Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM DUY VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM DUY VŨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã ngành: 62.52.01.15 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG PGS.TS. TRẦN VĂN VANG Đà Nẵng, năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Phạm Duy Vũ ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................................. ii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... ix MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................3 3.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 3 5. Nội dung nghiên cứu............................................................................................ 4 6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC ....................................................................................................... 6 1.1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ...................................... 6 1.1.1. Giới thiệu về sinh khối ...............................................................................6 1.1.2. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ..................................7 1.1.3. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ..................................................9 1.2. Tổng quan về nhiệt phân sinh khối ................................................................. 11 1.2.1. Khái niệm .................................................................................................11 1.2.2. Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối..................................................12 1.3. Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học ....................... 13 1.3.1. Lò côn quay..............................................................................................14 1.3.2. Lò chân không..........................................................................................15 1.3.3. Lò ma sát ..................................................................................................16 1.3.4. Lò tầng sôi................................................................................................16 1.3.5. Lò tầng sôi tuần hoàn ...............................................................................17 1.3.6. So sánh và lựa chọn kiểu lò thực hiện nhiệt phân nhanh sinh khối .........18 1.4. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh ................... 20 1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối ...............................20 1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học ....21 iii 1.4.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu lượng khí cấp nhiệt ..................................................................................................................23 1.4.4. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối ......................................................24 1.4.5. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt ...............................................................26 1.4.6. Ảnh hưởng của môi chất truyền nhiệt......................................................27 1.4.7. Ảnh hưởng của độ ẩm sinh khối ..............................................................28 1.5. Thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh.............................................. 29 1.6. Đặc tính các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh và phương pháp nhiệt phân có xúc tác ............................................................................................. 31 1.6.1. Dầu sinh học ............................................................................................31 1.6.2. Chất rắn ....................................................................................................33 1.6.3. Hỗn hợp khí không ngưng tụ ...................................................................34 1.6.4. Nhiệt phân có chất xúc tác .......................................................................34 1.7. Kết luận và định hướng nghiên cứu ................................................................ 35 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH CHO BỘT GỖ, BÃ MÍA ........................................................... 37 2.1. Xác định trường nhiệt độ t(r,) trong sinh khối khi nhiệt phân nhanh ........... 37 2.1.1. Phát biểu bài toán tìm t(r,) .....................................................................37 2.1.2. Xác định phân bố (, Foq) và t(r, ) trong thể tích hạt sinh khối (V) ....40 2.1.3. Xác định công thức tính thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R .......43 2.1.4. Xác định nhiệt độ trên bề mặt vỏ hạt sinh khối sau khoảng thời gian nhiệt phân p cho trước .......................................................................................44 2.2. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và xác định kích cỡ hạt phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía ......................................................... 44 2.2.1. Mô phỏng trường nhiệt độ khi nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía .........44 2.2.2. Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh ...............49 2.2.3. Xác định nhiệt độ bề mặt lớp vỏ sinh khối có bán kính R và nhiệt độ lớp biên phần sinh khối chưa phản ứng theo thời gian p ..................................51 2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  trong lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh .................................................................52 2.3. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LÒ TẦNG SÔI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC ........... 55 3.1. Mô hình thực nghiệm...................................................................................... 55 iv 3.2. Xác định loại nguyên liệu và các thông số sử dụng cho việc mô phỏng, tính toán thiết kế ............................................................................................................ 57 3.2.1. Phân tích lựa chọn loại nguyên liệu sinh khối cho tính toán thiết kế ......57 3.2.2. Các thông số sử dụng mô phỏng khí động lực học và tính toán thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi ......................................................58 3.3. Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học ................................................................................... 59 3.3.1. Sự hình thành lớp sôi ...............................................................................59 3.3.2. Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi ............60 3.3.3. Mô tả mô hình ..........................................................................................61 3.3.4. Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng ..........................................62 3.3.5. Kết quả mô phỏng và bình luận ...............................................................66 3.4. Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học .................................................................. 69 3.4.1. Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân ........................69 3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng .........................................................................70 3.4.3. Tính toán thiết kế xyclone thu hồi sản phẩm rắn .....................................70 3.4.4. Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ .........................................72 3.5. Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học năng suất 500 g/h..................................................................................... 73 3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 73 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC .................................................................. 75 4.1. Dụng cụ, nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............. 75 4.1.1. Các dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm ..............................75 4.1.2. Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm ...............76 4.1.3. Các phương pháp phân tích xác định các thành phần của sinh khối và sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh.............................................................77 4.2. Mô tả quá trình vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản suất dầu sinh học ........................................................................................ 79 4.3. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, xác định giá trị thông số vận hành và đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm.......................................................... 80 4.3.1. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm .....................................................80 4.3.2. Xác định các thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học ...............................................................................................................81 4.3.3. Đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm .........................................82 v 4.4. Kết quả xác định thành phần hóa học, nguyên tố và phân tích nhiệt khối lượng TGA của bột gỗ và bã mía .......................................................................... 83 4.4.1. Kết quả xác định thành phần hóa học và nguyên tố của bột gỗ và bã mía....83 4.4.2. Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía .....................83 4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm một số yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh .................................................. 86 4.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm ...........86 4.5.2. Ảnh hưởng của kích cỡ đến khối lượng các sản phẩm ............................88 4.5.3. Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng các sản phẩm .................89 4.6. Đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của sản phẩm dầu sinh học .. 91 4.6.1. Đánh giá tính chất vật lý của sản phẩm dầu sinh học ..............................91 4.6.2. Phân tích thành phần hóa học của dầu sinh học ......................................93 4.7. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 95 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH ... 97 5.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 97 5.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 98 5.2.1. Xác định mô hình động học và khối lượng các thành phần sản phẩm của quá trình nhiệt phân .....................................................................................98 5.2.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng của quá trình nhiệt phân nhanh ......100 5.3. Kết quả nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi ................................................................................... 102 5.3.1. Các điều kiện đơn trị ..............................................................................102 5.3.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng k1, k2, k3 ..........................................103 5.3.3. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi ..103 5.3.4. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi..105 5.4. Kết luận chương 5 ......................................................................................... 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 108 1. Kết luận ............................................................................................................ 108 2. Kiến nghị.......................................................................................................... 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 113 PHỤ LỤC LUẬN ÁN vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63] .................................................... 6 Bảng 1.2: Sản phẩm nhiệt phân của gỗ phụ thuộc vào công nghệ nhiệt phân .................. 13 Bảng 1.3: Tổng quan so sánh các loại lò nhiệt phân nhanh [109] ...................................... 19 Bảng 1.4: Một số thông số động học thường được sử dụng cho quá trình nhiệt phân nhanh [19], [25], [38], [81] .................................................................................................... 31 Bảng 1.5: Đặc tính điển hình của dầu sinh học từ gỗ và dầu khoáng [6], [26] ................. 31 Bảng 2.1: Thông số vật lý của gỗ, bã mía, khí nitơ [54], [84] ............................................ 45 Bảng 2.2: Kết quả tính toán các đại lượng Bi, ni, ci theo R của gỗ và bã mía ................... 45 Bảng 3.1: Các thông số vật lý của gỗ và cát [54] ................................................................. 59 Bảng 4.1: Các thiết bị đo lường và điều khiển sử dụng trong hệ thống thí nghiệm ........ 75 Bảng 4.2: Các tiêu chuẩn phân tích thành phần nguyên tố sinh khối................................. 77 Bảng 4.3: Tiêu chuẩn và thiết bị phân tích thành phần nguyên tố, tính chất của dầu....... 78 Bảng 4.4: Lượng sinh khối cấp vào lò phụ thuộc vào tần số của biến tần......................... 81 Bảng 4.5: Kết quả các thông số vận hành của hệ thống thí nghiệm ................................... 82 Bảng 4.6: Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của sinh khối ............................ 83 Bảng 4.7: Tính chất vật lý và thành phần nguyên tố của dầu sinh học .............................. 92 Bảng 4.8: Thành phần diện tích (%) các hợp chất trong dầu sinh học từ bột gỗ .............. 93 Bảng 5.1: Các dữ liệu sử dụng xác định thông số thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh của bột gỗ và bã mía......................................................................................... 102 Bảng 5.2: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bột gỗ ................................................... 103 Bảng 5.3: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bã mía .................................................. 103 Bảng 5.4: Kết quả tính lnki và 1/T của bột gỗ .................................................................... 103 Bảng 5.5: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi ..... 104 Bảng 5.6: Kết quả tính lnki và 1/T của bã mía.................................................................... 105 Bảng 5.7: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi..... 105 Bảng 5.8: Thông số động học nhiệt phân nhanh gỗ và bã mía trong lò tầng sôi ............ 107 Bảng PL6.1: Số liệu ban đầu tính toán thiết kế bình ngưng [14], [53], [63], [106] .......... 19 Bảng PL6.2: Kết quả tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ ................................... 20 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15] .......................................................... 7 Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18] ........................................................................... 8 Hình 1.3: Lò côn quay [1]....................................................................................................... 14 Hình 1.4: Lò chân không [101] .............................................................................................. 15 Hình 1.5: Lò nhiệt phân kiểu ma sát [1] ................................................................................ 16 Hình 1.6: Lò tầng sôi [1] ......................................................................................................... 17 Hình 1.7: Lò tầng sôi tuần hoàn [1] ....................................................................................... 18 Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của sinh khối [46]...................................................................... 20 Hình 1.9: Sơ đồ chuyển hóa thành phần sinh khối từ quá trình nhiệt phân ....................... 21 Hình 1.10: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả dầu thu hồi của một số sinh khối [90] ................................................................................................................................... 22 Hình 1.11: Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí ....................... 24 Hình 1.12: Ảnh hưởng kích thước hạt bã mía và gỗ CTT đến lượng dầu thu hồi [44] .... 25 Hình 1.13: Hàm lượng cốc phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt [103] .................. 26 Hình 1.14: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt đến.......................................................................... 27 Hình 1.15: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] .................... 29 Hình 1.16: Các phương pháp nâng cấp dầu sinh học bằng xác tác zeolit [13].................. 34 Hình 2.1: Sự phân bố nhiệt độ trong quả cầu t(r,) .............................................................. 38 Hình 2.2: Các nghiệm ni  tgn = n/(1-Bi)............................................................................. 41 Hình 2.3: Sơ đồ lặp giải phương trình tgn = n/(1-Bi) .......................................................... 42 Hình 2.4: Mô hình nhiệt phân sinh khối................................................................................ 43 Hình 2.5: Trường nhiệt độ t(r,) của gỗ................................................................................. 46 Hình 2.6: Trường nhiệt độ t(r,) của bã mía ......................................................................... 47 Hình 2.7: Trường nhiệt độ t(r,) của bột gỗ có R = 0,25 mm, Tf = 748 K ........................ 48 Hình 2.8: Kết quả phân tích TGA của gỗ và bã mía ............................................................ 49 Hình 2.9: Mối quan hệ giữa bán kính và thời gian nhiệt phân nhanh ................................ 50 Hình 2.10: Nhiệt độ bề mặt lớp vỏ và nhiệt độ lớp biên chưa tham gia phản ứng của gỗ và bã mía tại nhiệt độ phản ứng tf = 500C........................................................................... 51 Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  ............ 52 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản suất dầu sinh học...................................................................................................................... 56 viii Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi ................................................................................ 59 Hình 3.3: Mô hình lò nhiệt phân ............................................................................................ 62 Hình 3.4: Mô hình mô phỏng và chia lưới lò nhiệt phân .................................................... 64 Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô phỏng khí động học trong lò tầng sôi ............................. 65 Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí ........................................................... 66 Hình 3.7: Mật độ thể tích cát trong lò nhiệt phân ................................................................. 67 Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ trong lò nhiệt phân ........................................................... 67 Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh............................................................................................... 69 Hình 3.10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63] ............................... 70 Hình 3.11: Quan hệ các kích thước của cyclone .................................................................. 71 Hình 3.12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân ............................................................................. 72 Hình 4.1: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu sinh khối ............................................................ 79 Hình 4.2: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bột gỗ ............................................... 84 Hình 4.3: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bã mía............................................... 84 Hình 4.4: Dầu sinh học ........................................................................................................... 86 Hình 4.5: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ........... 87 Hình 4.6: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ.......... 87 Hình 4.7: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ ............ 88 Hình 4.8: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ ........... 88 Hình 4.9: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ ............. 90 Hình 4.10: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ .......... 90 Hình 4.11: Kết quả phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) dầu sinh học tạo ra từ gỗ ......... 93 Hình 4.12: Thành phần các khí trong hỗn hợp khí không ngưng ....................................... 95 Hình 5.1: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] ...................... 98 Hình 5.2: Mô hình phản ứng nhiệt phân nhanh sinh khối ................................................. 101 Hình 5.3: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bột gỗ................................................................... 104 Hình 5.4: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bã mía .................................................................. 105 Hình PL6.2: Cấu tạo lò nhiệt phân năng suất 500 g/h ......................................................... 17 Hình PL6.2: Cấu tạo và cách bố trí ống phun....................................................................... 18 Hình PL6.3: Cấu tạo cyclone ................................................................................................. 18 Hình PL6.4: Cấu tạo bình ngưng kiểu bề mặt ...................................................................... 19 Hình PL6.5: Bình ngưng kiểu ma sát .................................................................................... 21 Hình PL6.7: Mô hình thiết bị thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học năng suất 500 g/h...................................................................................................... 22