Nghiên cứu công nghệ và thực nghiệm trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu cho tổ máy phát điện 5.5kW

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ trấu hóa khí, cung cấp nhiên liệu cho tổ máy phát điện 5.5kW, tối ưu hóa các thông số công nghệ.

• Tác giả: Phạm Trần Phúc Thịnh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Trung Thành
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Trấu Hóa Khí Cho Tổ Máy Phát Điện 5.5kW
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ trấu hóa khí

Công nghệ trấu hóa khí là một phương pháp tiên tiến nhằm chuyển đổi trấu thành nhiên liệu khí, có khả năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển mô hình thiết bị trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu cho tổ máy phát điện 5.5kW. Thông qua việc tìm hiểu các thông số kỹ thuật và chế độ làm việc của hệ thống, nghiên cứu này hướng đến việc tối ưu hóa hiệu suất phát điện và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo tác giả, “Việc áp dụng công nghệ trấu hóa khí không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp mà còn góp phần vào việc phát triển năng lượng tái tạo bền vững.”

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ khí hóa

Công nghệ khí hóa đã có một lịch sử dài với nhiều ứng dụng trong sản xuất năng lượng. Từ những năm 1800, khí hóa đã được sử dụng để chuyển đổi than thành khí, phục vụ cho nhu cầu năng lượng. Trong bối cảnh hiện đại, công nghệ khí hóa đang được cải tiến để áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu sinh khối, trong đó có trấu. Việc phát triển công nghệ này không chỉ giúp tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm do việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Theo nghiên cứu, “Khí hóa trấu sẽ mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo, góp phần vào bảo vệ môi trường.”

II. Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị

Mô hình thiết bị đốt trấu hóa khí được thiết kế với mục tiêu tối ưu hóa quá trình chuyển đổi trấu thành khí. Trong nghiên cứu này, tác giả đã tính toán và thiết kế lò phản ứng phù hợp với tổ máy phát điện 5.5kW. Việc chế tạo mô hình được thực hiện dựa trên các thông số kỹ thuật đã được xác định từ nghiên cứu trước đó. Theo đó, “Các thông số như vận tốc khí qua bề mặt lớp nguyên liệu, khối lượng thể tích và độ ẩm nguyên liệu là những yếu tố quyết định đến hiệu suất của quá trình khí hóa.” Mô hình này không chỉ giúp kiểm tra tính khả thi của công nghệ mà còn cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.

2.1. Tính toán thiết kế lò phản ứng

Tính toán thiết kế lò phản ứng là bước quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất của hệ thống trấu hóa khí. Các thông số như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Theo kết quả nghiên cứu, “Lò phản ứng được thiết kế với các thông số tối ưu như vận tốc khí từ 4 đến 8 cm/s, khối lượng thể tích trấu từ 92,31 đến 111,41 kg/m3 và độ ẩm từ 4 đến 16%.” Điều này cho thấy sự quan trọng của việc tính toán chính xác để đảm bảo hiệu quả hoạt động của tổ máy phát điện.

III. Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình trấu hóa khí có khả năng thay thế 60-70% dầu Diesel trong tổ máy phát điện 5.5kW. Qua các thí nghiệm, các thông số như vận tốc khí, khối lượng thể tích và độ ẩm nguyên liệu đã được xác định ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất khí hóa. Tác giả nhấn mạnh, “Việc tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất phát điện mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.” Kết quả này mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn của công nghệ trấu hóa khí trong sản xuất điện năng.

3.1. Phân tích hiệu suất phát điện

Phân tích hiệu suất phát điện là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Qua các thí nghiệm, hiệu suất phát điện đạt được từ mô hình trấu hóa khí cho thấy khả năng cung cấp năng lượng ổn định. Theo đó, “Hiệu suất phát điện có thể đạt đến mức tối đa khi các thông số như vận tốc khí và độ ẩm được điều chỉnh hợp lý.” Kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của công nghệ mà còn khẳng định tiềm năng ứng dụng của nó trong tương lai.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về công nghệ trấu hóa khí cho tổ máy phát điện 5.5kW đã chỉ ra rằng công nghệ này có khả năng thay thế một phần lớn nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các kết quả thực nghiệm đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình khí hóa, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển năng lượng tái tạo. Tác giả đề xuất, “Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này để mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong sản xuất điện năng từ nguồn nguyên liệu tái tạo.”

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình trấu hóa khí và mở rộng ứng dụng cho các loại nguyên liệu sinh khối khác. Việc nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện vận hành sẽ giúp nâng cao hiệu suất và tính khả thi của công nghệ này trong thực tiễn. Theo tác giả, “Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn năng lượng bền vững cho tương lai.”

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện đại hóa và công nghiệp hóa đã kéo theo sự ô nhiễm môi trường toàn cầu do vậy vấn đề về môi trường sống của con người đang được cả thế giới quan tâm. Vấn đề gây biến đổi khí hậu có nhiều thủ phạm, tuy nhiên thủ phạm chính gây biên đổi khí hậu được cả thế giới chỉ ra là việc sử dụng đốt các nhiên liệu hóa thạch. Khi nhiên liệu hóa thạch được đốt, Carbon từ nhiên liệu sẽ phản ứng với Oxy trong không khí để sinh ra khí Carbonic làm tăng lượng khí Carbonic trong khí quyển góp phần tới 50% tác nhân hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu toàn cầu. Phát thải khí từ việc đốt than dầu Phát thải khí từ viẹc đốt DO, FO trong các đồng trong sản xuất nhà máy phát điện nông nghiệp Biểu tượng khí CO2 vào khí quyển trái đất hàng ngày Hình 1.

Nguồn phát thải khí CO2 vào khí quyển GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 2 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh Bảng 1. Nguồn gây phác thải CO2 vào môi trường sống. Nguồn Trung bình Dao động Đốt nhiên liệu hóa thạch 21 14 – 28 Đốt cháy sinh khối 5,1 3,6 – 6,7 Từ các quá trình trong đất 8 4 – 16 Sấm sét 8 2 -20 Oxy hóa NH3 trong khí quyển - Từ tầng bình lưu 0,5 - Từ các máy bay 0,25 Tổng số 50 20 - 90 Trong môi trường sống cân bằng thì khi nguyên liệu sinh khối bị cháy, CO2 được giải phóng vào khí quyển và sẽ được cây trồng hấp thụ trong quá trình quang hợp, giữ cho hàm lượng CO2 trong khí quyển được ổn định.Vấn đề này chỉ còn là khái niệm của đời sống của thế kỷ trước. Sự chuyển hóa CO2 trong tự nhiên khi cây rừng trên trái đất còn nhiều Một trong những cách hạn chế hàm lượng CO2 trong khí quyển là sử dụng nguyên liệu sinh khối (gỗ, phần còn lại của cây trồng, rác thải rắn, rác thải động vật, rác cống và rác từ thức ăn…) dưới dạng sinh hóa (Biogas) hoặc khí hóa (gasification) hai quá trình này đều tạo ra các loại khí cháy (Hydro và Mono Carbon, CH4…) Trong những năm gần đây, thế giới quan tâm đến nguồn năng lượng tái tạo và công nghệ tạo nguồn năng lượng từ nguyên liệu sinh khối nhằm thế nguồn năng lượng hóa thạch GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 3 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh đang ngày một cạn kiệt vừa làm giảm tác động đến xấu đến môi trường.

Ngoài ra việc sử dụng năng lượng sinh khối còn góp phần hướng đến tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng từ quá trình sản xuất trong nông nghiệp, lâm nghiệm và chế biến thực phẩm. Công nghệ hóa khí nguyên liệu sinh khối là một trong những kỹ thuật được các nhà khoa học của thế giới quan tâm trong đó có các nhà nghiên cứu về năng lượng của Trường Đại học Công nghiệp TP HCM và Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh cùng các học viên cao học tập làm nghiên cứu. Giới hạn đề tài Tác giả tập trung vào công việc khảo nghiệm lò phản ứng trấu khí hóa để cung cấp nhiên liệu vận hành cho động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu kép gồm khí hóa và dầu Diesel dùng để kéo tổ máy phát điện quy mô nhỏ, công suất 5,5kW trong đó nhiên liệu khí hóa có thể thay thế được 60 - 70% dầu Diesel [16]. Từ kết quả trên mô hình này sẽ góp phần cho việc thiết kế và xây dựng chế độ vận hành cho buồng phản ứng khí hóa của đề tài quốc gia KC05.

Đề tài được thực hiện kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để tìm ra chế độ vận hành hợp lý cho quá trình khí hóa trấu nhằm cung cấp được nhiên liệu khí có thành phần cháy cao nhất, ổn định nhất để đảm bảo khả năng thay thế nhiên liệu Diesel phạm vi 60 - 70% [3]. Do tính phức tạp và khối lượng công việc rất lớn, nên các nội dung khác liên quan đến phần lọc khí, bộ hòa trộn khí và dầu Diesel, …; tác giả kế thừa thiết bị và các kết quả nghiên của các tác giả trong và ngoài nước để phục vụ cho nội dung nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu 1. Có kiến thức về công nghệ đốt trấu khí hóa ứng dụng làm nhiên liệu cung cấp cho động cơ phát điện.

Xác định và xây dựng được các thông số của chế độ trấu hóa khí ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khí hóa để đảm bảo cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong để kéo tổ máy phát điện và có khả năng thay thế được 60 - 70 % nhiên liệu dầu Diesel.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 4 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh 1. Nội dung nghiên cứu 1. Tìm hiểu công nghệ khí hóa và nguyên liệu sinh khối theo hướng nghiên cứu ứng dụng được cho thực tiễn ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Thực hiện thực nghiệm trên mô hình đã chế tạo để xây dựng và xác định các thông số công nghệ hợp lý ảnh hưởng đến các phụ tải điện và khả năng thay thế 60-70 % nhiên liệu Diesel của tổ máy phát điện.

Tính toán thiết kế và cải thiện lò phản ứng đốt trấu hóa khí để cung cấp nhiên liệu khí cho tổ hợp động cơ Diesel kéo tổ máy phát điện công suất 5,5kW với khả năng thay thế dầu Diesel từ 60-70%. Chế tạo mô hình đốt trấu hóa khí theo thiết kế của đề tài đã đặt ra trong mục tiêu nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Vấn đề ô nhiễm môi trường gây ra từ việc đốt trấu cháy trực tiếp thải khí vào môi trường và việc sử dụng trấu thải từ các nhà máy xay xát để cung cấp năng lượng trở lại cho nhà máy xay xát đang là vấn đề thời sự đang được cả thế giới quan tâm trong đó có ngành năng lượng của Việt Nam. Tình trạng thiếu điện trong mùa khô là vấn đề nan giải của ngành điện lực Việt Nam trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng suy giảm thì việc khuyến khích các đơn vị đầu tư cho các dây chuyền tự cung tự cấp điện cũng đang được xúc tiến mạnh ở Việt Nam nói chung và đăc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng.

Nội dung cơ bản của đề tài này là nghiên cứu công nghệ khí hóa trấu để cung cấp nhiên liệu khí sử dụng tổ hợp động cơ diesel chạy máy phát điện sử dụng ở quy mô nhỏ, làm nền tảng cho việc tính toán thiết kế và phát triển tổ máy phát điện sử dụng nguyên liệu trấu khí hóa có quy mô lớn sử dụng nguồn nguyên liệu trấu có sẵn ở các nhà máy xay xát lúa khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Như vậy, sự thành công của đề tài này sẽ góp một phần nhỏ cho việc phát triển bền vững việc sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo được có nhiều tiềm năng ở nước ta, đặc biệt là trấu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, nhằm đảm bảo vấn đề môi trường, nâng cao đời sống người dân khu vực nông thôn và phát triển nền kinh tế nông nghiệp.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 5 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh 1. Cơ sở thực hiện đề tài nghiên cứu Đề tài mà tác giả thực hiện được dựa trên mô hình bếp đun trấu khí hóa của Trung tâm tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ máy công nghiệp, nay khi chuyển qua nghiên cứu làm buồng đốt cấp nhiên liệu khí cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép trở nên không phù hợp. Mô tả mô hình bếp đun trấu khí hóa và các tồn tại Hình 1.

Mô hình bếp đun trấu khí hóa GVHD: TS.Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 6 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh Đây là loại cổ điển và đơn giản nhất. Tác nhân hóa khí được đưa vào buồng hoá khí từ phía trên bên hông của thiết bị và đi cùng chiều với dòng nguyên liệu nạp vào trong lò. Các hạt nguyên liệu cháy ở phần trên ghi buồng đốt. Gas được đưa ra ngoài ở vị trí trên buồng đốt, như vậy nguyên liệu và dòng gas hình thành từ quá trình cháy không hoàn toàn sẽ di chuyển cùng hướng.

Vì vậy, thiết bị hóa khí làm việc theo nguyên lý này còn gọi là thiết bị hóa khí kiểu cùng chiều. Tro hình thành từ quá trình cháy sẽ được lấy ra ngoài từ đáy của buồng đốt hóa khí. Ưu điểm của thiết bị khí hóa này là kết cấu và vận hành đơn giản, sản phẩm khí có nhiệt độ thấp do trao đổi nhiệt với nguyên liệu, và có khả năng thay đối tải. Nhược điểm - Nhược điểm lớn nhất của loại thiết bị này là hàm lượng hắc ín (tar) cao do sản phẩm khí nhiệt phân không được đốt cháy.

- Vị trí quạt cấp tác nhân hóa khí phân bố không đồng đều, dòng khí đi vào buồng đốt chủ yếu tạp trung tại tâm buồng. - Buồng đốt không được bọc cách nhiệt tốt. - Hiệu suất khí hóa cũng giảm do sản phẩm khí có nhiệt độ cao lấy ra ở vùng hoàn nguyên - Khí hóa sinh ra chứa nhiều bụi. - Do mục đích mô hình là nhằm tạo ra khí hóa sử dụng đốt trực tiếp trong sinh họạt nấu nướng hàng ngày, nên mô hình chưa tính phương án làm giảm lượng tro bụi cuốn theo dòng khí hóa ra khỏi lò.

- Thiết bị khí hóa này phù hợp cho việc sử dụng sản phẩm khí để cấp nhiệt trực tiếp trong đó hắc tín có thể được đốt cháy một cách đơn giản, khí hóa tạo ra không phù hợp để cung cấp cho tổ máy động cơ đốt trong chạy kéo máy phát điện. Nếu ứng dụng để chạy động cơ thì cần có thêm thiết bị khử bụi và hắc ín, sao cho sản phẩm khí có hàm lượng hắc ín thấp (<100 mg/Nm 3).Bùi Trung Thành - TS.Nguyễn Văn Tuyên Luận văn Thạc sĩ Trang 7 HVTH: Phạm Trần Phúc Thịnh Chương 2 TỒNG QUAN VỀ KHÍ HÓA 2. Lịch sử phát triển của kỹ thuật hóa khí Hóa khí là một quá trình nhiệt động cơ bản mà ở đó các chất oxi hóa (không khí, không khí giàu oxy, oxy, hơi nước hoặc hydro) phản ứng với nguyên liệu ở nhiệt độ cao chuyển đổi nhiên liệu sinh học thành gas. Kết quả của sự hóa khí là gas được tạo ra có chứa CO, H2, CH4 và một vài loại khí trơ khác.

Tùy theo nhu cầu và ứng dụng sản phẩm hóa khí trong lĩnh vực nào thì yêu cầu về chất lượng và thành phần khí hóa cũng như độ phức tạp trong dây chuyền hóa khí khác nhau.