Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Mở đầu Yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên công nghệ, đặc biệt là các sinh viên đang trong giai đoạn cuối của khoá học là phải biết khai thác , tìm hiểu và trình bày một nội dung cụ thể về chuyên ngành đã đợc đào tạo.Qua việc tìm hiểu đó sinh viên có thể nhận thấy các vấn đề mới, ứng dụng các kiến thức đã đợc học , biết cách trình bày vấn đề một cách khoa học nhất , đồng thời học cách làm việc theo nhóm. Với các yêu cầu và lợi ích đó , việc thực hiện đồ án môn học trớc khi bớc vào làm tốt nghiệp là vô cùng cần thiêt với sinh viên . Dựa trên sự hớng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Văn Đình Sơn Thọ , cùng sự tìm hiểu của bản thân , bản đồ án sau đây xin phép đợc trình bày về nội dung : Công nghệ sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Quá trình tìm hiểu và nhận thức của sinh viên không thể tránh khỏi những hạn chế , thiếu sót.Vì vậy , sinh viên rất mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của thầy cô , bạn bè để hoàn thiện hơn vấn đề đợc chọn. Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 1 §å ¸n m«n häc S¶n xt khÝ tỉng hỵp tõ gç PhÇn I ; Tỉng quan I) Ngn gèc vµ vai trß cđa Biomas trong cc sèng ngµy nay : - Biomass lµ vËt liƯu h÷u c¬ dù tr÷ ¸nh s¸ng mỈt trêi díi d¹ng n¨ng lỵng ho¸ häc .Khi ®ỵc ®èt ch¸y , n¨ng lỵng ho¸ häc nµy ®ỵc gi¶ phãng díi d¹ng nhiƯt .ChÝnh Biomas ®· sëi Êm cho cho c¸c c¨n hé vµ toµ nhµ trªn thÕ giíi hµng ngµn n¨m nay . - C¸c d¹ng cđa Biomass : Biomass cã rÊt nhiỊu d¹ng : + Gç + S¶n phÈm phơ cđa ngµnh l©m nghiƯp + ChÊt th¶i n«ng nghiƯp …. - ViƯc sư dơng ngn nguyªn liƯu Biomass cã thĨ ®ãng gãp ®¸ng kĨ vµo mơc tiªu chèng thay ®ỉi khÝ hËu toµn cÇu , gi¶m hiƯu øng nhµ kÝnh , ®ång thêi sÏ cung cÊp c¬ héi míi cho c¸c ngµnh n«ng nghiƯp vµ l©m nghiƯp , c¶i thiƯn vÊn ®Ị an ninh n¨ng lỵng toµn cÇu . - Lỵi Ých m«i trêng , an ninh n¨ng lỵng thùc sù chØ cã khi Biomass ®ỵc ¸p dơng mét c¸ch phï hỵp nhÊt .trong ®ã híng s¶n xt ®iƯn tõ Biomass ®ang lµ mét híng ®i ®ỵc quan t©m trong kho¶ng htêi gian gÇn ®©y. ë níc Mü ®· cã tõ 1-2% lỵng ®iƯn tiªu thơ ®ỵc sinh ra b»ng ph¶n øng ch¸y cđa Biomass .H¹n chÕ lín nhÊt hiƯn nay lµ Biomass thêng tån t¹i ë d¹ng r¾n , do ®ã kh¶ n¨ng ¸p dơng vµo thùc tÕ cha cao . B»ng qu¸ tr×nh khÝ ho¸ cã thĨ kh¾c phơc h¹n chÕ nµy . §©y còng lµ híng nghiªn cøu ®ỵc tËp trung hiƯn nay vỊ c«ng nghƯ Biomass . - VỊ b¶n chÊt chu kú cacbon lµ nguyªn t¾c ®øng ®»ng sau c«ng nghƯ Biomass : Khi thùc vËt sinh trëng chóng hÊp thơ CO 2 trong m«i trêng vµ dù tr÷ nã th«ng qua qu¸ tr×nh quang hỵp .Mét lỵng CO 2 t¬ng ®¬ng ®ỵc gi¶i phãng khi thùc vËt bÞ ph©n hủ tù nhiªn hc bÞ ®èt ch¸y . Nh vËy Biomass kh«ng ®ãng gãp vµo qu¸ tr×nh sinh ra khÝ th¶i nhµ kÝnh . II) Qu¸ tr×nh chun ho¸ tõ Biomass vµ c¸c s¶n phÈm cđa chóng [1] : 1)Qu¸ tr×nh khÝ ho¸ trªn c¬ së Biomass Sinh viªn : Ngun ViƯt Hµ Líp : HD2-K48 2 Khí sản phẩm Đốt Thực vật CO 2 CO 2 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ 2)Các quá trình biến đổi khác trên cơ sở Biomass : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 Biomass air oxygenhydrogen heat Air gasifier pyrolysis gasifier Hydro gasifier oxygen gasifier gassteampower Pyrolysis oil Low energy gas ( N2) medium energy gas ( N2) Synthetic liquids Char Pyrolysis oil 3 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Sử dụng quá trình khí hoá , sản xuất điện năng từ nguyên liệu sinh học : Bản chất của quá trình vẫn là một dạng của quá trình biến đổi nhiệt dới dạng nhiệt phân của vật liệu Biomass : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 4 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Lợi ích từ nguồn trong việc sản xuất điện năng là rất rõ ràng , chính vì vậy mà các nớc trên thế giới đều đang đẩy mạnh phát triển công nghệ này .Đi đầu trong lĩnh vực này là các nớc nh : Mỹ , Đức , Nhật Bản - Mỹ là nớc sản xuất điện Biomass lớn nhất thế giói .Có hơn 380 nhà máy điện sinh học sản xuất trên 7000MW điện mỗi năm đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình đồng thời tạo việc làm cho hơn 66.000 lao động .Các nhà máy này sử dụng phế thải từ các nhà máy giấy , nhà máy chế biến gỗ , các sản phẩm phụ của ngành nông nghiệp , cành lá từ các vờn cây ăn quả Bộ năng lợng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang đợc phát triển sẽ giúp ngành điện Biomass sản xuất trên 13000 MW vào năm 2013 và tạo điều kiện thêm cho hơn 1000.000 lao động . Năng lợng Biomass chiếm khoảng 4% tổng năng lợng đợc tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lợng tái sinh . - ở Scotland , sản xuất điện và các nhiên liệu Biomass tiêu thụ 4 triệu tấn gỗ tơi hàng năm , hạn chế khoảng 2,5 triệu tấn CO 2 và khoảng 20.000 tấn SO 2 thải vào môi trờng .Đồng thời , một ngành công nghiệp mới trên cơ sở Biomass cũng đã mở ra một hớng đi mới , một ngành công nghiệp mới ở nông thôn . III) Các công nghệ khí hoá hiện đã và đang áp dụng trên thế giới : Nh đã phân tích ở trên , để có thể áp dụng rộng rãi Biomass vào thực tế , quá trình khí hoá là vô cùng quan trọng .Nguồn nguyên liệu Biomass cho quá trình khí hoá vô cùng phong phú . áp dụng với điều kiện Việt Nam , chọn vật liệu cho quá trình khí hoá chọn là gỗ. 1)Thành phần và sự biến đổi cấu trúc của nguyên liệu : Thành phần hoá học của gỗ rất phức tạp , phần lớn là các hợp chất cao phân tử .Các hợp chất này không phải là hỗn hợp cơ học mà là một hệ thống gồm các chất có tơng tác với nhau về hoá lý hoặc hoá học . Để phân tích hoặc nghiên cứu các cấu tử của gỗ , cần thiết phải tách riêng chúng ra khỏi các thành phần khác . Gỗ sau khi đợc giải phóng khỏi các chất trích ly chỉ còn lại Lignin và Holoxenluloza . Holoxenluloza gồm có Xenluloses và Hemixenluloses . Lignin là một hợp chất cao phân tử .Câú tạo của đại phân tử lignin dựa trên bộ khung của đơn vị Phenyl propan . Phân tích thành phần của một số loại gỗ cho ở bảng sau : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 5 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Loại gỗ Xenluloses Hemixenluloses Lignin Gỗ lá kim 43-44% 26-27% 27-29% Gỗ lá rộng 40-53% 27-40% 16-30% Bã mía 40-50% 20-25% 18-23% Tre,nứa 50-66% 15-22% 21-30% Sự thay đổi cấu trúc của gỗ và các phản ứng hoá học xẩy ra khi tăng nhiệt độ: Khi tiếp xúc với nguồn nhiệt : nhiệt độ lớn hơn 100 o C thì các liên kết hoá học trong gỗ sẽ bị phá vỡ .Căn cứ vào đó , ngời ta chia ra làm 4 chế độ nhiệt độ khác nhau: a)Khoảng nhiệt độ từ 100-200 o C : Trong khoảng nhiệt độ này gỗ sẽ bị khử nớc .Sản phẩm của nó sẽ là hơi nớc và một số chất khí không cháy ( CO 2 ) .Ngoài ra còn thu đợc sản phẩm lỏng trong đó có chứa axit Formic ( HCOOH) ; axit Acetic (CH 3 COOH) . Nếu cứ giữ nhiệt độ này một thời gian dài thì gỗ sẽ chuyển thành than , các phản ứng toả nhiệt sẽ xuất hiiện do oxy khong khí có thể khuyếch tán vào trong thiết bị tạo thành than . b)Khoảng nhiệt độ từ 200-300 o C : Trong khoảng nhiệt độ này một số thành phần trong gỗ sẽ bị nhiệt phân tạo nên CO và thành phần lỏng có nhiệt độ cao . Ví dụ : Hemixenluloses , Lignin bị nhiệt phân trong khoảng nhiệt độ từ 200-300 o C và 225-450 o C Một lợng lớn axit Acetic đợc tạo ra do nhiệt phân thành phần Hemixenluloses trong gỗ .Mặt khác ở nhiệt độ này cũng xảy ra phản ứng loại nớc cho quá trình nhiệt phân Hemixenluloses và Lignin làm cho lợng than đ- ợc sinh ra nhiều hơn mặc dù hàm lợng Celluloses hầu hết vẫn còn nguyên . Nhiệt độ của quá trình sẽ tăng dần cho đến khi các liên kết Celluloses bị phá vỡ hình thành các gốc hoạt động nh cacbonyl , cacboxyl , hydro peroxide. - Các phản ứng nhiệt phân là các phản ứng thu nhiệt dẫn đến giảm phản ứng loại nớc trong khi đó hàm lợng CO lại tăng lên do phần than tham gia phản ứng với H 2 O và CO 2 c) Khoảng nhiệt độ 300-450 o C : Khoảng nhiệt độ này , gỗ sẽ sinh ra một lợng lớn chất dễ bay hơi có thể cháy đợc .Bắt đầu với quá trình depolymerization ở nhiệt độ 300 o C các chất béo bị tách ra khỏi vòng thơm trong lignin . Do vậy , khi nhiệt độ tăng từ 370-400 o C Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 6 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ , liên kết cacbon trong lignin đã bị phá vỡ .Phản ứng này là phản ứng toả nhiệt với hiệu suất cao nhất nằm trong khoảng 225-450 o C . 2)Các dạng công nghệ khí hoá đang đ ợc áp dụng trên thế giới : a) Công nghệ khí hoá tầng chặt (Fixed bed) : - Sơ đồ công nghệ : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 7 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ - Trong công nghệ khí hoá tầng chặt đợc chia nhỏ thành các công nghệ sau: Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 8 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ + Công nghệ Updraft fixed bed : Đặc tính kỹ thuật của lò khí hoá ; Năng suất theo nguyên liệu : 0,2-1tấn nguyên liệu khô/h Kích thớc nguyên liệu : 5-100mm Độ ẩm : 10-60% + Công nghệ Downdraft fixed bed : Năng suất tính theo nguyên liệu : 400kg nguyên liệu khô /h Kích thớc nguyên liệu : 20-100mm Độ ẩm : <20% Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 Fixed bed Staged gasification downdraftupdraft 9 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ + Công nghệ Staged gasification: So sánh giữa Updraft fixed bed và Downdraft fixed bed: Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 10 [...]... cùng các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ sinh viên trong qúa trình hoàn thiện bản đồ án này Phụ lục 1 : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 27 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Phụ lục 2 : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 28 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Tài liệu tham khảo Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 29 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ 1 Reed , Thomá... H2S : mH2S = 0,026 [kmol/h] Thống kê thành phần khí sản phẩm : Khí mi[kmol/h] % CO 27,8 51,056 Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 25 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ CO2 1,73 3,178 H2 24,893478 45,718 H2S 0,026 0,048 Tổng 54,449478 100 Kết luận Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 26 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Bản đồ án đã hoàn thành đợc các công việc sau đây : - Đa... Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 11 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Moving bed Moving grate Rotating furnace c)Công nghệ khí hoá tầng sôi : -Sơ đồ công nghệ : -Phân loại : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 12 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Fluidized bed Bubbling fluidized bed circulating fluidized bed Entrained flow - Lò khí hoá tầng sôi: Đặc điểm : + Dễ dàng điều... Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ a: Thiết bị hấp phụ b: Tháp tách pha c: Hot regeneration d: Thiết bị ngng tụ e: Tháp tách Metanol-nớc Công nghệ Rectisol chọn lọc : a: Tháp hấp phụ H2S b: Tháp hấp thụ CO2 c: Flash regeneration d: Stripper e: Tháp nhả hấp thụ f: Hot regeneration Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 16 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ V) Đánh giá các... lò khí hoá cần đợc ché biến cẩn thận Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 18 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Phần II : TíNH TOáN Số liệu đầu vào : - Năng suất thiết bị : M=20tấn /ngày - Thành phần của nguyên liệu : + Hàm lợng chất bốc : >70% + Tro: 1,5% + Hàm lợng ẩm : 20% - Thành phần hoá họccủa nguyên liệu : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 19 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp. .. chất CH1,4O0,6 Lợng Biomass dry này sẽ chuyển hoá thành khí tổng hợp khi nhiệt độ tăng cao theo các phản ứng sau : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 14 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Khí sinh ra sẽ kéo theo một phần cacbon vào thiết bị Cyclon Tại đây , Cacbon sẽ đợc tách ra khỏi hỗn hợp khí , đợc đa vào thiết bị cháy Oxy đợc đa vào từ phía dới thiết bị cháy Trong thiết bị cháy xẩy ra... nhiệt độ khí lúc ra khỏi lớp nhiên liệu hầu nh không hạ thấp mà Zone nhiệt độ cao chỉ bị kéo dài ra Nh vậy , nếu độ ẩm nhiên liệu cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt để bốc hơi, đốt nóng chúng đến nhiệt độ dòng khí khô , đồng thời giảm chất lợng khí , Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 17 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ không những thế ta còn phải tổ chức chiều cao lớp nguyên liệu hợp lý... Hà 23 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ = 4,053 [kmol/h] - Lợng Cacbon còn lại trong thiết bị khí hoá : mC Còn lại = mC - mC TB cháy [kmol/h] = 11,58 - 4,053 [kmol/h] = 7,527 [kmol/h] V) Tính toán cho thiết bị khí hoá : Trong thiết bị khí hoá : CO2 + 399,45Kj/Kmol C + O2 - Lợng Oxy cần thiết là : moxy = 4,053 [kmol/h] CO2 sinh ra sẽ đợc tuần hoàn về thiết bị khí hoá , tại đây xẩy... Từ (4) : Lợng C phản ứng với H2O là : mC 1 = 4,63 [kmol/h] - Lợng CO2 sinh ra từ (4) và (5) là : mCO2 = 4,63 [kmol/h] - Lợng C phản ứng với CO2 là : Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 24 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ mC 2 = 7,527 - 4,63 [kmol/h] = 2,9 [kmol/h] - Lợng CO2 sau phản ứng là : mCO2 sau phản ứng = 4,63 2,9 [kmol/h] = 1,73 [kmol/h] Nh vậy khí thu đợc ở đầu ra thiết bị khí. .. flow - Lò khí hoá tầng sôi: Đặc điểm : + Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ và thời gian lu + Chuyển quy mô thiết bị dễ dàng + Khí sản phẩm khôg lẫn tạp chất cơ học Sinh viên : Nguyễn Việt Hà 13 Lớp : HD2-K48 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ + Giới hạn độ ẩm Biomass : . gasification downdraftupdraft 9 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ + Công nghệ Staged gasification: So sánh giữa Updraft fixed bed và Downdraft fixed bed: Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 10 Đồ án môn học Sản. N2) Synthetic liquids Char Pyrolysis oil 3 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ Sử dụng quá trình khí hoá , sản xuất điện năng từ nguyên liệu sinh học : Bản chất của quá trình vẫn là một dạng. khí khô , đồng thời giảm chất lợng khí , Sinh viên : Nguyễn Việt Hà Lớp : HD2-K48 17 Đồ án môn học Sản xuất khí tổng hợp từ gỗ không những thế ta còn phải tổ chức chiều cao lớp nguyên liệu hợp