Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng thông số công nghệ đến sản phẩm khí than từ trấu tại Việt Nam - Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM

i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Văn Lành xin cam đoan rằng công trình “Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam” được trình bày trong luận án này là do chính bản thân tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. HCM, năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Lành ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô và Cán bộ viên chức Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi làm nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2015.

Xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Thầy Cô khoa Cơ Khí Công Nghệ, Phòng Đào tạo Sau Đại học và Phòng Quản trị - Vật tư đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa học PGS. Nguyễn Huy Bích và TS. Bùi Ngọc Hùng, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Xin gửi lời cảm ơn đến GS. Keng Tung-Wu và các cộng sự tại Biomass Energy Research Lab, National Chung Hsing University, Taiwan đã hỗ trợ, phối hợp thực hiện một số phân tích liên quan đến trấu. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. Nguyễn Hay, PGS.

Lê Anh Đức, TS. Nguyễn Thanh Nghị và TS. Nguyễn Đức Khuyến đã tận tình giúp đỡ, góp ý xây dựng cho những nội dung của luận án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn đến GS.

Dương Nguyên Khang, TS. Huỳnh Văn Biết, TS. Phạm Đức Toàn đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện một số nghiên cứu trong luận án. Cảm ơn các đồng nghiệp Phạm Duy Lam, Trần Minh Hải và Nguyễn Nam Quyền đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu.

Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Xin chân thành cảm ơn! Tp. HCM, năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Lành iii TÓM TẮT Luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến sản phẩm khí và than trong thiết bị hóa khí trấu tại Việt Nam Nghiên cứu sinh: Nguyễn Văn Lành Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9 52 01 03 Hiện nay, thế giới đang đối mặt với biến đổi khi hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là lượng khí thải có hại như CO2 tăng vì con người sử dụng quá nhiều nhiên liệu hóa thạch và diện tích rừng ngày càng giảm.

Một trong những giải pháp làm giảm tình trạng này là việc tăng cường khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Trong đó, sinh khối là một trong những nguồn năng lượng có triển vọng có thể thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Sinh khối có nguồn cung cấp dồi dào nhưng chủ yếu là ở thể rắn, điều này dẫn đến hạn chế rất lớn trong việc khai thác và sử dụng. Do đó, để tiện lợi và sử dụng sinh khối có hiệu quả đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp chẳng hạn như hóa khí, hóa lỏng từ nguồn sinh khối thể rắn.

Sinh khối thể rắn có thể chuyển đổi sang dạng khí được gọi là quá trình hóa khí để tạo ra khí tổng hợp (syngas). Hóa khí sinh khối là quá trình chuyển đổi hóa nhiệt được thực hiện trong môi trường yếm khí. Quá trình này chia làm bốn giai đoạn chính là sấy, nhiệt phân, cháy và khử. Quá trình hóa khí là một quá trình rất phức tạp trong đó chất lượng khí, hiệu suất hóa khí, chất lượng than sinh học (biochar) là những thông số chính đánh giá tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống.

Để góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên, luận án được tiến hành với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thành phần khí tổng hợp và than sinh học trong thiết bị hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống tại Việt Nam gồm các nội dung chính như sau: - Thực nghiệm xác định các thông số lý hóa của trấu để làm cơ sở xác định công thức hóa học tổng quát; xác định tác nhân hóa khí; xác định các sản phẩm hóa khí. - Nghiên cứu lý thuyết lập phương trình tổng quát hóa khí trấu và hệ phương trình gồm: các phương trình cân bằng khối lượng của nguyên tố C, H2 và O2; phương trình cân bằng phản ứng tạo khí CH4 và phương trình cân bằng phản ứng chuyển H2O; phương trình iv cân bằng năng lượng. Giải hệ phương trình phi tuyến tính để xác định các thành phần khí tổng hợp và lượng than sinh học bằng ngôn ngữ lập trình Python. - Thực nghiệm hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống.

- Kiểm chứng mức độ phù hợp của mô hình lý thuyết và xây dựng các phương trình dự đoán sản phẩm của quá trình hóa khí trấu trong thiết bị hóa khí kiểu dòng khí đi xuống. - Thực nghiệm tìm các giá trị hợp lý của các thông số công nghệ để thu được sản phẩm khí tổng hợp và than sinh học phù hợp nhất. - Đánh giá sơ bộ chất lượng của than sinh học thông qua thực nghiệm tác động của than sinh học đến sự phát triển của cây trồng. Kết quả đạt được của luận án tóm tắt như sau: Đã xác định được các thông số lý hóa của trấu IR 50404.

Dung Ẩm Phân tích nguyên tố (%) Phân tích thành phần (%) Nhiệt trị trọng độ Chất Carbon Tro (MJ/kg) C H O N S (kg/m3) (%) bốc cố định 100,42 9,99 15,55 41,26 4,75 35,46 0,48 0,01 58,28 13,98 17,71 Đã lập được phương trình tổng quát hóa khí trấu IR 50404: CH1,38 O0,64 + 0,146H2 O(l) + qH2 O(g) + mO2 + 3,76mN2 = n1 C+ n2 H2 + n3 CO + n4 CO2 + n5 H2 O + n6 CH4 + 3,76mN2 Đã xây dựng được mô hình toán là hệ phương trình phi tuyến tính 6 ẩn n1 , n2 , n3 , n4 , n5 , n6 được biểu diễn dưới đây. n1 + n3 + n4 + n6 = 1 2n2 + 2n5 + 4n6 = 1,672 + 2q n3 + 2n4 + n5 = 0,786 + q + 2m n K1 = 6 2 (n2 ) n 2 n4 K2 = n 3 n5 dHtrau + 0,146dHH2 O(l) + qdHH2O(k) = n1 dHC + n2 dHH2 + n3 dHCO + n4 dHCO2 { n5 dHH2O(k) + n6 dHCH4 + 3,76mdHN2 Tiến hành giải mô hình toán bằng ngôn ngữ lập trình Python nhằm dự đoán được các thành phần khí tổng hợp (syngas) và hàm lượng than sinh học (biochar) khi thay đổi 2 thông số công nghệ là hệ số không khí cấp ER và nhiệt độ vùng khử T 2. v Đã tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống để thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy khi nhiệt độ tăng lên thì lượng than sinh học thu được từ kết quả thực nghiệm cũng như lý thuyết đều giảm; Bên cạnh đó, tại cùng một mức nhiệt độ vùng khử nếu tăng hệ số không khí cấp (ER) từ 0,2 đến 0,4 thì lượng than sinh học cũng giảm, tuy nhiên hàm lượng khí tổng hợp tăng khi ER = 0,2 ÷ 0,3 và hàm lượng khí tổng hợp giảm khi ER = 0,3 ÷ 0,4.

So sánh kết quả giữa mô hình toán học và thực nghiệm cho thấy hàm lượng than sinh học và thành phần khí tổng hợp của mô hình toán thấp hơn nghiên cứu thực nghiệm. Độ lệch chuẩn RMSE của mô hình toán và thực nghiệm ở các mức nhiệt độ vùng khử T2 = 750oC, 800oC, 850oC và 900oC lần lược là 1,642; 1,882; 1,445 và 1,345. Từ kết quả phân tích và xử lý số liệu cho thấy sự sai khác giữa mô hình toán và thực nghiệm ở tất cả các trường hợp đều không có ý nghĩa, vì vậy mô hình toán đã xây dựng là phù hợp. Căn cứ vào kết quả kiểm chứng lý thuyết phù hợp với thực nghiệm, luận án cũng đã xây dựng các phương trình dự đoán thể tích các khí thành phần (H2, CO và CH4) và khối lượng than sinh học (C) ứng với nhiệt độ vùng khử T2 và hệ số không khí cấp ER.

+ Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YH2 với T2 và ER YH2 = 35,569 – 0,099.ER2 với R2 = 0,98 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCO với T2 và ER YCO = 50,124 – 0,153.ER2 với R2 = 0,97 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YCH4 với T2 và ER YCH4 = 30,952 – 0,083.ER2 với R2 = 0,97 + Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa YC với T2 và ER YC = 84,174 – 0,061.ER với R2 = 0,98 Kết quả quy hoạch thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc phù hợp của hệ thống hóa khí trấu kiểu dòng khí đi xuống cũng được thực hiện. Kết quả giải bài toán đa mục tiêu đã xác định được các thông số và chỉ tiêu phù hợp như sau: + Thông số phù hợp: T2 = 745 (oC) và ER = 0,29 + Chỉ tiêu phù hợp: LHVmax = 5,53 (MJ/Nm3) và Cmax = 37,5 (%). Đánh giá tác động của than sinh học đến cây trồng cũng được thực hiện. Thông qua thực nghiệm đã chỉ ra rằng chất lượng than sinh học phụ thuộc vào nhiệt độ vùng khử và hệ số không khí cấp.

Sự phát triển của cây bắp sau 35 ngày chỉ ra rằng có sự ảnh hưởng của than sinh học là rất rõ ràng. vi SUMMARY Doctoral dissertation title: Study the effects of downdraft gasifier technological parameters on the syngas and biochar production for Viet Nam rice husk gasification. PhD Student: Nguyen Van Lanh Major: Mechanical Engineering Code: 9 52 01 03 Currently, the world is facing climate change and the depletion of fossil energy resources. The main reasons are the increase in harmful emissions, such as CO2, due to the extensiveuse of fossil fuels and the deforestation.

One of the solutions to reduce this situation is to increase the exploitation and use of other energy forms alternative to fossil energy. Among them, biomass is one of the potential energy sources that can replace fossil energy. Biomass is an abundant source from agricultural production, but it is mainly in solid form that limits itsutilization and use. Therefore, developing gasification or liquefaction technology from this biomass source is necessary.

Solid biomass can be converted to gas through a gasification process to produce syngas. Biomass gasification is a thermochemical conversion process under limited air supply condition.