ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN

KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHÍ
HÓA TRẦU

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã ngành: 60 52 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Tấn Việt

Chữ ký:

TS. Nguyễn Đình Quân Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lý Cẩm Hùng

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Tuấn Anh


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••

Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN PHÚC THIÊN

MSHV: 1570721

Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1989 Chuyên ngành:

Nơi sinh: TPHCM

Kỹ thuật hóa học

Mã số : 60 52 03 01

I. TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA TRẦU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình khí hóa trấu
Thực nghiệm khí hóa trấu trên quy mô pilot với tác nhân không khí

-

Thực nghiệm khí hóa trấu trên quy mô pilot với tác nhân không khí và hơi nước
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Tháng 7/2017

III.


của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như khi thực
hiện đề tài.

IV


TÓM TẮT

Biomass là một nguồn năng lượng tái tạo và là năng lượng sạch. Các quốc gia trên khắp thế
giới đang ngày càng quan tâm đến sinh nguồn năng lượng sạch này vì nó có thể làm giảm hiệu ứng
nhà kính một cách hiệu quả do không phát thải CƠ2. Trong số các công nghệ chuyển hóa biomass,
công nghệ khí hoá là một giải pháp hấp dẫn để sử dụng biomass một cách hiệu quả.
Quá trình khí hoá được nghiên cứu dựa trên quá trình khí hóa ngược chiều và được mô phỏng
bằng phần mềm Aspen Plus V8. Mô hình mô phỏng quá trình này sử dụng phương pháp năng lượng
tự do Gibbs và mô hình tính toán chất rắn không thông thường. Các thông số hoạt động chính bao
gồm lưu lượng không khí, tỷ lệ hơi nước/trấu, và nhiệt độ khí hoá được thay đổi bằng cách sử dụng
phân tích sentivity của Aspen Plus. Ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số về thành phần khí tổng
họp đầu ra, nhiệt trị thấp của khí tổng họp được nghiên cứu.
Kết quả phân tích bằng công cụ sentivity cho thấy khi tăng tỷ lệ hơi nước/trấu sẽ làm tăng
năng suất hydro và tỷ lệ hàm lượng hydro trong khí tổng họp, trong khi tăng S/A có ảnh hưởng tiêu
cực đến việc tăng giảm nhiệt trị của khí tổng họp. Nhiệt độ hoá khí tăng làm giảm hiệu quả khí hoá
và năng suất hydro, trong khi nó có ảnh hưởng tích cực đến sự gia tăng nhiệt trị thấp của khí tổng họp.
Các kết quả khí hóa diễn ra một chút khác nhau khi tỷ lệ hơi nước/trấu và nhiệt độ khí hóa thấp.

V


ABSTRACT
Biomass is an abundant resource of renewable and green energy. It attracts an increasing interest
from all over the world because this is the most efficient way to cut the greenhouse effects from the

Tổng quan về nguyên liệu .................................................................................................... 1

1.1.1. Đại cương về biomass .......................................................................................................... 1
1.1.2. Thành phần hóa học của biomass ...................................................................................... 1
1.1.3. Các nguồn sinh khối phổ biến là ........................................................................................ 3
1.1.4. Sản phẩm từ biomass ........................................................................................................... 3
1.1.5. Sự chuyển hóa sinh khối .................................................................................................... 3
1.1.6. Tổng quan về trấu ................................................................................................................ 4
1.2.

Tổng quan về quá trình khí hóa ............................................................................................ 7

1.2.1. Khái niệm ............................................................................................................................. 7
1.2.2. Sản phẩm sau quá trình khí hóa ........................................................................................... 8
1.2.3. Nguyên lý của quá trình khí hóa .......................................................................................... 8
1.2.4. Quá trình hình thảnh và phân hủy tar................................................................................... 9
1.2.5. Các loại thiết bị khí hóa ..................................................................................................... 11
1.2.6. Tình hình phát triển khí hóa trên thế giới .......................................................................... 17
1.2.7. Tình hình phát triển khí hóa sinh khối tại Việt Nam ......................................................... 18
1.3.

Tổng quan về mô phỏng trong Công nghệ Hóa học ........................................................... 19

1.3.1. Định nghĩa về mô phỏng .................................................................................................... 19
1.3.2. Tính chất của mô hình ........................................................................................................ 20
1.3.3. Phần mềm mô phỏng Aspen Plus v8.4 .............................................................................. 21
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG NGHIÊN cứu ....................................................................................... 34
2.1.

Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình khí hóa trấu trên thiết bị khí hóa ......................... 34

3.1.8. Nhiệt trị thấp (LHV) của dòng khí sản phẩm ................................................................... 58
3.2.

Khảo sát sự ảnh hưởng của quá trình thêm hơi nước vào tác nhân không khí lên quá trình khí

hóa

59

3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ hơi nước/không khí lên thànhphần khí sản phẩm59
3.2.2. So sánh tỉ lệ của co của mô hình Aspen Plus vói thực nghiệm .......................................... 61
3.2.3. So sánh tỉ lệ của H2 của mô hình Aspen so với thực nghiệm ............................................ 62
3.2.4. Tỉ lệ CO/H2 theo các tỉ lệ S/A khác nhau........................................................................... 63
3.2.5. Khảo sát quan hệ giữa các thành phần khí syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa ............... 64
3.2.6. Năng lượng tỏa nhiệt khi đốt khí syngas dựa theo các tỉ lệ S/A khác nhau ..................... 65
3.2.7. Phản ứng Tar-cracking ..................................................................................................... 65
KÉT LUẬN - KIÉN NGHỊ ........................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 68
PHỤ LỤC ....................................................................................................................................... 72

11


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các phương pháp chuyển hóa sinh khối............................................................................ 4
Hình 1.2: cấu tạo hạt lúa .................................................................................................................... 5
Hình 1.3: Quá trình khí hóa FICFB ................................................................................................... 18
Hình 1.4: Bếp trấu hóa gas của GS. Trần Bình (Vinasilic) ............................................................... 19
Hình 2.1: cấu tạo thiết bị khí hóa tầng cố định ngược chiều ............................................................. 34
Hình 2.2: Sơ đồ mô hình khí hóa dạng ngược chiều ......................................................................... 35


Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ CO/CO2 trong dòng khí sản phẩm theo các mức tỷ lệ ER khác nhau
........................................................................................................................................................... 56
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ CO/H2 trong dòng khí sản phẩm theo các mức tỷ lệ ER khác nhau 57
Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn thành phần khí syngas theo các nhiệt độ vùng khí hóa .......................... 57
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn nhiệt trị của dòng khí sản phẩm theo các tỷ lệ ER khác nhau.... 59
Hình 3.9: Thành phần khí sản phẩm theo các giá trị S/A khác nhau ................................................ 60
Hình 3.10: Phần trăm thể tích của khí co theo các tỉ lệ S/A dựa trên Aspen Plus và thực nghiệm... 61
Hình 3.11: Phần trăm thể tích của H2 theo các tỉ lệ S/A dựa trên Aspen và thực nghiệm.... 62
Hình 3.12: Tỉ lệ CO/H2 theo các tỉ lệ S/A khác nhau........................................................................ 63
Hình 3.13: Sự thay đổi thành phần syngas theo nhiệt độ vùng khí hóa ............................................ 64
Hình 3.14: Nhiệt trị thấp của khối khí sản phẩm theo các tỉ lệ S/A .................................................. 65
Hình 3.15: Sự ảnh hưởng của phản ứng tar-cracking đến thành phần khí sản phẩm ........................ 66

IV


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1:Thành phần các chất trong biomass ..................................................................................... 1
Bảng 1.2: Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ ................................................................................. 2
Bảng 1.3: Tiềm năng năng lượng biomass từ phụ phẩm nông nghiệp ................................................ 2
Bảng 1.4: Phân tích thảnh phần trấu.................................................................................................... 6
Bảng 1.5: Tổng họp các phản ứng phân hủy tar ................................................................................ 10
Bảng 1.6: Phân loại các thiết bị khí hóa ............................................................................................ 11
Bảng 1.7: Các loại tác nhân khí hóa và nhiệt trị tương ứng .............................................................. 13
Bảng 1.8: Các loại thiết bị khí hóa và thảnh phần khí tuông ứng ..................................................... 15
Bảng 1.9: Các loại tác nhân khí hóa và thảnh phần khí tưong ứng ................................................... 16
Bảng 1.10: Các loại tác nhân khí hóa và nhiệt trị tưong ứng ........................................................... 16
Bảng 1.11: Bảng thống kê các mô hình tính toán Enthalpy và khối lượng riêng cho chất rắn không
thông thường: .................................................................................................................................... 24



Bảng 1.20: Bảng giá

trị hằng số trong Quan hệ Kirov ................................................................. 31

Bảng 1.21: Bảng giá

trị hằng số trong Phương trình bậc ba ........................................................ 33

Bảng 1.22: Bảng giá

trị hằng số trong mô hình DCOALIGT ...................................................... 33

Bảng 2.1: Thành phần vỏ trấu nguyên liệu dùng để khai báo dòng nguyên liệu .............................. 37
Bảng 2.2: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai

đoạn sấy .................................................. 39

Bảng 2.3: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai

đoạn nhiệt phân ....................................... 40

Bảng 2.4: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai

đoạn Tar - cracking ................................. 41

Bảng 2.5: Chú thích các thiết bị sử dụng trong giai

đoạn khí hóa ........................................... 42

Các thành phần cơ bản của biomass được phân tích theo tiêu chuẩn ASTM E 870-06. Thành
phần các chất trong biomass được mô tả trong bảng 1.1

Bảng 1.1 '.Thành phần các chất trong biomass.

c

H

0

N

s

w

A

43,7
43,9

6,1

0,8

0,08

Bã mía



Gỗ
Than

49,6
78,2

44,1
13,6

6,1
5,2

0,1
1,3

0,06
1,7

7,8
5,5

0,2
19,8

Mùn cưa

39,6

5,2


1


❖ Tiềm năng năng lượng biomass ở Việt Nam Việt Nam là một nước nằm trong khu
vực khí hậu nhiệt đói nên thực vật phát triển nhanh. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam là đất nông
nghiệp nên sản xuất nông nghiệp phát triển do đó Việt Nam có nguồn biomass rất lớn.
Theo Viện năng lượng Việt Nam - Bộ Công thưong, tiềm năng năng lượng biomass ở Việt
Nam

Bảng 1.2: Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ

2


1.1.3. Các nguồn sinh khối phổ biến là
-

Nông nghiệp: lương thực, bã mía, thân ngô, rơm rạ, vỏ hạt và phân từ gia súc, gia cầm.

-

Rừng: cây cối, gỗ thải hoặc vỏ cây, mùn cưa.

-

Khu đô thị: bùn thải, chất thải từ thực phẩm và rác thải.

-



3


f ----------------Nhiệt phân
L _________

r\

Nước siêu
tới hạn
L -------------- J

lí 1
Khí hóa Đốt cháy ^ ______ )
\ __________ /

{y
Ch/không
khí

L
_____
Hình 1.1: Các phương pháp chuyển
J hóa sinh

(\

Hơi
nước

sát sản lượng trấu hàng năm, tiềm năng sử dụng trấu cho công nghệ đồng phát năng lượng... nhưng
hầu như chưa có công bố chính thức nào về các đặc trưng cơ bản của trấu Việt Nam. Cho tới nay chỉ
có một số ít công bố về thành phần hóa học và tính chất hóa lí của tro trấu, trong đó chủ yếu quan tâm
tói silic [4],
Thành phần chính của trấu [5] bao gồm:

5


Bảng 1.4: Phân tích thành phần trấu
Độ ẩm (% khối lượng)

6,47

Phân tích gần đúng (% khổi lượng khô)
Họp chất dễ bay hơi
Cacbon cố định
Tro

60,3
28
11,7

Phân tỉnh chính xác (% khổi lượng khô)

c

42,99

H



silica không chỉ phục vụ cho nông nghiệp (bổ sung silica cho đất) mà còn là nguồn nguyên liệu để
sản xuất một số họp chất silica như silicon carbide, silicon nitride, silicon tetrachloride, zeolite,
silica và silicon nguyên chất.
- Chế tạo vật liệu hấp phụ: vật liệu hấp phu thu được từ vỏ trấu được xử lý bằng kiềm và acid citric
có khả năng tách loại và thu hồi rất tốt kim loại nặng như chì, crom trong nguồn nước bị ô nhiễm
[7] [8].
- Sử dụng làm vật liệu xây dựng: việc sử dụng tro trấu làm chất độn trong xi măng và bê tông có
nhiều ưu điểm, chẳng hạn như cải thiện độ bền, giảm chi phí sản xuất vật liệu do tiết kiệm xi măng.
Sản xuất gạch bằng cách nghiền mịn vỏ trấu và trộn vói các thành phần khác như mụn dừa, hạt
xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh. Trọng lượng của vật liệu nhẹ hon gạch xây thông
thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao, thích họp vói các
khu vực đất yếu [9].
- Sản xuất than hoạt tính: vỏ trấu cần được than hóa trước khi được dùng làm nguyên liệu liệu sản
xuất than hoạt tính để dễ loại bỏ silic dioxit với hiệu quả cao. Than sau khi đã được xử lý nhiệt
được đem đi tách silic đioxit bằng phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học. Thực nghiệm
cho thấy rằng phương pháp hóa học đem lại hiệu quả cao hơn phương pháp vật lý. Than sau khi
tách S1O2 có bề mặt riêng dao động từ 674 đến 750 m2/g [10].
1.2.

Tổng quan vè quá trình khí hóa

1.2.1. Khái niệm
Khí hóa là quá trình nhiệt hóa, thực hiện oxy hóa không hoàn toàn thành phần cacbon trong
sinh khối rắn để thu được khí CO, H2 ở nhiệt độ cao (khoảng 1000°C) bằng tác nhân không khí.
Ngoài ra còn các thành phần khí khác như CH4, CO2, H2O. Hỗn họp khí này được sử dụng thay thế
cho khí thiên nhiên dùng để phát điện, dùng để sản xuất dung môi hoặc các sản phẩm tổng họp
thông qua quá trình Fischer-Tropsch.
Trong quá trình khí hóa, vật liệu được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao dẫn đến thay đổi tính

phẩm hữu cơ... nhờ phản ứng tổng họp Fischer-Tropsch.

1.2.3. Nguyên lý của quá trình khí hóa
Các quá trình diễn ra trong quá trình khí hóa bao gồm 4 giai đoạn: sấy, nhiệt phân, khử và
đốt
Vùng sấy: đây là vùng làm tách ẩm trong nguyên liệu dưới tác dụng nhiệt. Nhiệt cung cấp
này được thực hiện trong hệ nhiệt động học của quà trình khí hóa. Quá trình này diễn ra đến nhiệt độ
khoảng 200°c
^ C x HyO z + nH20

Vùng nhiệt phân: ỉ

lóa không có oxy không khí dưói tác dụng của

nhiệt độ khoảng 200°c - '

ân hủy theo những phản ứng tỏa nhiệt. Các

sản phẩm hữu cơ thoát ra,

. Giai đoạn này phụ thuộc vào các tính chất

ban đầu của vật liệu, than]

c tạo thành mà sau đó mà sau đó diễn ra phản

ứng sinh khí
+ H20 + tar + char
Giai đoạn cháy: ở giai đoạn này các sản phẩm dễ bay hơi và phần lớn than phản ứng với oxy
để tạo thành CO2 và một lượng nhỏ co, cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa tiếp theo. Phản ứng

phức tạp, từ hỗn họp các chất dễ bị oxy hóa thành các hydrocacbon thơm đa vòng (PAH) trong từng
khoảng nhiệt độ được tóm tắt theo sơ đồ sau [11]:
HŨL tuơp chart
PteDOlde
Ĩ)Ị 05 C.V liùa ^ eduer ^ (ftenoLif ^

AElcyl

40»lc afe"c tiiXt'c 700X ^%

"Eilier

ịĩ&ị ti ch

^ PAH ^ gum-fambtig
900

^

*1* Thành phần của tar
Tar là hỗn họp của các các chất mà phần lớn là hdrocacbon thơm mà phần lớn là toluen,
naphthalene, còn lại là các họp chất đa vòng, dị vòng khác. Dưới đây là bảng mô tả thành phần đặc
trưng của tar [12],

9


Thành phần

Tỷ lệ (%)

Bảng 1.5: Tổng họp các phản ứng phân hủy tar

Loại phản ứng
Cracking

Reforming

Phản ứng
pCnHx -> qCmHy + rH2 R2.13

CnHx + nH20 ^ (n + x/2)H2 + nCO R2.14 CnHx + nC02 x / 2 H 2
+ 2nCO R2-15

Hình thành cacbon

CnHx nC + X / 2 H 2 R2.16

Tóm lại, sau quá trình sấy, nhiệt độ của vỏ trấu tăng lên và phản ứng nhiệt phân bắt đầu xảy ra
và quá trình hình thành tar cũng bắt đầu. Tar một phần sẽ ngưng tụ khi nhiệt độ giảm trong quá trình
theo dòng khí sản phẩm đi ra ngoài thiết bị, một phần sẽ phân hủy ở nhiệt độ cao sinh ra khí co và H2.

10


1.2.5. Các loại thiết bị khí hóa
Công nghệ khí hóa đã được dùng rất phổ biến ở Việt Nam trong thập kỷ 70-80, giai đoạn
khó khăn về nguồn năng lượng từ dầu mỏ. Tuy nhiên do kỹ thuật lạc hậu, công nghệ này đã bị lãng
quên. Gần đây, với sự tiến bộ của khoa học cộng với mối quan tâm về môi trường, công nghệ này
đang trở lại.
Có hai loại thiết bị khí hóa thường được sử dụng là: thiết bị khí hóa tầng cố định và thiết bị khí