Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV SẢN XUẤT DẦU SINH HỌC TỪ SINH KHỐI BẰNG CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHANH TRONG LÒ TẦNG SÔI PRODUCING BIO - OIL FROM BIOMASS BY THE FAST PYROLYSIS ENGINEERING IN A FLUIDIZED BED FURNACE ThS Phạm Duy Vũ1a, PGS.TS Hoàng Dương Hùng2b, PGS.TS Nguyễn Đình Lâm1c, PGS.TS Trần Văn Vang1d Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Quảng Bình a phamduyvubk@gmail.com; b hdhung@gmail.com; c ndlam@dut.udn.vn; d bkmt69@gmail.com TÓM TẮT Trên sở kết nghiên cứu động lực học trình nhiệt phân nhanh sinh khối lò tầng sôi chọn khoảng nhiệt độ thích hợp nhiệt phân nhanh công bố báo [1], [2], nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh tầng sôi với công suất 300 g/h Từ hệ thống thiết bị này, nhóm nghiên cứu thực thí nghiệm thực tế xác định thông số động lực học nhằm trì tầng sôi lò nhiệt phân, đồng thời xác định lượng sản phẩm dầu sinh học, chất rắn, khí đặc tính dầu sinh học nhiệt phân bã mía Từ khóa: dầu sinh học, sinh khối, nhiệt phân nhanh, lò tầng sôi, động lực học lò tầng sôi ABSTRACT Based on the dynamic researching result about the fast pyrolysis process in a fluidized bed furnace and chose the appropriate temperature range as fast pyrolysis that were published in the articles [1], [2], the authors designed and manufactured the producing bio-oil from biomass system by the fast pyrolysis engineering in a fluidized bed furnace with a capacity of 300 g/h From this system, the authors performed the actual experiments determining dynamic parameters for maintaining the fluidized bed in a pyrolysis furnace, also determining the bio-oil, solid, gas productions quantities and the bio-oil properties as performing the bagasse pyrolysis Keywords: bio-oil, biomass, fast pyrolysis, fluidized bed furnace, fluidized bed furnace dynamics ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, giới nguồn lượng sinh khối chiếm khoảng 63% tổng số lượng tái tạo, chiếm (14-15)% tổng nguồn lượng [5] Ước tính đến năm 2050, sinh khối dùng làm nhiên liệu đáp ứng khoảng 38% lượng nhiên liệu toàn cầu 17% lượng điện sử dụng giới [6] Ở nước phát triển lượng sinh khối đóng góp khoảng 35% tổng nhu cầu lượng Vì lượng sinh khối giữ vai trò quan trọng chiến lược nghiên cứu ứng dụng lượng tái tạo nhiều tổ chức quốc tế có khả giữ vai trò sống việc đáp ứng nhu cầu lượng giới tương lai Sinh khối nguồn nhiên liệu tạo từ trình khai thác nông lâm nghiệp trấu, bã mía, dăm bào, mùn cưa, rơm rạ, thân ngô Hằng năm giới nguồn sinh khối có khoảng nửa tỷ tấn, châu Á chiếm khoảng 92% Nếu không tận dụng nguồn nhiên liệu để chuyển thành nguồn nhiên liệu có ích gây ô nhiễm môi 554 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV trường thải bỏ bừa bãi Ưu điểm sinh khối hàm lượng lưu huỳnh ni tơ thấp nên sử dụng nguồn lượng không gây hiệu ứng nhà kính Đến nay, có phương pháp cho phép sử dụng hiệu nguồn lượng từ sinh khối, là: nhiệt hóa, sinh hóa hóa học Quá trình nhiệt hóa gồm trình đốt cháy tạo lượng nhiệt, trình khí hóa tạo khí tổng hợp hỗn hợp CO H sau sử dụng nhiên liệu nguyên liệu cho trình khác, trình nhiệt phân tạo khí, rắn, lỏng (dầu sinh học) Bên cạnh đó, tồn trình sinh hóa tạo biogas, bioethanol trình hóa học tạo Biodiesel Trong trình nhiệt phân cho phép thu sản phẩm khí, rắn, lỏng Nhiên liệu khí bao gồm khí H , CO, CO , CH , H , C H , C H [3], sử dụng để cung cấp nhiệt cho trình sấy sinh khối Chất rắn cốc sử dụng làm than hoạt tính phục vụ công nghiệp, đời sống cung cấp nhiệt cho trình nhiệt phân Nhiên liệu lỏng dầu sinh học thuận tiện cho vấn đề bảo quản vận chuyển, nâng cấp để sử dụng ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện Hiệu sản xuất dầu sinh học đạt hiệu cao (lên đến 60%) thực theo công nghệ nhiệt phân nhanh [4] Tuy nhiên, trình nhiệt phân nhanh trình phức tạp, phụ thuộc vào yếu tố như: công nghệ nhiệt phân nhanh (kiểu tầng sôi, kiểu ly tâm, kiểu chân không, kiểu lò quay), loại nhiên liệu, kích cỡ nhiên liệu, tốc độ gia nhiệt, hình dạng nhiên liệu, kết cấu lò phản ứng Vì vậy, để đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến trình nhiệt phân đánh giá đặc tính, chất lượng dầu sinh học nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống nhiệt phân sinh khối sản xuất dầu sinh học theo công nghệ tầng sôi PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Lựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh Theo kết nghiên cứu Bridgwater A.V (2012) [4], yếu tố ảnh hưởng đến trình nhiệt phân nhanh là: - Tốc độ gia nhiệt cao, từ (10 ÷ 1.000)oC/s - Nhiệt độ lò nhiệt phân từ (400 ÷ 600)oC - Thời gian khí lưu lại lò < (2-5)s Hơi nhiệt phân sol khí phải làm lạnh nhanh để hạn chế trường hợp chúng kết hợp lại với Để thực yêu cầu trên, trình nhiệt phân nhanh thực theo công nghệ nhiệt phân lò tầng sôi, lò nón quay, lò chân không lò ly tâm mô tả hình [4] Trong thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học giới thiệu hình 1, kiểu lò tầng sôi tĩnh (hình 1.a) có nhiều ưu điểm dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ phản ứng, gia công chế tạo vận hành đơn giản thiết bị kiểu lò nón quay, lò chân không, lò ly tâm Từ ưu điểm với kết nghiên cứu động lực học tầng sôi, thiết kế lò tầng sôi công bố [1], [2] kinh nghiệm thực tế vận hành thiết bị theo công nghệ tầng sôi chọn kiểu lò tầng sôi tĩnh để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học Hiện nay, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu thu hồi dầu sinh học từ lò nhiệt phân 555 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV b Lò ly tâm PCR a Lò tầng sôi tĩnh c Lò nón quay c Lò chân không Hình Các sơ đồ nguyên lý nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 2.2 Lò nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học 2.2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi mô tả hình Sinh khối (bã mía) nghiền nhỏ có kích cỡ trung bình từ (1-2)mm, độ ẩm < 10% cấp vào bình chứa sinh khối (6) Sinh khối cấp vào lò nhiệt phân (9) nhờ vít tải nhiên liệu (5) Lưu lượng sinh khối cấp vào phụ thuộc vào vận tốc vít tải điều chỉnh biến tần Lớp cát có sẵn lò với độ cao 70mm Khí nitơ dẫn vào buồng gia nhiệt điện trở có công suất N = 2kW, gia nhiệt lên đến nhiệt độ t = (400 – 500)oC dẫn vào ống phun (10) Vận tốc khí nitơ điều chỉnh theo giá trị tính toán để lớp cát sinh khối trì trạng thái tầng sôi Dọc theo thân lò nhiệt phân nhiệt độ giảm dần nhiệt lượng cung cấp cho trình nhiệt phân tổn thất, để nâng cao hiệu trình nhiệt phân cần phải trì nhiệt độ bên lò ổn định từ (400 – 500)oC ta lắp thêm điện trở phụ Sinh khối cấp vào bên lò tạo lớp sôi môi trường khí nitơ có nhiệt độ t = (400 – 500)oC, sinh khối phân hủy thành chất rắn hỗn hợp khí CO, CO , H , hydrocacbon Các chất rắn thu lại cyclon (12) Hỗn hợp khí dẫn vào tháp ngưng tụ (14) tháp tĩnh điện (15), qua thiết bị khí ngưng tụ lại thành dầu sinh học số khí không ngưng tụ thoát Hệ thống lắp đặt thiết bị đo lường để kiểm soát thông số áp suất, lưu lượng khí nitơ, nhiệt độ bên lò phản ứng, trở lực tầng sôi 556 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 200 Thiết bị điều khiển tự động: sử dụng biến tần điều chỉnh tốc độ động để cung cấp sinh khối Sử dụng Thermostat điều khiển điện trở điện trở phụ để trì nhiệt độ khí nitơ bên thân lò từ t=(400 – 500)oC lít/phút Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi 1.Bình chứa khí nitơ, Áp kế, Lưu lượng kế, Lớp vật liệu bảo ôn, Vít tải, bình chứa sinh khối, phễu cấp sinh khối, Điện trở phụ, Thân lò, 10 Ống phun, 11 Đầu đo nhiệt độ, áp suất, 12 Cyclon, 13 Nước giải nhiệt, 14 Tháp ngưng tụ, 15 Tháp thu hồi dầu kiểu tĩnh điện, 16 Bình chứa dầu sinh học, 17 Thanh điện trở 2.2.2 Các thông số thiết kế vận hành hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi Hiện nay, nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo lắp hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với lượng sinh khối khối G = 300 g/h (hình 3) Các thông số thiết kế thông số vận hành sử dụng sinh khối bã mía giới thiệu bảng bảng Bảng Các thông số thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân STT Thông số thiết kế Đơn vị Giá trị Đường kính thân lò mm 54 Chiều cao thân lò mm 600 Công suất điện trở gia nhiệt kW Số lượng ống phun Đường kính ống phun mm 13 Chiều cao tháp ngưng tụ mm 250 Đường kính tháp ngưng tụ mm 60 557 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 3: Hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi với công suất 300 g/h Bảng Các thông số vận hành hệ thống thiết bị nhiệt phân Thông số vận hành Đơn vị Giá trị Áp suất khí nitơ cấp vào bình gia nhiệt Lưu lượng khí nitơ Nhiệt độ khí nitơ ống phun Vận tốc góc trục vít tải at lít/phút 25 C 470 vòng/phút 180 Đường kính trung bình hạt cát mm 1,5 Đường kính trung bình hạt bã mía mm Độ ẩm bã mía % 7,1 Lượng bã mía cấp vào hệ thống kg/h 300 Kết phân tích thành phần hóa học thành phần nguyên tố bã mía thể bảng Bảng Thành phần hóa học thành phần nguyên tố bã mía Tên tiêu Đơn vị Phương pháp thử Kết STT Thành phần hóa học 1.1 Hemicellulose % KT2.K2.TN-30/TP 24,44 1.2 Cellulose % KT2.K2.TN-30/TP 44,5 1.3 Ligin % KT2.K2.TN-30/TP 18,6 Thành phần nguyên tố 2.1 C % ASTM D5373-08 45,1 2.2 H % ASTM D5373-08 6,2 2.3 N % AOAC 993.13(2012) 0,46 2.4 S % TCVN 175:1995 Không phát ( ... sản xuất dầu sinh học 2.2 Lò nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học 2.2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối công nghệ nhiệt phân nhanh lò tầng sôi. .. theo công nghệ nhiệt phân lò tầng sôi, lò nón quay, lò chân không lò ly tâm mô tả hình [4] Trong thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học giới thiệu hình 1, kiểu lò tầng sôi tĩnh... theo công nghệ tầng sôi chọn kiểu lò tầng sôi tĩnh để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học Hiện nay, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu thu hồi dầu sinh học từ lò nhiệt