quá trình thực nghiệm, tuy nhiên, điều kiện cân bằng có thể cao hơn thực tế khi lò hoạt động ở nhiệt độ thấp Một số nghiên cứu cho thấy kết quả nhiệt động học đã lệch so với các kết quả thí nghiệm do sự xuất hiện của một số hệ số ảnh hưởng đến quá trình cân bằng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Lò hóa khí thuận chiều:

Kể từ những thập kỷ 50 của thế kỷ trước, nhiều mô hình hóa khí đã được xây dựng và mở rộng lý thuyết liên quan (Gengas 1950; Skov 1974; Foley 1983; Kjellstrom 1983, 1985; Kaupp 1984a; NAS 1983) Chúng tôi tin rằng việc phát triển các lò hóa khí sẽ tạo nền tảng vững chắc cho việc hiểu biết các quá trình cơ bản Sự kết hợp với các phương pháp đo đạc và thử nghiệm đặc tính của nhiên liệu sẽ là trọng tâm trong sự phát triển này.

Thiết bị hóa khí được phân loại dựa trên sự tiếp xúc giữa nhiên liệu khí và nhiên liệu rắn, cùng với công suất hoạt động Có ba loại chính: lò cố định hoặc di chuyển, lò tầng sôi, và lò phun Mỗi loại lò này được phân chia thành các loại cụ thể được mô tả chi tiết trong mục 2.4.3 Hầu hết các nhà cung cấp công nghệ phương Tây đều cung cấp mô tả sản phẩm kèm hình ảnh và giải pháp cho từng loại lò.

Công suất phù hợp là yếu tố quyết định khi sử dụng lò hóa khí Hình 2.2 minh họa các thông số công suất cho lò hóa khí và phạm vi ứng dụng trong sản xuất Cụ thể, lò hóa khí lớp lò dịch chuyển thích hợp cho các đơn vị sản xuất nhỏ (10kW-10MW), trong khi lò phun được sử dụng cho các đơn vị yêu cầu năng lượng cao hơn (5MW-100MW) Việc xác định công suất đúng đắn mang lại hiệu quả lớn cho doanh nghiệp sản xuất.

Lò hóa khí thuận chiều, được phát triển bởi một công ty vận tải Đức trong Thế chiến II, đã sản xuất gần 1.000.000 thiết bị hóa khí Các sản phẩm này bao gồm động cơ sử dụng năng lượng sinh khối và lò hóa khí sinh khối, góp phần quan trọng vào sự phát triển công nghệ trong thời kỳ này.

Lò hóa khí thuận chiều hoạt động bằng cách ép dòng khí theo một quỹ đạo nhất định qua lớp nhiên liệu bị oxi hóa Trong thực tế, lò sử dụng khí hút ở đầu ra để vận chuyển không khí xuyên qua lớp nhiên liệu Thiết bị này cho phép không khí đi vào từ phía trên, trong khi syngas và tro nóng được thải ra từ phía dưới Khi không khí đi qua vùng nhiệt độ cao của lò, nhiệt độ cao giúp phá vỡ các liên kết hóa học của hắc ín, do đó lò hóa khí thuận chiều mang lại lượng hắc ín thấp nhất so với các loại lò khác.

Không khí được cung cấp từ các vòi phun xung quanh cổ lò, đi xuống dưới và gặp lớp than bị nhiệt phân, dẫn đến quá trình cháy Dòng khí sau đó đi qua vùng hóa khí chứa than nóng và hóa khí chùng Cuối cùng, tro sẽ rơi xuống vùng đệm của lò sau khi đã hoàn thành phản ứng.

RDF, viết tắt của "refuse-derived fuel", là loại nhiên liệu được sản xuất từ các thành phần dễ cháy trong chất thải, bao gồm nhựa không tái chế (trừ PVC), bìa cứng, giấy và các vật liệu gấp nếp Quá trình tạo ra RDF bao gồm nhiều bước xử lý như sàng lọc, phân loại không khí, tách vật liệu dễ nổ, kim loại đen, kim loại màu, thủy tinh, đá và các tạp chất khác, sau đó cắt nhỏ hoặc viên hóa để tạo ra sản phẩm đồng nhất RDF có thể được sử dụng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch tại các nhà máy xi măng, nhà máy vôi, nhà máy nhiệt điện than, hoặc làm chất khử trong lò luyện thép Nếu tuân theo quy định của CEN / TC 343, RDF có thể được công nhận là nhiên liệu thu hồi rắn (SRF).

Trong quá trình xử lý, các vật liệu như thủy tinh và kim loại được loại bỏ vì chúng không bắt lửa; kim loại được tách ra bằng nam châm, trong khi thủy tinh được lọc qua sàng cơ học Tiếp theo, một hệ thống không khí được sử dụng để phân tách vật liệu nhẹ với vật liệu nặng, trong đó vật liệu nhẹ có nhiệt trị cao hơn và tạo ra RDF cuối cùng Ngược lại, vật liệu nặng thường được đưa đến bãi chôn lấp Các vật liệu còn lại có thể được bán dưới dạng đã qua xử lý hoặc được nén thành nhiên liệu viên, gạch, hoặc gỗ để sử dụng cho các mục đích khác nhau hoặc trong quy trình tái chế.

RDF (Refuse Derived Fuel) hay SRF (Solid Recovered Fuel) là phần chất thải rắn dễ cháy từ chất thải đô thị, được sản xuất qua các phương pháp xử lý cơ học và sinh học tại các nhà máy xử lý cơ học - sinh học (MBT) Trong quá trình sản xuất RDF/SRF, một số chất rắn dễ cháy khác có thể bị mất, gây ra tranh cãi về việc liệu việc sản xuất và sử dụng RDF/SRF có thực sự tiết kiệm tài nguyên hơn so với phương pháp đốt một bước truyền thống của chất thải rắn đô thị (MSW) trong các nhà máy năng lượng từ chất thải.

Về không gian: Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Về thời gian: Số liệu thu thập và những tính toán liên quan được thực hiện trong từ 1/6/2021-25/8/2021

Nghiên cứu này tập trung vào kết quả thiết kế mà chưa thực hiện thử nghiệm Dù vậy, các kết quả thiết kế đã được so sánh và đánh giá dựa trên những nghiên cứu liên quan.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết lò hóa khí thuận chiều phục vụ cho hóa khí viên nén RDF hoặc các loại nhiên liệu hóa thạch khác

- Chi tiết thiết kế của mẫu lò hóa khí sử dụng nhiên liệu viên nén RDF

- Nghiên cứu các đặc tính nhiên liệu sử dụng cho quá trình hóa khí

- Phương pháp thu thập và xử lý số liệu

- Phương pháp phân tích và xử lý số

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIÊN LIỆU VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI VIÊN NÉN RDF

Lịch sử hình thành

Nghiên cứu đầu tiên về quá trình hóa khí được thực hiện bởi Thomas Shirley vào năm 1659, khi ông phát hiện ra "khí trong mỏ than", hiện nay được biết đến là metan.

Nhiệt phân sinh khối để sản xuất than củi là ứng dụng quy mô lớn đầu tiên của quá trình hóa khí Khi gỗ trở nên khan hiếm vào đầu thế kỷ 18, than cốc được sản xuất từ than qua nhiệt phân, nhưng khí phụ từ quá trình này ít được chú ý Những phát triển ban đầu chủ yếu đáp ứng nhu cầu khí đốt cho chiếu sáng đường phố Khí đốt thành phố từ than đá đã được chứng minh trước Hiệp hội Hoàng gia Anh vào năm 1733, nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi Đến năm 1798, William Murdoch đã sử dụng khí than để thắp sáng tòa nhà chính của Xưởng đúc Soho.

Friedrich Winzer của Đức được cấp bằng sáng chế chiếu sáng bằng khí than vào năm

Lịch sử hóa khí có thể được chia thành bốn thời kỳ:

Trong giai đoạn 1850–1940, khí đốt từ than đá chủ yếu được sử dụng để chiếu sáng nhà cửa và đường phố, cũng như sưởi ấm, góp phần quan trọng vào cuộc Cách mạng Công nghiệp bằng cách kéo dài thời gian làm việc trong các nhà máy Việc phát minh ra bóng đèn điện vào khoảng năm 1900 đã làm giảm nhu cầu sử dụng khí đốt cho chiếu sáng, nhưng khí đốt vẫn được sử dụng cho sưởi ấm và nấu nướng Sự phát hiện khí tự nhiên đã dẫn đến sự giảm nhu cầu về hóa khí than và sinh khối Tất cả các công nghệ hóa khí thương mại chính, bao gồm thiết bị hóa khí tầng sôi của Winkler, đã được phát triển trong thời kỳ này.

Năm 1926, thiết bị hóa khí tầng chuyển động có áp suất của Lurgi và thiết bị hóa khí dòng chảy cuốn theo của Koppers-Totzek đã được giới thiệu lần đầu tiên, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ hóa khí.

Giai đoạn 1940–1975 chứng kiến sự phát triển của hóa khí trong hai lĩnh vực chính: nhiên liệu tổng hợp cho động cơ đốt trong và tổng hợp hóa học để sản xuất dầu cùng các hóa chất khác Trong thời kỳ này, hóa chất và nhiên liệu hàng không cũng được sản xuất từ than đá, với một lượng lớn ô tô và xe tải ở châu Âu hoạt động bằng than đá hoặc khí sinh khối thông qua các thiết bị hóa khí Hơn một triệu thiết bị hóa khí nhỏ đã được chế tạo chủ yếu phục vụ cho mục đích vận chuyển.

Nguồn dầu phong phú từ Trung Đông đã giảm bớt nhu cầu về hóa khí cho giao thông vận tải và sản xuất hóa chất Bên cạnh đó, sự xuất hiện của khí tự nhiên dồi dào vào những năm 1950 cũng đã ngăn cản sự phát triển của quá trình hóa khí than và sinh khối.

- 1975-2000: Giai đoạn thứ ba trong lịch sử hóa khí bắt đầu sau Chiến tranh Yom

Vào ngày 15 tháng 10 năm 1973, các thành viên của Tổ chức Các nước Xuất khẩu Dầu mỏ Ả Rập (OPEC) đã áp dụng lệnh cấm xuất khẩu dầu sang Hoa Kỳ và các nước phương Tây khác, gây ra cú sốc lớn cho nền kinh tế phương Tây, vốn phụ thuộc nhiều vào dầu mỏ từ Trung Đông Sự kiện này đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các công nghệ thay thế, như hóa khí, nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu.

Hóa khí không chỉ cung cấp khí đốt cho sưởi ấm mà còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nguyên liệu hóa chất, thường được chiết xuất từ dầu mỏ Mặc dù giá dầu giảm đã làm chậm quá trình hóa khí, nhưng nhiều chính phủ đã nhận thức được tầm quan trọng của môi trường sạch hơn và đã hỗ trợ phát triển các nhà máy điện chu trình hỗn hợp hóa khí tổng hợp (IGCC) quy mô lớn.

Sau năm 2000, sự nóng lên toàn cầu và bất ổn chính trị tại các quốc gia sản xuất dầu đã thúc đẩy quá trình hóa khí Mối đe dọa từ biến đổi khí hậu càng làm nổi bật nhu cầu giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch giàu carbon Hóa khí xuất hiện như một giải pháp tự nhiên để chuyển đổi sinh khối carbon trung tính, tái tạo thành khí.

Nhiệm vụ độc lập về năng lượng và sự gia tăng nhanh chóng của giá dầu thô đã thúc đẩy nhiều quốc gia phát triển các nhà máy IGCC Sự hấp dẫn của quá trình hóa khí để chiết xuất nguyên liệu có giá trị từ bã thải của nhà máy lọc dầu đã được tái khám phá, dẫn đến sự hình thành của một số nhà máy hóa khí lớn trong các cơ sở lọc dầu.

Thực trang rác thải ở Việt Nam

Sự phát triển của công nghiệp hóa và đô thị hóa dẫn đến gia tăng nhiều loại chất thải, gây ô nhiễm môi trường không khí, nước và các khu vực xung quanh khu công nghiệp cũng như vùng nông thôn Việc thiếu tư vấn môi trường đúng đắn đã khiến các khí thải và chất thải độc hại bị xả trực tiếp ra môi trường, làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm.

Tình trạng ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt do sự phát triển công nghiệp và sự gia tăng các nhà máy sản xuất, dẫn đến việc thải ra nhiều chất thải nguy hại và khí thải chưa qua xử lý Tại Việt Nam, mỗi người thải ra khoảng 0,35-0,8 kg rác mỗi ngày, tạo áp lực lớn lên môi trường Rác thải, sản phẩm không thể tránh khỏi từ hoạt động sinh hoạt và sản xuất, ngày càng đa dạng và phức tạp, khiến cho việc xử lý rác trở thành thách thức lớn Hiện tại, chỉ khoảng 60-65% rác thải ở các khu đô thị được đưa đến bãi chôn lấp, trong khi phần còn lại bị vứt bừa bãi vào ao hồ, sông ngòi và ven đường Tình trạng này còn nghiêm trọng hơn ở khu vực nông thôn, nơi rác thải thường không được thu gom, gây ô nhiễm môi trường sống.

Rác thải chỉ trở thành mối nguy hiểm khi con người lơ là trong việc quản lý, thu gom và xử lý Ngược lại, nếu áp dụng công nghệ xử lý rác thân thiện, rác thải sẽ trở thành nguồn tài nguyên quý giá, có thể tái sử dụng phục vụ cho nhu cầu của con người.

Các quá trình chuyển đổi rác thành năng lượng

Rác thải thành năng lượng (WTE) là công nghệ chuyển hóa rác thải hữu cơ thành điện hoặc nhiệt, giúp thu hồi năng lượng hiệu quả Quá trình này chủ yếu tập trung vào việc sản xuất điện hoặc nhiệt trực tiếp từ rác thải, góp phần vào việc tái chế và sử dụng năng lượng bền vững.

14 qua quá trình đốt cháy, hoặc sản xuất một số nhiên liệu dễ cháy như mê-tan, ethanol, methanol, than sinh học, hoặc nhiên liệu tổng hợp

2.3.1 Đốt Đốt là quá trình phản ứng hóa học do nhiệt tạo thành trong đó carbon, hydrogen và các nguyên tố khác có trong rác kết hợp với oxy không khí để tạo ra sản phẩm oxy hóa hoàn toàn và tạo ra nhiệt Đốt trực tiếp là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để sản xuất nhiệt, điện hoặc đồng phát nhiệt điện từ rác thải Trong hệ thống đốt trực tiếp, rác thải được đưa vào lò để đốt sinh nhiệt Nhiệt này được dùng đun nóng nước trong lò hơi, sau đó được sử dụng để sấy hoặc để chạy tuabin phát điện

Mặc dù đốt vẫn là một phương pháp phổ biến, nhưng nó đang gây ra nhiều tranh cãi do những lo ngại về an toàn và tác động tiêu cực đến môi trường.

Nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiên liệu khô không có oxy ở nhiệt độ cao, nhằm tạo ra dầu nhiệt phân, than sinh học và khí tổng hợp Trong quá trình này, các phản ứng phân tách xảy ra, tạo ra hỗn hợp khí chủ yếu gồm hydro và CO, cùng với các sản phẩm phụ như dầu nhiệt phân, nước, mê-tan và CO2 Khí sản phẩm được gọi là biogas hoặc khí tổng hợp (synthetic natural gas) Thành phần của nhiên liệu đầu ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hỗn hợp đầu vào, nhiệt độ và thời gian trong lò khí hóa.

Hóa khí là một công nghệ WTE đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học, trong đó nhiên liệu được gia nhiệt trong môi trường thiếu ô-xy, hay còn gọi là công nghệ cháy không hoàn toàn, nhằm tạo ra khí tổng hợp (syngas).

Hóa khí là quá trình gia nhiệt nguyên liệu đầu vào trong lò với không khí nghèo oxy, có thể kèm hoặc không kèm nước Trong quá trình này, các phản ứng nhiệt hóa diễn ra, tạo ra sản phẩm khí bao gồm hỗn hợp hydro (H2), cacbon monoxit (CO), nitơ (nếu sử dụng không khí) và các hợp chất hydro khác.

15 cacbon khác như CH4, C2H2, C2H4, Khí thành phẩm được gọi là khí đầu ra hoặc khí tổng hợp (syngas)

Các công nghệ còn lại chủ yếu là công nghệ không nhiệt, bao gồm

- Phân hủy yếm khí (tạo ra khí sinh học giàu metan)

- Ủ lên men (tạo ethanol, acid lactic, hydrogen)

- Xử lý kết hợp sinh học và cơ khí, gồm kỵ khí và hiếu khí

Cơ sở lý thuyết

Hóa khí viên nén rác là quá trình chuyển đổi nhiên liệu rắn thành khí bằng cách sử dụng oxy hoặc không khí ở nhiệt độ cao Sản phẩm khí này, được gọi là khí syngas, chủ yếu bao gồm CO, H2 và CH4 Khí syngas có nhiều ứng dụng, như làm nhiên liệu khí dân dụng, sử dụng trong công nghiệp, hoặc làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3 và CH3OH.

Một quy trình hóa khí điển hình sẽ chia thành các vùng như sau:

Vùng sấy đóng vai trò quan trọng trong quá trình hóa khí, vì mỗi kg độ ẩm trong nhiên liệu sẽ tiêu tốn khoảng 2242 kJ năng lượng để làm nước bốc hơi, dẫn đến tổn thất nhiệt lớn, đặc biệt với nhiên liệu có độ ẩm cao Do đó, việc sấy khô nhiên liệu để loại bỏ độ ẩm là cần thiết trước khi đưa vào thiết bị hóa khí Để đảm bảo sản xuất khí nhiên liệu có giá trị nhiệt cao, hầu hết các hệ thống hóa khí yêu cầu sử dụng nhiên liệu khô với độ ẩm từ 10-20%.

Nhiên liệu + Nhiệt → Nhiên liệu khô + H 2 O

Nhiệt phân là quá trình phân hủy sinh khối thông qua nhiệt mà không có sự hiện diện của oxy, dẫn đến việc tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích Quá trình này diễn ra trong điều kiện thiếu oxy, ngăn chặn hóa khí ở mức độ đáng kể và giúp chuyển đổi các phân tử thành các sản phẩm có giá trị.

16 hydrocacbon phức tạp lớn của sinh khối phân hủy thành các phân tử khí, lỏng và than tương đối nhỏ hơn và đơn giản hơn

Quá trình nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ tương đối thấp từ 300 – 650 o C

Nhiên liệu khô + Nhiệt → Char + Chất bốc

Trong quá trình phân tích chất bốc, các khí nhẹ và hợp chất hữu cơ cao phân tử (tar) đóng vai trò quan trọng Khi nhiệt độ tăng cao, tar sẽ bị phân hủy thành các phân tử nhẹ hơn như CO và CH4 Sản phẩm chính của quá trình nhiệt phân bao gồm CO, CO2, H2, CH4 cùng với một số hydrocacbon khác như C2H4 và C2H6, và quá trình này được gọi là “nhiệt phân thứ cấp”.

Quá trình nhiệt phân có thể được viết lại theo cơ chế hai cấp như sau:

Gian đoạn 1: Nhiên liệu khô + Nhiệt → Char + Khí + Tar

Giai đoạn 2: Tar + Nhiệt → Khí

Quá trình cháy một phần nhiên liệu diễn ra trong vùng giàu oxy của lò hóa khí, nơi các phản ứng tỏa nhiệt xảy ra Sản phẩm chính của quá trình này là

CO, CO2 và H2O phụ thuộc vào nhiệt độ và tỷ lệ oxy trong phản ứng Nhiệt từ quá trình cháy được sử dụng cho sấy nhiên liệu, nhiệt phân và các phản ứng hóa khí Trong một số quá trình hóa khí, nhiệt được cung cấp một cách gián tiếp để ngăn chặn cháy nhiên liệu trong lò và giảm sự hiện diện của N2 và CO2 trong hỗn hợp khí sản phẩm.

Trong lò hóa khí, có hai loại phản ứng cháy chính: cháy các khí sinh ra từ quá trình nhiệt phân (cháy đồng thể) và cháy char (cháy dị thể).

Quá trình hóa khí diễn ra khi cacbon trong char phản ứng với hơi nước, CO2 và H2, tạo ra các khí mới Quá trình này yêu cầu nhiệt độ tối thiểu là 700 o C, và các phản ứng giữa các khí tạo thành cũng diễn ra trong giai đoạn này.

17 chủ yếu diễn ra phản ứng khử giữa cacbon với CO2 và H2O từ quá trình cháy thành các sản phẩm khí như CO, H2

Trong quá trình hình thành CH4 và các phản ứng đồng thể khác giữa các chất ở pha khí, các phản ứng thường diễn ra là phản ứng thu nhiệt, hấp thụ nhiệt trong suốt quá trình cháy, ngoại trừ phản ứng giữa cacbon và H2 để tạo ra CH4.

Hình 2.1 Các vùng trong hóa khí và nhiệt độ của từng vùng [4]

2.4.2 Các phản ứng trong lò hóa khí

Bảng 2.1: Các phản ứng trong lò hóa khí [62]

Dạng phản ứng Cơ chế ΔH

Phản ứng thay thế CO + H2O ↔ CO2 + H2 - 41,0 (8)

Reforming CO2 CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 247,0 (13)

Các phản ứng cháy giữa cacbon, hydro và oxy là các phản ứng tỏa nhiệt, cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy, nhiệt phân sinh khối và các phản ứng hóa khí Sản phẩm của các phản ứng này có thể là CO2 hoặc CO với tỷ lệ khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ và lượng oxy tham gia, được xác định bởi tỷ số đương lượng.

Tỷ số đương lượng (ER) là tỷ lệ giữa lượng oxy cung cấp cho quá trình cháy và lượng không khí lý thuyết cần thiết cho toàn bộ quá trình cháy nhiên liệu Khi ER lớn hơn 1, sản phẩm chủ yếu tạo ra là CO2, trong khi trong quá trình hóa khí, giá trị ER thường thấp hơn.

Khi lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy giảm xuống khoảng 35% hoặc thấp hơn so với mức lý thuyết, tỷ lệ CO sinh ra sẽ tăng lên, điều này phụ thuộc vào nhiệt độ và loại nhiên liệu được sử dụng.

Cacbon rắn phản ứng với CO2 theo phản ứng Boundourd (4) để tạo ra CO Phản ứng này là phản ứng thu nhiệt và chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ trên 1000 K, đồng thời bị ức chế bởi sự hiện diện của CO.

Phản ứng khí nước là hai phản ứng hóa học quan trọng liên quan đến cacbon rắn và hơi nước, diễn ra ở nhiệt độ cao và áp suất thấp, đồng thời là phản ứng thu nhiệt.

Phản ứng tạo thành metan (7) xảy ra giữa cacbon (rắn) và H2 Phản ứng này diễn ra chậm và ở áp suất cao

Tăng nhiệt độ có thể làm thay đổi sự cân bằng hóa học của phản ứng đồng thể giữa CO, H2O, H2 và CO, ảnh hưởng đến thành phần của hỗn hợp khí thu được và thay đổi tỷ lệ CO/H2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa khí

2.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ trong quá trình hóa khí được xác định dựa trên trạng thái của tro, giữ ở mức dưới điểm mềm và trên điểm nóng chảy của xỉ Đối với viên nén rác, điểm nóng chảy của tro rất cao, do đó việc thêm chất hóa khí vào viên nén rác là cần thiết để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ và giảm hiệu suất tổng thể của quá trình Do đó, trong quá trình hóa khí, cần đảm bảo nhiệt độ trong lò không vượt quá giá trị cho phép.

2.6.2 Ảnh hưởng của độ ẩm nhiên liệu Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình hóa khí càng thấp vì vậy sấy viên nén là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình hóa khí Sấy là một quá trình tốn kém năng lượng mà có thể làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của quá trình Tuy nhiên, trong trường hợp hóa khí, nhiệt thải có thể được sử dụng để làm giảm độ ẩm của viên nén do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này

2.6.3 Ảnh hưởng của tác nhân hóa khí

Trong quá trình hóa khí sinh khối, có thể sử dụng một số tác nhân như oxy, không khí, hơi nước hoặc CO2 Việc lựa chọn tác nhân hóa khí không chỉ ảnh hưởng đến thành phần của sản phẩm khí mà còn quyết định sự xuất hiện của khí trơ và nhiệt trị của khí.

Việc sử dụng không khí làm tác nhân hóa khí dẫn đến sự giảm nhiệt trị của khí do sự có mặt của N2 Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ hóa khí đạt 800 oC và hệ số ER là 0,35, hỗn hợp khí thu được bao gồm 10% H2, 14% CO và 15% CO2.

Theo thể tích, N2 chiếm tỷ lệ lớn trong các nghiên cứu Việc tăng hệ số ER có thể giúp giảm phát thải tar, nhưng lại làm tăng O2 trong vùng nhiệt phân, dẫn đến giảm lượng H2 và CO, đồng thời tăng CO2 Điều này gây ra sự giảm nhiệt trị của khí.

Lựa chọn hơi nước làm tác nhân hóa khí thay cho không khí giúp tạo ra hỗn hợp khí với hơn 50% H2 và không có N2 Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tỷ lệ hơi nước/nguyên liệu ảnh hưởng đến sản phẩm khí, đặc biệt với nguyên liệu có kích thước hạt từ 0,5 – 2,5 mm; khi tỷ lệ này tăng, lượng H2 và CO cũng tăng theo.

CO giảm Hydrocacbon nhẹ như CH4 giảm nhẹ, các hydrocacbon nặng hơn như C2H2, C2H4,

C2H6 giữ nguyên Lượng tar giảm mạnh, nhưng nhiệt trị của khí thì giảm đáng kể do giảm tỷ lệ CO [7].

Sơ đồ qui trình hệ thống hóa khí

Dựa trên kết quả tham khảo từ các tài liệu liên quan, nhóm đã xây dựng sơ đồ công nghệ cho hệ thống khí hóa với công suất lò khí hóa đạt 65kW.

Hình 2.7: Sơ đồ qui trình lò hóa khí [60]

Phần nhiên liệu thô sau khi xử lý được đưa vào lò khí hóa, trong khi không khí được cấp qua đai khí bên ngoài lò Bộ đốt cung cấp nhiệt lượng để khởi động lò đốt, và không khí được quạt đưa vào lò để bắt đầu quá trình hóa khí Dòng khí sản phẩm sau đó được quạt hút đưa vào cyclone để lọc bụi, trước khi được chuyển thẳng tới lò hơi phục vụ cho quá trình sản xuất hơi nước.

Ứng dụng của công nghệ hóa khí

Sản xuất nhiệt từ hóa khí mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng nhiệt, do đó, nó cần được trang bị cho các thiết bị sử dụng nhiên liệu như lò nướng, lò nung và lò hơi.

Sản xuất điện từ hóa khí quy mô công nghiệp chủ yếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí tổng hợp, được đốt trong tuabin khí Quá trình hóa khí tích hợp IGCC không chỉ ứng dụng trong sản xuất điện mà còn tạo ra amoniac và nhiên liệu lỏng, đồng thời sản xuất khí CH4 và hydro cho pin nhiên liệu.

Hóa khí được sử dụng làm nhiên liệu vận chuyển, thay thế cho động cơ diesel hoặc hoạt động ở chế độ nhiên liệu kép Ngoài ra, nó còn cung cấp nhiên liệu cho nhiều động cơ công suất nhỏ.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA KHÍ VIÊN NÉN RDF (RDF)

Lựa chon thông số ban đầu và nhiệm vụ thiết kế

3.1.1 Lựa chọn thông số ban đầu

Bước đầu tiên là xác định một thiết kế khả thi cho việc lắp đặt thiết bị hóa khí Bài viết này trình bày sự kết hợp giữa lò hóa khí Imbert và lò hóa khí thuận chiều, tạo ra một giải pháp hiệu quả cho quá trình gia công.

Lò hóa khí thuận chiều là một loại lò phản ứng đồng dòng, nơi không khí được đưa vào ở một độ cao nhất định bên dưới đỉnh lò, cho phép khí sản phẩm đi xuống và thoát ra qua lớp tro nóng Nhờ vào việc đi qua vùng nhiệt độ cao, hắc ín trong khí sản phẩm dễ dàng phân hủy, khiến lò hóa khí thuận chiều có lượng hắc ín sinh ra thấp nhất Thiết kế này tận dụng ưu điểm của cả hai loại lò, với việc dễ dàng nạp sinh khối qua nắp mở và hiệu ứng phân hủy hắc ín ở thân lò Để giải quyết vấn đề cầu nối bổ sung của nguyên liệu, một bộ phận duy trì viên nén RDF đã được thêm vào Giai đoạn này cũng cho thấy khí tổng hợp có thể được đốt cháy trong một vòi đốt đơn giản, thay vì cung cấp cho động cơ đốt trong.

Mục tiêu của việc chế tạo thiết bị hóa khí nhằm phục vụ cung cấp nhiên liệu đốt cho lò hơi có thông số như sau:

Bảng 3.1 Thông số ban đầu

Thông số Số liệu Đơn vị

Công suất nhiệt yêu cầu 50 kW

Công suất cần thiết của thiết bị hóa khí

Công suất nhiệt lò hóa khí được chọn là 65 kW, với hiệu suất của lò hóa khí (η gasifier) đạt 0,7785, dựa trên mô phỏng Aspenplus Sau khi xem xét kỹ thuật, công suất 65 kW sử dụng không khí làm tác nhân hóa khí đã được quyết định là đầu ra thiết kế cho bộ hóa khí.

Bảng 3.2: Thông số đầu vào của lò hóa khí

Các đặc tính của lò hóa khí Lò hóa khí thuận chiều

Loại nhiên liệu Viên nén rác tổng hợp (RDF)

Tỷ trọng đổ viên nén RDF [61] 733 Kg/m 3

Hiệu suất của lò hóa khí 0,7785

Công suất đầu ra yêu cầu của lò hóa khí 65 kW

Nhiệt trị thấp của khí gas 4,574 MJ/Nm 3

Viên nén RDF từ rác tổng hợp là nguồn năng lượng tiềm năng cho quá trình hóa khí Việc đốt rác thải thường phát sinh nhiều thành phần độc hại và yêu cầu nhiều giai đoạn xử lý khói, vì vậy lựa chọn viên nén RDF giúp giảm thiểu chi phí xử lý khói cho các lò đốt Hơn nữa, việc sử dụng viên nén RDF còn hỗ trợ các doanh nghiệp trong việc quản lý và xử lý rác ngay tại nguồn phát sinh.

3.1.3 Thông số đầu vào Đối với bất kỳ thiết kế nào, thông số kỹ thuật của máy là rất quan trọng Đầu vào bao gồm đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu, môi trường hóa khí và khí sản phẩm Thông số kỹ thuật nhiên liệu điển hình sẽ bao gồm phân tích gần và cuối cùng, nhiệt độ hoạt động và đặc tính tro Đặc điểm kỹ thuật của môi trường hóa khí dựa trên việc lựa chọn hơi nước, oxy và / hoặc không khí và tỷ lệ của chúng

Các thông số này có thể ảnh hưởng đến thiết kế của thiết bị hóa khí như sau:

1 Giá trị gia nhiệt mong muốn của khí sản phẩm quyết định việc lựa chọn môi trường hóa khí Nếu không khí là môi trường hóa khí, giá trị nhiệt thấp hơn (LHV) của khí nằm trong khoảng 4,7 MJ / m 3 , trong khi trong trường hợp hóa khí dựa trên oxy và hơi nước, giá trị này nằm trong khoảng 10,20 MJ/m 3 (Ciferno và Marano, 2002, trang 4) Có thể lưu ý rằng khi nguyên liệu là sinh khối, giá trị gia nhiệt thấp hơn do hàm lượng oxy và độ ẩm cao

2 Hyđrô có thể được tối đa hóa bằng hơi nước, nhưng nếu không được ưu tiên, ôxy hoặc không khí là lựa chọn tốt hơn, vì nó làm giảm năng lượng được sử dụng để tạo ra hơi nước và năng lượng bị mất qua hơi nước chưa được sử dụng

3 Nếu nitơ trong khí sản phẩm không được chấp nhận thì không thể chọn không khí

4 Chi phí vốn thấp nhất đối với không khí, tiếp theo là hơi nước Cần đầu tư lớn hơn nhiều cho một nhà máy ôxy, cũng tiêu tốn một lượng lớn điện năng phụ trợ

5 Tỷ lệ hóa khí (ER) có ảnh hưởng lớn đến chuyển đổi carbon hiệu quả Đối với khí sản phẩm, đặc điểm kỹ thuật bao gồm: a Thành phần khí mong muốn b Giá trị gia nhiệt mong muốn c Tốc độ sản xuất mong muốn (Nm 3 /s hoặc MWth được sản xuất) d Sản lượng khí sản phẩm trên một đơn vị nhiên liệu tiêu thụ e Công suất đầu ra yêu cầu của bộ hóa khí, Q

Kết quả mô phòng bằng ASPEN PLUS

Bảng 3.3: Thành phần khí sử dụng mô phỏng Aspenplus [64]

Thành phần khí sản phẩm

CO CO2 H2 CH4 N2 LHV (MJ/m3)

Cân bằng trong lò hóa khí

Nhiệt lượng đầu ra của syngas cần thiết cho sản xuất hơi nước có áp suất của lò hơi là 50 kW Dựa trên thông số này, người thiết kế sẽ ước tính lượng nguyên liệu cung cấp cho lò hóa khí trong chế độ hoạt động bình thường.

Nhiệt trị thấp của syngas được tính toán dựa trên thành phần khí thải, thường được dự đoán qua các phương trình cân bằng như mô tả trong bảng 5 Với giá trị LHVg = 4.546 MJ/N.m³, chúng ta có thể xác định lưu lượng syngas sản sinh được.

3.2.1.2 Lượng nhiên liệu đầu vào Để tính toán được lượng nhiên liệu cấp Mf đầu vào thì chúng ta sẽ tính toán dựa theo công thức sau [17]:

Q: Công suất lò hóa khí, (kJ/kg)

Mf : Khối lượng nhiên liệu tiêu hao, (kg/h) LHVf : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (MJ/kg) 𝜂: Hiệu suất hóa khí , chọn 𝜂 = 0,7785

Mà LHVf được tính toán theo công thức sau [38]:

HHVdaf: Nhiệt trị của nguyên liệu khi đã tách ẩm và tro, MJ/kg

Hdaf: Hàm lượng hydro của mẫu cháy, %

M: Phần trăm khối lượng ẩm trong nhiên liệu, %

Ash: phần trăm khối lượng tro trong nguyên liệu, %

HHVf: nhiệt trị cao của nhiên liệu khô, MJ/kg)

Với các giá trị trên chúng ta tính toán được:

Lượng tiêu hao nhiên liệu

3.2.1.3 Hệ số lượng không khí và tính toán lượng không khí cấp

Tỷ lệ tương đương (ER) là một thông số thiết kế quan trọng trong bộ hóa khí, được định nghĩa là tỷ số giữa tỷ lệ không khí-nhiên liệu thực tế và tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý thuyết Định nghĩa này thường được áp dụng trong các trường hợp thiếu không khí.

Việc sử dụng hơi nước làm tác nhân hóa khí mang lại lượng hidro cao hơn, nhưng trong công nghiệp, hơi nước cần ở trạng thái bão hòa hoặc quá nhiệt Sử dụng hơi nước trong lò hóa khí thuận chiều dẫn đến tăng hắc ín và giảm lượng cacbon cố định, làm giảm hiệu quả năng lượng Hóa khí ở áp suất khí quyển cũng làm mất phần lớn năng lượng của hơi nước, đặc biệt với nguồn nhiên liệu có độ ẩm cao, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng để tạo hơi nước (~2242 kJ/kg ẩm) Trong mô hình hóa khí 65kW, phương án này không kinh tế do yêu cầu vật liệu bền và biện pháp giảm thiểu tổn thất Vì vậy, việc sử dụng hơi nước trong hệ thống này không khả thi.

Trong quá trình hóa khí, nguyên liệu chứa cacbon cố định sẽ trải qua các phản ứng cháy, dẫn đến việc cacbon chuyển hóa thành CO2 với trạng thái bão hòa cao nhất Tuy nhiên, mục tiêu của hóa khí là duy trì cacbon ở trạng thái có năng lượng cao nhất, thay vì chỉ chuyển hóa thành khí CO2.

[7] Bên cạnh đó với việc sử dung oxi cho quá trình hóa khí sử dụng rất nhiều oxi đơn chất và

Trong đồ án này, việc sử dụng 36 thiết bị điều chỉnh lưu lượng áp suất cao không mang lại tính kinh tế Đặc biệt, trong mô hình 65kW, việc sử dụng oxy được xác định là không khả thi.

Trong bộ hóa khí, lượng không khí cung cấp chỉ chiếm một phần nhỏ so với lượng khí lý thuyết Để xác định lượng không khí cần thiết, có thể thực hiện tính toán dựa trên phân tích cuối cùng của nhiên liệu.

Chất lượng khí thu được từ bộ hóa khí phụ thuộc mạnh mẽ vào giá trị ER, cần nhỏ hơn đáng kể 1 để đảm bảo nhiên liệu được hóa khí thay vì bị đốt cháy Tuy nhiên, nếu giá trị ER quá thấp (0,4) sẽ hình thành quá nhiều sản phẩm từ quá trình đốt cháy hoàn toàn như CO2 và H2O, gây thiệt hại cho các sản phẩm mong muốn như CO và H2, từ đó làm giảm giá trị cấp nhiệt của khí Để đảm bảo hiệu quả chuyển đổi cacbon và hiệu suất chuyển đổi nhiệt, cần chú ý đến công suất của hệ thống, với mục đích hóa khí nhằm cung cấp sản phẩm khí làm nhiên liệu cho lò hơi.

Dựa trên lượng mol phản ứng đã cho, chúng ta tiến hành tính toán lượng oxy cần thiết cho quá trình đốt cháy, lượng không khí cần sử dụng trong quá trình này, và lượng không khí lý thuyết khi áp dụng hệ số ER = 0,3 cho quá trình hóa khí Các giá trị này được tính toán theo công thức cụ thể.

Lưu lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg viên nén:

= 7,463 (𝐾𝑔𝑘𝑘/𝑘𝑔𝑓 ) Vậy lượng không khí cần trong 1 giờ hóa khí:

1,225 × 17.87 = 32,66 𝑚 3 /ℎ Với đương lượng không khí lý thuyết theo cách tính trên nhóm lựa chon kết quả với Va

= 32,66 m 3 /h làm kết quả tính toán trong toàn bộ quá trình này

3.2.2 Lựa chọn và tính toán các thông số công nghệ

Nguyên liệu đầu vào: Viên nén RDF (Refused-devired fuel) có thành phần C, H, O cho nguyên liệu đầu vào như bảng dưới đây [63]:

Bảng 3.4: Thành phần viên nén RDF [63]

Viên nén RDF (adb) 42,89 5,33 26,608 0,5 0,062 5,24 19,37 Viên nén RDF (db) 45,26 5,62 28,08 0,53 0,07 - 20,44 Viên nén RDF (daf) 56,89 7,08 35,29 0,66 0,08 - -

Fixed C Volatile Ash HHV (MJ/kg) LHV(MJ/kg) Viên nén RDF (adb) 17,39 63,24 19,37 18,237 17,004

Tốc độ lượng dòng khí: 32,66 m 3 /h

Với yêu cầu năng suất nhiệt của thiết bị hóa khí 65kW thì chúng ta có các thông số sau: Lưu lượng dòng khí ra : 𝑉 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 50,39 𝑚 3 /ℎ

Khối lượng sinh khối cho 1 giờ hóa khí : 𝑀 𝑓 = 17,87 𝑘𝑔/ℎ

Thành phần dòng khí đầu ra dựa theo bảng sau với hệ số ER = 0,3:

Bảng 3.5 Thành phần Syngas theo mô phỏng Aspenplus [63]

Thành phần khí sản phẩm

CO CO2 H2 CH4 N2 LHV (MJ/m 3 )

Số mol của dòng khí đơn chất được tính theo công thức sau:

P : áp suất trong lò hóa khí ; P = 1 atm

R : Hằng số khí lí tưởng R=0.083 m 3 /kmol.K

T : Nhiệt độ dòng khí ra (K)

Với giá trị nhiệt trên và lưu lượng dòng khí ra ta có năng suất nhiệt đạt được cao nhất là:

Tỷ trọng đổ nhiên liệu:

Bảng 3.6: Thông số nhiên liệu

Nhiên liệu Năng suất trên giờ (kg/h) Tỷ trọng đổ (kg/m 3 ) [61]

Thể tích cho thiết bị hóa khí sinh khối

773 = 0,023 𝑚 3 Chọn thể tích thiết bị sinh khối có 𝑉 𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 0,03 𝑚 3

Với thể tích của thiết bị như trên ta có kích thước cơ bản của khối lò hóa khí như sau:

Bảng 3.7: Thông số sơ lược lò hóa khí

Thông số Kích thước Đơn vị

Diện tích ghi lò hóa khí (S) 0,038 m 2

Số ống dẫn khí (n) 9 m Đường kính ống dẫn khí (dtuyere) 0,015 m

Vị trí đặt ống dẫn khí [41] 0.26 (tính từ đáy lò) m

Vận tốc dòng khí trong lò hóa khí (𝑣 𝑎 ) 0,42 m/s

Vận tốc dòng khí trong tuyere (𝑣 𝑡𝑢𝑦𝑒𝑟𝑒 ) 7,2 m/s

Hệ số không khí lý thuyết 0,3 -

Khối lượng viên nén RDF 17,87 Kg/h

Lò hóa khí có công suất 65kW sử dụng thiết bị hóa khí thuận chiều, trong đó không khí được bơm vào từ các vòi phun bên ngoài Tổng diện tích vòi phun chiếm khoảng 4-7% diện tích họng lò Số lượng vòi phun cần phải là số lẻ để tránh tình trạng các tia không khí từ vòi đối diện chồng chéo lên nhau, tạo ra khoảng trống ở giữa Để đảm bảo không khí được thâm nhập đầy đủ vào lò hóa khí, số ống dẫn khí được chọn là n = 9.

Mục đích của việc bố trí các vòi phun là để tối ưu hóa vùng oxy hóa, giúp khí nhiệt phân đi qua khu vực này gần với vùng cháy nhất Không khí được cung cấp qua các vòi phun đặt ngay phía trên chỗ thắt, với chiều cao khoảng một phần ba chiều từ dưới lên và chọn htuyere = 0,26m.

Vận tốc dòng khí trong lò hóa khí:

3600 × 𝜋 × 0.22 2 = 0,3 𝑚/𝑠 Vận tốc dòng khí trong ống:

Để xác định lượng carbon (C) đi vào thiết bị hóa khí, cần tính khối lượng sinh khối thực chứa carbon Khối lượng này được tính bằng tổng lượng sinh khối đưa vào trừ đi khối lượng tro, theo công thức cụ thể.

Lượng sinh khối thực = Lượng SK đưa vào - (%TRO) x (Lượng sinh đưa vào)

Từ đó ta tính được lượng cacbon và hidro đi vào thiết bị hóa khí

Lượng C đi vào = (%C) x (Lượng sinh khối thực) = 0,4525 14,22 = 6,43 kg

Lượng H đi vào = (%H )x (Lượng sinh khối thực) = 0,0562 14,22 = 0,8 kg

Bảng 3.8: Lượng C và H đi vào

Nhiên liệu SK thực (kg) Mc (kg) C vào(Kmol) mh (Kg) H vào (Kmol)

Lượng C, H đi ra khỏi thiết bị hóa khí

Dựa vào hàm lượng phần trăm của các khí CO, CH4, H2, CO2 trong dòng khí ra

Giả sử tính theo 1 Kmol dòng khí ra, như vậy ta tính được lượng C, H cho các nguyên liệu tương ứng như sau:

Bảng 3.9: Tổng C trong thành phần khí

Nhiên liệu C trong CO C trong CO2 C trong CH4 Tổng C ra Đơn vị

Bảng 3.10: Tổng H trong thành phần khí

H trong H2 Tổng H ra Đơn vị

Coi dòng khí ra như khí lý tưởng ta có: 1kmol khí có thể tích 22,416 Nm 3

Lượng C,H ra được tính theo công thức:

Số Kmol C ra = Tổng C ra x Vsyngas(Nm 3 /h)/(22,416Nm 3 )

Số Kmol H ra = Tổng H ra x Vsyngas(Nm 3 /h)/(22,416Nm 3 )

Trong đó Vsyngas là lưu lượng dòng khí ra khỏi thiết bị hóa khí (m 3 /h)

Ta có bảng tính sau:

Bảng 3.11: Tổng lượng C và H ra

Nhiên liệu C ra H ra Đơn vị

Thời gian đốt hết 1 mẻ nhiên liệu:

Bảng 3.12: Thời gian hóa khí

Năng lượng đầu vào = Enthalpy ( RDF + hơi nước + oxy ) tại nhiệt độ tham chiếu + nhiệt trị của RDF + nhiệt bên ngoài

Chọn nhiệt độ tham chiếu T = 298K [4]

Năng lượng đầu ra = enthalpy của khí sản phẩm + nhiệt trị khí sản phẩm + nhiệt chưa chuyển hóa than + tổn thất nhiệt

Nhiệt độ dòng khí ra của syngas của lò hóa khí thuận chiều chọn T= 973K [7]

Phương trình cân bằng năng lượng tại nhiệt độ tham chiếu T 0 = 298K là [7]:

𝑉 𝑎𝑖𝑟 – Tổng lượng không khí cần cung cấp (m 3 )

W- Tổng lượng hơi cần để hóa khí (m 3 )

𝑀 𝑓 : khối lượng nguyên liệu sản xuất ra 1 Nm 3 sản phẩm khí (kg/h)

H0 và Hg là nhiệt trị của hơi tại nhiệt độ xét và nhiệt độ thoát khỏi thiết bị hóa khí.(kJ/kg)

Ci và Vi lần lượt là nhiệt và thể tích của mỗi loại khí tại nhiệt độ Tg

Qloss – tổng nhiệt thất thoát (kJ/h)

(1-Xg) W- Lượng nhiệt của hơi nước còn lại trong sản phẩm của phản ứng hóa khí

Qproduct – tổng năng lượng của sản phẩm khí

Qgasification – giá trị nhiệt của phản ứng

Hình 3.3: Cân bằng năng lượng trong lò hóa khí [7]

Từ phương trình cân bằng năng lượng ta rút ra phương trình năng lượng đầu vào như sau :

Bảng 3.13: Thông số tính toán năng lượng đầu vào

Thông số Giá trị Đơn vị

Bảng 3.14: Nhiệt dung riêng của khí phụ thuộc vào nhiệt độ [7]

C i lần lượt được tính theo bảng dưới sau, tại nhiệt độ đầu ra T g = 973K ta có:

Bảng 3.15: Giá trị nhiệt dung riêng của từng khí tính theo bảng 3.14

Nhiệt dung riêng chất khí Giá trị Đơn vị

Bảng 3.16: Nhiệt độ khí sản phẩm

Thông số Giá trị Đơn vị

Nhiệt hình thành nhiên liệu RDF được tính theo công thức sau [56]:

𝑄 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 = 𝐿𝐻𝑉 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 × 𝑉 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 4,644 × 50,39 = 234011,16 𝑘𝐽/ℎ Khối lượng từng loại khí trong sản phẩm ra:

Bảng 3.17: Khối lượng khí sản phẩm

Khối lượng khí Giá trị Đơn vị

Chọn lượng nhiệt tổn thất trong quá trình vận hành lò hóa khí là 5% [57]

𝑄 𝑙𝑜𝑠𝑠 = 5% × 𝑄 𝑖𝑛 = 0,05 × 346398,2 = 17319,91( 𝑘𝐽/ℎ) Với các thông số tính toán trên ta có:

3.2.4 Tổng kết số liệu tính toán cân bằng nhiệt

Sau kết quả tính toán ở trên dưới đây là bảng tổng kết cân bằng năng lượng cho lò hóa khí công suất 65kW:

Bảng 3.18: Tổng kết số liệu tính toán cân bằng nhiệt

Thông số Giá trị Đơn vị

Thiết bị phụ

Yếu tố quyết định kích thước bình đệm cần thiết chủ yếu là kích thước và bản chất của nguồn nhiệt, chẳng hạn như lò hơi đốt sinh khối từ gỗ Những lò hơi này thường đốt cháy nhiên liệu với tốc độ nhanh và mạnh, nhưng không thích hợp cho việc tắt bật thường xuyên Trong trường hợp này, bể đệm trở thành một giải pháp lý tưởng, giúp tận dụng nhiệt để nâng cao hiệu suất lò hơi và cung cấp khả năng tiếp cận linh hoạt mà không cần nguồn nhiệt phải đạt đến nhiệt độ cao, từ đó duy trì sản lượng ổn định hơn.

Quy tắc chung cho các nguồn khí sinh khối có thể thay đổi tùy thuộc vào loại nhiên liệu Khi chuyển đổi từ lò đốt gỗ sang lò đốt khí gas, cần tính toán công suất của nguồn nhiên liệu cho bể đệm, vì lò đốt khí gas có khả năng điều chế tốt hơn nhiều so với việc tắt và bật nguồn cung của lò đốt nhiên liệu rắn, thường chỉ đạt khoảng 3% công suất.

Thiết bị thu khí nằm sau cyclone nhằm đảm bảo 2 yêu cầu sau [43]:

+ Đảm bảo lượng khí cấp cho lò hơi tránh nhiễu động trên đường di chuyển

Với Vsyngas = 50,39 m 3 /h Chúng ta chọn bể đệm cho syngas có tổng thể tích bằng 3%

[43] tổng lượng thể tích syngas được sinh ra Trong trường hợp này khí ga được đưa thẳng

47 đến lò hơi nên chỉ cần bể đệm có thể tích nhỏ đảm bào được 2 yêu cầu nhỏ của một bình đệm trong hệ thống hóa khí

100 × 50,39 = 1,5 𝑚 3 Chọn thể tích bình đệm có thể tích Vđệm = 1,5 m 3

Tổn thất khí trong buồng đốt là yếu tố quan trọng khi lựa chọn quạt cấp khí Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần tính toán tổng lưu lượng khí, bao gồm cả lưu lượng hữu ích và vô ích Việc này giúp xác định chính xác loại quạt phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

Theo [58] tổn thất được tính toán theo công thức:

𝑣 𝑎 : vận tốc trung bình của khí trong đường ống (cm/s)

𝛿 𝑙 : là hệ số trở lực của lớp nhiên liệu, ςl phụ thuộc vào hệ số Reynolds t: nhiệt độ bên trong lò hóa khí

Với nhiên liệu có nhiệt độ cháy từ 700 – 1400 o C cùng với nhiệt độ đói lưu tự nhiên của không khí ta chon nhiệt cháy t = 1000 o C

Hệ số nhiệt của khí 𝛽 = 1

𝐾) Tiêu chuẩn Reynolds được xác định theo công thức sau:

D: đường kính buồng phản ứng (m)

𝑣 𝑘 : vận tốc trung bình của khí trong đường ống (cm/s)

𝜗 : độ nhớ động học của dòng khí (m 2 /s) Ở t= 1000 o C ta có 𝜗 = 174,3 × 10 −6 𝑚 2 /s

174,3 × 10 −6 = 378,65 Dòng chảy có Re > 7 là dòng chảy rối:

378,65 0.08 = 33,36 Vậy trở lực khi đi qua lớp nhiên liệu trong buồng phản ứng:

= 0,26 (𝑚𝑚𝐻 2 𝑂)~ 254,97 𝑃𝑎 Tổn thất qua khe hẹp ở đáy lò hóa khí, kênh dẫn khí và tại đầu vào của ống dẫn khí ra khỏi thiết bị:

Do quãng đường khí đi ngắn, chúng ta chỉ cần xem xét tổn thất cục bộ tại hai vị trí này Theo [33], tổn thất áp suất cục bộ trong kênh dẫn và các khe hẹp được tính toán bằng công thức cụ thể.

𝜉: hệ số tổn thất cục bộ ở các bị trí đang xét

𝜌 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 : khối lượng riêng của khí m/s

V: vận tốc trung bình của khí m/s

Tra theo Bảng 5: Thông số vật lý của khói [58] 𝜌 𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 0,3465𝑘𝑔/𝑚 3

Theo [58] Chọn hệ số trở lực cục bộ như sau:

+ Tại vị trí khe hẹp ở đáy lò hóa khí 𝜉 = 2,0

+ Kênh khí hình tròn chọn 𝜉 = 0,055

+ Tại vị trí ống ra của khí chọn 𝜉 = 0,5

Vậy tổn thất cục bộ ở thiết bị lò hóa khí viên nén RDF là:

2 = 0,04 𝑚𝑚𝐻 2 𝑂 ~ 39,2 𝑃𝑎 Vậy tổng trở lực ở thân lò hóa khí và các đường ống dẫn kênh gas của thiết bị hóa khí là:

∆𝑝 𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 254,97 + 39,2 = 294,17 𝑃𝑎 Chọn quạt có cột áp 300Pa và lưu lượng 50m 3 /h

Lọc bụi là quá trình thiết yếu để đảm bảo chất lượng syngas cung cấp cho lò hơi Trong dự án này, nhóm đã quyết định sử dụng thiết bị lọc bụi kiểu cyclone.

Nguyên lý hoạt động của cyclone bắt đầu khi dòng khí nhiễm được đưa vào phần trên của ống khí dẫn, với phương tiếp tuyến Sau khi khí được xử lý, nó thoát ra qua ống phía trên tại tâm trụ, thực hiện chuyển động xoắn ốc và di chuyển xuống dưới, tạo ra dòng xoáy Lực ly tâm giúp các hạt bụi văng vào thành cyclone, trong khi dòng khí tiếp tục tiến gần đến đáy và quay ngược lại, hình thành dòng xoắn trong Các hạt bụi sau đó di chuyển xuống dưới nhờ lực đẩy của dòng xoáy và trọng lực.

ℎ Chọn tốc độ qui ước của cyclone 𝑤 𝑞 = 2,2 𝑚/𝑠 [57] Đường kính của cyclone được tính theo công thức sau:

Chọn đường kính cyclone theo tiêu chuẩn ta được cyclone có Dc = 100mm

Nhiệt độ dòng khí ra t = 700 o C

Lưu lượng của khí ra khỏi thiết bị hóa khí ở nhiệt độ trên

Thông số của cyclone được tính theo bảng sau:

Kích thước Công thức Giá trị Đơn vị Đường kính cyclone 4,75b Dc 100 mm

Chiều rộng ống vào b 0,21 Dc 21 mm

Chiều cao ống vào 3,14b 0,66 Dc 66 mm Đường kính ống ra 2,75b 0,58 Dc 58 mm

Chiều cao phần hình trụ 7,6b 1,6 Dc 160 mm

Chiều cao phần hình nón 9,5b 2 Dc 200 mm Đường kính thoát bụi Dc/4 25 mm

Tốc độ khí vào cyclone:

Sic: diện tích ống đi vào cyclone (m 2 )

𝑣 𝑐 : vận tốc dòng khí đi vào cyclone (m/s)

Chênh lệch áp suất trong cyclone:

𝜌 𝑔 : khối lượng riêng syngas tại 700 o C , ta có 𝜌 𝑔 = 0,493 (𝑘𝑔/𝑚 3 )

𝑆 𝑖𝑐 : diện tích cửa vào cyclone (m 2 )

𝐷 𝑒 : đường kính cửa thoát khí (m)

KẾT QUẢ VÀ CÁC ĐÁNH GIÁ