TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 33 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ĐỐT CHÁY SINH KHỐI TRONG LÒ ĐỐT TẦNG SÔI TĨNH QUY MÔ NHỎ (SFBC-400) EXPERIMENTAL STUDY ON BIOMASS COMBUSTION IN A SMALL SCALE STATIONARY FLUIDIZED BED COMBUSTOR (SFBC-400) NGUYỄN ĐÌNH TÙNG Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu nghiên cứu thực nghiệm sự đốt cháy phụ phẩm sinh khối (bã cải dầu) trong lò đốt tầng sôi sử dụng silicát làm vật liệu trợ đốt. Thực nghiệm được thực hiện trong vùng công suất từ 80 đến 200 kW cho thấy rằng nhiệt độ đốt phải nằm trong vùng từ 850 đến 900° C. Nhiệt độ, thể tích và nồng độ của các thành phần phát thải của khói lò (như O 2 , CO, CO 2 , NO x /NO) được đo đạc bằng các cảm biến chuyên dụng ở các vị trí khác nhau bên trong dọc theo chiều cao của lò và trên đường ống dẫn khói thải. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng nồng độ của oxit nitrogen (NO x ) trong khói thải là lớn hơn giá trị cho phép xét theo tiêu chuẩn Môi trường của CHLB Đức (TA-Luft 2002), riêng oxit carbon (CO) thì nhỏ hơn. Công suất nhiệt danh nghĩa của khí nóng phía sau cyclone lọc bụi vào khoảng 53 kW. ABSTRACT This paper introduces the experimental study biomass residues (rapeseed residues) combustion in stationary fluidized bed combustor (SFBC-400, diameter 400mm) using silica sand as a material of combustion help. Experiments on ranges from 80 to 200 kW combustion test facility capacity show that rapeseed combustion temperature must be on ranges from 850 to 900° C. Temperature, volume and the concentration of exhausted emissions (e.g. O 2 , CO, CO 2 , NO x /NO) are measured by dedicated sensors at different profiles inside the combustor, along its height and in the flue gas duct where the emission is exhausted. Experimental results showed that compared to German emission limit (TA-Luft 2002) concentration of NO x in the flue gas was higher whereas that of CO was lower. Nominal heat capacity of hot air behind the cyclone is approximately 53 kW. Keywords: 1. Lời giới thiệu SFBC, biomass wastages, energy, heat capacity, thermal efficiency, emission Những năm gần đây, sự chú ý tới các công nghệ năng lượng (NL) tái tạo nói chung, đặc biệt là công nghệ sinh khối (SK) nói riêng đã và đang phát triển mạnh trên thế giới. Công nghệ này nhằm thay thế dần/một phần các nguồn nguyên liệu hóa thạch, bởi lý do là hiện các nguồn NL hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần và còn gây ra ô nhiễm môi trường. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 34 Khác với các công nghệ NL tái tạo khác, công nghệ NL sinh khối (NLSK) không những chỉ thay thế NL hóa thạch mà nó còn góp phần đáng kể trong việc xử lý chất thải. Hơn thế nữa, lợi thế của SK là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, có tính chất ổn định. Nếu như chúng được sử dụng để tạo ra NL điện thì sẽ góp phần làm ổn định hơn cho việc cung cấp điện [5,8,14]. Hiện nay trên quy mô toàn cầu, SK là nguồn NL lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng NL tiêu thụ của thế giới. Ở các nước đang phát triển, SK thường là nguồn NL rất lớn, trung bình đóng góp khoảng 35 % trong tổng cung cấp NL [5,8,14]. Đối với Việt Nam, theo [5,7] hiện có khoảng hơn 100 triệu tấn SK gỗ, phụ phẩm gỗ từ ngành chế biến lâm nghiệp và SK từ phụ phẩm nông nghiệp. Tiềm năng SK của Việt Nam khá lớn, chủ yếu là trấu, bã mía, sắn, ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp [1,4,7,8,10]. Theo một số nghiên cứu đã cho thấy các phụ phẩm này có thể tạo ra NL nhiệt, điện theo phương pháp đốt trực tiếp, khí hóa hoặc đồng phát nhiệt-điện hoặc có thể sản xuất ra nhiên liệu lỏng [2,6,11]. Vì vậy, sử dụng NLSK là những mô hình hiệu quả để Việt nam có thể áp dụng nhằm cung cấp cơ hội mới cho ngành Nông-Lâm nghiệp. Ngoài ra còn nhằm mục tiêu giảm khí thải nhà kính, đa dạng hóa nguồn NL, giảm bớt sức ép về nhu cầu NL, nhất là trong tình hình thiếu điện trầm trọng và giá xăng dầu ngày càng lên cao như hiện nay. Hơn thế nữa nó sẽ còn góp phần đảm bảo an ninh NL trong tương lai. Từ những phân tích trên cho thấy việc nghiên cứu sự đốt cháy phụ phẩm SK để tạo ra nguồn NL (nhiệt) là rất cần thiết, nhất là đối với Việt Nam trong giai đoạn hiện nay. Bài báo này giải quyết vấn đề xác định, đánh giá các đặc tính phát thải của khói lò so sánh với tiêu chuẩn về môi trường và NL nhiệt sơ cấp có thể sử dụng được từ việc đốt cháy SK. Từ đó làm cơ sở để lựa chọn nguyên liệu, các thông số của quá trình; lựa chọn và đề xuất các phương pháp giảm thiểu các thành phần phát thải sao cho phù hợp với từng loại nguyên liệu khi thí nghiệm là “tiêu điểm” của nghiên cứu này. 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Vật liệu Nguyên liệu thí nghiệm ở đây được thực hiện trên vật liệu SK của Đức, đó là phụ phẩm SK (bã cải dầu). Nó là phế liệu (bã) của quá trình chế biến dầu, dầu sinh học từ cây cải dầu và được coi như một nguồn nguyên liệu SK. Người ta có thể dùng nó làm phân bón, thức ăn cho súc vật, hoặc có thể dùng nó làm nguyên liệu đốt rất thích hợp trong hệ thống đốt tầng sôi để lấy NL Nhiệ t, Điện hoặc kết hợp Nhiệt -Điện. Nguyên liệu này có những đặc tính lý, hóa (khối lượng riêng, nhiệt độ bắt cháy, nhiệt trị của nguyên liệu), đặc biệt là các thành phần hóa học như hàm lượng của các bon (C), ôxy (O), hydrô (H), nitơ (N), lưu huỳnh (S), tro (a), nước (w) tương tự Hình 1. Hệ thống thí nghiệm SFBC của IEUT- Uni. Rostock, CHLBĐ [11] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 35 như SK (vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, thân cây sắn / khoai mì) của Việt nam. Các đặc tính này của vật liệu thí nghiệm sẽ được so sánh với những với vật liệu SK của Việt nam. Chúng sẽ được trình bày và minh chứng chi tiết ở bảng 1, mục 3. 2.2. Phương pháp Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên hệ thống thiết bị đốt tầng sôi (SFBC- 400) (hình 1) của Viện Kỹ thuật Năng lượng và Môi trường, Trường Đại học tổng hợp Rostock, Cộng hòa Liên bang Đức (IEUT- Uni. Rostock, CHLBĐ). Ở hệ thống thí nghiệm này, không khí được cung cấp bởi máy nén khí và có thể cung cấp trực tiếp vào lò hoặc qua hâm nóng nhờ bộ trao đổi nhiệt. Hệ thống thiết bị này có thể sử dụng để thí nghiệm cho các loại nguyên liệu khác nhau (khí, lỏng, rắn và hỗn hợp giữa chúng). Mỗi đặc tính nguyên liệu khác nhau thì cần sử dụng các thiết bị cung cấp phù hợp. Có hai vít tải cung cấp: một dùng để cung cấp nguyên liệu rắn và một dùng để cung cấp chất phụ gia. Vít tải cung cấp nguyên liệu rắn được điều khiển/điều chỉnh bởi “PI-type”, nó được kết nối với máy tính chủ. Ngoài ra có hai hệ thống bơm dùng để cung cấp nguyên liệu lỏng: một được dùng cho nguyên liệu lỏng có độ nhớt thấp, cái còn lại dùng cho nguyên liệu có độ nhớt cao. Hình 2. Sơ đồ công nghệ, cửa sổ hiển thị ’’Online’’ kết quả đo trên SFBC của IEUT- Univ. Rostock, CHLBĐ [5] Hệ thống được trang bị một số lượng lớn các van (được điều khiển tự động hoặc bằng tay), các cặp nhiệt kế, các lưu lượng kế và các áp kế. Toàn bộ những tín hiệu ra được tập hợp và ghi lại rồi sau đó truyền về máy tính chủ. Sau đó chúng được nhớ (ghi) lại bởi phần mềm đặc biệt được xây dựng (được viết) bởi IEUT-Univ. Rostock- Germany [5]. Phần mềm này sẽ chuyển (truyền) những tín hiệu đó tới máy tính chủ. Máy tính chủ sẽ truyền các tín hiệu tới hai màn hình: màn hình chính (thường được sử dụng bởi một người vận hành để quan sát tổng thể sự hoạt động của toàn bộ hệ thống thí TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 36 nghiệm) để từ đó thao tác, điều khiển và vận hành hệ thống; còn màn hình phụ được dùng để hiển thị sơ đồ công nghệ của hệ thống với các tín hiệu đo chính xác tại thời điểm “hiện tại” [5]. Chúng được hiển thị trực tuyến “Online” sự thay đổi các thông số cũng như nhiệt độ của “lớp sôi”, nhiệt độ trên buồng lưu không, lưu lượng của không khí và lượng cung cấp nguyên liệu (hình 2). Ngoài ra, hệ thống còn được trang bị ba thiết bị đặc biệt cho sự phân tích khí thải (hình 3). Thiết bị đầu tiên có tên gọi là “ZIROX” đưa các tín hiệu trực tuyến về áp suất thành phần của Oxy (được chuyển đổi thành nồng độ) ở trong khói thải “ẩm” (O 2 humid ) [5]. Thiết bị thứ hai được dùng để phân tích và đo đạc nồng độ của các thành phần phát thải trong khói thải “khô”, cũng như nồng độ Oxy khô (O 2 dry ), của carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), sulfur dioxide (SO 2 ), cái cuối cùng dùng để phân tích Organic (C org ) (hình 3) [5]. Hình 3. Các hệ thống đo và phân tích các thành phần phát thải trong khói lò của IEUT- Univ. Rostock- Germany [5] Với hệ thống thí nghiệm này, các thông số, kết quả đo của quá trình đốt được thực hiện điều chỉnh và hiển thị “Online” bằng máy tính điện tử. Các thành phần phát thải trong khói lò (NO x , CO, CO 2 3. Kết quả và thảo luận , Corg…), cũng như nhiệt độ ở các vị trí bên trong dọc theo chiều cao của lò được đo đạc nhờ các bộ cảm biến (Sensor) và thiết bị đo chuyên dụng [5]. Những đặc tính về hóa học và nhiệt trị thấp của các nguyên liệu đã được phân tích bằng các thiết bị chuyên dụng tại phòng thí nghiệm phân tích vật liệu và môi trường của IEUT- Uni. Rostock, CHLBĐ, kết quả phân tích được trình bày ở bảng 1. Kết quả phân tích này được dùng để so sánh đối chiếu giữa nguyên liệu dùng để thí nghiệm với một số loại SK ở Việt Nam để chứng minh và làm sáng tỏ tính tương đồng giữa chúng. Ngoài ra kết quả này còn được dùng để tính toán cho các mô hình cháy (đốt) lý thuyết, xem xét mức độ của các thành phần phát thải, làm cơ sở để lựa chọn nguyên liệu và so sánh với nghiên cứu thực nghiệm. Bảng 1 cho thấy, về cơ bản các thành phần hóa học của nguyên liệu bã cải dầu tương tự như SK ở Việt Nam, ngoại trừ vỏ trấu có thành phần tro là tương đối lớn hơn. Hình 4 biểu diễn kết quả của quá trình thí nghiệm. Qua đồ thị cho thấy các thông số chính như: nhiệt độ của lớp "Sôi" ở trong lò tại vùng "Sôi" T Wirbelbett ≈ 851° C, lượng cung cấp nguyên liệu m' Br ≈ 17,5 kg/h (tương ứng công suất nhiệt của nguyên liệu Q’ Br TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 37 ≈ 88 kW (kW- Kilowatt), lượng không khí cung cấp cho quá trình cháy V' Luft ≈ 135 m 3 /h, công suất đốt của lò Q’ F ≈ 90 kW và lượng oxy trong khói thải O 2tr Thành ph ần Nguyên liệu ≈ 12,4 Vol.% (Vol Volume). Bảng 1. Nhiệt trị thấp và các thành phần hóa học của nguyên liệu Sinh khối (C) (kg/kg) (H) (kg/kg) (O) (kg/kg) (N) (kg/kg) (S) (kg/kg) (a) (kg/kg) (w) (kg/kg) (Hu) (kJ/kg) Bã cải dầu 0,4670 *) 0,0633 0,2177 0,0575 0,0001 0,0693 0,1251 18086 Bã mía **) 0,4638 0,0576 0,4519 - - 0,0074 0,0193 16686 Vỏ trấu 0,3979 **) 0,0523 0,3863 0,0013 - 0,1392 0,0230 15196 Sơ dừa 0,4622 **) 0,0520 0,4163 0,0026 - 0,0300 0,0369 17408 Thân cây sắn/khoai mì 0,4434 **) 0,0576 0,4237 0,0065 - 0,0450 0,0238 15942 *) - Sinh khối của Đức; **) - Sinh khối của Việt nam; Hu- Nhiệt trị thấp của nguyên liệu Hình 4 . Đồ thị biểu diễn kết quả của quá trình thí nghiệm 1. Các ký hiệu: T Wirbelbett , T Freeboard , T RG - nhiệt độ (của lớp „sôi“, ở vùng trên của lò và của khói thải phía sau cyclone lọc bụi); V’ Luft - lưu lượng không khí cung cấp cho quá trình đốt; m’ Br - lượng cung cấp nguyên liệu; O 2tr - hàm lượng oxy trong khói thải;2. các chỉ số: RG - khói thải, MW- giá trị đo thực; arMW- giá trị trung bình. Nồng độ của các thành phần phát thải trong khói lò được mô tả ở hình 5. Nếu so sánh với tiêu chuẩn về Môi trường của Đức thì thành phần phát thải nitrogen dioxide (NO 2 /NO x ) lớn hơn giá trị cho phép (hình 4 & 5). Còn nếu đem so sánh với Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5939: 2005) [12], thì thành phần NO x Như vậy trong thực tế, nếu chỉ đốt tự nhiên (không có chất xúc tác) đối với phụ phẩm SK này, thì nồng độ của thành phần phát thải NO nhỏ hơn giá trị cho phép. x sẽ không đảm bảo được yêu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 38 cầu về môi trường không khí theo tiêu chuẩn của CHLB Đức (TA-Luft 2002). Do đó để thoả mãn/đáp ứng được yêu cầu về tiêu chuẩn môi trường thì cần thiết/bắt buộc phải dùng các biện pháp làm sạch và giảm thiểu các thành phần phát thải. Hình 5 . Đồ thị so sánh giữa kết quả thực nghiệm của các thành phần phát thải với các giá trị cho phép theo tiêu chuẩn về môi trường của Đức và Việt Nam (TA-Luft 2002 & TCVN) Còn nồng độ của thành phần carbon monoxide CO ≈ 39 mg/m 3 tc (m 3 tc- mét khối tiêu chuẩn) thỏa mãn/đáp ứng được yêu cầu về tiêu chuẩn Môi trường theo tiêu chuẩn TA-Luft 2002 (hình 5). Các thông số khác có thể xem chi tiết hơn trên hình 4. Riêng với nhiệt độ của khói thải ở vùng phía sau Cyclone lọc bụi tương đối cao (T RG 4. Kết luận ≈ 675 - 693° C) (hình 2). Như vậy người ta có thể sử dụng cho bộ trao đổi nhiệt (ví dụ calorifier) để tạo ra NL nhiệt sạch nhằm cung cấp cho các hệ thống cần tiêu thụ như: hệ thống chế biến nông-lâm-thủy sản. Đặc biệt có thể được dùng để tạo ra NL điện với phương thức phát điện bằng Gas turbine, nhà máy nhiệt điện, hoặc đồng phát nhiệt-điện. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nồng độ phát thải của các thành phần: CO rất nhỏ, còn NO x lớn hơn (nhưng không nhiều) so với giá trị cho phép theo tiêu chuẩn Môi trường của CHLB Đức. Cho nên cần áp dụng các phương pháp làm sạch và giảm thiểu các thành phần phát thải trong các nghiên cứu tiếp theo. Phương pháp đơn giản nhất là có thể dùng các chất phụ gia trong quá trình đốt nguyên liệu. Các chất phụ gia ở đây có thể là Urea CO(NH 2 ) 2 hoặc „Ammonia water“ (NH 4 Năng lượng nhiệt sơ cấp nhận được từ việc đốt phụ phẩm SK có thể được sử dụng để kết nối với các hệ thống cần tiêu thụ như: các hệ thống sấy, bảo quản và chế biến các sản phẩm nông-lâm nghiệp hoặc thủy sản. Đặc biệt có thể được dùng cho hệ thống đồng phát nhiệt-điện (đối với quy mô lớn) để tạo ra NL điện-nhiệt. OH). Các chất phụ gia này có thể trộn lẫn với nguyên liệu và thực hiện quá trình đốt cùng với nguyên liệu, hoặc có thể được cung cấp vào lò theo đường cung cấp riêng tại những vị trí thích hợp trên lò. Từ kết quả trên cho thấy, quá trình đốt cháy SK trong hệ thống SFBC là tương đối triệt để, hay nói cách khác là „cháy sạch“. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] (IET) - Institute of Environmental Technology 3 Science Park Drive. PSB Science Park Annex Singapore 118223. EC-ASEAN, Energy Facility Program, “New and Renewable Energy Opportunities for Electricity Generation in Vietnam”, This report was produced in conjunction with the Technology Partnership for New & Renewable Energy (NRE), 4 & 5 March 2004, Ho Chi Minh City Vietnam: 1-31, 2004. www.riet.org. [2] Barnard, G. and Kristoferson, L. Agricultural residues as fuel in the third World. Earth Scan Technical, No 4, International Institute for Environment and Development, London: 11-16, 1983. [3] England, S. B. and D. M. Kammen. Energy resources and development in Vietnam. Annu. Rev. Energy Environ. 18: 137-67, 1993. www.annualreviews.org/aronline. [4] Enweremadu, C.C., Ojediran, J.O., Oladeji, J.T. and Afolabi, L.O. Evaluation of energy potentials in husk from soybean and cowpea. Science Focus 8: 18-23, 2004. [5] N.D. Tung, D. Steinbrecht, J. Beu and E. Backhaus. Experimental Study on Hemp Residues Combustion in a small Scale sationary Fluidized Bed Combustor. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript EE 08 006. Vol. X. August: 1-11, 2008. [6] Nguyen Hoai Chau. Present Status on Biomass Energy Research and Development in Vietnam. Institute of Environmental Technology (IET), Vietnamese Academy of Science and Technology (VAST), 2006. [7] Nguyen Quang Khai. Problems of biomass energy development of Vietnam, The report at the conference of developing firm energy in Vietnam, 2006, Hanoi: 1-8, 2006. http://www.vids.org.vn. [8] Pham Khanh Toan. The quantitative research practicability of using sun energy, small hydroelectricity and biomass in industrial scale in Vietnam, The report of scientific technological summarizing, institute of energy, 7/2005, Hanoi-Vietnam, 2005. [9] Renewable Energy in Asia: the Vietnam report. An overview of the energy systems, renewable energy options, initiatives, actors and opportunities in Vietnam, August 2005. Australian Business Council for Sustainable Energy 3 rd [10] Soltes, E.J. Thermo-chemical routes to chemicals, fuels, and energy from forestry and agricultural residues. In: W.A. Cote (Editor), Biomass Utilization, Plenum Press, New York: 23-47, 1983. Floor, 60 Leicester Street, Carlton Victoria 3053: 1-18, 2005. www.bcse.org.au [11] Steinbrecht, D. Wirbelschichtfeuerungen, Schwerpunkt Stationäre Wirbelschicht- feuerungen. Abschnitt 2, Skript für Vorlesung, Uni. Rostock, Deutschland, 2008. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 40 [12] TA Luft 2002. Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissions- schutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft), Stand: 24.06.2002. Bei: http://www.bmu.de (Febr. 2008). [13] TCVN 5939: 2005. Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ; http://www.nea.gov.vn/TCVNMT/Toanvan/TCVN_5939- 2005.pdf [14] Tung D. Nguyen and D. Steinbrecht. “Modeling a Combined Heat and Power Cogeneration System in Vietnam with a Fluidized Bed Combustor Burning Biomass”. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript EE 08 008. Vol. X. September, 2008 http://www.cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/viewFile/1125/1040. . TẮT Bài báo này giới thiệu nghiên cứu thực nghiệm sự đốt cháy phụ phẩm sinh khối (bã cải dầu) trong lò đốt tầng sôi sử dụng silicát làm vật liệu trợ đốt. Thực nghiệm được thực hiện trong vùng. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 33 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ĐỐT CHÁY SINH KHỐI TRONG LÒ ĐỐT TẦNG SÔI TĨNH QUY MÔ NHỎ (SFBC-400) EXPERIMENTAL. tích trên cho thấy việc nghiên cứu sự đốt cháy phụ phẩm SK để tạo ra nguồn NL (nhiệt) là rất cần thiết, nhất là đối với Việt Nam trong giai đoạn hiện nay. Bài báo này giải quy t vấn đề xác định,