Luận án Nghiên cứu quá trình nhiệt phân Biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

hản ứng theo 
 o
công nghệ tầng sôi là t2 = 420 C [53]. Nhiệt độ ban đầu của khí nitơ được chọn t0 = 
25 oC. 
 59 
 o
 Sinh khối sử dụng là bột gỗ có nhiệt độ ban đầu là tp0 = 25 C. Đồng thời, theo 
 kết quả TGA trên hình 2.8 trong chương 2 ta chọn nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân của 
 o
 bột gỗ là tp1 = 290 C. 
 Các thông số vật lý của bột gỗ được lựa chọn theo mục 4.1.2 và thông số vật 
 lý của cát thể hiện trên bảng 3.1. 
 Bảng 3.1: Các thông số vật lý của gỗ và cát [54] 
 Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Gỗ Cát 
 -3
 Khối lượng riêng Kg.m 705 2.500 
 -1 -1 
 Nhiệt dung riêng Cp KJ.kg .K 1,5 8,35 
 -1 -1
 Hệ số dẫn nhiệt  W.m .K 0,1 0,35 
 Hệ số khuếch tán nhiệt a m2.s-1 9,52x10-8 1,7.10-8 
 3.3. Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh 
 khối sản xuất nhiên liệu sinh học 
3.3.1. Sự hình thành lớp sôi 
 Quá trình hình thành lớp sôi được mô tả trong hình 3.2. 
 Tĩnh Sôi bọt Sôi bồng Cuốn 
 p sôi
 ớ
 c l c
 ự
 l
 ở
 Tr
 ωsmin ωsmax 
 Vận tốc dòng khí 
 Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi 
 60 
 Dòng khí nitơ dẫn qua cụm ống phun đi vào lò tác động lên các hạt vật liệu có 
 độ cao ban đầu h0. Khi vận tốc khí nhỏ hơn ωsmin, áp lực dòng khí tác động lên lớp 
 hạt còn nhỏ, lớp hạt vẫn duy trì trạng thái ban đầu gọi là trạng thái tĩnh (fixed bed). 
 Tăng dần vận tốc dòng khí đến giá trị ωsmin, lúc này trở lực lớp hạt bằng với trọng 
 lượng của khí và các hạt vật liệu sôi, bắt đầu hình thành lớp sôi bọt (bubbling regime), 
 các hạt vật liệu bắt đầu chuyển động lơ lửng trong pha khí. Tiếp tục tăng vận tốc dòng 
 khí ωs cho đến giá trị nhỏ hơn vận tốc tới hạn ωsmax, lúc này toàn bộ lớp hạt ở trạng 
 thái sôi bồng (turbulent regime). Như vậy, khi vận tốc dòng khí ωs có giá trị từ ωsmin 
 đến ωsmax thì lớp vật liệu sôi trong lò ở trạng thái sôi. Lúc này, độ rỗng và chiều cao 
 lớp hạt tăng lên, trở lực lớp hạt đạt giá trị lớn nhất và ổn định nhất [5], [76]. Tiếp tục 
 tăng vận tốc dòng khí đến vận tốc tới hạn ωsmax, lớp sôi có độ rỗng lớn nhất, các hạt vật 
 liệu sôi không lắng xuống cũng như không bay ra khỏi lò phản ứng, trở lực lớp sôi có 
 xu hướng giảm dần. Khi tiếp tục tăng vận tốc lớn hơn giá trị ωsmax thì kết thúc trạng 
 thái duy trì lớp sôi, các hạt bị cuốn theo dòng khí và ra khỏi lò phản ứng, trở lực lớp 
 sôi giảm dần. 
 Như vậy, để duy trì trạng thái lớp sôi trong lò cần duy trì vận tốc dòng khí ωs 
 có giá trị từ ωsmin đến ωsmax, khi đó trở lực lớp sôi đồng thời đạt giá trị lớn nhất và ổn 
 định nhất. 
3.3.2. Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi 
 Sinh khối sau khi sấy đến độ ẩm nhỏ hơn 12% [57] được cấp vào lò phản ứng 
 nhận nhiệt từ dòng khí nitơ nóng và lớp vật liệu sôi (lớp cát đã được gia nhiệt) phân 
 hủy thành hỗn hợp khí và cốc. Lớp vật liệu sôi phân bố nhiệt độ phản ứng trong lò 
 đồng đều, hạn chế hình thành nhiệt độ cực đại tại một số vùng trong thể tích lò. Quá 
 trình truyền nhiệt cho hạt sinh khối trong lò phản ứng chủ yếu là dẫn nhiệt từ những 
 hạt cát trong lớp sôi và đối lưu từ dòng khí nitơ nóng [14], nên hiệu quả của quá trình 
 nhiệt phân nhanh thu hồi dầu sinh học phụ thuộc vào vận tốc của khí nitơ trong lò và 
 vị trí cấp nguyên liệu vào lò tầng sôi. 
 Tuy nhiên, thông số động lực học phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu 
 sôi, loại sinh khối, cấu tạo ống phun khí và kích cỡ vật liệu sôi. Tương ứng với mỗi 
 61 
 mô hình, các thông số khí động lực học sẽ khác nhau và thường được xác định bằng 
 các công thức thực nghiệm đã được Prabir Basu, R.Shankar Subramanian tổng hợp 
 [16], [76]. Kết quả tính toán này thường được kiểm tra và hiệu chỉnh bằng hệ thống 
 thiết bị thí nghiệm thực tế nên rất tốn thời gian và chi phí. Vì vậy, để hạn chế nhược 
 điểm này, người ta thường sử dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất - 
 CFD (Computational Fluid Dynamics) để tính toán khí động lực học trong lò tầng 
 sôi. Khi đó việc tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn, các kết quả nhận 
 được đáng tin cậy hơn. Hơn nữa, CFD sẽ giúp hạn chế chi phí đầu tư các thiết bị thí 
 nghiệm cũng như chi phí thực hiện các thí nghiệm thực tế. 
 CFD sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy 
 tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố động học, động lực học, tương 
 tác giữa các môi trường, tính chất hóa lý của môi chất chuyển động. CFD là công cụ 
 hỗ trợ hiệu quả khi sử dụng phương pháp số để tính toán và tối ưu hóa quá trình. 
 Trong vài thập kỷ qua, đã có nhiều phần mềm mô phỏng CFD được thương mại hóa. 
 Đặc biệt, các phần mềm này luôn coi trọng phát triển mô hình hóa khí động lực học 
 hỗn hợp chất rắn – khí [5]. 
 Dựa trên kết quả nghiên cứu của Armstrong [5] và Herzog [45] phương pháp 
 Euler – Euler và mô hình của Gidaspow [55] được lựa chọn sử dụng cho quá trình 
 mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi, qua đó xác định được trở lực lớp sôi 
 lớn nhất, vận tốc duy trì lớp sôi và vị trí cấp nguyên liệu vào lò nhiệt phân. 
3.3.3. Mô tả mô hình 
 Cấu tạo lò nhiệt phân nhanh bột gỗ năng suất 500 g/h thể hiện trên hình 3.3. 
 Khí nitơ nóng có nhiệt độ t1 = 525 C dẫn vào đáy lò qua ống phun tạo lớp sôi cho 
 bột gỗ và cát. Bột gỗ có đường kính lớn nhất dtbgỗ = 1,9 mm, hạt cát có đường kính 
 trung bình dtbcát = 0,8 mm. Có 3 ống phun, mỗi ống phun có đường kính 8 mm, chiều 
 cao 25 mm và có 1 lỗ phun đường kính 2 mm, được phân bố đều trên đáy lò. Theo 
 kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả Q.Xue [79], Armstrong [5] và 
 K.Papadikis [55], chiều cao lớp cát tĩnh được chọn sử dụng cho mô hình này là hcát = 
 60 mm và lớp bột gỗ hiện hữu trong lò hs = 11 mm. 
 62 
 Ø60 4
 Ø21
 428
 3
 2
 Sinh khối 11
 1
 82
 60
 Khí N 
 2 
 Hình 3.3: Mô hình lò nhiệt phân 
 1. Ống phun, 2. Ống cấp liệu, 3. Thân lò, 4. Ống thoát sản phẩm 
3.3.4. Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng 
 3.3.4.1. Mô hình toán 
 Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi dựa trên phương pháp dòng nhiều 
 pha Euler – Euler. Các phương trình và mô hình được sử dụng: 
 a). Phương trình liên tục: 
  gg 
 - Với pha khí: .0 g g  g 
 
   
 - Với pha rắn: ss .0   
  s s s
 b). Phương trình bảo toàn động lượng: 
 Dựa vào định luật II Newton, phương trình bảo toàn động lượng được phát 
 biểu thành biểu thức toán học như sau [5], [55]: 
 - Với pha khí: 
 63 
 
  ggg   gggg    gp . ggg g K gsgs   
 
- Với pha rắn: 
 
  s s s  . s s s s  s p  p s   . s s s g K gs   g s 
 
Trong đó: 
 T 2
 g  g  g  g  g  g  g .I  g g 
 3
 T 2
  s s s   s s  s  s  s .I s s 
 3
 Theo Gidaspow [28], hệ số Kgs được xác định theo công thức: 
    
 3 s g g s g 2,65
 Nếu g > 0,8 thì KCgs  d g 
 4ds
 2
 sg s g  s  g
 Nếu g < 0,8 thì Kgs 1502 1,75 
 gdd s s
 24 0,687
 C 1 0,15  Re
 Và hệ số Cd xác định theo công thức: d g s 
 gsRe 
 ds g  s  g
 Với Res 
 g
c). Mô hình k- 
 Dòng khí lưu chuyển trong lò tầng sôi là dòng chảy rối, do đó để khép kín 
phương trình bảo toàn động lượng và phương trình liên tục thường sử dụng mô hình 
chảy rối hai phương trình k-. Mô hình này thường được sử dụng cho dòng chảy trong 
ống, không gian hữu hạn và gradient áp suất tương đối nhỏ [4] nên phù hợp với nghiên 
cứu này. 
 Mô hình chảy rối hai phương trình là một trong những mô hình phổ biến của 
các mô hình chảy rối. Nó bao gồm thêm hai phương trình đối lưu để mô tả cho tính 
chảy rối của dòng chảy. Trong đó, một trong các biến đối lưu là động năng chảy rối 
k, biến đối lưu thứ hai khác nhau phụ thuộc vào kiểu của mô hình hai phương trình. 
Thông thường lựa chọn phổ biến là tiêu tán rối  hoặc tỉ số tản nhiệt đặc trưng. Biến 
 64 
thứ hai có thể được xem là biến xác định của dòng chảy rối (chiều dài hoặc thời gian), 
trong khi biến đầu tiên k xác định năng lượng trong dòng chảy rối. 
 Động năng chảy rối k và tiêu tán rối  của dòng nhiều pha trong lò tầng sôi 
được xác định theo phương trình [5]: 
  gt
  ggk   . ggg k  . ggl   .k  gkgg G   
 t k
  gt g
Và:  g g    ...CGC g g  g g gl   1 k g  
 tk 
 k2
Với:  C là độ nhớt chảy rối; 
 gl g  
 Gk: đặc trưng cho sự phát sinh động năng rối do gradient tốc độ trung bình; 
 v
 ''v j '' vi j 2
 G v v và gv i v j  gt g k  ij ; 
 k g i j x x x 3
 i ji
 k = 1;  = 1,3; C1 = 1,44; C2 = 1,92; Cµ = 0,09. 
3.3.4.2. Thiết lập mô hình mô phỏng 
 a) b) 
 Hình 3.4: Mô hình mô phỏng và chia lưới lò nhiệt phân 
 a) Chia lưới bề mặt, b) Chia lưới thể tích 
 65 
 Trong nghiên cứu này, các thông số khí động lực học trong lò tầng sôi được 
mô phỏng trên mô hình không gian 3 chiều được thể hiện trên hình 3.4. 
 Công việc thiết lập mô hình mô phỏng và chia lưới được thực hiện bởi phần 
mềm Ansa, đây là phần mềm được tích hợp với phần mềm Ansys Fluent 14 rất thuận 
tiện trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và chia lưới. Mô hình được chia theo 2 
loại lưới: lưới mặt và lưới thể tích. Trong đó, lưới mặt có 2 loại: lưới 4 cạnh (quads) 
có số lượng là 14.288 node, lưới 3 cạnh (trias) có số lượng là 494 node. Lưới thể tích 
cũng có 2 loại: lưới 4 mặt (tetras) có số lượng là 413.541 node, lưới 5 mặt có số lượng 
là 428.831 node. Mô hình được chia lưới thể hiện trên hình 3.4. 
3.3.4.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng 
 Ngày nay, trên thế giới người ta thường sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys 
Fluent để tính toán mô phỏng CFD. Đây là 
 Bắt đầu 
phần mềm thường được sử dụng rộng rãi 
trong các ngành kỹ thuật để mô hình hóa các Thiết lập mô hình 
dòng chảy tầng, chảy rối, quá trình truyền 
nhiệt, dòng chảy qua cánh máy bay, quá Chia lưới 
 ụ
 t
trình cháy trong lò đốt. Đặc biệt, phần mềm i 
 ộ
Ansys Fluent có tích hợp sẵn các mô hình Chọn phương pháp giải, 
 nhập các điều kiện biên 
toán có khả năng mô hình hóa quá trình hông h
 K
tương tác dòng nhiều pha. Các phương trình 
 Giải bài toán 
liên tục, phương trình động lượng được rời 
 ụ
rạc hóa bằng phương pháp thể tích hữu hạn. i t
 ộ
 H
Vì vậy, việc sử dụng phần mềm này mô Thực hiệH n mô phỏng 
phỏng khí động lực học quá trình nhiệt phân 
sinh khối trong lò tầng sôi là thích hợp. Xuất kết qủa mô phỏng 
 Trong nghiên cứu này phần mềm 
Ansys Fluent 14 được sử dụng mô phỏng Kết thúc 
xác định vận tốc khí nitơ duy trì lớp sôi, trở Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô 
lực của lớp sôi và vị trí cấp nguyên liệu vào phỏng khí động học trong lò tầng sôi 
 66 
 lò tầng sôi nhiệt phân sinh khối. Quá trình mô phỏng được thực hiện theo lưu đồ thuật 
 toán hình 3.5. 
3.3.5. Kết quả mô phỏng và bình luận 
 3.3.5.1. Mô phỏng xác định vận tốc tạo lớp sôi và trở lực lớp sôi 
 Thực hiện chạy mô phỏng cho từng giá trị vận tốc khác nhau với khoảng thời 
 gian trong vòng 300 s, sử dụng các thông số vật lý của gỗ, cát và nitơ thể hiện trên 
 bảng 2.1 và 3.1. Kết quả mô phỏng này được thể hiện trên hình 3.6. 
 s= 0,1 m/s s = 0,2 m/s
 210007000 210007000
 180006000 180006000
 150005000 150005000
 120004000 120004000
 90003000 90003000
 60002000 60002000
 Trở lực lớp sôi, Pa Trở
 30001000 lực lớp sôi, Pa Trở 30001000
 0 00
 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
 Thời gian, s Thời gian, s
  = 0,3 m/s
 s s = 0,4 m/s
 210007000 210007000
 180006000 180006000
 150005000 150005000
 120004000 120004000
 90003000 90003000
 Trở lực lớp sôi, Pa Trở 60002000 60002000
 Trở lực lớp sôi, Pa Trở
 30001000 30001000
 0 00
 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
 Thời gian, s Thời gian, s
 s = 0,5m/s
 210007000
 180006000
 150005000
 120004000
 90003000
 60002000
 lực lớp sôi, Pa Trở 30001000
 00
 0 50 100 150 200 250 300
 Thời gian, s
 Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí 
 Từ kết quả mô phỏng trên hình 3.6 cho thấy khi vận tốc dòng khí ωs tăng từ 
 0,1 đến 0,2 m/s thì trở lực lớp sôi không ổn định, biên độ dao động khá lớn. Tăng vận 
 tốc dòng khí lên đến 0,3 m/s thì biên độ dao động trở lực lớp hạt có xu hướng giảm 
 dần và tiến đến ổn định. Khoảng chênh lệch trở lực lớp sôi đạt giá trị nhỏ nhất (khoảng 
 67 
300 Pa), trở lực lớp sôi ổn định khoảng 1.900 đến 2.200 Pa, lúc này lớp hạt duy trì 
trạng thái lớp sôi. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên đến 0,5 m/s thì trở lực 
lớp sôi càng không ổn định, dao động từ 1.000 Pa đến 4.000 Pa. Lúc này trở lực lớp 
sôi có xu hướng giảm dần. Như vậy, để duy trì lớp sôi trong lò nhiệt phân, vận tốc 
khí nitơ tạo lớp sôi có giá trị khoảng ωs = 0,3 m/s tương ứng với trở lực lớp sôi từ 
1.900 đến 2.200 Pa. 
3.3.5.2. Mô phỏng xác định vị trí cấp nguyên liệu sinh khối vào lò tầng sôi 
 70 mm
 95 mm
  =t 0,25= 0.25s s t = 0,50.50s s 0,75t = 0.75ss t =1 1.00ss 1,25t = 1.25ss t1,5 = 1.50ss 1,75t = 1.75ss t =2 2.00ss t 2,25= 2.25s s 2,5t = 2.50ss 
 Hình 3.7: Mật độ thể tích cát trong lò nhiệt phân 
 mm
 70 mm
 95 
  = 0,25 s 0,5 s 0,75 s 1 s 1,25 s 1,5 s 1,75 s 2 s 2,25 s 2,5 s
 Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ trong lò nhiệt phân 
 68 
 Quá trình truyền nhiệt cho hạt sinh khối trong lò tầng sôi chủ yếu là dẫn nhiệt 
từ hạt cát và đối lưu từ dòng khí nitơ [14]. Như vậy, phụ thuộc vào mật độ hạt cát 
trong lớp sôi mà khả năng truyền nhiệt cho hạt sinh khối dọc theo thân lò sẽ khác 
nhau. Mặt khác, Y. C. Yan (2015) [98] đã nghiên cứu tính toán mô phỏng và thực 
nghiệm xác định vị trí cấp nguyên liệu sinh khối cho quá trình nhiệt phân nhanh trong 
lò tầng sôi. Kết quả cho thấy rằng để hiệu quả thu hồi dầu sinh học cao nhất thì vị trí 
cấp nguyên liệu sinh khối phải nằm trong lớp sôi có mật độ hạt cát và sinh khối đồng 
thời lớn nhất. Như vậy, xác định mật độ hạt cát và sinh khối dọc theo thân lò để lựa 
chọn vị trí cấp sinh khối đóng vai trò quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế lò 
tầng sôi cũng như nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi dầu sinh học. 
 Thực hiện mô phỏng CFD với vận tốc khí nitơ tạo lớp sôi là ωs = 0,3 m/s; các 
thông số vật lý của bột gỗ, cát và nitơ được sử dụng từ bảng 2.1 và 3.1. Kết quả mô phỏng 
mật độ thể tích của lớp cát và bột gỗ trong lớp sôi dọc theo thân lò thể hiện trên hình 3.7 
và hình 3.8. 
 Theo kết quả mô phỏng trên hình 3.7 cho thấy mật độ thể tích hạt cát lớn nhất 
trong khoảng từ 40 đến 60 % tại vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm. Đồng thời theo 
kết quả mô phỏng trên hình 3.8, tại vùng cách đáy lò từ 70 đến 95 mm mật độ thể tích 
bột gỗ chiếm từ 20 đến 30 %, đây cũng là vùng có mật độ bột gỗ lớn nhất. Như vậy, 
kết hợp kết quả mô phỏng này với kết quả nghiên cứu của Y. C. Yan [98] ta chọn 
vùng cấp nguyên liệu sinh khối vào lò nhiệt phân cách đáy lò từ 70 đến 95 mm. 
 Nguyên liệu cấp vào lò bằng vít tải, nên để hiệu quả thu hồi dầu sinh học cao 
nhất thì đường trục của vít tải cách đáy một khoảng là hcl = 82 mm. 
 Như vậy, kết quả tính toán mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt 
phân nhanh bột gỗ có độ dày lớp cát tĩnh 60 mm và lớp bột gỗ 11 mm là: 
 - Vận tốc khí nitơ tạo lớp sôi: khoảng 0,3 m/s; 
 - Trở lực lớp sôi khoảng 1900  2200 Pa; 
 - Vị trí cấp nguyên liệu sinh khối vào lò cách đáy lò khoảng 70  95 mm, tương 
ứng với khoảng cách đường trục của vít tải nguyên liệu cách đáy lò là: hcl = 82 mm. 
 Kết quả mô phỏng này là cơ sở để tác giả thực hiện công việc thiết kế, chế tạo 
và nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản 
xuất nhiên liệu sinh học. 
 69 
3.4. Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh 
khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học 
3.4.1. Xác định nhiệt lượng cung cấp cho 
quá trình nhiệt phân 
- Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình 
nhiệt phân: 
Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân 
được xác định theo phương trình cân bằng năng 
lượng: Qnp = Qs + Qr + Qtt , W (3.1) 
Trong đó: 
 Qnp: Nhiệt lượng cần cung cấp cho quá 
trình nhiệt phân, W; 
 Qs: Nhiệt lượng cung cấp cho sinh khối Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh 
đạt đến nhiệt độ bắt đầu phản ứng nhiệt phân; 1. Ống dẫn thoát phẩm nhiệt phân, 
 Qs = Ggỗ.Cpgỗ.(tp1 – tp0), W (3.2) 2. Ống cấp nguyên liệu, 3. Đầu gắn 
 Qr: Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng cảm biến nhiệt độ, 4. Bích nối lò 
nhiệt phân (từ nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân tp1 đến phản ứng với thiết bị gia nhiệt. 
nhiệt độ kết thúc quá trình nhiệt phân t2) và được xác định theo công thức thực nghiệm 
của Antal [58]: Qr = Ggỗ(553 – 3142zcốc), W (3.3) 
 Ggỗ: Lượng gỗ nhiệt phân được tính theo đơn vị kg/s. 
 zcốc = mc/ms0 
 Qtt: Tổn thất nhiệt ra môi trường. Để Qtt nhỏ nhất thân lò phản ứng được bọc 
lớp cách nhiệt có độ dày phù hợp, đồng thời để đơn giản trong việc tính toán xem tổn 
thất nhiệt ra môi trường xung quanh bằng 0. 
- Xác định lưu lượng khí nitơ cấp cho quá trình nhiệt phân nhanh: 
 Dòng khí nitơ nóng có nhiệt độ t1 dẫn vào lò phản ứng cung cấp nhiệt QN2 cho 
quá trình nhiệt phân, nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi lò giảm xuống đến t2. Do đó ta có 
phương trình: Qnp = QN2 (3.4) 
 Với: QN2 N2 .VN2 .C pN2 .(t1 –t 2 ) (3.5) 
 70 
 Suy ra: Ggỗ.Cpgỗ.( tp1 – tp0) + Ggỗ(553 – 3142zcốc) N2.V N2 .C pN2 .(t1 –t 2 ) (3.6) 
 Từ công thức (3.6) ta xác định được lưu lượng khí nitơ VN2 cung cấp cho quá 
 trình nhiệt phân. 
 - Xác định công suất thiết bị gia nhiệt cho khí nitơ: 
 Công suất của thiết bị gia nhiệt cho khí nitơ tăng từ nhiệt độ t0 đến t1 là: 
 Qgia nhiệt = ρN2.VN2 .CpN2 .(t1 – t0)/ (3.7) 
 Với  là hiệu suất của thiết bị gia nhiệt và lò phản ứng. 
3.4.2. Tính thiết kế lò phản ứng 
 Từ mô hình lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối mô tả trên hình 3.3, các 
 thông số chính để thiết kế lò phản ứng là: 
 - Tính đường kính lò phản ứng: 
 4V
 Đường kính lò phản ứng xác định từ phương trình liên tục:  N2 (3.8) 
  s
 - Tính chiều cao lò phản ứng: 
 + Chiều cao phần phản ứng trong lò được xác định theo công thức: hfu = ωs. (3.9) 
 Với:  là thời gian lưu sản phẩm phản ứng nhiệt phân trong lò, ωs là vận tốc tạo lớp 
 sôi. 
 + Lò tầng sôi luôn có lớp cát tĩnh dưới đáy lò với chiều cao là hcát. Do đó, chiều cao 
 của lò phản ứng là: hlò = hcát + hfu (3.10) 
 Để giảm nhiệt lượng tổn thất ra bên ngoài môi trường sử dụng vật liệu cách 
 nhiệt bọc xung quanh lò phản ứng. Vật liệu cách nhiệt được dùng có thể là bông gốm 
 (ceramic fiber) có độ dày 150 mm, khối lượng riêng 128 kg/m3. 
3.4.3. Tính toán thiết kế cyclone thu hồi sản phẩm rắn 
 Hỗn hợp khí chiếm từ 70 % đến 90 % khối lượng 
 Sinh khối 
 Chất rắn chiếm từ 10 % đến 30 % khối lượng 
 Hình 3.10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63] 
 Sản phẩm của quá trình nhiệt phân sinh khối trong lò phản ứng bao gồm hỗn 
 hợp các chất rắn và hỗn hợp chất khí. Khi đi qua cyclone, lực ly tâm (do chuyển động 
 71 
xoáy tạo ra) sẽ cuốn lượng chất rắn trong hỗn hợp va đập vào thành cyclone, làm cho 
những hạt rắn mất động năng và rơi xuống phễu chứa. Lượng khí không ngưng còn lại 
sẽ theo ống dẫn phía trên thoát ra khỏi cyclone và đi vào bình ngưng. Để thuận tiện cho 
việc tính toán thiết kế cyclone sử dụng phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh, tỷ lệ các 
thành phần sản phẩm nhiệt phân được mô tả theo hình 3.10. 
 k
 m = 0,45Dc 
 l
 F
 F = (0,5 – 1)Dc 
 S
 S = 1,5Dc 
 H = 2,5Dc 
 E = 0,5Dc 
 H
 l = 0,5Dc 
 k = 0,2Dc 
 E
 Dc
 m
 Hình 3.11: Quan hệ các kích thước của cyclone 
 Để tính toán thiết kế cyclone cần xác định khối lượng riêng và lưu lượng của 
hỗn hợp khí đi vào cyclone. Với đặc trưng của quá trình nhiệt phân nhanh, các đại 
lượng này được xác định theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm như sau: 
- Sản phẩm khí sinh ra từ phản ứng nhiệt phân nhanh là hỗn hợp gồm nhiều thành 
phần khác nhau như CO, CO2, H2, O2, N2, CxHy, CxHyOz.Tỷ lệ các khí này rất khó 
xác định chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của thiết bị phân tích thành 
phần khí không ngưng và thành phần khí sẽ ngưng tụ thành dầu sinh học. Theo kết 
quả nghiên cứu phân tích thực nghiệm thành phần các sản phẩm trong khí không 
ngưng và trong dầu sinh học ở mục 4.6.2