Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học trong luận án tiến sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

2. Mục tiêu nghiên cứu

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

3.2. Phạm vi nghiên cứu

4. Phương pháp nghiên cứu

5. Nội dung nghiên cứu

6. Những đóng góp mới của luận án

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối

1.1.1. Giới thiệu về sinh khối

1.1.2. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối

1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối

1.3. Tổng quan về nhiệt phân sinh khối

1.3.1. Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối

1.3.2. Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học

1.3.2.1. Lò tầng sôi tuần hoàn

1.3.2.2. So sánh và lựa chọn kiểu lò thực hiện nhiệt phân nhanh sinh khối

1.4. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh

1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối

1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học

1.4.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu lượng khí cấp nhiệt

1.4.4. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối

1.4.5. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt

1.4.6. Ảnh hưởng của môi chất truyền nhiệt

1.4.7. Ảnh hưởng của độ ẩm sinh khối

1.5. Thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh

1.6. Đặc tính các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh và phương pháp nhiệt phân có xúc tác

1.6.1. Dầu sinh học

1.6.2. Hỗn hợp khí không ngưng tụ

1.6.3. Nhiệt phân có chất xúc tác

1.7. Kết luận và định hướng nghiên cứu

2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH CHO BỘT GỖ, BÃ MÍA

2.1. Xác định trường nhiệt độ t(r,) trong sinh khối khi nhiệt phân nhanh

2.1.1. Phát biểu bài toán tìm t(r,)

2.1.2. Xác định phân bố (, Foq) và t(r, ) trong thể tích hạt sinh khối (V)

2.1.3. Xác định công thức tính thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R

2.1.4. Xác định nhiệt độ trên bề mặt vỏ hạt sinh khối sau khoảng thời gian nhiệt phân p cho trước

2.2. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và xác định kích cỡ hạt phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía

2.2.1. Mô phỏng trường nhiệt độ khi nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía

2.2.2. Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh

2.2.3. Xác định nhiệt độ bề mặt lớp vỏ sinh khối có bán kính R và nhiệt độ lớp biên phần sinh khối chưa phản ứng theo thời gian p

2.3. Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  trong lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh

2.4. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LÒ TẦNG SÔI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

3.1. Mô hình thực nghiệm

3.2. Xác định loại nguyên liệu và các thông số sử dụng cho việc mô phỏng, tính toán thiết kế

3.2.1. Phân tích lựa chọn loại nguyên liệu sinh khối cho tính toán thiết kế

3.2.2. Các thông số sử dụng mô phỏng khí động lực học và tính toán thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi

3.3. Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học

3.3.1. Sự hình thành lớp sôi

3.3.2. Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi

3.3.3. Mô tả mô hình

3.3.4. Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng

3.3.5. Kết quả mô phỏng và bình luận

3.4. Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học

3.4.1. Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân

3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng

3.4.3. Tính toán thiết kế xyclone thu hồi sản phẩm rắn

3.4.4. Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ

3.4.5. Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học năng suất 500 g/h

3.5. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

4.1. Dụng cụ, nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4.1.1. Các dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

4.1.2. Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

4.1.3. Các phương pháp phân tích xác định các thành phần của sinh khối và sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh

4.2. Mô tả quá trình vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản suất dầu sinh học

4.3. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, xác định giá trị thông số vận hành và đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm

4.3.1. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

4.3.2. Xác định các thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học

4.3.3. Đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm

4.4. Kết quả xác định thành phần hóa học, nguyên tố và phân tích nhiệt khối lượng TGA của bột gỗ và bã mía

4.4.1. Kết quả xác định thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của bột gỗ và bã mía

4.4.2. Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía

4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm một số yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh

4.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm

4.5.2. Ảnh hưởng của kích cỡ đến khối lượng các sản phẩm

4.5.3. Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng các sản phẩm

4.6. Đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của sản phẩm dầu sinh học

4.6.1. Đánh giá tính chất vật lý của sản phẩm dầu sinh học

4.6.2. Phân tích thành phần hóa học của dầu sinh học

4.7. Kết luận chương 4

5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH

5.1. Phương pháp nghiên cứu

5.2. Xác định mô hình động học và khối lượng các thành phần sản phẩm của quá trình nhiệt phân

5.3. Xác định hằng số tốc độ phản ứng của quá trình nhiệt phân nhanh

5.4. Kết quả nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi

5.4.1. Các điều kiện đơn trị

5.4.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng k1, k2, k3

5.4.3. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi

5.4.4. Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi

5.5. Kết luận chương 5

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC LUẬN ÁN

I. Tổng quan về nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

Luận án tập trung vào nhiệt phân biomass như một phương pháp hiệu quả để sản xuất nhiên liệu sinh học. Biomass được xem là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt. Quá trình nhiệt phân được phân loại thành nhiệt phân chậm, trung bình và nhanh, trong đó nhiệt phân nhanh được ưu tiên do hiệu suất thu hồi dầu sinh học cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm nhiệt độ, thời gian lưu, kích cỡ hạt và độ ẩm của biomass.

1.1. Sinh khối và ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu

Sinh khối là nguồn nguyên liệu chính cho quá trình nhiệt phân, bao gồm các phế phẩm nông nghiệp như bã mía, bột gỗ, rơm rạ. Việc sử dụng sinh khối không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nhiên liệu sinh học có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch. Các sản phẩm từ quá trình nhiệt phân bao gồm dầu sinh học, khí và chất rắn, trong đó dầu sinh học là sản phẩm chính được ứng dụng trong ngành giao thông và sản xuất điện.

1.2. Công nghệ nhiệt phân nhanh

Công nghệ nhiệt phân nhanh sử dụng lò tầng sôi tuần hoàn để đạt hiệu suất cao. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ (thường từ 400-600°C), thời gian lưu ngắn (dưới 2 giây) và kích cỡ hạt nhỏ (dưới 2 mm). Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học và chất lượng sản phẩm.

II. Nghiên cứu mô hình toán và thực nghiệm nhiệt phân nhanh

Luận án xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình nhiệt phân nhanh của bột gỗ và bã mía. Mô hình này giúp xác định kích cỡ hạt tối ưu và phân bố nhiệt độ trong quá trình nhiệt phân. Kết quả mô phỏng cho thấy kích cỡ hạt nhỏ hơn 1 mm là phù hợp để đạt hiệu suất cao. Ngoài ra, hệ số trao đổi nhiệt phức hợp trong lò tầng sôi cũng được khảo sát để tối ưu hóa thời gian phản ứng.

2.1. Mô hình toán quá trình nhiệt phân

Mô hình toán được xây dựng dựa trên phương trình vi phân dẫn nhiệt, giúp xác định phân bố nhiệt độ trong hạt sinh khối. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt hạt tăng nhanh trong khoảng thời gian đầu, sau đó ổn định khi đạt đến nhiệt độ phản ứng. Điều này giúp tối ưu hóa thời gian nhiệt phân và nâng cao hiệu suất thu hồi dầu sinh học.

2.2. Thực nghiệm nhiệt phân trong lò tầng sôi

Thực nghiệm được tiến hành trên hệ thống lò tầng sôi với năng suất 500 g/h. Kết quả cho thấy nhiệt độ phản ứng từ 450-500°C là tối ưu để thu hồi dầu sinh học. Các yếu tố như kích cỡ hạt, lưu lượng khí nitơ và tốc độ gia nhiệt cũng được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình.

III. Đánh giá sản phẩm và ứng dụng nhiên liệu sinh học

Sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh được phân tích để đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học. Dầu sinh học thu được có hàm lượng năng lượng cao và có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế. Các sản phẩm phụ như khí và chất rắn cũng được tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân hoặc làm than hoạt tính.

3.1. Tính chất vật lý và hóa học của dầu sinh học

Dầu sinh học được phân tích bằng phương pháp sắc ký khối phổ (GC/MS) để xác định thành phần hóa học. Kết quả cho thấy dầu sinh học chứa các hợp chất hữu cơ như phenol, furan và hydrocarbon, có giá trị năng lượng tương đương với dầu khoáng. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của dầu sinh học trong các ngành công nghiệp.

3.2. Ứng dụng thực tế của nhiên liệu sinh học

Dầu sinh học có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Ngoài ra, sau khi tinh chế, dầu sinh học còn được ứng dụng trong ngành hóa chất và dược phẩm. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ nhiệt phân nhanh sẽ góp phần thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass để sản xuất nhiên liệu sinh học