CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và các khái niệm.3 Công nghệ hóa khí .2 Tổng quan về hệ thống hóa khí sinh khối .1 Một số hệ thống hóa khí sinh khối ở Việt Nam.2 Một số hệ thống hóa khí sinh khối của thế giới .3 Tổng quan về thông số công nghệ của hệ thống hóa khí .1 Cấu tạo hệ thống hóa khí .2 Ẩm độ nhiên liệu .3 Kích thước nhiên liệu .4 Nhiệt độ hệ thống .5 Hệ số không khí cấp ER .4 Than sinh học.1 Đặc tính của than sinh học.2 Phương pháp sản xuất than sinh học .3 Lợi ích của than sinh học trong nông nghiệp .5 Mô hình mô phỏng quá trình hóa khí .1 Mô hình động lực học lưu chất tính toán .2 Mô hình động học .3 Mô hình cân bằng nhiệt động lực học .6 Cơ sở lựa chọn hướng nghiên cứu. 35 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN .1 Đối tượng nghiên cứu .2 Phương pháp xác định các thông số lý hóa của trấu.1 Xác định khối lượng thể tích của trấu .3 Phân tích xác định các thành phần .4 Phân tích xác định các nguyên tố C, H, O , N và S .5 Xác định nhiệt trị của trấu .6 Xác định nhiệt trị của khí tổng hợp .3 Phương pháp xây dựng mô hình toán hóa khí trấu .4 Phương pháp giải hệ phương trình của mô hình toán .1 Phương pháp giải hệ phương trình theo Newton - Raphson .2 Ngôn ngữ lập trình giải hệ phương trình theo Newton - Raphson .3 Cấu trúc mã nguồn bằng ngôn ngữ lập trình Python .5 Phương pháp điều khiển thông số công nghệ và thu thập số liệu .1 Điều khiển lưu lượng không khí cấp .2 Điều khiển nhiệt độ vùng khử T2 .3 Thu thập số liệu thành phần khí .4 Phân tích và so sánh hai tổ hợp số liệu .6 Phương tiện nghiên cứu. 49 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .1 Kết quả xác định các thông số lý hóa của trấu IR 50404.2 Xây dựng và giải mô hình toán hóa khí trấu. 53 Mô hình hóa khí trấu.
53 Xây dựng mô hình toán hóa khí trấu. 55 xi Giải mô hình toán hóa khí trấu .3 Kết quả thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu .1 Kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu .2 Thực nghiệm ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm hóa khí .4 Kết quả kiểm chứng mô hình toán và xây dựng phương trình hồi quy .1 Kiểm chứng mô hình toán .2 Xây dựng các phương trình hồi quy.5 Kết quả thực nghiệm xác định chế độ hóa khí trấu phù hợp.1 Phát biểu bài toán hộp đen.2 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm bậc hai và lập ma trận thực nghiệm .3 Kết quả thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm .4 Xác định các thông số và chỉ tiêu phù hợp .6 Kết quả đánh giá sơ bộ chất lượng than sinh học .1 Tiêu chí đánh giá chất lượng than sinh học .2 Kết quả đánh giá than sinh học ở tiêu chí diện tích bề mặt riêng .3 Kết quả thí nghiệm tác động của than sinh học đến với cây trồng. 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ.
124 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 175 xii CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ̅̅̅̅̅ ∆GT0 Hàm Gibbs tiêu chuẩn kJ/kmol Hf0 Nhiệt hình thành kJ/kmol ∆H Biến thiên Enthalpy kJ/kmol ∆T Biến thiên nhiệt độ K a Số nguyên tử hydro của trấu b Số nguyên tử oxy của trấu CmHn Hydrocarbon CP Nhiệt dung riêng kJ/kmol K D Đường kính buồng phản ứng mm dH Nhiệt lượng kJ/kmol ER Hệ số không khí cấp Gtr Lượng trấu tiêu thụ trong 1 giờ kg/h Gtro Lượng tro tạo thành trong 1 giờ kg/h H Chiều cao buồng phản ứng mm HHV Nhiệt trị cao MJ/kg K1 Hệ số cân bằng phản ứng tạo khí CH4 K2 Hệ số cân bằng phản ứng chuyển nước LHV Nhiệt trị thấp MJ/Nm3 LHVCH4 Nhiệt trị của khí Methane MJ/Nm3 LHVCO Nhiệt trị của khí Carbon monoxide MJ/Nm3 LHVH2 Nhiệt trị của khí Hydrogen MJ/Nm3 LHVsyngas Nhiệt trị của khí tổng hợp MJ/Nm3 LHVtr Nhiệt trị của trấu MJ/kg m Số mol của oxy mol m1 Khối lượng lon kg m2 Khối lượng trấu và lon kg mc Khối lượng lọ kg mf Khối lượng cuối cùng gồm trấu khô và lọ kg Mg Lưu lượng khí sinh ra trong 1 giờ m3/h xiii Mgi Lưu lượng khí đi vào cyclone m3/h mi Khối lượng ban đầu gồm trấu và lọ kg Mlt Lưu lượng không khí lý thuyết m3/h mlt Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu. m3/kg Mq Lưu lượng không khí cấp m3/h Mtt Lưu lượng không khí thực m3/h n1 Số mol của C mol n2 Số mol của H2 mol n3 Số mol của CO mol n4 Số mol của CO2 mol n5 Số mol của H2O mol n6 Số mol của CH4 mol Nv Năng suất cấp trấu của vít tải kg/h P Công suất hệ thống hóa khí kW q Số mol của nước trong không khí mol Q Nhiệt lượng cần thiết cho hệ thống hóa khí MJ/h R Hằng số khí lý tưởng (R= 8,314) kJ/kmol K T Nhiệt độ vùng phản ứng K T1 Nhiệt độ môi trường K T2 Nhiệt độ vùng khử K v0 Thể tích lon chứa trấu m3 vs Vận tốc khí qua lớp trấu m/s Vth Thể tích thùng chứa trấu m3 Vvt Thể tích cấp trấu của vít tải m3/h W Ẩm độ của trấu % w Số mol của nước trong trấu mol Z Tốc độ cháy m/h ρkk Khối lượng riêng không khí kg/m3 ρtr Khối lượng thể tích của trấu kg/m3 η Hiệu suất hệ thống khí hóa % xiv CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Ý nghĩa ASTM American Society for Testing and Materials Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ ĐBSCL Đồng bằng Sông Cửu Long ĐHNL Tp.HCM Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IRRI The International Rice Research Institute Viện nghiên cứu lúa quốc tế RMSE Root Mean Square Error Độ lệch chuẩn của phần dư SPIN Sustainable Product Innovation Đổi mới sản phẩm bền vững Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh xv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo của hạt lúa .2 Sản lượng lúa và trấu của cả nước giai đoạn 2015-2020 [19].3 Bốn giai đoạn quá trình hóa khí [11].4 Phân loại hệ thống hóa khí theo tầng [37] .5 Bếp hóa khí quy mô nông hộ .6 Hệ thống hóa khí phát điện 1,8 kW.7 Hệ thống khí tầng sôi [39] .8 Hệ thống hóa khí trấu 3 - 6 kW [40] .9 Mô hình hệ thống hóa khí trấu nung gốm ở Đồng Tháp .10 Hệ thống hóa khí trấu kết hợp động cơ diesel 150 kW [41].11 Bếp hóa khí ở Philippines [28].12 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu kiểu tầng sôi .13 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu trong máy sấy tầng sôi .14 Thiết bị hóa khí dăm gỗ [43].15 Thiết bị hóa khí thân cây bắp [44] .16 Thiết bị hóa khí dăm gỗ kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [45] .17 Thiết bị hóa khí viên gỗ nén kiểu buồng phản ứng có cổ thắt [47] .18 Than sinh học [70] .19 Đặc tính TSH thay đổi theo nhiệt độ quá trình nhiệt phân [71] .20 Các doanh nghiệp sản xuất than sinh học [32] .21 Số doanh nghiệp sử dụng phương pháp sản xuất than sinh học [32].22 Công nghệ chuyển đổi hóa nhiệt của sinh khối [72] .23 Phương pháp sản xuất và ứng dụng than sinh học [31] .24 Lượng than sinh học thu được ứng với nhiệt độ [73] .1 Sơ đồ hệ thống hóa khí trấu dùng trong nghiên cứu .2 Nghiệm của hệ phương trình theo Newton - Raphson .3 Ý tưởng của thuật toán Newton-Raphson .4 Lưu đồ thuật toán của phương pháp Newton Raphson .5 Cấu trúc mã nguồn (sourcecode structure) .6 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển lượng không khí cấp .7 Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường và điều khiển nhiệt độ T2 .8 Biểu diễn vị trí đo các thành phần khí .9 Thiết bị thí nghiệm 1 .10 Thiết bị thí nghiệm 2 .11 Thiết bị phân tích khí trực tiếp GABOARD 3100P .1 Thực nghiệm xác định thông số lý hóa của trấu tại Việt Nam .2 Thực nghiệm xác định thông số lý hóa của trấu tại Đài Loan .3 Mô hình buồng phản ứng của hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống .4 Hộp đen mô tả quá trình hóa khí trấu .5 Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình theo phương pháp Newton Raphson .6 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,2 .7 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,25 .8 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,3 .9 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,35 .10 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC và ER = 0,4 .11 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 750oC .12 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 750oC .13 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 800oC .14 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 800oC .15 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 850oC .16 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 850oC .17 Thành phần khí tổng hợp khi T2 = 900oC .18 Thành phần than sinh học và nhiệt trị khi T2 = 900oC .19 So sánh thành phần các khí .20 Phân bố năng lượng của hệ thống hóa khí trấu [106] .21 So sánh lượng than sinh học và khí tổng hợp .22 So sánh nhiệt trị nhiên liệu và nhiệt trị khí tổng hợp .23 So sánh nhiệt trị của khí tổng hợp dùng thay thế nhiên liệu diesel .24 Biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ với than sinh học và khí tổng hợp .25 So sánh phần trăm và nhiệt trị khí tổng hợp .26 Hệ thống hóa khí trấu đã thiết kế .27 Hệ thống hóa khí trấu dùng trong thực nghiệm .28 Hệ thống hóa khí trấu và thiết bị đo .29 Kiểm tra lưu lượng không khí cấp bằng Testo 400.30 Lượng không khí cấp đo bằng Testo 400 .31 Thành phần khí tổng hợp được phân tích bằng Gasboard 3100P .32 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 750oC .33 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 750oC .34 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 800oC .35 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 800oC .36 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 850oC .37 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 850oC .38 Thành phần các khí tổng hợp khi T2 = 900oC .39 Nhiệt trị và lượng than sinh học khi T2 = 900oC .40 Nhiệt trị của khí tổng hợp .