Việt Nam là nước nông nghiệp nên có nhiều tiềm năng về năng lượng sinh khối. Các chất thải rắn hữu cơ trong sinh hoạt và sản xuất ở nông thôn được chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF. Từ đó, RDF được chuyển thành khí tổng hợp syngas thông qua lò khí hóa. Phương pháp khí hóa có thể giảm 70% trọng lượng và 90% thể tích chất thải rắn, giảm phát thải khí nhà kính, tiết kiệm diện tích đất chôn lấp. Có nhiều công nghệ khí hóa hiện nay đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, tuy nhiên mỗi công nghệ đều có ưu, nhược điểm, khác nhau về công nghệ chế tạo và loại nhiên liệu sử dụng. Lò khí hóa tầng cố định là kiểu lò có vị trí các vùng phản ứng xác định (vùng sấy, vùng nhiệt phân, vùng oxy hóa (cháy), vùng khử (tạo khí). Loại lò khí hóa tầng cố định này có 3 kiểu: lò hút xuống (downdraft), lò hút lên (updraft) và lò hút chéo (crossdraft). Khác với lò khí hóa tầng cố định, thiết bị khi hóa tầng sôi không có vùng phản ứng riêng biệt và quá trình làm khô, nhiệt phân và khí hóa xảy ra đồng thời trong quá trình trộn. Chúng phức tạp và sử dụng hệ thống điều khiển đắt tiền. Vì vậy thiết bị khí hóa tầng sôi thường áp dụng với lò có quy mô kích thước lớn.

Trong phạm vi sử dụng có quy mô nhỏ, loại lò khí hóa tầng cố định có nhiều ưu điểm hơn: có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ và vận hành đơn giản. Hơn nữa, đối với lò khí hóa tầng cố định thì loại downdraft có dòng khí thoát ra đi qua vùng nhiệt độ cao giúp làm giảm lượng hắc ín trong syngas. Do đó, loại lò này cho ra khí syngas có chất lượng tốt nhất, phù hợp để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện có công suất dưới 10 kW. Vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng loại lò khí hóa tầng cố định kiểu downdraft.

Viên nén sinh khối có thành phần từ rác thải của quá trình hoạt động nông lâm nghiệp được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm này. Thành phần, kích thước đồng nhất và độ ẩm khoảng 10%.

Về ứng dụng của khí tổng hợp trong động cơ đốt trong, các nghiên cứu gần đây cho thấy, cần lưu ý hai vấn đề liên quan đến tạp chất trong khí tổng hợp và hiện tượng giảm công suất động cơ do nhiệt trị của nhiên liệu thấp. So với việc ứng dụng khí tổng hợp trên tuabin khí, việc sử dụng nhiên liệu này trong động cơ đốt trong phù hợp hơn do yêu cầu về mức độ tạp chất trong nhiên liệu khí tổng hợp ít nghiêm ngặt hơn. Trong số các loại tạp chất, hắc ín chứa trong khí tổng hợp là trở ngại lớn nhất đối với động cơ. Đối với động cơ đốt trong cỡ nhỏ, việc sử dụng lò khí hóa tầng cố định kết hợp với điều kiện vận hành ở nhiệt độ phản ứng cao và độ ẩm thấp là một phương án nhằm hạn chế được lượng hắc ín, thích hợp với mô hình dùng để thực nghiệm sản xuất syngas.

Syngas là khí tổng hợp bao gồm các chất có giá trị sinh nhiệt như H₂, CO, CH₄, còn lại là các tạp chất như N₂, H₂O, CO₂ và các chất vi lượng như H₂S, NH₃, HCN, HCl, thủy ngân,... Thông thường trong syngas có đến một nửa là các khí trơ. Nếu sử dụng hơi nước hoặc O₂ làm chất oxy hóa thì nhiệt trị trung bình của syngas khoảng từ 10 MJ/Nm³ đến dưới 30 MJ/Nm³. Trong khi đó, nếu chỉ dùng không khí làm chất oxy hóa thì nhiệt trị syngas nằm trong khoảng 4-7 MJ/Nm³. Thành phần thể tích của syngas khi sử dụng không khí làm chất oxy hóa thường là 18-20% H₂, 18-20% CO, 2% CH₄, 11-13% CO₂, một lượng H₂O và phần còn lại là N₂. Thành phần N₂ trong syngas chiếm đến 50% làm cho nhiệt trị syngas rất thấp và ảnh hưởng đến việc vận hành động cơ đốt trong. Vì vậy, khi sử dụng syngas làm nhiên liệu thì công suất động cơ giảm một phần là do giảm hệ số nạp và một phần khác là vì nhiệt trị nhiên liệu thấp. Khi sử dụng syngas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức, mức tụt giảm công suất có thể lên tới 50%, trong đó giảm do nhiệt trị nhiên liệu lên đến 30%. Để khắc phục vấn đề này, có thể bổ sung vào syngas bằng các loại nhiên liệu nhiệt trị cao hơn như H₂ hay biogas. Tuy nhiên, giải pháp kỹ thuật này không loại trừ được các chất khí trơ trong syngas để cải thiện nhiệt trị nhiên liệu. Thành phần N₂ trong syngas chiếm trên 50% làm cho nhiệt trị syngas rất thấp và ảnh hưởng đến khả năng vận hành động cơ.

Trong nghiên cứu này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm nâng cao thành phần các chất khí cháy CH₄, CO, H₂ trong syngas nhờ sử dụng chất oxy hóa là không khí có bổ sung oxy cho lò khí hóa kiểu hút xuống.

1. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Các quá trình xảy ra trong lò khí hóa được mô tả như sau: Quá trình sấy: Biomass thô được làm khô dưới tác động của nhiệt từ quá trình đốt cháy. Vùng làm khô đặt trên vùng nhiệt phân. Phương trình tổng quát:

CxHyOz.nH₂O → CxHyOz + nH₂O (1)

Quá trình nhiệt phân: Biomass được oxy hóa ở nhiệt độ cao tạo thành than và các khí CO, H₂, CO₂, H₂O và tạp chất. Vùng nhiệt phân đặt giữa tầng đốt cháy và vùng làm khô.

CxHyOz→ C + CO + H₂ + CO₂ + H₂O + Tạp chất (2)

Sau quá trình nhiệt phân thành phần chủ yếu là than (Carbon) cùng hệ thống khí, hơi nước (CO + H₂ + CO₂ + H₂O) và những tạp chất khác như H₂S.

Quá trình đốt cháy: Hỗn hợp khí và than từ quá trình nhiệt phân được đốt cháy với oxy từ không khí, tạo ra CO₂, H₂O và khí tạp chất N₂ (được làm sạch sau đó).

C + CO + H₂ + CO₂ + H₂O → CO₂ + H₂O (3)

Phần không cháy hết (C) sẽ được đưa đến tầng nén phía dưới.

Quá trình sinh khí: CO₂ và H₂O từ quá trình đốt cháy được điều chế lại thành khí đốt cháy CO và H₂ trong tầng sinh khí qua than nóng (của quá trình nhiệt phân).

CO₂ + H₂O + 2C → 3CO + H₂ (4)

Sau khi đi qua lò khí hóa, hỗn hợp khí thu được gồm các khí đốt CO + H₂ được làm sạch tạp chất và làm nguội trước khi chuyển đến động cơ phát điện.

Viên RDF gỗ có hình dạng trụ, với đường kính trung bình là 10 mm và chiều dài trong khoảng từ 10 mm đến 15 mm. Trong nghiên cứu thực nghiệm này các viên nén được sắp xếp một cách ngẫu nhiên.

Nghiên cứu được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm 3D Solidworks với loại lò khí hóa tầng cố định kiểu downdraft có các kích thước thiết kế như sau: Vùng hoàn nguyên có đường kính 150mm, cao 150mm, vùng cháy dạng phễu có chiều cao 150mm.

2. Kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép rút ra được những kết luận sau: - Khi chất oxy hóa là không khí với lưu lượng 90 L/min, thành phần các chất khí cháy và nhiệt trị đạt được giá trị lớn nhất là 42,26% và 6,6402 MJ/kg.

- Kết quả đo được nhiệt độ lớn nhất của lò khí hóa tăng từ 750^oC đến dưới 1100^oC, khi chất oxy hóa là không khí được bổ sung bởi 0%, 10%, 20% và 30% oxy. - Vị trí các vùng phản ứng và vị trí đạt nhiệt độ cực đại lò khí hóa không phụ thuộc vào hàm lượng oxy pha vào không khí làm chất oxy hóa. - Sử dụng O₂ bổ sung vào không khí làm chất oxy hóa thì CH₄, CO, H₂ đều tăng, tỷ lệ này chiếm khoảng 41%, 61%, 67%, 73% khi không khí được làm giàu bởi 0%, 10%, 20%, 30% oxy. - Nhiệt trị syngas tăng 40%, 50% và 55% khi không khí được làm giàu bởi 10%, 20%, 30% O₂ so với khi sử dụng chất oxy hóa là không khí.