Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ năng lượng gia tăng liên tục, trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt, chi phí khai thác tăng cao và phát thải khí nhà kính gây biến đổi khí hậu toàn cầu. Song song với thách thức an ninh năng lượng, áp lực ô nhiễm môi trường từ chất thải rắn sinh hoạt và phụ phẩm nông nghiệp đang ở mức báo động. Theo số liệu thống kê của Vụ Năng lượng tái tạo (Bộ Công Thương) được tác giả trích dẫn, mỗi ngày Việt Nam thải ra trung bình gần 35.000 tấn chất thải rắn sinh hoạt đô thị và 34.000 tấn rác thải sinh hoạt nông thôn. Tại khu vực nông thôn—nơi tập trung hơn 60 triệu dân (chiếm hơn 73% dân số cả nước)—khối lượng rác thải sinh hoạt phát sinh vượt mức 13 triệu tấn/năm nhưng tỷ lệ thu gom chỉ đạt khoảng 40% và tỷ lệ tái chế chưa tới 4%. Phần lớn chất thải chưa qua xử lý được xả trực tiếp ra môi trường hoặc chôn lấp không hợp vệ sinh. Bên cạnh đó, nguồn phụ phẩm nông - lâm nghiệp như vỏ trấu, rơm rạ, mùn cưa, bã mía, củi gỗ lên tới hàng chục triệu tấn mỗi năm chưa được chuyển hóa hiệu quả thành năng lượng thương phẩm. Trước thực trạng đó, công nghệ khí hóa sinh khối (Biomass Gasification) nhằm sản xuất khí tổng hợp (syngas) được lựa chọn như một giải pháp kỹ thuật biến chất thải rắn và phụ phẩm thành năng lượng sạch, phục vụ cho động cơ đốt trong phát điện quy mô nhỏ.
Căn cứ theo văn bản giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về nhiên liệu tái chế từ rác (RDF) và công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất khí tổng hợp (syngas).
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các điều kiện đầu vào của lò khí hóa (lưu lượng gió cấp, phân bố nhiệt độ, khối lượng nạp) đến thành phần và đặc tính của syngas.
- Chế tạo, lắp đặt hệ thống lò khí hóa thực nghiệm, tiến hành kiểm nghiệm thực tế và đánh giá kết quả quá trình hóa khí.
Sản phẩm dự kiến của đề tài là xác định chế độ vận hành để tạo ra dòng syngas có tỷ lệ thành phần khí cháy lớn nhất, tiến tới hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Đầu vào là phụ phẩm nông - lâm nghiệp, dăm gỗ keo, mùn cưa, viên nén sinh khối (RDF); đầu ra là thành phần và khả năng cháy của khí tổng hợp (syngas) cùng các sản phẩm phụ như than sinh học (biochar) và hắc ín (tar).
- Phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình lò khí hóa tầng cố định kiểu thuận chiều (downdraft gasifier) quy mô nhỏ tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 02 năm 2022.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về mặt lý thuyết, nghiên cứu vận dụng các khái niệm và nguyên lý chuyển hóa nhiệt hóa học chất thải rắn và sinh khối (Biomass to Fuel - B2F). Khí hóa sinh khối là quá trình phản ứng nhiệt hóa học chuyển đổi nhiên liệu rắn trong điều kiện thiếu oxy (cháy sơ cấp) ở dải nhiệt độ từ 800°C đến 1.000°C thành hỗn hợp khí cháy gồm cacbon monoxit (CO), hydro (H2), metan (CH4) cùng các khí không cháy (CO2, N2). Khí tổng hợp (syngas) có mật độ năng lượng bằng khoảng một nửa so với khí tự nhiên, đóng vai trò nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong hoặc hóa chất trung gian. Tác giả cũng tiếp cận lý thuyết văn hóa môi trường của Giáo sư Vương Quân Hoàng và cộng sự nhằm giải thích tính cấp thiết của việc tính giá trị môi trường vào bài toán chi phí - lợi ích trong tái chế năng lượng.
Về phân loại công nghệ, nghiên cứu phân tích hai nhóm thiết bị chính:
- Lò khí hóa tầng cố định (Fixed bed gasifier): Công suất thường dưới 1 MW, bao gồm ba dạng kết cấu: lò thuận chiều (downdraft - nhiên liệu và tác nhân khí hóa đi cùng chiều), lò ngược chiều (updraft - nhiên liệu và tác nhân khí hóa đi ngược chiều), và lò dòng cắt nhau (crossdraft).
- Lò khí hóa tầng sôi (Fluidized bed gasifier) và dòng cuốn (Entrained flow gasifier): Áp dụng cho quy mô công nghiệp có công suất nhiệt trên 10 MW.
Trong đồ án, tác giả lựa chọn công nghệ lò tầng cố định kiểu thuận chiều để thực nghiệm. Quá trình biến đổi bên trong lò diễn ra qua bốn vùng nhiệt động học kế tiếp nhau:
- Vùng sấy khô (Drying): Tách ẩm nguyên liệu biomass ở nhiệt độ thấp nhờ nhiệt đối lưu từ các vùng dưới.
- Vùng nhiệt phân (Pyrolysis): Xảy ra quá trình phân hủy nhiệt không có oxy, biến đổi chuỗi polyme sinh khối thành than (C), chất bốc (CO, H2, CO2, H2O) và hắc ín.
- Vùng đốt cháy/Oxy hóa (Combustion): Cung cấp oxy hạn chế để oxy hóa một phần cacbon và chất bốc, phản ứng tỏa nhiệt mạnh cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống.
- Vùng sinh khí/Khử (Reduction/Gasification): Dòng khí CO2 và H2O từ vùng cháy đi qua tầng than nóng đỏ để thực hiện các phản ứng thu nhiệt, tạo thành sản phẩm khí cháy chính là CO và H2.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý luận và nghiên cứu thực nghiệm:
- Phương pháp lý luận: Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thứ cấp về tiềm năng sinh khối tại Việt Nam; phân tích nhiệt động học các phản ứng hóa khí; tổng quan các công trình ứng dụng syngas cho động cơ xăng và động cơ diesel trên thế giới và tại Việt Nam.
- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình lò khí hóa tầng cố định thuận chiều; sử dụng viên nén mùn cưa biomass làm nhiên liệu đầu vào; khảo sát quá trình vận hành bằng cách điều chỉnh hệ số cấp gió qua van ống nạp chính và van quạt hút; đo đạc sự phân bố nhiệt độ lò theo tốc độ gió cấp; theo dõi sự tạo thành hắc ín dưới đáy lò và kiểm tra khả năng duy trì ngọn lửa khí cháy syngas tại các dải nhiệt độ 400°C và 600°C.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu thống kê từ Tổng cục Năng lượng, Tổng cục Thống kê năm 2020, số liệu xuất khẩu dăm gỗ keo của ngành lâm nghiệp, cùng các báo cáo khoa học quốc tế và trong nước (như nghiên cứu mô phỏng động cơ Mitsubishi S3L2 của TS. Bùi Văn Chinh, các hệ thống thực tế tại Gosaba, TERI - Ấn Độ, Đan Mạch, Thái Lan).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 1 trình bày bức tranh toàn cảnh về thực trạng quản lý chất thải rắn, tiềm năng nguồn sinh khối tại Việt Nam và các hướng ứng dụng khí tổng hợp syngas.
Về rác thải sinh hoạt và phụ phẩm nông nghiệp, tác giả chỉ ra các bất cập trong xử lý rác hiện nay: chôn lấp chiếm tỷ lệ lớn nhưng chỉ 20% bãi chôn lấp hợp vệ sinh (có lớp chống thấm HDPE và thu gom nước rác); sản xuất compost còn nhược điểm về thời gian ủ lâu và chất lượng không đồng đều; đốt trực tiếp phát điện đòi hỏi vốn lớn (dẫn chứng nhà máy điện rác Cần Thơ vận hành cuối năm 2018 xử lý 400 - 430 tấn rác/ngày, phát hơn 170.000 kWh/ngày); sản xuất biogas gặp tình trạng rò rỉ khí lên đến 75% ở hầm composite. Trong khi đó, công nghệ viên nén RDF từ phế thải nông - lâm nghiệp đang là xu hướng lớn, chiếm 14 - 15% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu và 35% tại các nước đang phát triển.
Về tiềm năng sinh khối, tổng khối lượng phụ phẩm sinh khối cả nước đạt 8 - 11 triệu tấn/năm. Riêng Đồng bằng sông Cửu Long phát sinh 1,4 - 1,6 triệu tấn trấu; vùng Tây Bắc đóng góp 55.000 - 60.000 tấn mùn cưa; bã mía chiếm 10 - 15% tổng sản lượng mía đường. Tính theo diện tích gieo trồng, hệ số phát sinh phế thải của một số cây trồng chính được tổng hợp trong bảng số liệu:
| STT |
Loại cây trồng |
Hệ số phế thải |
| 1 |
Lúa |
0,75 - 2,51 |
| 2 |
Lúa mì |
1,10 - 2,57 |
| 3 |
Ngô |
0,55 - 1,30 |
| 4 |
Khoai tây |
0,20 - 0,30 |
| 5 |
Đậu tương |
1,10 - 2,60 |
| 6 |
Mía |
0,20 - 0,25 |
| 7 |
Bông |
1,40 - 3,00 |
Đối với nguồn sinh khối từ gỗ, tiềm năng khai thác phục vụ sản xuất năng lượng đạt khoảng 25 triệu tấn/năm (tương đương 8,78 triệu tấn dầu quy đổi - toe):
| Nguồn phát sinh |
Tiềm năng (triệu tấn) |
Quy dầu tương đương (triệu toe) |
Tỷ lệ (%) |
| Rừng tự nhiên |
6,842 |
2,390 |
27,2 |
| Rừng trồng |
3,718 |
1,300 |
14,8 |
| Đất không rừng |
3,850 |
1,350 |
15,4 |
| Cây trồng phân tán |
6,050 |
2,120 |
24,1 |
| Cây công nghiệp và ăn quả |
2,400 |
0,800 |
9,6 |
| Phế liệu gỗ |
1,649 |
0,580 |
6,6 |
| Tổng cộng |
25,090 |
8,780 |
100,0 |
Đặc biệt, tiềm năng gỗ keo rừng trồng tại Việt Nam đạt quy hoạch gần 1 triệu hecta vào giai đoạn 2020 - 2025 (tập trung tại duyên hải miền Trung 173.378 ha, trung tâm Bắc Bộ 164.440 ha, Tây Bắc 145.645 ha). Sản lượng dăm gỗ keo xuất khẩu năm 2014 đạt 6,97 triệu tấn. Dăm gỗ có kích thước tiêu chuẩn 3 x 5 x 0,5 cm, rất phù hợp cho lò khí hóa thuận chiều, với tổng năng lượng tương đương 3,25 tỷ MWh điện.
Về công nghệ nhiệt hóa học chuyển hóa sinh khối, tác giả phân loại thành ba hướng chính:
| Công nghệ |
Sản phẩm sơ cấp |
Ứng dụng định hướng |
| Nhiệt phân nhanh |
Dầu sinh học (Bio-oil) |
Sử dụng trực tiếp hoặc nâng cấp thành diesel xanh, hóa chất |
| Khí hóa |
Nhiên liệu khí (Syngas: CO, H2) |
Chu trình hỗn hợp IGCC, động cơ đốt trong (IC-Gen), pin nhiên liệu MCFC, PEMFC |
| Thủy nhiệt |
Nhiên liệu rắn |
Nhiên liệu rắn mới đốt kèm than trong công nghiệp |
Về ứng dụng syngas cho động cơ đốt trong, tác giả tổng hợp các kết quả thực nghiệm quốc tế và trong nước:
- Động cơ xăng: Nghiên cứu của Juan Daniel Martínez cho thấy sử dụng syngas giúp công suất động cơ cải thiện nhẹ nhưng tiêu hao năng lượng và phát thải NOx, CO tăng. Nghiên cứu của Ajay trên máy phát 5,5 kW dùng ống venturi hòa trộn syngas (áp suất tối đa đầu vào 12.132 kN/m2, đầu ra 172 kN/m2) ghi nhận phát thải CO và NOx thấp hơn, nhưng CO2 tăng.
- Động cơ diesel: TS. Bùi Văn Chinh mô phỏng chế độ nhiên liệu kép diesel/syngas trên động cơ Mitsubishi S3L2 bằng phần mềm AVL BOOST, chỉ ra rằng hàm lượng H2 trong syngas càng tăng thì quá trình cháy càng được cải thiện, làm tăng công suất và giảm tiêu hao năng lượng. Nghiên cứu của Bibhuti xác nhận tỷ lệ thể tích H2/CO ở mức 50:50 làm giảm hệ số nạp nhiều nhất do phân tử H2 chiếm thể tích không khí nạp.
- Các mô hình thực tế trên thế giới: Hệ thống Gosaba (Ấn Độ, công suất 500 kW gồm 5 tổ máy 100 kW của Ankur, tiêu thụ 0,822 kg củi và 0,135 lít diesel cho 1 kWh điện, thay thế 59% diesel); Hệ thống TERI (Ấn Độ, 3,5 - 100 kW, hiệu suất khí đạt 70%); Hệ thống khí hóa 2 cấp Đan Mạch; Hệ thống nhiều cấp Thái Lan (giảm hàm lượng hắc ín xuống dưới 28 mg/m3).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 đi sâu vào lý thuyết nguyên liệu sinh khối, nguyên lý cấu tạo các kiểu lò và cơ chế phản ứng hóa học trong quá trình khí hóa.
Tác giả thống kê chi tiết tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp có thể khai thác năng lượng tại Việt Nam:
| Nguồn phụ phẩm |
Tiềm năng (triệu tấn) |
Quy dầu tương đương (triệu toe) |
Tỷ lệ (%) |
| Rơm rạ |
32,52 |
7,30 |
60,4 |
| Trấu |
6,50 |
2,16 |
17,9 |
| Bã mía |
4,45 |
0,82 |
6,8 |
| Các loại khác |
9,00 |
1,80 |
14,9 |
| Tổng cộng |
53,43 |
12,08 |
100,0 |
Phân tích nguyên lý làm việc của các loại lò khí hóa:
- Lò tầng cố định ngược chiều: Gió cấp từ đáy, khí ra ở đỉnh. Hiệu suất nhiệt cao, tổn thất áp suất nhỏ, thích hợp nhiều loại nhiên liệu nhưng nhược điểm lớn là hàm lượng hắc ín trong khí rất cao và ẩm, khó làm sạch để chạy động cơ đốt trong.
- Lò tầng cố định thuận chiều: Gió cấp vào vùng oxy hóa, khí gas rút ra từ phía đáy lò. Cả nhiên liệu và khí đi cùng chiều hướng xuống. Axit và hắc ín sinh ra từ vùng nhiệt phân buộc phải đi xuyên qua lớp than nóng đỏ của vùng cháy và vùng khử, bị bẻ gãy và chuyển hóa thành CO, CO2, H2, CH4. Khí sản phẩm rất sạch, hàm lượng hắc ín thấp, phù hợp cấp cho động cơ đốt trong quy mô công suất nhỏ.
- Lò tầng sôi: Sử dụng hạt nhiên liệu kích thước 0,5 - 3 mm, nhiệt độ buồng lò từ 900°C đến 1.150°C. Quá trình truyền nhiệt đồng đều, khí sạch, nhưng vận hành phức tạp và chi phí đầu tư lớn.
Bốn giai đoạn phản ứng hóa học diễn ra tuần tự trong lò khí hóa tầng cố định thuận chiều được xác định qua các phương trình nhiệt động:
| Giai đoạn |
Phương trình phản ứng |
Loại phản ứng / Hiệu ứng nhiệt |
| Sấy khô |
$C_xH_vO_z \cdot nH_2O \rightarrow C_xH_vO_z + nH_2O$ |
Tách ẩm, phản ứng thu nhiệt ($< 0$) |
| Nhiệt phân |
$C_xH_vO_z \rightarrow C_aH_b + CO$ |
Phân hủy nhiệt ($< 0$) |
| Nhiệt phân |
$C_xH_vO_z \rightarrow C_nH_mO_p$ |
Phân hủy nhiệt ($< 0$) |
| Đốt cháy |
$2C + O_2 \rightarrow 2CO$ |
Oxy hóa một phần ($+110.700\text{ kJ/kmol}$) |
| Đốt cháy |
$C + O_2 \rightarrow CO_2$ |
Oxy hóa cacbon ($+283.000\text{ kJ/kmol}$) |
| Đốt cháy |
$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$ |
Oxy hóa hoàn toàn ($+393.790\text{ kJ/kmol}$) |
| Sinh khí (khử) |
$CO_2 + H_2O + 2C \rightarrow 3CO + H_2$ |
Phản ứng khử tạo khí tổng hợp |
Chương này cũng phân tích 9 thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khí hóa:
- Kích thước nhiên liệu: Hạt quá lớn gây khó truyền nhiệt vào tâm; hạt quá nhỏ làm tăng trở lực khí.
- Độ ẩm nhiên liệu: Độ ẩm cao tiêu hao nhiệt lượng của vùng cháy để sấy, làm giảm nhiệt độ lò và giảm chất lượng khí.
- Chủng loại và đặc tính nhiên liệu: Tỷ lệ chất bốc, hàm lượng tro và nhiệt trị quyết định động học phản ứng.
- Hệ số tỷ lệ không khí tương đương (ER): Tỷ lệ giữa lượng không khí cấp thực tế so với lượng không khí lý thuyết; ER tối ưu đảm bảo phản ứng khí hóa mà không chuyển thành cháy hoàn toàn.
- Giản đồ nhiệt độ trong lò: Quyết định tốc độ các phản ứng khử và phản ứng bẻ gãy hắc ín.
- Thành phần hóa học trong sinh khối: Tỷ lệ C, H, O quyết định tỷ lệ CO/H2 sinh ra.
- Tốc độ gia nhiệt: Gia nhiệt nhanh thúc đẩy giải phóng chất bốc, giảm hình thành than cốc.
- Môi chất truyền nhiệt: Sử dụng không khí, oxy tinh khiết hoặc hơi nước làm thay đổi nhiệt trị của syngas.
- Áp suất trong lò phản ứng: Ảnh hưởng đến cân bằng hóa học và vận tốc dòng khí.
Chương 3: Khảo sát thực nghiệm và đánh giá
Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết lập hệ thống thực nghiệm, quy trình vận hành và các phát hiện thực tế trên mô hình lò khí hóa tầng cố định kiểu thuận chiều.
Hệ thống thực nghiệm gồm các cụm bộ phận:
- Thân lò khí hóa hình trụ đứng chia thành các khoang nhiệt động (sấy, nhiệt phân, cháy, khử).
- Cửa nạp nhiên liệu phía trên có nắp đậy kín.
- Đường ống cấp không khí sơ cấp có van điều chỉnh lưu lượng.
- Quạt hút khí đặt ở phía sau nhằm tạo áp suất âm nhẹ trong lò, hỗ trợ hút dòng khí syngas đi xuống qua lớp than nóng.
- Khoang chứa tro và nắp đáy lò để thu gom xỉ than và hắc ín ngưng tụ.
- Cửa thoát khí syngas có bố trí đầu mồi lửa thử nghiệm.
Quy trình thực nghiệm được tiến hành theo các bước:
- Chuẩn bị nguyên liệu: Sử dụng viên nén sinh khối biomass từ mùn cưa/phế phẩm nông nghiệp (RDF) có kích thước đồng đều và độ ẩm thấp.
- Nạp liệu và mồi lửa: Nạp một lượng viên nén ban đầu vào buồng cháy qua cửa nạp liệu, đưa các viên nén đang cháy vào để tạo nhiệt ban đầu cho vùng đốt.
- Điều chỉnh van khí: Mở hoàn toàn van ống nạp chính và mở van đầu vào của quạt hút để duy trì dòng đối lưu cưỡng bức đi xuống.
- Bổ sung nhiên liệu: Đổ tiếp các viên nén sinh khối gần đầy nắp lò để tạo cột vật liệu cố định, đậy kín nắp nạp.
- Theo dõi phản ứng: Khi nhiệt độ vùng cháy tăng lên, nhiệt lượng truyền ngược lên trên để sấy khô và nhiệt phân lớp sinh khối phía trên; sản phẩm khí và than tiếp tục đi xuống vùng khử để tạo syngas.
Kết quả kiểm tra và đánh giá trong quá trình thực nghiệm:
- Xử lý hắc ín: Khi tháo nắp đáy lò sau các chu kỳ chạy máy, tác giả quan sát thấy một lượng đáng kể hắc ín (tar) màu đen, sánh dẻo bị ngưng tụ và đọng lại ở nắp đáy. Điều này khẳng định kết cấu dòng khí đi xuống đã bẻ gãy một phần hắc ín thành khí cháy, phần còn lại có nhiệt độ sôi cao đã ngưng tụ tách khỏi dòng khí tại đáy lò, chứng minh ưu thế giảm tar của lò thuận chiều so với lò ngược chiều.
- Phân bố nhiệt độ và hệ số cấp khí: Lưu lượng gió cấp vào tỷ lệ thuận với tốc độ tăng nhiệt độ tại vùng cháy; việc kiểm soát van hút cho phép điều chỉnh hệ số dư lượng không khí (ER) thích hợp để tránh hiện tượng cháy hoàn toàn (tạo toàn bộ CO2).
- Thử nghiệm đốt cháy khí syngas:
- Khi nhiệt độ buồng lò đạt khoảng 400°C: Khí syngas thoát ra ở cửa xả khi được mồi lửa đã bắt đầu bắt cháy, tuy nhiên ngọn lửa còn yếu, màu sắc chưa rõ nét và dễ tắt do nồng độ CO và H2 chưa cao, hàm lượng hơi nước còn lẫn trong khí.
- Khi nhiệt độ buồng lò nâng lên đạt 600°C: Quá trình nhiệt phân và các phản ứng khử cacbon diễn ra hoàn chỉnh hơn, lượng khí cháy CO và H2 tăng lên rõ rệt. Khí syngas bắt lửa nhanh, duy trì ngọn lửa cháy liên tục và ổn định tại đầu vòi xả mà không cần duy trì nguồn mồi.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể từ hệ thống thực nghiệm:
- Chế tạo và vận hành thành công mô hình hệ thống lò khí hóa sinh khối tầng cố định kiểu thuận chiều quy mô nhỏ sử dụng nhiên liệu viên nén mùn cưa (RDF).
- Xác lập quy trình khởi động và vận hành hệ thống thông qua kiểm soát van nạp khí và quạt hút, đảm bảo duy trì được bốn vùng nhiệt động học (sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy và sinh khí) trong lò.
- Đánh giá định tính thành công khả năng cháy của khí tổng hợp thu được: ở nhiệt độ lò 400°C, khí bắt đầu bắt lửa ngắt quãng; khi nhiệt độ đạt mức 600°C, ngọn lửa syngas cháy mạnh mẽ, liên tục và ổn định.
- Khảo sát sự hình thành và ghi nhận hiện tượng ngưng tụ hắc ín ở nắp đáy lò, chứng minh cơ chế bẻ gãy và tách hắc ín tự nhiên của cấu hình dòng khí thuận chiều.
Về giải pháp và kiến nghị, tác giả đề xuất:
- Khai thác nguồn dăm gỗ keo và mùn cưa ép viên quy mô công nghiệp tại các vùng duyên hải miền Trung, trung tâm Bắc Bộ và Tây Bắc để sản xuất syngas phục vụ các trạm phát điện phân tán công suất dưới 1 MW cho hộ gia đình và cơ sở chế biến nông lâm sản.
- Cần bổ sung cụm thiết bị lọc hắc ín, lọc bụi và làm mát khí trung gian trước khi cấp dòng khí syngas vào đường nạp của động cơ đốt trong nhằm bảo vệ piston và buồng cháy.
Đóng góp của đồ án:
- Hệ thống hóa bộ dữ liệu tiềm năng năng lượng từ phụ phẩm cây trồng (Bảng 1.1), tiềm năng gỗ (Bảng 1.2), và phụ phẩm nông nghiệp (Bảng 2.1) tại Việt Nam.
- Cung cấp mô hình thực nghiệm và các thông số vận hành ban đầu cho dạng lò khí hóa tầng cố định thuận chiều quy mô nhỏ, làm cơ sở thực tiễn cho các nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sang dùng nhiên liệu khí thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi và nội dung văn bản):
- Hệ thống thực nghiệm vận hành theo mẻ gián đoạn, quá trình nạp nhiên liệu và cào xỉ than đáy lò vẫn thực hiện thủ công, chưa được cơ khí hóa tự động liên tục.
- Đồ án chưa trang bị thiết bị phân tích sắc ký khí (Gas Chromatography) để đo đạc chính xác tỷ lệ phần trăm thể tích của từng thành phần khí đơn lẻ (CO, H2, CH4, CO2, N2) trong dòng syngas thu được theo thời gian thực.
- Chưa tiến hành kết nối trực tiếp dòng khí syngas vào động cơ đốt trong thực tế trên bệ thử để đo công suất phát điện và mức độ phát thải độc hại.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả xác định:
- Tiếp tục khảo sát định lượng ảnh hưởng của các tỷ lệ không khí tương đương (ER) khác nhau nhằm tìm ra dải thông số đầu vào cho tỷ lệ phần trăm khí cháy lớn nhất.
- Chế tạo hoàn thiện cụm hệ thống lọc tách hắc ín và làm mát khí sau lò hóa khí.
- Tiến tới kết nối và thử nghiệm vận hành trên động cơ đốt trong (động cơ xăng hoán cải hoặc động cơ diesel chạy nhiên liệu kép) dẫn động máy phát điện.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:
- Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng tái tạo đang làm đồ án, khóa luận về chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ đốt trong và công nghệ khí hóa sinh khối.
- Kỹ sư, kỹ thuật viên tại các cơ sở chế biến lâm sản, nhà máy xay xát lúa gạo có nhu cầu tận dụng trấu, mùn cưa, dăm gỗ để tự phát điện hoặc cung cấp nhiệt sấy quy mô vừa và nhỏ.
Các phần nội dung đáng tham khảo nhất trong tài liệu bao gồm:
- Toàn bộ cơ sở lý thuyết nhiệt động học 4 vùng và bảng tổng hợp phương trình phản ứng hóa khí ở Chương 2.
- Bản vẽ cấu tạo và nguyên lý điều khiển luồng khí trong lò khí hóa tầng cố định thuận chiều (Chương 2 và Chương 3).
- Phần tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm ghép nối syngas trên động cơ xăng và động cơ diesel (Chương 1).
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao đề tài lại lựa chọn lò khí hóa tầng cố định kiểu thuận chiều (downdraft) thay vì kiểu ngược chiều hay tầng sôi?
Theo phân tích của tác giả ở Chương 1 và Chương 2, lò ngược chiều tuy có hiệu suất nhiệt cao nhưng nhược điểm lớn là hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm rất lớn và ẩm, gây khó khăn cho việc làm sạch. Lò tầng sôi yêu cầu công suất nhiệt lớn (> 10 MW), kích thước hạt nhiên liệu phải rất nhỏ (0,5 - 3 mm) và hệ thống điều khiển phức tạp. Trong khi đó, lò thuận chiều ép dòng khí và chất bốc đi qua tầng than nóng đỏ, giúp nhiệt phân bẻ gãy phần lớn hắc ín thành khí cháy (CO, H2, CH4). Khí sinh ra sạch hơn, chi phí chế tạo thấp, rất phù hợp với quy mô thử nghiệm nhỏ (< 1 MW) nhằm định hướng cấp nhiên liệu trực tiếp cho động cơ đốt trong.
2. Tiềm năng sản xuất điện từ nguồn gỗ keo tại Việt Nam được tác giả tính toán cụ thể ra sao?
Trong Chương 1, tác giả dẫn chứng diện tích quy hoạch rừng trồng keo ở Việt Nam đến năm 2020 xét đến 2025 đạt gần 1 triệu hecta, tập trung chủ yếu ở duyên hải miền Trung (173.378 ha), trung tâm Bắc Bộ (164.440 ha) và Tây Bắc (145.645 ha). Dăm gỗ keo xuất khẩu (năm 2014 đạt 6,97 triệu tấn) có kích thước đồng đều 3 x 5 x 0,5 cm, là nguyên liệu tiêu chuẩn cho lò khí hóa thuận chiều. Tổng sản lượng gỗ keo tại Việt Nam có tiềm năng tương đương với 3,25 tỷ MWh điện năng nếu được chuyển hóa qua công nghệ khí hóa sinh khối.
3. Bốn giai đoạn biến đổi diễn ra trong lò khí hóa thuận chiều là gì và phương trình sinh khí chính được biểu diễn như thế nào?
Quá trình khí hóa diễn ra theo chiều từ trên xuống dưới qua 4 giai đoạn: Sấy khô (tách hơi nước ở nhiệt độ thấp); Nhiệt phân (phân hủy nhiệt không có oxy tạo than C, CO, H2, CO2, H2O và tạp chất); Đốt cháy (cung cấp oxy để đốt cháy một phần C và chất bốc, phản ứng tỏa nhiệt nâng nhiệt độ vùng cháy); Sinh khí/Khử (khí CO2 và H2O từ vùng cháy đi qua tầng than nóng đỏ tiếp tục phản ứng thu nhiệt để tạo thành khí cháy). Phương trình sinh khí tổng hợp ở giai đoạn khử là:
$$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + 2\text{C} \xrightarrow{t^\circ} 3\text{CO} + \text{H}_2$$
4. Khi sử dụng syngas cho động cơ đốt trong, đặc tính công tác và phát thải thay đổi như thế nào theo các nghiên cứu được trích dẫn?
Theo tổng quan ở Chương 1: Trên động cơ xăng, syngas có trị số octan cao giúp chống kích nổ tốt; khi dùng cơ cấu ống venturi hòa trộn (nghiên cứu của Ajay trên máy phát 5,5 kW), phát thải CO và NOx giảm trong khi CO2 tăng. Trên động cơ diesel chạy chế độ nhiên liệu kép (diesel/syngas), syngas hòa trộn với không khí nạp và được đốt cháy nhờ lượng mồi diesel tự cháy; việc tăng tỷ lệ H2 trong syngas giúp tăng tốc độ cháy và cải thiện hiệu suất nhiệt (nghiên cứu của TS. Bùi Văn Chinh, Bibhuti). Tuy nhiên, do phân tử H2 có thể tích riêng lớn, việc cấp syngas vào đường nạp sẽ chiếm chỗ của không khí, làm giảm hệ số nạp của động cơ (hệ số nạp giảm nhiều nhất khi tỷ lệ thể tích H2/CO đạt 50:50).
5. Hiện tượng cháy của khí syngas trong thực nghiệm tại hai mốc nhiệt độ 400°C và 600°C diễn ra như thế nào?
Trong phần khảo sát thực nghiệm tại Chương 3, khi nhiệt độ lò đạt 400°C, khí syngas tại đầu vòi xả khi mồi lửa đã bắt đầu bắt cháy nhưng ngọn lửa yếu và chưa ổn định do nồng độ khí cháy CO và H2 chưa cao. Khi nhiệt độ buồng lò đạt 600°C, các phản ứng nhiệt phân và phản ứng khử với than hoạt tính diễn ra hoàn chỉnh, khí syngas sinh ra ổn định, bắt lửa nhanh và duy trì ngọn lửa cháy liên tục, phát sáng rõ rệt tại đầu vòi xả mà không bị tắt.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Ngọc Thiện và Trần Xuân Toàn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về công nghệ khí hóa sinh khối, đồng thời chứng minh tiềm năng to lớn của phụ phẩm nông - lâm nghiệp Việt Nam trong sản xuất năng lượng tái tạo. Thông qua việc thiết kế, vận hành mô hình thực nghiệm lò khí hóa tầng cố định thuận chiều quy mô nhỏ với nhiên liệu viên nén mùn cưa, nhóm tác giả đã xác lập được quy trình vận hành và kiểm nghiệm thành công khả năng cháy ổn định của khí syngas ở nhiệt độ 600°C. Đây là công trình nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm có tính hệ thống cao, tạo tiền đề thực tiễn quan trọng cho hướng phát triển các trạm phát điện sinh khối quy mô phân tán và giải pháp ứng dụng nhiên liệu khí tổng hợp thay thế trên động cơ đốt trong tại Việt Nam.
