Đồ án Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 1 - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................3 LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................4 U PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI....................................................................6 1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối......................................................................6 1.1.1 Sinh khối là gì ?................................................................................................6 1.1.2. Nguồn năng lượng từ sinh khối.......................................................................6 1.2. Vai trò của sinh khối............................................................................................7 1.2.1. Lợi ích .............................................................................................................8 1.2.2. Khó khăn .........................................................................................................9 1.3. Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối .............................................10 1.4. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam..................................................................12 1.5. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam...................................................14 PHẦN II : CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI.........15 2.1. Giới thiệu quá trình khí hóa sinh khối ............................................................15 2.2. Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa sinh khối ....................................................................................................................................16 2.2.1. Cơ chế phản ứng C + H2O.............................................................................16 2.2.2 Cơ chế phản ứng của C + CO2: ......................................................................18 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối. .................................20 2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất ...................................................................................20 2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ. ................................................................................21 2.3.3. Ảnh hưởng của nguyên liệu ..........................................................................21 2.3.4. Ảnh hưởng của nhựa. ....................................................................................22 2.3.5. Ảnh hưởng của tro.........................................................................................22 2.3.6. Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối ......................................................23 ‘.......................................................................................................................................23 PHẦN 3: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI.....................................................24 3.1. Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng cố định: ...................................................24 3.2. Giới thiệu Công nghệ khí hóa tầng sôi: ...........................................................27 PHẦN IV: THIẾT KẾ DÂY TRUYỀN KHÍ HÓA SINH KHỐI............................30 4.1. Đánh giá và lựa cho công nghệ khí hóa sinh khối...........................................30 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 2 - 4.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ .............................................................................31 4.3. Lựa chọn và tính toán các thông số công nghệ ...............................................32 4.4. Tính toán thiết bị khí hóa .................................................................................35 4.4.1. Thời gian khí hóa ..........................................................................................35 4.4.2. Cân bằng vật chất trong thiết bị khí hóa .......................................................38 4.4.3. Cân bằng năng lượng.....................................................................................40 4.5. Tổng kết số liệu tính toán..................................................................................43 4.6. Tính toán Cyclone và thiết bị rửa ....................................................................45 4.6.1. Tính toán thiết kế Cyclone ............................................................................45 4.6.2. Tính toán thiết bị rửa .....................................................................................47 4.7. Lựa chọn thiết bị phụ trợ .................................................................................48 4.8. Chí phí cho dây chuyền .....................................................................................49 A. Diện tích toàn phần của các thiết bị trong hệ thống khí hóa sinh khối ..............49 B. Tổng số các thiết bị phụ trợ, các van khí, cút nối và đường ống dẫn khí...........54 4.9.Sơ đồ mặt bằng dây chuyền ...............................................................................56 PHẦN V: KẾT LUẬN .................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................59 PHỤ LỤC......................................................................................................................60 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 3 - LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn: TS.Văn Đình Sơn Thọ. Người đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ- Hóa Dầu – Viện Kĩ Thuật Hóa Học – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu để hoàn thành tốt bản đồ án này. Em cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ phòng thí nghiệm thuộc bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ- Hóa Dầu đã đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong quá trình thực hiện đồ án. Cuối cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu, kinh nghiệm chưa có cùng với thời gian có hạn nên đồ án này không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Mong các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp cùng các bạn đọc thông cảm , giúp đỡ em để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, Ngày 02 Tháng 06 Năm 2011 SVTH: Trần Quang Huy. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 4 - LỜI NÓI ĐẦU Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng và các áp lực môi trường gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng sinh khối hiện nay được coi là một nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch. Sinh khối (biomas) chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng từ mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp …v.v), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ …v.v), giấy vụn, metan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm. Nhiên liệu sinh khối (NLSK) có thể ở dạng rắn, lỏng, khí … được đốt để phóng thích năng lượng. Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới. Ít nhất một nửa dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối. Con người đã sử dụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm. Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như metanol, etanol dùng trong các động cơ đốt trong, hay thành dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình. Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai. Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời, gas sinh học đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng sản lượng còn thấp và quy mô không lớn. Bên cạnh đó Việt Nam có một tiềm năng NLSK rất lớn đó là những sản phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 5 - rạ, trấu, mùn cưa, bã mía …v.v. và một số chất thải nông nghiệp khác nhưng cũng chưa được khai thác đúng với tiềm năng của nó. Và để tận dụng các nguồn nguyên liệu đó ,trong đồ án này em xin đề xuất ý tưởng “ Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn” với mục tiêu giúp bà con nông dân… ở khu vực nông thôn có thể ứng dụng trong thực tiễn. Đồ án bao gồm những nội dung chính như sau: Phần I : Tổng quan về sinh khối Phần II : Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa sinh khối Phần III : Công nghệ khí hóa sinh khối Phần IV : Thiết kế dây chuyển khí hóa sinh khối Phần V : Kết Luận ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 6 - PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI 1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối 1.1.1 Sinh khối là gì ? Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo ngoại trừ nguồn nguyên liệu hóa thạch. Trong sản xuất năng lượng và ngành công nghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp. Thông thường sinh khối là phần chất cây trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phần chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ. Sinh khối không phải là vật liệu hữu cơ được tạo bởi quá trình địa chất tạo than đá hay dầu mỏ. Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người đến tận thế kỷ 19. Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử. Câu trả lời cho lý do hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối: sinh khối có khẳ năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu. 1.1.2. Nguồn năng lượng từ sinh khối Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) có thể sản xuất tại chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo. Năng lượng sinh khối ( NLSK) khác các dạng năng lượng tái sinh khác: Một là: không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được. Hai là: cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng. NLSK có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 7 - nghiệp dạng hạt nhỏ, thí dụ trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ, …v.v. Thứ hai: Sinh khối gỗ: có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ gỗ cây cao su, cây điều, cây bắp, …v.v. NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng. Ngoài ra năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn. Ngoài ra các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định. NLSK có thể cung cấp cả nhiệt lẫn điện. Khí hóa sinh khối là gì? Đó là một quá trình hóa học, chuyển hóa các loại nhiên liệu dạng rắn thành một hỗn hợp khí đốt, gọi là khí “gas” (CO + H2 + CH4). Khí hóa bao gồm việc đốt không cháy hết NLSK. Có bốn quá trình khác nhau xảy ra trong lò khí hóa, gồm: sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy và biến đổi thành khí. Khi biến đổi sinh khối thành khí (gas) thì quá trình có hiệu suất cao, có thể ứng dụng với một dãy công suất rộng (một vài trăm kW), có thể sử dụng cho các thiết bị nhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp. Đồng thời quá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển quy trình tốt hơn, đốt sạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan đến sử dụng sinh khối. 1.2. Vai trò của sinh khối Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14 - 15 % tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng. Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ. Vì vậy lợi ích của nguồn năng lượng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 8 - sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó khăn khi sử dụng NLSK. 1.2.1. Lợi ích ¾ Lợi ích kinh tế - Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…). - Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng, …v.v. - Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu. Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông qua bảng sau: Bảng 1. Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác [7] Năng lượng phát Mặt trời Gió Sinh khối Tổng đầu tư (triệu USD) 1,830 12,700 6,300 Quy mô nhà máy(Kw) 1,000,00 0 10,000,000 10,000,000 Tỷ lệ hoạt động hàng năm(%) 12 20 70 Công suất điện phát hàng năm(M kw/h) 1,100 17,500 61,300 Đơn vị đầu tư (USD/ KW) 1.66 0.72 0.10 ¾ Lợi ích môi trường: đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 9 - - Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được. - Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích. Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển. Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp …v.v. 1.2.2. Khó khăn ¾ So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp ¾ Khó sử dụng, đặc biệt là nguồn từ thực phẩm ¾ Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp ¾ Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi trường, phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác Có thể thấy so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì nguồn NLSK là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. NLSK có nhiều dạng, và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối mang tính tái sinh, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp. Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà nước…v.v. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 10 - 1.3. Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ, trấu, lá cây, phân động vật , phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinh hoạt … v.v. Thành phần hóa học của NLSK chủ yếu gồm ba thành phần là : ¾ Lignin: chiếm 15%-25%. Công thức hóa học (C10H12O4)n. Nó có cấu trúc phức của các aromatic, nó chống lại được các quá trình chuyển hóa hóa học sinh khối, để chuyển hóa nó cần nhiệt độ cao. ¾ Hemicellulose: chiếm 23%-32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là polyme của các phân tử đường 5 cacbon, 6 cacbon. Nó là thành phần dễ bị depolyme hóa, đường 5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó lớn hơn đường 6 cacbon. ¾ Cellulose: chiếm 38%-50%, công thức hóa học [C6(H2O)5]n, là polyme của glucoza, nhạy với sự tấn công của enzym, glucoza là thành phần dễ biến đổi. Bảng 2. Thành phần hóa học của một số loại rơm từ cây nông nghiệp Loại Lignin (%) Cellulose (C6-fractinon, %) Hemicellulose (C5- fraction, %) Tro (%) Lúa 12 36 25 27 Lúa mạch 14 34 25 27 Lúa mì 17 40 28 15 Lúa mạch đen 19 38 30 13 Ngũ cốc 17 38 32 13 Nhiên liệu sinh khối có một vài tính chất hóa học thuận lợi cho các quá trình chuyển hóa nhưng so với các dạng nhiên liệu nền tảng là cacbon thì NLSK có hàm lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao. Tuy nhiên, độ ẩm cao luôn có xu hướng tạo nhựa và hàm lượng tro dẫn đến điểm nóng chảy chất rắn thấp khi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN SVTH:TRẦN QUANG HUY MSSV:20061405 Lớp HD2- K51  - 11 - mà hiện tại nhiệt là thách thức đối với một số phương pháp chuyển hóa. Một số NLSK có hàm lượng nitơ và clo cao. Sự kết hợp của kiềm và clo có thể tạo hợp chất gây ăn mòn thiết bị chuyển hóa. Hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng hình thành oxit nitơ, nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn nhiều loại nhiên liệu khác như than thì làm giảm khă năng tạo lưu huỳnh trong quá trình chuyển đổi. Ngoài các thành phần chính, NLSK vẫn còn phần nhỏ các thành phần khác như khoáng (là thành phần tạo nên tro của nó). Gỗ là loại NLSK chính cho các quá trình chế biến. Thành phần khoáng của gỗ nhỏ hơn 1% khối lượng trên nguyên liệu khô và chủ yếu là thành phần hữu cơ. Thành phần chủ yếu hình thành tro là các kim loại kiềm và kiềm thổ, chúng chiếm hơn 80% chất vô cơ trong gỗ. Các kim loại khác tồn tại trong gỗ như muối của oxanat và cacbonat hoặc các ion kim loại bị liên kết chặt với nhóm cacboxyl hoặc cacbohydrat. Còn nguyên tố P và Si có chủ yếu trong công thức este nhưng Si cũng ở dạng SiO2, xem bảng 3: Bảng 3. Thành phần các nguyên tố của gỗ Nguyên tố Thành phần (%) Cacbon 50,7-53,1 Hydro 59,7-60,3 Oxi 40,4-43,2 Nitơ 0,04-0,2 Lưu huỳnh 0,006-0,012 Natri 0,015-0,021 Clo 0,007-0,023 Silic 0,001-0,0046 Nhôm 0,0003-0,0035 Sắt 0,0013-0,0039 Mangie 0,007-0,025 Canxi 0,038-0,092 Photpho 0,0045-0,0105 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐH BKHN Nhiên liệu sinh khối chứa năng lượng trong các liên kết hóa học trong các thành phần của nó giống như cacbonhydrat. Thành phần oxi trong NLSK cao hơn trong nhiên liệu hóa thạch nên về cơ bản năng lượng của nó thấp hơn nhiên liệu hóa thạch. Năng lượng sử dụng tối đa theo lý thuyết từ NLSK là năng lượng hóa học của nó. Với một dạng nhiên liệu phức tạp, đa dạng và nhiều cấu trúc liên kết như sinh khối thì năng lượng của nó có thể được đặc trưng qua thành phần nguyên tố có trong nó. Bảng 4 dưới là thành phần các nguyên tố của các loại NLSK (cây bạch dương, rơm từ các cây ngũ cốc, bã mía, tảo nâu,than củi, trấu, rơm lúa). Bảng 4. Thành phần các nguyên tố một số loại nhiên liệu sinh khối [1] Thành phần nguyên tố(%) Loại C H O N S Tro Nhiệt trị (MJ/kg) Bạch dương 49 6 43 0 0 1 19.2 Ngũ cốc 44 6 43 1 0 6 18.2 Mía 45 5 40 0 0 10 17.8 Tảo nâu 28 4 24 5 1 42 10.9 Than củi 80.3 3.1 11.3 0.2 0 3.4 31.02 Trấu 38.5 5.7 39.8 0.5 0 15.5 15.3 Rơm 39.2 5.1 35.8 0.6 0.1 19.2 15.8 1.4. Tiềm năng sin