Đặt vấn đề Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế nông nghiệp phát triển, sản lượng phụ phẩm dư thừa từ quá trình nông nghiệp rất dồi dào. Các phụ phẩm nông nghiệp bao gồm: trấu, rơm rạ,… là những loại nguyên liệu sinh khối rất phong phú và có trữ lượng lớn. Tổng sản lượng phế thải sinh khối từ nông nghiệp hằng năm ở nước ta có thể đạt trên 12 ÷ 15 triệu tấn [1]. Riêng vỏ trấu thải từ các nhà máy xay xát có thể được tìm thấy ở khắp các làng quê đặc biệt ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (Tiền Giang, Cần Thơ, Hậu Giang, An Giang,…).
Theo thống kê, nếu tính riêng cho khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, hàng năm đã thải ra trên 8 triệu tấn các loại phụ phẩm nông nghiệp, riêng sản lượng trấu trong khu vực gần 6 triệu tấn [1]. Việc sử dụng các phụ phẩm này phần lớn vẫn theo cách truyền thống, một số được ép thành dạng thanh củi, một số khác có thể áp dụng công nghệ hóa khí để tạo ra nhiều ứng dụng rộng rãi hơn. Công nghệ hóa khí từ phụ phẩm nông nghiệp và ứng dụng chúng để phục vụ cho đời sống, sản xuất công nghiệp có từ thế kỷ 17. Kỹ thuật hóa khí này giảm dần và ngừng ngay sau Chiến Tranh Thế Giới II, do nhiên liệu lỏng từ nguồn dầu mỏ được sử dụng phổ biến.
Tuy nhiên kể từ khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ của thế giới năm 1970, công nghệ hóa khí từ phụ phẩm nông nghiệp lại được phục hồi và phát triển mạnh mẽ, từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch, kỹ thuật hóa khí trở nên hiện đại hơn, phục vụ được nhiều nhu cầu đời sống dân sinh, phục vụ sản xuất công nghiệp dưới nhiều dạng năng lượng phức tạp hơn. Ưu điểm của kỹ thuật này là cho phép chuyển đổi năng lượng để sử dụng tiết kiệm. Lò khí hóa cho phép biến đổi năng lượng sinh khối dạng rắn thành nhiên liệu dạng khí. Một lò khí hoá đơn giản bao gồm một ống hình trụ chứa những mảnh nhiên liệu nhỏ, có đường không khí vào, đường sản phẩm khí ra và một ghi lò.
Ghi có thể làm bằng gạch chịu lửa, thép hoặc bê tông. Thiết kế của một lò hóa khí phụ GVHD: TS. Bùi Trung Thành - TS. Nguyễn Văn Tuyên Luận văn thạc sĩ Trang 2 HVTH: Nguyễn Hoàng Khôi thuộc vào đối tượng sử dụng hoặc là lò hóa khí di động hoặc là lò hoá khí đứng yên.
Thành phần chính của dây chuyền thiết bị hóa khí gồm: lò hóa khí, thiết bị làm mát khí; thiết bị lọc, làm sạch khí và các tải sử dụng nhiên liệu khí. Khí sinh khối được hình thành bằng cách cho đốt cháy nhiên liệu sinh khối trong buồng đốt dưới dạng cấp thiếu khí (điều chỉnh lưu lượng dòng không khí vào bộ khí hóa) để chuyển đổi nguyên liệu rắn thành trạng thái nhiên liệu khí có thể cháy được. Sản phẩm ra khỏi thiết bị hóa khí là hỗn hợp khí (Syngas) bao gồm CO, H2, CH4, CO2 và một số khí trơ khác kèm theo các hợp chất hydrocarbon gây ô nhiễm, muội than, tro,… Đối với ứng dụng sản phẩm khí làm nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong thì yêu cầu khí này phải được làm mát, lọc sạch nghiêm ngặt các tạp chất cơ học gây hại cho động cơ bao gồm: muội than, tro, hắc ín – keo nhựa. Bụi, hắc ín, keo là các thành phần gây sự cố hỏng hóc buồng đốt động cơ khi làm việc, gây ảnh hưởng đến các chi tiết bên trong động cơ, đồng thời cũng là thành phần tăng ô nhiễm trong khói xả ảnh hưởng tới môi trường sống của con người.
Do vậy để sản phẩm khí hóa có thể làm nhiên liệu cho động cơ nổ yêu cầu cần phải loại bỏ các thành phần tạp chất. Ngoài việc loại bỏ bụi bẩn, tạp chất thì sản phẩm khí còn phải được hạ nhiệt, làm mát từ nhiệt độ 700 - 750oC [26], đến nhiệt độ thích hợp vào động cơ yêu cầu ≤ 400C. Như vậy cần phải có thiết bị bố trí sau lò hóa khí để thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản bao gồm vừa loại đi các tạp chất trong sản phẩm khí vừa phải thực hiện làm mát hỗn hợp khí đến nhiệt độ yêu cầu. Việc lọc, làm sạch tạp chất khí có thể áp dụng phương pháp khô với các cơ chế khác nhau như sử dụng cyclone, lọc tĩnh điện, lọc túi vải…Trong khi đó làm mát sản phẩm khí phải tính đến các kiểu trao đổi nhiệt và lựa chọn môi chất hợp lý.
Việc kết hợp làm mát sản phẩm khí và làm sạch có thể được xem xét và tính toán trong cùng một thiết bị, tuy nhiên nghiên cứu phương pháp vừa làm sạch và làm mát có hiệu quả và hiệu suất cao là vấn đề đòi hỏi nghiên cứu cẩn trọng. Đặc biệt, nếu môi chất làm mát có tương tác trực tiếp với sản phẩm khí hóa, có thể làm cho độ ẩm của khí tăng lên và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm khi dùng cho động cơ đốt trong. Bùi Trung Thành - TS. Nguyễn Văn Tuyên Luận văn thạc sĩ Trang 3 HVTH: Nguyễn Hoàng Khôi Theo Tiedema và Van der Weide [45], giới hạn trung bình cho phép của các tạp chất có hại có trong sản phẩm khí hóa làm nhiên liệu như sau: - Bụi: thấp hơn 50 mg/m³ khí, tốt nhất là 5 mg/m³ khí; - Keo-nhựa: thấp hơn 500 mg/m³ khí; - Axit: thấp hơn 50 mg/m³ khí (với axit acetic); - Nhiệt độ ≤ 40oC.
Các bộ lọc kiểu ướt được sử dụng rộng rãi để làm sạch và làm mát sản phẩm khí bao gồm: tháp phun tia (Pray tower), tháp kết hợp siclon phun (Cyclone spray tower), bộ lọc kiểu tấm (Sieve plate scrubbers), bộ lọc kiểu venturi (Venture scrubbers) và tháp hấp thụ (Packed bed scrubbers) [32]. Phạm vi nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài giới hạn trong các kiểu làm sạch và làm mát sản phẩm khí hóa theo phương pháp ướt. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, tác giả luận giải và lựa chọn nguyên lý và nghiên cứu tiếp tục cho thiết bị làm mát và làm sạch khí kiểu Venturi. Chất lượng sản phẩm khí hóa đạt mức độ cao nhất có thể để cung cấp tiếp cho các lọc tinh kế tiếp, từ đó dẫn vào động cơ.
Thành phần tạp chất có trong sản phẩm khí hóa bao gồm bụi và hợp chất hữu cơ khác (gọi chung là hắc ín), trong khả năng trang bị thiết bị thí nghiệm và điều kiện thí nghiệm cho phép, tác giả không tiến hành đo kiểm chỉ tiêu tạp chất hắc ín mà chỉ xác định chỉ tiêu bụi. Mục tiêu nghiên cứu 1. Nghiên cứu về công nghệ, lựa chọn được thiết bị rửa và làm mát sản phẩm khí hóa từ nguyên liệu trấu nhằm phù hợp với yêu cầu cung cấp cho động cơ đốt trong. Tính toán, thiết kế và chế tạo được mô hình thí nghiệm thiết bị rửa và làm mát sản phẩm khí hóa trấu chạy động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép cỡ nhỏ.
Xây dựng và xác định các thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khí hóa. Bùi Trung Thành - TS. Nguyễn Văn Tuyên Luận văn thạc sĩ Trang 4 HVTH: Nguyễn Hoàng Khôi 1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Các nghiên cứu công nghệ hóa khí sinh khối ở nước ta từ trước đến nay chủ yếu khai thác ứng dụng tạo nhiệt năng cho sấy nông sản và bếp đốt trong các hộ gia đình.
Trong khi đó, sản phẩm khí hóa sau khi được làm sạch và làm mát ở nhiệt độ hợp lý sẽ có phạm vi ứng dụng rất rộng trong công nghiệp như làm nhiên liệu cho các động cơ tubin khí, động cơ đốt trong để sản xuất điện năng cho các khu vực nông thôn, miền núi. Vì vậy, việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ làm sạch và làm mát sản phẩm khí hóa là vấn đề khoa học thật sự cần thiết. Hơn thế nữa, điểm bắt cháy của sản phẩm khí hóa thấp hơn nhiên liệu diesel nên rất an toàn cho người sử dụng. Đồng thời, nhiên liệu khí hóa có thể sử dụng kết hợp với nhiên liệu lỏng diesel cho phép phạm vi ứng dụng trở nên rộng rãi hơn trong đời sống dân sinh.
Bên cạnh các ý nghĩa về mặt môi trường khi sử dụng công nghệ hóa khí sinh khối thì việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ làm mát và làm sạch sản phẩm khí hóa sẽ mở ra cho ngành công nghiệp hóa khí loại nhiên liệu này một trang mới ở các ứng dụng cao hơn vẫn còn khá mới mẻ tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp kế thừa - Kế thừa các công trình, kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước ở lĩnh vực khí hóa từ nguyên liệu biomass. - Nghiên cứu tài liệu về công nghệ sử dụng khí hóa để cung cấp cho các loại động cơ đốt trong để phục vụ cho các nhu cầu năng lượng phù hợp trong đời sống sản xuất.
- Nghiên cứu tài liệu về công nghệ rửa và làm mát sản phẩm khí, phân tích và chọn lọc những kết quả có thể kế thừa sử dụng trong đề tài theo hướng nghiên cứu. - Tiến hành khảo sát các công nghệ và thiết bị đã ứng dụng trong rửa và làm mát khí trong các mô hình thực tế để ứng dụng. Bùi Trung Thành - TS. Nguyễn Văn Tuyên Luận văn thạc sĩ Trang 5 HVTH: Nguyễn Hoàng Khôi - Trên cơ sở tiếp cận, tìm hiểu về công nghệ, thiết bị và những kinh nghiệm chuyên môn, tiếp thu có chọn lọc những ưu khuyết điểm làm cơ sở vững chắc cho quá trình nghiên cứu giúp tiết kiệm thời gian, công sức, chi phí nghiên cứu và đem lại hiệu quả tốt cho đề tài.
Phương pháp giải tích toán học Xác định các vấn đề cần nghiên cứu chính cho thiết bị rửa và làm mát theo hướng đề tài, từ đó sẽ tiến hành giải quyết các bài toán trao đổi nhiệt khí nước, bài toán xác định các kích thước tương quan của thiết bị để chế tạo mô hình vật lý sử dụng cho thực nghiệm trong bước kế tiếp. Phương pháp thực nghiệm Sử dụng mô hình vật lý dựa trên tính toán để thực nghiệm xác định các thông số công nghệ phù hợp nhằm xử lý sản phẩm khí hóa đạt yêu cầu. Trong phương pháp nghiên cứu thực nghiệm tác giả lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xử lý số liệu thực nghiệm nhằm xác định các thông số công nghệ hợp lý để sản phẩm khí hóa đạt yêu cầu các chỉ tiêu đặt ra theo hướng nghiên cứu của đề tài. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm (QHTN) được Fisher đề xuất trong những năm 30 của thế kỷ XX để giải các bài toán thực nghiệm.
