Luận án Nghiên cứu quá trình nhiệt phân Biomass sản xuất nhiên liệu sinh học - Phạm Duy Vũ

ng nguyên liệu sử dụng để sản xuất dầu sinh học có hiệu quả cao. Trong thiết kế này, nguyên liệu lựa chọn để tính toán thiết kế là bột gỗ. Việc lựa chọn nguyên liệu bột gỗ do các nguyên nhân sau: - Bột gỗ thu được từ quá trình chế biến gỗ, nên giá thành rẻ và khá thông dụng ở Việt Nam. - Trong các loại sinh khối phổ biến, bột gỗ có khối lượng riêng lớn nhất [71], [84] nên các thông số khí động học như vận tốc khí tạo lớp sôi và trở lực lớp sôi trong lò tầng sôi sử dụng cho bột gỗ có giá trị lớn nhất. Vì vậy, với các thiết bị nhằm tạo 58 thông số khí động lực học duy trì lớp sôi trong lò sử dụng cho bột gỗ có thể sử dụng điều chỉnh phù hợp cho các loại sinh khối khác. Bên cạnh đó, khối lượng riêng bột gỗ lớn sẽ tăng khả năng thu hồi chất rắn của cyclone và giảm hàm lượng chất rắn có trong dầu sinh học, có nhiều thuận lợi trong việc thực hiện thí nghiệm. - Từ kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA của bột gỗ và bã mía thể hiện trong chương 2, cho thấy khoảng nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình nhiệt phân của bột gỗ lớn nhất. Vì vậy, nếu các hạt sinh khối cùng kích cỡ thì thời gian phản ứng của bột gỗ lớn nhất tương ứng với chiều cao của lò phản ứng sử dụng bột gỗ cũng lớn nhất. Từ các phân tích trên cho thấy sử dụng nguyên liệu là bột gỗ đại diện cho các loại sinh khối để tính toán thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi là hợp lý. Lò nhiệt phân nhanh sinh khối sử dụng nguyên liệu bột gỗ có thể sử dụng được cho các loại sinh khối khác. Loại gỗ lựa chọn cho thiết kế này là gỗ từ cây cao su PB260 trồng tại huyện Hiệp Đức, tỉnh Quảng Nam. 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 Khí nitơ ban đầu có nhiệt độ t0 cấp vào buồng gia nhiệt tăng đến nhiệt độ t1 và dẫn vào lò nhiệt phân. Giá trị nhiệt độ t1 được xác định là nhiệt độ lò phản ứng. Hỗn hợp sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân ra khỏi lò phản ứng có nhiệt độ là t2. Sinh khối có nhiệt độ ban đầu tp0 được gia nhiệt đến nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân tp1. Giá trị nhiệt độ tp1 phụ thuộc vào mỗi loại sinh khối và được xác định bằng thiết bị phân tích nhiệt khối lượng TGA. Theo mục 1.4.2 ở chương 1 cho thấy phản ứng nhiệt phân nhanh sinh khối xảy ra ở khoảng nhiệt độ từ 450 đến 525 oC, trong đó hàm lượng dầu thu được cao nhất từ 500 đến 510 oC. Do đó trong tính toán thiết kế, chọn nhiệt độ phản ứng là t1 = 525oC, đây là giá trị cao nhất trong khoảng nhiệt độ cho phép của quá trình nhiệt phân nhanh. Ngoài ra, chọn nhiệt độ của sản phẩm nhiệt phân ra khỏi lò phản ứng theo công nghệ tầng sôi là t2 = 420 oC [53]. Nhiệt độ ban đầu của khí nitơ được chọn t0 = 25 oC. 59 Sinh khối sử dụng là bột gỗ có nhiệt độ ban đầu là tp0 = 25 oC. Đồng thời, theo kết quả TGA trên hình 2.8 trong chương 2 ta chọn nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân của bột gỗ là tp1 = 290 oC. Các thông số vật lý của bột gỗ được lựa chọn theo mục 4.1.2 và thông số vật lý của cát thể hiện trên bảng 3.1. Bảng 3.1: Các thông số vật lý của gỗ và cát [54] Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Gỗ Cát Khối lượng riêng  Kg.m -3 705 2.500 Nhiệt dung riêng Cp KJ.kg-1.K-1 1,5 8,35 Hệ số dẫn nhiệt  W.m -1.K-1 0,1 0,35 Hệ số khuếch tán nhiệt a m2.s-1 9,52x10-8 1,7.10-8 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 Quá trình hình thành lớp sôi được mô tả trong hình 3.2. Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi T rở l ự c lớ p s ô i Vận tốc dòng khí ωsmax ωsmin Tĩnh Sôi bọt Sôi bồng Cuốn 60 Dòng khí nitơ dẫn qua cụm ống phun đi vào lò tác động lên các hạt vật liệu có độ cao ban đầu h0. Khi vận tốc khí nhỏ hơn ωsmin, áp lực dòng khí tác động lên lớp hạt còn nhỏ, lớp hạt vẫn duy trì trạng thái ban đầu gọi là trạng thái tĩnh (fixed bed). Tăng dần vận tốc dòng khí đến giá trị ωsmin, lúc này trở lực lớp hạt bằng với trọng lượng của khí và các hạt vật liệu sôi, bắt đầu hình thành lớp sôi bọt (bubbling regime), các hạt vật liệu bắt đầu chuyển động lơ lửng trong pha khí. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí ωs cho đến giá trị nhỏ hơn vận tốc tới hạn ωsmax, lúc này toàn bộ lớp hạt ở trạng thái sôi bồng (turbulent regime). Như vậy, khi vận tốc dòng khí ωs có giá trị từ ωsmin đến ωsmax thì lớp vật liệu sôi trong lò ở trạng thái sôi. Lúc này, độ rỗng và chiều cao lớp hạt tăng lên, trở lực lớp hạt đạt giá trị lớn nhất và ổn định nhất [5], [76]. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí đến vận tốc tới hạn ωsmax, lớp sôi có độ rỗng lớn nhất, các hạt vật liệu sôi không lắng xuống cũng như không bay ra khỏi lò phản ứng, trở lực lớp sôi có xu hướng giảm dần. Khi tiếp tục tăng vận tốc lớn hơn giá trị ωsmax thì kết thúc trạng thái duy trì lớp sôi, các hạt bị cuốn theo dòng khí và ra khỏi lò phản ứng, trở lực lớp sôi giảm dần. Như vậy, để duy trì trạng thái lớp sôi trong lò cần duy trì vận tốc dòng khí ωs có giá trị từ ωsmin đến ωsmax, khi đó trở lực lớp sôi đồng thời đạt giá trị lớn nhất và ổn định nhất. 3.3.2. Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi Sinh khối sau khi sấy đến độ ẩm nhỏ hơn 12% [57] được cấp vào lò phản ứng nhận nhiệt từ dòng khí nitơ nóng và lớp vật liệu sôi (lớp cát đã được gia nhiệt) phân hủy thành hỗn hợp khí và cốc. Lớp vật liệu sôi phân bố nhiệt độ phản ứng trong lò đồng đều, hạn chế hình thành nhiệt độ cực đại tại một số vùng trong thể tích lò. Quá trình truyền nhiệt cho hạt sinh khối trong lò phản ứng chủ yếu là dẫn nhiệt từ những hạt cát trong lớp sôi và đối lưu từ dòng khí nitơ nóng [14], nên hiệu quả của quá trình nhiệt phân nhanh thu hồi dầu sinh học phụ thuộc vào vận tốc của khí nitơ trong lò và vị trí cấp nguyên liệu vào lò tầng sôi. Tuy nhiên, thông số động lực học phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu sôi, loại sinh khối, cấu tạo ống phun khí và kích cỡ vật liệu sôi. Tương ứng với mỗi 61 mô hình, các thông số khí động lực học sẽ khác nhau và thường được xác định bằng các công thức thực nghiệm đã được Prabir Basu, R.Shankar Subramanian tổng hợp [16], [76]. Kết quả tính toán này thường được kiểm tra và hiệu chỉnh bằng hệ thống thiết bị thí nghiệm thực tế nên rất tốn thời gian và chi phí. Vì vậy, để hạn chế nhược điểm này, người ta thường sử dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất - CFD (Computational Fluid Dynamics) để tính toán khí động lực học trong lò tầng sôi. Khi đó việc tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn, các kết quả nhận được đáng tin cậy hơn. Hơn nữa, CFD sẽ giúp hạn chế chi phí đầu tư các thiết bị thí nghiệm cũng như chi phí thực hiện các thí nghiệm thực tế. CFD sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố động học, động lực học, tương tác giữa các môi trường, tính chất hóa lý của môi chất chuyển động. CFD là công cụ hỗ trợ hiệu quả khi sử dụng phương pháp số để tính toán và tối ưu hóa quá trình. Trong vài thập kỷ qua, đã có nhiều phần mềm mô phỏng CFD được thương mại hóa. Đặc biệt, các phần mềm này luôn coi trọng phát triển mô hình hóa khí động lực học hỗn hợp chất rắn – khí [5]. Dựa trên kết quả nghiên cứu của Armstrong [5] và Herzog [45] phương pháp Euler – Euler và mô hình của Gidaspow [55] được lựa chọn sử dụng cho quá trình mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi, qua đó xác định được trở lực lớp sôi lớn nhất, vận tốc duy trì lớp sôi và vị trí cấp nguyên liệu vào lò nhiệt phân. 3.3.3. Mô tả mô hình Cấu tạo lò nhiệt phân nhanh bột gỗ năng suất 500 g/h thể hiện trên hình 3.3. Khí nitơ nóng có nhiệt độ t1 = 525 C dẫn vào đáy lò qua ống phun tạo lớp sôi cho bột gỗ và cát. Bột gỗ có đường kính lớn nhất dtbgỗ = 1,9 mm, hạt cát có đường kính trung bình dtbcát = 0,8 mm. Có 3 ống phun, mỗi ống phun có đường kính 8 mm, chiều cao 25 mm và có 1 lỗ phun đường kính 2 mm, được phân bố đều trên đáy lò. Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả Q.Xue [79], Armstrong [5] và K.Papadikis [55], chiều cao lớp cát tĩnh được chọn sử dụng cho mô hình này là hcát = 60 mm và lớp bột gỗ hiện hữu trong lò hs = 11 mm. 62 Khí N2 Hình 3.3: Mô hình lò nhiệt phân 1. Ống phun, 2. Ống cấp liệu, 3. Thân lò, 4. Ống thoát sản phẩm 3.3.4. Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng 3.3.4.1. Mô hình toán Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi dựa trên phương pháp dòng nhiều pha Euler – Euler. Các phương trình và mô hình được sử dụng: a). Phương trình liên tục: - Với pha khí:    g g g g g. 0           - Với pha rắn:    s s s s s. 0           b). Phương trình bảo toàn động lượng: Dựa vào định luật II Newton, phương trình bảo toàn động lượng được phát biểu thành biểu thức toán học như sau [5], [55]: - Với pha khí: Ø21 6 0 11 2 1 3 4 8 2 4 2 8 Ø60 Sinh khối 63      g g g g g g g g g g g gs g sp . g K                         - Với pha rắn:      s s s s s s s s s s s s gs g s. p p . g K                           Trong đó:    Tg g g g g g g g g 2 . I 3                Ts s s s s s s s s s 2 . I 3                    Theo Gidaspow [28], hệ số Kgs được xác định theo công thức: Nếu g > 0,8 thì s g g s g 2,65 gs d g s 3 K C 4 d          Nếu g < 0,8 thì 2 s g s gs g gs 2 g s s K 150 1,75 d d          Và hệ số Cd xác định theo công thức:   0,687 d g s g s 24 C 1 0,15 Re Re        Với s g s g s g d Re       c). Mô hình k- Dòng khí lưu chuyển trong lò tầng sôi là dòng chảy rối, do đó để khép kín phương trình bảo toàn động lượng và phương trình liên tục thường sử dụng mô hình chảy rối hai phương trình k-. Mô hình này thường được sử dụng cho dòng chảy trong ống, không gian hữu hạn và gradient áp suất tương đối nhỏ [4] nên phù hợp với nghiên cứu này. Mô hình chảy rối hai phương trình là một trong những mô hình phổ biến của các mô hình chảy rối. Nó bao gồm thêm hai phương trình đối lưu để mô tả cho tính chảy rối của dòng chảy. Trong đó, một trong các biến đối lưu là động năng chảy rối k, biến đối lưu thứ hai khác nhau phụ thuộc vào kiểu của mô hình hai phương trình. Thông thường lựa chọn phổ biến là tiêu tán rối  hoặc tỉ số tản nhiệt đặc trưng. Biến 64 thứ hai có thể được xem là biến xác định của dòng chảy rối (chiều dài hoặc thời gian), trong khi biến đầu tiên k xác định năng lượng trong dòng chảy rối. Động năng chảy rối k và tiêu tán rối  của dòng nhiều pha trong lò tầng sôi được xác định theo phương trình [5]:     gtg g g g g g gl g k g g k k . k . .k G t                         Và:      gt gg g g g g g gl k g1. . . C G C t k                                 Với: 2 gl g k C    là độ nhớt chảy rối; Gk: đặc trưng cho sự phát sinh động năng rối do gradient tốc độ trung bình; j' ' k g i j i v G v v x     và j' ' i g i j gt g ij j i vv 2 v v k x x 3              ; k = 1;  = 1,3; C1 = 1,44; C2 = 1,92; Cµ = 0,09. 3.3.4.2. Thiết lập mô hình mô phỏng a) b) Hình 3.4: Mô hình mô phỏng và chia lưới lò nhiệt phân a) Chia lưới bề mặt, b) Chia lưới thể tích 65 Trong nghiên cứu này, các thông số khí động lực học trong lò tầng sôi được mô phỏng trên mô hình không gian 3 chiều được thể hiện trên hình 3.4. Công việc thiết lập mô hình mô phỏng và chia lưới được thực hiện bởi phần mềm Ansa, đây là phần mềm được tích hợp với phần mềm Ansys Fluent 14 rất thuận tiện trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và chia lưới. Mô hình được chia theo 2 loại lưới: lưới mặt và lưới thể tích. Trong đó, lưới mặt có 2 loại: lưới 4 cạnh (quads) có số lượng là 14.288 node, lưới 3 cạnh (trias) có số lượng là 494 node. Lưới thể tích cũng có 2 loại: lưới 4 mặt (tetras) có số lượng là 413.541 node, lưới 5 mặt có số lượng là 428.831 node. Mô hình được chia lưới thể hiện trên hình 3.4. 3.3.4.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Ngày nay, trên thế giới người ta thường sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys Fluent để tính toán mô phỏng CFD. Đây là phần mềm thường được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật để mô hình hóa các dòng chảy tầng, chảy rối, quá trình truyền nhiệt, dòng chảy qua cánh máy bay, quá trình cháy trong lò đốt. Đặc biệt, phần mềm Ansys Fluent có tích hợp sẵn các mô hình toán có khả năng mô hình hóa quá trình tương tác dòng nhiều pha. Các phương trình liên tục, phương trình động lượng được rời rạc hóa bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Vì vậy, việc sử dụng phần mềm này mô phỏng khí động lực học quá trình nhiệt phân sinh khối trong lò tầng sôi là thích hợp. Trong nghiên cứu này phần mềm Ansys Fluent 14 được sử dụng mô phỏng xác định vận tốc khí nitơ duy trì lớp sôi, trở lực của lớp sôi và vị trí cấp nguyên liệu vào Thiết lập mô hình Chia lưới Chọn phương pháp giải, nhập các điều kiện biên H H ộ i tụ Bắt đầu Giải bài toán Xuất kết qủa mô phỏng Kết thúc Thực hiện mô phỏng K h ô n g h ộ i tụ Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô phỏng khí động học trong lò tầng sôi 66 lò tầng sôi nhiệt phân sinh khối. Quá trình mô phỏng được thực hiện theo lưu đồ thuật toán hình 3.5. 3.3.5. Kết quả mô phỏng và bình luận 3.3.5.1. Mô phỏng xác định vận tốc tạo lớp sôi và trở lực lớp sôi Thực hiện chạy mô phỏng cho từng giá trị vận tốc khác nhau với khoảng thời gian trong vòng 300 s, sử dụng các thông số vật lý của gỗ, cát và nitơ thể hiện trên bảng 2.1 và 3.1. Kết quả mô phỏng này được thể hiện trên hình 3.6. Từ kết quả mô phỏng trên hình 3.6 cho thấy khi vận tốc dòng khí ωs tăng từ 0,1 đến 0,2 m/s thì trở lực lớp sôi không ổn định, biên độ dao động khá lớn. Tăng vận tốc dòng khí lên đến 0,3 m/s thì biên độ dao động trở lực lớp hạt có xu hướng giảm dần và tiến đến ổn định. Khoảng chênh lệch trở lực lớp sôi đạt giá trị nhỏ nhất (khoảng Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 0 50 100 150 200 250 300 T rở l ự c lớ p s ô i, P a Thời gian, s s = 0,5m/s 7000 6000 4 3 2 1 0 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 0 50 100 150 200 250 300 T rở l ự c lớ p s ô i, P a Thời gian, s s= 0,1 m/s 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 0 50 100 150 200 250 300 T rở l ự c lớ p s ô i, P a Thời gian, s s = 0,2 m/s 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 0 50 100 150 200 250 300 T rở l ự c lớ p s ô i, P a Thời gian, s s = 0,3 m/s 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 0 50 100 150 200 250 300 T rở l ự c lớ p s ô i, P a Thời gian, s s = 0,4 m/s 7000 6000 4 3 2 1 7 6 4 3 2 1000 0 7 6 4 3 2 1000 0 7 6 4 3 2 1 67 7 0 m m 9 5 m m  = 0,25 s 0,5 s 0,75 s 1 s 1,25 s 1,5 s 1,75 s 2 s 2,25 s 2,5 s 300 Pa), trở lực lớp sôi ổn định khoảng 1.900 đến 2.200 Pa, lúc này lớp hạt duy trì trạng thái lớp sôi. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên đến 0,5 m/s thì trở lực lớp sôi càng không ổn định, dao động từ 1.000 Pa đến 4.000 Pa. Lúc này trở lực lớp sôi có xu hướng giảm dần. Như vậy, để duy trì lớp sôi trong lò nhiệt phân, vận tốc khí nitơ tạo lớp sôi có giá trị khoảng ωs = 0,3 m/s tương ứng với trở lực lớp sôi từ 1.900 đến 2.200 Pa. 3.3.5.2. Mô phỏng xác định vị trí cấp nguyên liệu sinh khối vào lò tầng sôi Hình 3.7: Mật độ thể tích cát trong lò nhiệt phân Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ trong lò nhiệt phân 9 5 m m t = 0.25s t = 0.50s t = 0.75s t = 1.00s t = 1.25s t = 1.50s t = 1.75s t = 2.00s t = 2.25s t = 2.50s  = 0,25s 0,5s 0,75s 1s 1,25s 1,5s 1,75s 2s 2,25s 2,5s 7 0 m m 68 Quá trình truyền nhiệt cho hạt sinh khối trong lò tầng sôi chủ yếu là dẫn nhiệt từ hạt cát và đối lưu từ dòng khí nitơ [14]. Như vậy, phụ thuộc vào mật độ hạt cát trong lớp sôi mà khả năng truyền nhiệt cho hạt sinh khối dọc theo thân lò sẽ khác nhau. Mặt khác, Y. C. Yan (2015) [98] đã nghiên cứu tính toán mô phỏng và thực nghiệm xác định vị trí cấp nguyên liệu sinh khối cho quá trình nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi. Kết quả cho thấy rằng để hiệu quả thu hồi dầu sinh học cao nhất thì vị trí cấp nguyên liệu sinh khối phải nằm trong lớp sôi có mật độ hạt cát và sinh khối đồng thời lớn nhất. Như vậy, xác định mật độ hạt cát và sinh khối dọc theo thân lò để lựa chọn vị trí cấp sinh khối đóng vai trò quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế lò tầng sôi cũng như nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi dầu sinh học. Thực hiện mô phỏng CFD với vận tốc khí nitơ tạo lớp sôi là ωs = 0,3 m/s; các thông số vật lý của bột gỗ, cát và nitơ được sử dụng từ bảng 2.1 và 3.1. Kết quả mô phỏng mật độ thể tích của lớp cát và bột gỗ trong lớp sôi dọc theo thân lò thể hiện trên hình 3.7 và hình 3.8. Theo kết quả mô phỏng trên hình 3.7 cho thấy mật độ thể tích hạt cát lớn nhất trong khoảng từ 40 đến 60 % tại vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm. Đồng thời theo kết quả mô phỏng trên hình 3.8, tại vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm mật độ thể tích bột gỗ chiếm từ 20 đến 30 %, đây cũng là vùng có mật độ bột gỗ lớn nhất. Như vậy, kết hợp kết quả mô phỏng này với kết quả nghiên cứu của Y. C. Yan [98] ta chọn vùng cấp nguyên liệu sinh khối vào lò nhiệt phân cách đáy lò từ 70 đến 95 mm. Nguyên liệu cấp vào lò bằng vít tải, nên để hiệu quả thu hồi dầu sinh học cao nhất thì đường trục của vít tải cách đáy một khoảng là hcl = 82 mm. Như vậy, kết quả tính toán mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh bột gỗ có độ dày lớp cát tĩnh 60 mm và lớp bột gỗ 11 mm là: - Vận tốc khí nitơ tạo lớp sôi: khoảng 0,3 m/s; - Trở lực lớp sôi khoảng 1900  2200 Pa; - Vị trí cấp nguyên liệu sinh khối vào lò cách đáy lò khoảng 70  95 mm, tương ứng với khoảng cách đường trục của vít tải nguyên liệu cách đáy lò là: hcl = 82 mm. Kết quả mô phỏng này là cơ sở để tác giả thực hiện công việc thiết kế, chế tạo và nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học. 69 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 - Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân: Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân được xác định theo phương trình cân bằng năng lượng: Qnp = Qs + Qr + Qtt , W (3.1) Trong đó: Qnp: Nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình nhiệt phân, W; Qs: Nhiệt lượng cung cấp cho sinh khối đạt đến nhiệt độ bắt đầu phản ứng nhiệt phân; Qs = Ggỗ.Cpgỗ.(tp1 – tp0), W (3.2) Qr: Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng nhiệt phân (từ nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân tp1 đến nhiệt độ kết thúc quá trình nhiệt phân t2) và được xác định theo công thức thực nghiệm của Antal [58]: Qr = Ggỗ(553 – 3142zcốc), W (3.3) Ggỗ: Lượng gỗ nhiệt phân được tính theo đơn vị kg/s. zcốc = mc/ms0 Qtt: Tổn thất nhiệt ra môi trường. Để Qtt nhỏ nhất thân lò phản ứng được bọc lớp cách nhiệt có độ dày phù hợp, đồng thời để đơn giản trong việc tính toán xem tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh bằng 0. - Xác định lưu lượng khí nitơ cấp cho quá trình nhiệt phân nhanh: Dòng khí nitơ nóng có nhiệt độ t1 dẫn vào lò phản ứng cung cấp nhiệt QN2 cho quá trình nhiệt phân, nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi lò giảm xuống đến t2. Do đó ta có phương trình: Qnp = QN2 (3.4) Với: N2 N2 1N2 pN2 2Q .V .C .(t )– t  (3.5) Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh 1. Ống dẫn thoát phẩm nhiệt phân, 2. Ống cấp nguyên liệu, 3. Đầu gắn cảm biến nhiệt độ, 4. Bích nối lò phản ứng với thiết bị gia nhiệt. 70 Suy ra: Ggỗ.Cpgỗ.( tp1 – tp0) + Ggỗ(553 – 3142zcốc) N2 N2 p 1N2 2.V .C .(t )– t  (3.6) Từ công thức (3.6) ta xác định được lưu lượng khí nitơ VN2 cung cấp cho quá trình nhiệt phân. - Xác định công suất thiết bị gia nhiệt cho khí nitơ: Công suất của thiết bị gia nhiệt cho khí nitơ tăng từ nhiệt độ t0 đến t1 là: Qgia nhiệt = ρN2.VN2 .CpN2 .(t1 – t0)/ (3.7) Với  là hiệu suất của thiết bị gia nhiệt và lò phản ứng. 3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng Từ mô hình lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối mô tả trên hình 3.3, các thông số chính để thiết kế lò phản ứng là: - Tính đường kính lò phản ứng: Đường kính lò phản ứng xác định từ phương trình liên tục: N2 s 4V     (3.8) - Tính chiều cao lò phản ứng: + Chiều cao phần phản ứng trong lò được xác định theo công thức: hfu = ωs. (3.9) Với:  là thời gian lưu sản phẩm phản ứng nhiệt phân trong lò, ωs là vận tốc tạo lớp sôi. + Lò tầng sôi luôn có lớp cát tĩnh dưới đáy lò với chiều cao là hcát. Do đó, chiều cao của lò phản ứng là: hlò = hcát + hfu (3.10) Để giảm nhiệt lượng tổn thất ra bên ngoài môi trường sử dụng vật liệu cách nhiệt bọc xung quanh lò phản ứng. Vật liệu cách nhiệt được dùng có thể là bông gốm (ceramic fiber) có độ dày 150 mm, khối lượng riêng 128 kg/m3. 3.4.3. Tính toán thiết kế cyclone thu hồi sản phẩm rắn Hình 3.10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63] Sản phẩm của quá trình nhiệt phân sinh khối trong lò phản ứng bao gồm hỗn hợp các chất rắn và hỗn hợp chất khí. Khi đi qua cyclone, lực ly tâm (do chuyển động Sinh khối Hỗn hợp khí chiếm từ 70 % đến 90 % khối lượng Chất rắn chiếm từ 10 % đến 30 % khối lượng 71 xoáy tạo ra) sẽ cuốn lượng chất rắn trong hỗn hợp va đập vào thành cyclone, làm cho những hạt rắn mất động năng và rơi xuống phễu chứa. Lượng khí không ngưng còn lại sẽ theo ống dẫn phía trên thoát ra khỏi cyclone và đi vào bình ngưng. Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế cyclone sử dụng phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh, tỷ lệ các thành phần sản phẩm nhiệt phân được mô tả theo hình 3.10. Hình 3.11: Quan hệ các kích thước của cyclone Để tính toán thiết kế cyclone cần xác định khối lượng riêng và lưu lượng của hỗn hợp khí đi vào cyclone. Với đặc trưng của quá trình nhiệt phân nhanh, các đại lượng này được xác định theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm như sau: - Sản phẩm khí sinh ra từ phản ứng nhiệt phân nhanh là hỗn hợp gồm nhiều thành phần khác nhau như CO, CO2, H2, O2, N2, CxHy, CxHyOz.Tỷ lệ các khí này rất khó xác định chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của thiết bị phân tích thành phần khí không ngưng và thành phần khí sẽ ngưng tụ thành dầu sinh học. Theo kết quả nghiên cứu phân tích thực nghiệm thành phần các sản phẩm trong khí không ngưng và trong dầu sinh học ở mục 4.6.2 trong chương 4 cho phép xác định được khối lượng riêng của hỗn hợp khí ra khỏi lò nhiệt phân nhanh ở nhiệt độ t2 = 420C là ρghh = 2,1 kg/m3 (chi tiết tính toán thể hiện ở phụ lục 13). H S Dc Fl k E m m = 0,45Dc F = (0,5 – 1)Dc S = 1,5Dc H = 2,5Dc E = 0,5Dc l = 0,5Dc k = 0,2Dc 72 - Khí nitơ là môi chất truyền nhiệt được sử dụng cấp nhiệt cho sinh khối và duy trì nhiệt độ cho lò phản ứng. Nó không tham gia phản ứng nên hàm lượng khí nitơ không đổi sau khi ra khỏi lò. Như vậy, lưu lượng khí đầu vào cyclone được tính bằng tổng lưu lượng khí nitơ cấp vào lò phản ứng và sản phẩm nhiệt phân dạng khí: Vhh = VN2 + (0,70,9)Gs0/ρghh, m3/s (3.11) Ngoài ra các kích thước hình học của cyclone được xác định theo đường kính Dc thể hiện trên hình 3.11 [23], [76]. 3.4.4. Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hỗn hợp khí từ quá trình nhiệt phân thành dầu sinh học. Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 3.12. Với quá trình nhiệt phân nhanh, hỗn hợp khí vào bình ngưng ở trạng thái hơi quá nhiệt. Ta xem hỗn hợp khí vào bình ngưng sẽ gồm 2 phần: phần có thể ngưng tụ hoàn toàn tạo ra dầu sinh học, truyền ra môi trường làm lạnh nhiệt lượng Qd và phần khí không ngưng sẽ được làm lạnh đến nhiệt độ bão hòa, truyền ra môi trường làm lạnh nhiệt lượng Qg. Như vậy, tổng lượng nhiệt hỗn hợp khí tỏa ra ở bình ngưng để ngưng tụ từ nhiệt độ t’d đến t”d là: Q = Qd + Qg [W] (3.12) Các đại lượng Qd và Qg được xác định theo công thức sau: * Qd = Qd1 + Qd2 [W] (3.13) Trong đó: Qd1 = Gd.Cpd.(t'd – t"d) (3.14) Trong dầu nhiệt phân, hàm lượng nước chiếm khoảng 30 % [9], nên: Cpd = 0,3CpH2O + 0,7Cphcơ (3.15) Hình 3.12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân 1. Ống dẫn hỗn hợp khí vào bình, 2. Ống dẫn hỗn hợp khí không ngưng ra khỏi bình, 3. Ống xả dầu, 4 và 5. Ống dẫn nước giải nhiệt vào ra t’H2O t”H2O t”d t’d 1 3 2 5 4 73 Qd2 = Gd.rd (3.16) rd = 0,3rH2O + 0,7rhcơ (3.17) * Qg = Gg.Cpg. (t'd – t"d) [W] (3.18) Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng được tính theo công thức truyền nhiệt: Q F k. t   (3.19) Với độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được tính