Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu và tại Việt Nam tăng trưởng nhanh chóng, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên) đang dần cạn kiệt và gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường. Tại Việt Nam, sự phụ thuộc vào nhiệt điện than cùng vấn đề phát sinh rác thải sinh hoạt và công nghiệp với tốc độ 0,35–0,8 kg/người/ngày tạo ra áp lực lớn lên hạ tầng xử lý rác (tỷ lệ thu gom chôn lấp tập trung tại đô thị mới đạt 60–65%). Việc chuyển đổi rác thải thành năng lượng (Waste-to-Energy – WTE), đặc biệt thông qua việc sản xuất viên nén RDF (Refuse-Derived Fuel) và công nghệ hóa khí, mở ra giải pháp kép: giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

Tuy nhiên, việc nhập khẩu các hệ thống hóa khí sinh khối và rác thải vào Việt Nam thường gặp trở ngại do chi phí cao, công nghệ chưa thích ứng với đặc tính nhiên liệu nội địa dẫn đến hiện tượng hàm lượng hắc ín (tar) cao, vận hành thiếu ổn định và hệ số sẵn sàng thấp. Đồ án tập trung giải quyết bài toán tính toán, thiết kế hệ thống hóa khí tầng cố định thuận chiều quy mô nhỏ sử dụng nhiên liệu viên nén RDF nhằm phục vụ cấp nhiệt cho lò hơi.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ hóa khí sinh khối có đặc tính vận hành ổn định, sử dụng đa dạng nguồn nhiên liệu sinh khối sẵn có ở Việt Nam để sản xuất năng lượng chất lượng cao, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường.
  2. Thiết kế, tính toán các thông số kỹ thuật cho hệ thống hóa khí viên nén RDF công suất nhiệt 65 kW để cung cấp khí tổng hợp (syngas) cho lò hơi sinh hơi công suất 50 kW.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ: chế độ vận hành, đặc tính nhiên liệu RDF, tỷ số đương lượng không khí ($ER$) đến chất lượng khí tổng hợp và hiệu suất của hệ thống.
  4. Xây dựng mô hình hình học 2D/3D của lò phản ứng hóa khí và sơ đồ dây chuyền thiết bị hoàn chỉnh trên phần mềm SolidWorks.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lò hóa khí tầng cố định thuận chiều (downdraft fixed-bed gasifier kết hợp cấu trúc Imbert) và nhiên liệu viên nén RDF từ chất thải rắn.
  • Phạm vi không gian: Đề tài thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mẫu nhiên liệu và số liệu phân tích thành phần RDF do Công ty TNHH Phúc Trường Hải cung cấp.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thu thập và các tính toán kỹ thuật được hoàn thành trong giai đoạn từ ngày 01/06/2021 đến ngày 25/08/2021.
  • Giới hạn đề tài: Nghiên cứu dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, cân bằng khối lượng - nhiệt lượng, mô phỏng nhiệt động học và thiết kế mô hình cơ khí 3D, chưa tiến hành chế tạo và thực nghiệm vật lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nhiệt động lực học các quá trình nhiệt hóa chuyển đổi vật liệu chứa cacbon trong môi trường thiếu oxy. Quá trình hóa khí diễn ra lần lượt qua 4 vùng phản ứng chính trong thân lò:

  • Vùng sấy ($T < 200^\circ\text{C}$): Nước tự do và liên kết trong viên nén bốc hơi hoàn toàn, tiêu tốn năng lượng khoảng 2.242 kJ/kg ẩm.
  • Vùng nhiệt phân ($300 - 650^\circ\text{C}$): Phân hủy nhiệt sinh khối/RDF trong điều kiện không có chất oxy hóa tạo thành than cốc (char), chất bốc (volatile gases) và hắc ín (tar).
  • Vùng cháy/oxy hóa ($800 - 1200^\circ\text{C}$): Quá trình oxy hóa một phần các chất bốc và char với oxy không khí, tỏa nhiệt để cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
  • Vùng khử/hóa khí ($> 700^\circ\text{C}$): Phản ứng thu nhiệt giữa cacbon trong char với các sản phẩm cháy ($CO_2$, $H_2O$) để tạo ra khí tổng hợp giàu $CO$ và $H_2$.

Hệ thống các phương trình phản ứng hóa học cơ bản diễn ra trong lò hóa khí:

Loại phản ứng Phương trình hóa học Biến thiên Enthalpy $\Delta H$ (kJ/mol)
Cháy dị thể $\text{C (rắn)} + \text{O}_2 \leftrightarrow \text{CO}_2$ -392,5
Cháy thiếu oxy $\text{C (rắn)} + 0,5\text{O}_2 \leftrightarrow \text{CO}$ -110,5
Cháy hydro $\text{H}_2 + 0,5\text{O}_2 \leftrightarrow \text{H}_2\text{O}$ -241,82
Phản ứng Boudouard $\text{C (rắn)} + \text{CO}_2 \leftrightarrow 2\text{CO}$ +172,0
Phản ứng khí than ướt 1 $\text{C (rắn)} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO} + \text{H}_2$ +131,4
Phản ứng khí than ướt 2 $\text{C (rắn)} + 2\text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2$ +90,4
Phản ứng Metan hóa $\text{C (rắn)} + 2\text{H}_2 \leftrightarrow \text{CH}_4$ -74,6
Chuyển dịch khí - nước $\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2$ -41,0
Reforming hơi nước $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO} + 3\text{H}_2$ +205,9
Reforming $\text{CO}_2$ $\text{CH}_4 + \text{CO}_2 \leftrightarrow 2\text{CO} + 2\text{H}_2$ +247,0

Phương pháp nghiên cứu được nhóm tác giả sử dụng gồm:

  • Phương pháp thu thập và phân tích thực nghiệm mẫu: Sử dụng kết quả phân tích thành phần nguyên tố ($C, H, O, N, S$), độ ẩm ($M$), độ tro ($A$), chất bốc ($Volatile$) và nhiệt trị ($HHV, LHV$) của viên nén RDF từ đơn vị công nghiệp.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt động học và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm Aspen Plus để tính toán cân bằng hóa học pha khí ở điều kiện nhiệt độ 973 K (700°C), áp suất 1 atm và hệ số tỷ số đương lượng không khí $ER = 0,3$.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật nhiệt: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng để xác định tiêu hao nhiên liệu ($M_f$), lưu lượng không khí cấp ($V_{air}$), lưu lượng khí sinh ra ($V_{syngas}$) và kích thước hình học thân lò, cổ thắt, số vòi phun khí (tuyere).
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa: Sử dụng phần mềm CAD/SolidWorks để xây dựng bản vẽ 2D, mô hình kết cấu 3D và sơ đồ mặt bằng bố trí dây chuyền.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu năng lượng toàn cầu và hiện trạng ngành năng lượng Việt Nam, khẳng định việc khai thác sinh khối và nhiên liệu chuyển hóa từ rác thải (RDF) là giải pháp chiến lược nhằm giảm phát thải khí nhà kính. Tác giả phân tích các nghiên cứu mô hình hóa khí của các học giả quốc tế (Gómez-Barea và Leckner, Puig-Arnavat, Baruah, Loha, Patra và Sheth, Villetta), qua đó phân loại các mô hình cân bằng nhiệt động học, mô hình động học và phương pháp năng lượng tự do có giới hạn (CFE). Chương này cũng xác định đối tượng là lò hóa khí thuận chiều nhằm tận dụng ưu thế giảm thiểu hắc ín ($0,001 - 0,1\text{ g/Nm}^3$ so với $30 - 40\text{ g/Nm}^3$ ở lò ngược chiều), đồng thời công bố đối tượng, mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIÊN LIỆU VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI VIÊN NÉN RDF

Nội dung chương 2 khái quát lịch sử phát triển công nghệ hóa khí qua 4 giai đoạn (1850–1940, 1940–1975, 1975–2000, sau năm 2000) và thực trạng phát sinh rác thải rắn tại Việt Nam. Chương phân loại chi tiết các công nghệ xử lý WTE nhiệt và phi nhiệt (đốt trực tiếp, nhiệt phân, hóa khí, phân hủy yếm khí, lên men). Cơ chế 4 vùng phản ứng (sấy, nhiệt phân, cháy, hóa khí) và các phản ứng nhiệt hóa được mô tả chi tiết. Tác giả đánh giá định lượng các yếu tố ảnh hưởng gồm: nhiệt độ lò, độ ẩm nguyên liệu (khuyến nghị 10–20%), và tác nhân hóa khí (không khí, oxy tinh khiết, hơi nước), từ đó lựa chọn tác nhân không khí để tối ưu hóa chi phí đầu tư cho hệ thống công suất nhỏ.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA KHÍ VIÊN NÉN RDF (RDF)

Chương 3 là phần tính toán kỹ thuật cốt lõi của đồ án. Dựa trên yêu cầu công suất nhiệt lò hơi $Q_{boiler} = 50\text{ kW}$ và hiệu suất lò hóa khí $\eta_{gasifier} = 0,7785$ (thu được từ mô phỏng Aspen Plus), công suất thiết kế của lò hóa khí được xác định là $Q_{gasifier} = 65\text{ kW}$. Từ số liệu phân tích thành phần viên nén RDF, chương tiến hành các bước tính toán:

  • Xác định lượng không khí lý thuyết ($m_a = 7,463\text{ kg kk/kg f}$) và lưu lượng không khí cấp thực tế với $ER = 0,3$ ($V_{air} = 32,66\text{ m}^3/\text{h}$).
  • Suất tiêu hao nhiên liệu: $M_f = 17,87\text{ kg/h}$.
  • Lưu lượng syngas sinh ra: $V_{syngas} = 50,39\text{ m}^3/\text{h}$ với nhiệt trị $LHV_{syngas} = 4,547\text{ MJ/Nm}^3$.
  • Tính toán kích thước hình học lò: thể tích $V = 0,03\text{ m}^3$, chiều cao $h = 0,8\text{ m}$, đường kính trong $d = 0,22\text{ m}$.
  • Thiết kế hệ thống cấp khí: gồm $n = 9$ ống tuyere đường kính $0,015\text{ m}$ đặt cách đáy lò $0,26\text{ m}$, vận tốc khí qua tuyere đạt $7,2\text{ m/s}$.
  • Cân bằng nguyên tố $C, H$ và cân bằng nhiệt lượng toàn phần của hệ thống.
  • Tính toán thiết bị phụ trợ gồm cyclone thu hồi bụi và quạt hút/thổi khí.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ CÁC ĐÁNH GIÁ

Chương 4 tổng hợp các bảng thông số kỹ thuật hoàn chỉnh sau quá trình tính toán và mô phỏng. Trình bày chi tiết bản vẽ cấu tạo 2D và mô hình không gian 3D trên phần mềm SolidWorks của lò phản ứng hóa khí (gồm phễu cấp liệu, lớp cách nhiệt, đai phân phối khí, cụm 9 vòi phun tuyere, ghi lò và cửa tháo tro xỉ). Đưa ra sơ đồ bố trí mặt bằng dây chuyền thiết bị gồm: cụm mồi lửa, quạt thổi sơ cấp, thân lò hóa khí, cyclone lắng bụi đơn, bình điều khí và đầu đốt cấp nhiệt cho lò hơi.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 5 đúc kết các kết quả tính toán thiết kế đạt được của hệ thống hóa khí viên nén RDF công suất 65 kW, khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa thiết bị. Đề xuất các kiến nghị cần thực hiện trong tương lai nhằm hoàn thiện mô hình thực nghiệm, kiểm chứng sai số giữa mô phỏng và vận hành thực tế.

Thiết kế và thông số kỹ thuật hệ thống

Thành phần và đặc tính nhiên liệu viên nén RDF

Số liệu phân tích mẫu RDF của Công ty TNHH Phúc Trường Hải được sử dụng làm đầu vào tính toán:

Thành phần Trạng thái làm việc (adb) (%) Trạng thái khô (db) (%) Trạng thái cháy khô (daf) (%)
Cacbon ($C$) 42,89 45,26 56,89
Hydro ($H$) 5,33 5,62 7,08
Oxy ($O$) 26,608 28,08 35,29
Nitơ ($N$) 0,50 0,53 0,66
Lưu huỳnh ($S$) 0,062 0,07 0,08
Độ ẩm ($M$) 5,24 - -
Độ tro ($A$) 19,37 20,44 -
Cacbon cố định ($Fixed\ C$) 17,39 - -
Chất bốc ($Volatile$) 63,24 - -
Nhiệt trị cao ($HHV$) $18,237\text{ MJ/kg}$ - -
Nhiệt trị thấp ($LHV$) $17,004\text{ MJ/kg}$ - -
Tỷ trọng đổ ($\rho_{bulk}$) $733\text{ kg/m}^3$ - -

Thành phần khí tổng hợp (Syngas) theo mô phỏng Aspen Plus

Thành phần syngas đầu ra tại áp suất 1 atm và nhiệt độ 973 K với hệ số $ER = 0,3$:

Thành phần khí Tỷ lệ thể tích (%) Số mol trong dòng khí (kmol)
Monoxit cacbon ($\text{CO}$) 22,24 0,140
Dioxit cacbon ($\text{CO}_2$) 5,90 0,037
Hydro ($\text{H}_2$) 16,16 0,102
Metan ($\text{CH}_4$) 0,00 -
Nitơ ($\text{N}_2$) 48,56 0,306
Nhiệt trị thấp ($LHV_{syngas}$) $4,547\text{ MJ/Nm}^3$ -

Thông số kỹ thuật tổng thể của lò hóa khí

Thông số thiết kế Giá trị Đơn vị
Công suất nhiệt đầu ra thiết bị 65 kW
Hiệu suất nhiệt của lò hóa khí ($\eta$) 0,7785 -
Suất tiêu hao viên nén RDF ($M_f$) 17,87 kg/h
Lưu lượng không khí cấp ($V_{air}$) 32,66 $\text{m}^3/\text{h}$
Lưu lượng khí syngas sinh ra ($V_{syngas}$) 50,39 $\text{m}^3/\text{h}$
Chiều cao thân lò ($h$) 0,80 m
Đường kính trong thân lò ($d$) 0,22 m
Thể tích không gian phản ứng ($V_{gasifier}$) 0,03 $\text{m}^3$
Diện tích ghi lò ($S$) 0,038 $\text{m}^2$
Số lượng vòi phun không khí (tuyere, $n$) 9 vòi
Đường kính mỗi vòi tuyere ($d_{tuyere}$) 0,015 m
Chiều cao đặt vòi tuyere ($h_{tuyere}$, tính từ đáy) 0,26 m
Vận tốc dòng khí trong lò ($v_a$) 0,30 – 0,42 m/s
Vận tốc dòng khí qua vòi tuyere ($v_{tuyere}$) 7,20 m/s
Hệ số tỷ số đương lượng không khí ($ER$) 0,30 -

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các kết quả tính toán và đóng góp kỹ thuật sau:

  • Xác lập được bộ thông số công nghệ và kích thước cơ học chuẩn xác cho lò hóa khí tầng cố định thuận chiều quy mô 65 kW nhiệt, sử dụng nhiên liệu viên nén RDF với tỷ trọng đổ $733\text{ kg/m}^3$.
  • Chứng minh tính khả thi của việc sử dụng không khí thường làm tác nhân hóa khí với tỷ số đương lượng $ER = 0,3$, tạo ra $50,39\text{ m}^3/\text{h}$ syngas có nhiệt trị $4,547\text{ MJ/Nm}^3$, đáp ứng công suất cấp nhiệt $50\text{ kW}$ cho lò hơi.
  • Đề xuất giải pháp bố trí 9 vòi phun không khí (số lẻ) cách đáy $0,26\text{ m}$ với vận tốc phun $7,2\text{ m/s}$, giúp phân bố nhiệt đồng đều, tránh giao thoa đối đầu giữa các luồng khí và triệt tiêu hắc ín nhờ nhiệt độ cao tại vùng cháy.
  • Đóng góp vào cơ sở dữ liệu tính toán kỹ thuật nội địa, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các công nghệ ngoại nhập vốn đắt đỏ và không tương thích với rác thải phân loại tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, cân bằng hóa học và mô phỏng trên phần mềm Aspen Plus cùng thiết kế CAD 3D; chưa tiến hành gia công chế tạo thực tế và vận hành đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng hàm lượng tro bay, hắc ín thực tế và phát thải khí.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Chế tạo mô hình thực nghiệm theo các kích thước đã thiết kế và lắp đặt hệ thống đo lường nhiệt độ, áp suất, lưu lượng đa điểm dọc thân lò.
    2. Phân tích thực tế thành phần khí đầu ra bằng sắc ký khí để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng nhiệt động học.
    3. Thử nghiệm mở rộng trên nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp và sinh khối khác ngoài viên nén RDF.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng, Năng lượng Tái tạo và Quản lý Môi trường.
  • Các nhóm nghiên cứu đang thực hiện đề tài tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng lò phản ứng nhiệt hóa và thiết kế thiết bị WTE.
  • Các kỹ sư thiết kế cơ khí nhiệt cần tham khảo quy trình tính toán kích thước lò hóa khí tầng cố định thuận chiều, thiết kế cụm vòi phun tuyere và hệ thống lọc bụi cyclone.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn mô hình lò hóa khí thuận chiều thay vì lò ngược chiều hay tầng sôi?
Trả lời: Lò hóa khí thuận chiều (downdraft) buộc dòng khí sản phẩm và chất bốc phải đi qua vùng than nóng có nhiệt độ cao ($> 800^\circ\text{C}$), giúp bẻ gãy các liên kết phân tử của hắc ín (cracking tar). Nhờ đó, hàm lượng hắc ín trong khí tổng hợp của lò thuận chiều rất thấp ($0,001 - 0,1\text{ g/Nm}^3$ hoặc tối đa $0,3 - 0,5\text{ g/m}^3$), thấp hơn rất nhiều so với lò ngược chiều ($30 - 40\text{ g/m}^3$), giảm bớt độ phức tạp của hệ thống làm sạch khí.

2. Tỷ số đương lượng không khí ($ER$) được chọn bằng bao nhiêu và có ý nghĩa gì trong thiết kế?
Trả lời: Đồ án lựa chọn $ER = 0,3$. Hệ số $ER$ là tỷ số giữa lượng không khí cấp thực tế và lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn. Nếu $ER < 0,2$, quá trình hóa khí không hoàn toàn và sinh nhiều than dư; nếu $ER > 0,4$, quá trình chuyển sang cháy hoàn toàn sinh nhiều $CO_2$ và $H_2O$, làm giảm mạnh nhiệt trị của khí syngas. Giá trị $ER = 0,3$ đảm bảo cân bằng tối ưu giữa việc duy trì nhiệt độ phản ứng và giữ nhiệt trị khí ở mức $4,547\text{ MJ/Nm}^3$.

3. Tại sao hệ thống sử dụng 9 vòi phun không khí (tuyere) thay vì số lượng chẵn?
Trả lời: Tác giả chọn $n = 9$ vòi phun (số lẻ) bố trí xung quanh chu vi thân lò nhằm đảm bảo tia không khí từ một vòi không bắn trực diện vào tia không khí từ phía đối diện, tạo ra sự phân bố khí xoáy đều và thâm nhập sâu vào tâm lò mà không để lại khoảng trống ở giữa.

4. Khối lượng viên nén RDF tiêu thụ trong một giờ hoạt động là bao nhiêu?
Trả lời: Dựa trên công suất nhiệt thiết kế 65 kW, nhiệt trị thấp của RDF là $17,004\text{ MJ/kg}$ và hiệu suất lò hóa khí 0,7785, suất tiêu hao nhiên liệu được tính toán chính xác là $M_f = 17,87\text{ kg/h}$.

5. Khí tổng hợp sinh ra có thành phần chính gồm những khí nào?
Trả lời: Theo mô phỏng Aspen Plus ở 973 K và $ER = 0,3$, thành phần syngas gồm: $N_2 = 48,56%$, $CO = 22,24%$, $H_2 = 16,16%$, $CO_2 = 5,90%$ và không có sự hiện diện của $CH_4$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình tính toán nhiệt và thiết kế cơ khí cho hệ thống hóa khí viên nén RDF công suất nhiệt 65 kW phục vụ cấp nhiên liệu cho lò hơi 50 kW. Thông qua việc phân tích thành phần nhiên liệu thực tế và mô phỏng nhiệt động học trên Aspen Plus với hệ số $ER = 0,3$, nghiên cứu đã xác định chính xác các thông số vận hành (tiêu hao RDF $17,87\text{ kg/h}$, sinh ra $50,39\text{ m}^3/\text{h}$ syngas đạt nhiệt trị $4,547\text{ MJ/Nm}^3$) và kích thước hình học lò ($h = 0,8\text{ m}, d = 0,22\text{ m}, 9$ vòi tuyere). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo từ rác thải rắn tại Việt Nam.