Nghiên cứu thực nghiệm: Lò khí hóa xuôI chiều liên tục vỏ trấu quy mô công nghiệp năng suất 100-110kg/h (phần 2)

(TCNNNT-4/5/2015)

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Bảng 1. Các đặc tính lý – hóa của vỏ trấu [1, 2]

bang1
3.1. Thiết bị thí nghiệm và nguyên lý hoạt động [2]
Trên hình 2 mô tả kết cấu, nguyên lý hoạt động của lò khí hóa xuôi chiều liên tục vỏ trấu và ngọn lửa khi đốt khí tổng hợp syngas sinh ra từ lò khí hóa. Nguyên lý hoạt động được trình bày theo kết cấu của lò từ trên suống dưới như sau: nguyên liệu vỏ trấu được cấp từ trên đỉnh lò, sau đó được nạp vào thùng chứa nguyên liệu, không khí được cấp vào lò nhờ quạt gió, quạt cấp gió có tác dụng cung cấp không khí (cung cấp oxy sơ cấp) cho các quá trình phản ứng bên trong thiết bị. Trong khi đó nguyên liệu và không khí cùng dịch chuyển từ trên xuống phía dưới (xuôi chiều) lần lượt qua buồng làm khô, tiếp đến là buồng phản ứng, sau đó là buồng khử. Tại đó khí được sinh ra và tích ở khoang áo khí sau đó được quạt vận chuyển cưỡng bức hỗn hợp khí (Syngas) vào buồng đốt khí Syngas. Đối với tro sau quá trình khí hóa tiếp tục được dịch chuyển xuống buồng chứa tro và được xả ra ngoài. Vì quá trình nạp nguyên liệu (vỏ trấu) liên tục theo chiều cấp từ trên di chuyển xuống dưới có tác dụng nâng cao hiệu suất nhiệt của thiết bị, hơn nữa còn có tác dụng giữ cho thiết bị hoạt động liên tục 24/24h, bởi vậy thiết bị này có thể phát triển ở quy mô “công nghiệp“ rất thuận lợi.

votrau2

Hình 2. Nguyên lý kết cấu lò khí hóa xuôi chiều liên tục vỏ trấu và ngọn lửa khi đốt khí tổng hợp syngas

3.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm [2]
Từ quá trình nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo sau đó tiến hành thực nghiệm tại hiện trường đối với nguyên liệu vỏ trấu sau xay xát (không cần ép viên, ép thanh) trên lò khí hóa liên tục vỏ trấu quy mô công nghiệp, với năng suất 100-110kg vỏ trấu/giờ. Kết quả các thông số tìm được từ thực nghiệm được thể hiện như ở bảng 2.

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm

bang2

Nhận xét:
Qua quá trình thực nghiệm cho thấy quá trình khí hóa rất ổn định, chất lượng khí tổng hợp Syngas sinh ra được đánh giá đạt chất lượng tốt trên cơ sở công suất nhiệt lớn, ngọn lửa khi đốt khí Syngas tạo ra liên tục, ổn định, màu sắc ngọn lửa trong, “vàng sáng”, qua đó cho thấy chất lượng Syngas tạo ra từ lò khí hóa tương đối sạch. Tuy nhiên, cần phải đo quan trắc môi trường để xác định cụ thể tỷ lệ/nồng độ của các thành phần khí cơ bản như CO, H2, CH4, CO2,..có trong khí tổng hợp Syngas. Kết quả đo đạc quan trắc đã được trình bày như trên bảng 2 cho thấy: chất lượng khí Syngas bao gồm các thành phần chính cháy được (CO, CH4, H2) đạt được sau quá trình thí nghiệm tương ứng với tỷ lệ % như sau: 16,50%; 3,08%; và 12,13%. Ngoài ra, cũng từ kết quả đo được thông qua đo quan trắc từ hiện trường thực nghiệm cho thấy nồng độ/hàm lượng khí Syngas sinh ra đạt giá trị lớn nhất. Để xác định được giá trị của các thông số ảnh hưởng tới các thành phần khí này đạt được giá trị tối ưu, dựa vào quy hoạch thực nghiệm nhằm tối ưu hóa quá trình khí hóa để lựa chọn các giá trị đầu vào có độ tin cậy cao.
3.3. Kết quả nghiên cứu tối ưu theo phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm [2]

Một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng khí hỗn hợp Syngas sinh ra từ lò khí hóa trong quá trình thực nghiệm là tỷ lệ phần trăm than (char) tạo thành, nhiệt độ tối đa trong lò khí hóa,…Tuy nhiên các yếu tố chịu ảnh hưởng nhiều nhất là chất lượng khí sinh ra (tỷ lệ khí CO, CH4, H2) được tạo thành. Tối ưu hóa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình khí hóa để cho ta kết quả lựa chọn tối ưu các thông số ảnh hưởng chính, từ đó làm cơ sở lựa chọn/quyết định quy trình công nghệ/vận hành để tạo ra sản phẩm phù hợp với nghiên cứu thực tiễn. Trong nghiên cứu này, lựa chọn ma trận Box-Behnken với 3 yếu tố ảnh hưởng đã được mã hóa sử dụng cho nghiên cứu đối với lò khí hóa vỏ trấu quy mô công nghiệp hoạt động liên tục.
Yếu tố ảnh hưởng đã được mã hóa:
X1 – Độ ẩm của vật liệu/vỏ trấu (%)
X2 – Lưu lượng gió cấp (m3/h) (thông qua tần số quạt, Hz)
X4 – Lượng nhiên liệu tiêu thụ (kg/h)
Kết quả thực nghiệm một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa, theo ma trận Box-Behnken được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3. Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố khi thực nghiệm vỏ trấu

bang3

Chất lượng quá trình khí hóa được đánh giá qua 3 yếu tố:
Y1 – Tỷ lệ khí CO (%)
Y2 – Tỷ lệ khí CH4 (%)
Y3 – Tỷ lệ Tỷ lệ khí H2 (%)
Tiến hành xây dựng hàm hồi quy bậc 2 cho các mục tiêu:
Y1 = ao + a1*X1 + a2*X2 + a3*X3 + a11*X12 + a22*X22 + a33*X32 + a12*X1 X2 + a13*X1 X3 + a23*X2 X3 (1)
Y2 = bo + b1*X1 + b2*X2 + b3*X3 + b11*X12 + b22*X22 + b33*X32 + b12*X1 X2 + b13*X1 X3 + b23*X2 X3 (2)
Y3 = co + c1*X1 + c2*X2 + c3*X3 + c11*X12 + c22*X22 + c33*X32 + c12*X1 X2 + c13*X1 X3 + c23*X2 X3 (3)
Tiến hành thực nghiệm theo ma trận đã lập, các số liệu thu được sau khi phân tích tính toán được đưa vào ma trận thí nghiệm để làm dữ liệu tính các hệ số hồi quy của mô hình. Qua xử lý số liệu thu được phương trình hồi quy như sau:
a) Tỷ lệ khí CO:
Mô hình tỷ lệ khí CO sinh ra của quá trình được biểu diễn dưới đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm, tần số quạt, kết quả được thể hiện trên đồ thị 2D như trên hình 3.

votrau3
Từ đó ta có phương trình hồi quy chất lượng khí CO sinh ra như sau:
Y1 = 15.850 – 0.010*X1 – 0.094*X2 + 0.034*X3 + 0.125*X12 + 0.228*X22 – 0.057*X32 – 0.063*X1 X2 + 0.033*X1 X3 – 0.000*X2 X3
Hệ số xác định R2= 0.986, hệ số điều chỉnh R2A= 0.944 cho thấy mô hình hoàn toàn tương thích với thực nghiệm.
Hình 3. Ảnh hưởng của độ ẩm và lưu lượng gió cấp đến tỷ lệ khí CO

b) Tỷ lệ khí CH4:
Tương tự ta có đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm, tần số quạt đến chất lượng khí CH4 sinh ra, kết quả được thể hiện trên đồ thị 2D như trên hình 4.

Hình 4. Ảnh hưởng của độ ẩm và lưu lượng gió cấp đến tỷ lệ khí CH4

votrau4

Từ đó ta có phương trình hồi quy chất lượng khí CH4 sinh ra như sau:
Y2 = 3.390 + 0.087*X1 – 0.001*X2 + 0.156*X3 – 0.045*X12 – 0.243*X22 – 0.167*X32 + 0.128*X1 X2 + 0.142*X1 X3 + 0.135*X2 X3
Hệ số xác định R2= 0.980, hệ số điều chỉnh R2A= 0.921 cho thấy mô hình hoàn toàn tương thích với thực nghiệm.
c) Tỷ lệ khí H2:
Mô hình tỷ lệ khí H2 sinh ra của quá trình được biểu diễn theo đồ thị ảnh hưởng của độ ẩm, tần số quạt, kết quả được thể hiện trên đồ thị 2D như trên hình 5.
Từ đó ta có phương trình hồi quy chất lượng khí H2 sinh ra như sau:
Y3 = 12.590 – 0.019*X1 + 0.012*X2 + 0.204*X3 – 0.786*X12 + 0.131*X22 – 0.136*X32 – 0.020*X1 X2 + 0.108*X1 X3 – 0.070*X2 X3
Hệ số xác định R2= 0,975, hệ số điều chỉnh R2A= 0,900 cho thấy mô hình hoàn toàn tương thích với thực nghiệm.

Hình 5. Ảnh hưởng của độ ẩm và lưu lượng gió cấp đến tỷ lệ khí H2

votrau5

Tối ưu hóa
Trong nghiên cứu đã tiến hành tối ưu hóa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng của quá trình khí hóa khi ra sinh khí tổng hợp Syngas theo thuật toán hàm mong đợi với 3 hàm mục tiêu như sau:
– Tỷ lệ khí CO mong đợi cần đạt được lớn nhất;
– Tỷ lệ khí CH4 mong đợi cần đạt được lớn nhất;
– Tỷ lệ khí H2 mong đợi cần đạt được lớn nhất.
Kết quả tối ưu hóa được thể hiện ở bảng 4.
Từ bảng 4 cho thấy độ ẩm được lựa chọn là 12,27% ở độ ẩm này thì tỷ lệ nhiên liệu tiêu thụ là 100,01 Kg/h và tần số quạt sử dụng là 19,94 Hz. Với các tỷ lệ này quá trình khí hóa đã đạt được hiệu quả mong đợi, điều kiện tối ưu này cũng tương đối phù hợp với kết quả, phương pháp nghiên cứu mà tác giả đã sử dụng trong ghiên cứu trước đó.
Bảng 4. Chế độ công nghệ tối ưu khi khí hóa đối vỏ trấu

bang4

Bảng 5. Giá trị giới hạn, mục tiêu đạt điểm tối ưu khi khí hóa đối vỏ trấu

bang5

Từ bảng 4 cho thấy độ ẩm được lựa chọn là 12,27% ở độ ẩm này thì lượng nhiên liệu tiêu thụ là 100,01 Kg/h và tần số quạt sử dụng là 19,94 Hz (tương ứng 33-34m3/h). Với các tỷ lệ này quá trình khí hóa đã đạt được hiệu quả mong đợi, điều kiện tối ưu này cũng tương đối phù hợp với kết quả, phương pháp nghiên cứu mà tác giả đã sử dụng trong nghiên cứu trước đó.
Nhận xét:
Từ kết quả mô hình lý thuyết tối ưu này được kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm cho thấy độ chênh lệch giữa mô hình toán lý thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm là không nhiều. Điều này chứng tỏ mô hình thống kê thực nghiệm đạt được kết quả tối ưu với các thông số như: độ ẩm (12,27%); tần số quạt (19,94Hz) tương ứng (33-34m3/h); lượng; tỷ lệ nhiên liệu tiêu thụ (100,01 Kg/h) đạt độ tin cậy cao đảm bảo lò khí hóa hoạt động luôn ổn định, chất lượng khí tổng hợp sinh ra lớn nhất trong quá trình khí hóa vỏ cà phê.
IV. KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu như trên chúng tôi đã lựa chọn các giá trị công nghệ tối ưu của các thông số đầu vào trong quá trình khí hóa liên tục vỏ trấu quy mô công nghiệp như sau:
– Độ ẩm nguyên liệu 12,27 %.
– Tần số quạt cấp gió 19,94 Hz (tương ứng với lượng gió cấp 33-34 m3/h).
– Lượng nhiên liệu tiêu thụ 100,01 kg/h.

Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyen, Dinh Tung (2009). Theoretische und experimentele Untersuchungen zur energietische Nutzung von landwirtschaftlichen Abfällen aus Vietnam. Dissertation Universität Rostock, Deutschland.
[2]. Nguyễn Đình Tùng và cs. (2014): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò khí hóa liên tục phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) quy mô công nghiệp, Báo cáo nghiệm thu hội đồng cơ sở, Đề tài nghiên cứu cấp Nhà Nước 2014, Bộ Công Thương.
[3]. Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer. 2011. Energie aus Biomasse, 3 Auflage, Springer Berlin Verlag Springer Verlag.
[4]. UNDP. 2005. Biomas Energy for Heating and Hot Water Supply in Belarus. Best Practice Guidelines, Part A: Biomass Combustion.
[5]. Nguyen, Dinh Tung, Steinbrecht, D. 2009. Verbrennung von Rapsextraktionsschrot in einer kleinen, stationären Wirbelschichtfeuerung. Landtechnik 64 (2009), no. 2, pp. 123 – 126.
[6]. Tung D. Nguyen. 2009. Present State, Potential and the Future of electrical Power Generation from Biomass Residues in Vietnam. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal.

Ngày nhận bài: 24/12/2014
Ngày phản biện: 20/01/2015
Người phản biện: PGS.TS. Chu Văn Thiện, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch.

Bảng 4. Chế độ công nghệ tối ưu khi khí hóa đối vỏ trấu

Bảng 5. Giá trị giới hạn, mục tiêu đạt điểm tối ưu khi khí hóa đối vỏ trấu

Từ bảng 4 cho thấy độ ẩm được lựa chọn là 12,27% ở độ ẩm này thì lượng nhiên liệu tiêu thụ là 100,01 Kg/h và tần số quạt sử dụng là 19,94 Hz (tương ứng 33-34m3/h). Với các tỷ lệ này quá trình khí hóa đã đạt được hiệu quả mong đợi, điều kiện tối ưu này cũng tương đối phù hợp với kết quả, phương pháp nghiên cứu mà tác giả đã sử dụng trong nghiên cứu trước đó.
Nhận xét:
Từ kết quả mô hình lý thuyết tối ưu này được kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm cho thấy độ chênh lệch giữa mô hình toán lý thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm là không nhiều. Điều này chứng tỏ mô hình thống kê thực nghiệm đạt được kết quả tối ưu với các thông số như: độ ẩm (12,27%); tần số quạt (19,94Hz) tương ứng (33-34m3/h); lượng; tỷ lệ nhiên liệu tiêu thụ (100,01 Kg/h) đạt độ tin cậy cao đảm bảo lò khí hóa hoạt động luôn ổn định, chất lượng khí tổng hợp sinh ra lớn nhất trong quá trình khí hóa vỏ cà phê.
IV. KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu như trên chúng tôi đã lựa chọn các giá trị công nghệ tối ưu của các thông số đầu vào trong quá trình khí hóa liên tục vỏ trấu quy mô công nghiệp như sau:
– Độ ẩm nguyên liệu 12,27 %.
– Tần số quạt cấp gió 19,94 Hz (tương ứng với lượng gió cấp 33-34 m3/h).
– Lượng nhiên liệu tiêu thụ 100,01 kg/h.
TS. Nguyễn Đình Tùng
Viện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nông nghiệp
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyen, Dinh Tung (2009). Theoretische und experimentele Untersuchungen zur energietische Nutzung von landwirtschaftlichen Abfällen aus Vietnam. Dissertation Universität Rostock, Deutschland.
[2]. Nguyễn Đình Tùng và cs. (2014): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò khí hóa liên tục phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) quy mô công nghiệp, Báo cáo nghiệm thu hội đồng cơ sở, Đề tài nghiên cứu cấp Nhà Nước 2014, Bộ Công Thương.
[3]. Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer. 2011. Energie aus Biomasse, 3 Auflage, Springer Berlin Verlag Springer Verlag.
[4]. UNDP. 2005. Biomas Energy for Heating and Hot Water Supply in Belarus. Best Practice Guidelines, Part A: Biomass Combustion.
[5]. Nguyen, Dinh Tung, Steinbrecht, D. 2009. Verbrennung von Rapsextraktionsschrot in einer kleinen, stationären Wirbelschichtfeuerung. Landtechnik 64 (2009), no. 2, pp. 123 – 126.
[6]. Tung D. Nguyen. 2009. Present State, Potential and the Future of electrical Power Generation from Biomass Residues in Vietnam. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal.

Ý kiến bạn đọc