(TIỂU LUẬN) đồ án CÔNG NGHỆ 1 NGÀNH kỹ THUẬT hóa học CHUYÊN NGÀNH POLYMER đề tài BIOFUEL GASIFICATION OF BIOMASS

Bài viết đánh giá này nhằm mục đích đề cập đến cáccông nghệ khí hóa sinh khối hiện đại, đánh giá ưu điểm và nhược điểm, tiềm năng sửdụng khí tổng hợp và ứng dụng của khí hóa sinh khối...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LƯƠNG HẠ VI 18H4

LỚP:

Đà Nẵng, 2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

TÓM TẮT

Trong những thập kỷ gần đây, sự quan tâm đến quá trình khí hóa sinh khối đã tănglên do việc sử dụng năng lượng bền vững ngày càng tăng Quá trình khí hóa sinh khối đạidiện cho một phương pháp hiệu quả để sản xuất điện và nhiệt cũng như sản xuất hydro vànhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai Bài viết đánh giá này nhằm mục đích đề cập đến cáccông nghệ khí hóa sinh khối hiện đại, đánh giá ưu điểm và nhược điểm, tiềm năng sửdụng khí tổng hợp và ứng dụng của khí hóa sinh khối

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu năng lượng của con người đã hiện diện cách nay hàng trăm ngàn năm, khicon người biết dùng lửa trong hoạt động hàng ngày Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầmtích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người tăng tốc sử dụng loại năng lượng khôngtái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành điện và điện năng Với tốc độ tiêu thụnhư hiện nay thì năng lượng hóa thạch sẽ nhanh chóng cạn kiệt An ninh năng lượngđang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nước trên thế giới bao gồm cả những nước pháttriển và nước đang phát triển do các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt

và trở nên đắt đỏ Vì vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồnnăng lượng tái tạo đang được đặc biệt chú trọng Sinh khối là một nguồn năng lượng táitạo có khả năng đáp ứng được những vấn đề trên Thế giới đang quan tâm tìm cách sửdụng năng lượng sinh khối một cách có hiệu quả, trong đó công nghệ khí hóa sinh khối làmột công nghệ mang lại hiểu quả cao

Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ Việc sử dụng côngnghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại ở lĩnh vực cung cấp nhiệt cho công nghiệpquy mô nhỏ và các hộ gia đình như bếp khí hóa sinh khối hộ gia đình do các doanhnghiệp chép mẫu hoặc nhập khẩu chủ yếu từ Trung Quốc vì vậy khi sử dụng hiệu suấtchưa cao, làm việc chưa ổn định

Vì vậy nhóm em đã chọn đề tài “Khí hóa sinh khối” với mục đích:

-Làm chủ được công nghệ khí hóa sinh khối

Phát triển, nâng cấp hệ thống khí hóa

Tận dụng tối đa và hiệu quả nguồn sinh khối dồi dào, trữ lượng lớn ở các vùng nôngthôn và miền núi đang không được sử dụng đúng giá trị thực và lãng phí để sản xuất khítổng hợp, bên cạnh đó là sản xuất điện năng quy mô nhỏ nhờ nhiệt của quá trình khí hóasinh khối

- Bên cạnh đó còn giải quyết vấn đề xử lý môi trường do nhiều nơi không sử dụngđúng cách mà còn thải xuống sông ngòi hoặc đốt gây ô nhiểm không khí Khí hóa sinhkhối góp phần bảo vệ môi trường tốt đẹp hơn

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua, nhóm em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâusắc tới thầy hướng dẫn T.S Phạm Ngọc Tùng đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuậnlợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, kiến thức còn chưa sâu, thời gian có hạn nên

đồ án của nhóm em không tránh khỏi nhiều thiếu sót, nhóm em kính mong thầy góp ýgiúp đỡ để bản đồ án được hoàn thiện hơn

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm em xin cam đoan rằng đề tài “Khí hóa sinh khối” của nhóm em được tiến hànhmột cách minh bạch, công khai là công trình nghiên cứu của nhóm em dưới sự hướng dẫncủa thầy Phạm Ngọc Tùng Những nhận định được nêu ra trong đồ án là kết quả từ sựnghiên cứu trực tiếp, nghiêm túc của nhóm em dựa vào các cơ sở tìm kiếm, hiểu biết vànghiên cứu các tài liệu khoa học hay bản dịch khác đã được công bố Tất cả những tàiliệu giúp đỡ nhóm em xây dựng đồ án đã được trích dẫn một cách đầy đủ nhất và đồngthời đã ghi rõ ràng về nguồn gốc, hoàn toàn trung thực, không sao chép

Nếu như sai nhóm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu tất cả các kỷ luật của

bộ môn cũng như nhà trường đề ra

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

TÓM TẮT 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI CAM ĐOAN 6

MỤC LỤC 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 12

1 1 1 Khái niệm 12

.2 Sinh khối 12

1.2.1 Năng lượng từ sinh khối 12

.2.1.1 Vai trò của nhiên liệu sinh khối 12

.2.2 Nguyên liệu và thành phần 14

1 1 1 1 2.2.1 Nguyên liệu 14

.2.2.2 Thành Phần 15

1 1 2.3 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam 15

.2.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam 16

CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI 18

2.1 KHÍ HÓA SINH KHỐI 18

2 2 1.1 Khái niệm 18

.1.2 Quá trình khí hóa sinh khối 18

2 2 2 2 1.2.1 Sấy 20

.1.2.2 Nhiệt phân 20

.1.2.3 Quá trình oxy hóa 21

.1.2.4 Sự khử 22

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối 23

2 2 2 1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 23

.1.3.2 Ảnh hưởng độ ẩm của nguyên liệu 23

.1.3.3 Ảnh hưởng của hắc ín 23

2

.1.3.4 Ảnh hưởng của tro 24

.1.3.5 Ảnh hưởng của kích thước hạt sinh khối 24

2.1.4 Ưu và nhược điểm của công nghệ khí hóa sinh khối 24

2 2 1.4.1 Ưu điểm 24

.1.4.2 Nhược điểm 25

2.2 CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA TẦNG CỐ ĐỊNH 25

2.2.1 Phân loại khí hóa tầng cố định 25

2 2 2 2.1.1 Thiết bị khí hóa thuận chiều (downdraft) 26

.2.1.2 Thiết bị khí hóa ngược chiều (updraft) 26

.2.1.3 Thiết bị khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft) 26

2 2 2.2 Đặc điểm của công nghệ khí hóa tầng cố định 27

.2.3 Ưu nhược điểm của các loại lò khí hóa tầng cố định 27

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Nguồn NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác 13

Bảng 1.2: Nguyên liệu khí hóa sinh khối [4] 14

Bảng 1.3: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng 16

Bảng 2.1 Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK tầng cố định 27

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Bắc 15

Hình 1.2: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam 16

Hình 2.1: Các giai đoạn chính của quá trình khí hóa 20

Hình 2.2 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt độ đến các đặc tính của khí tổng hợp 23

Hình 2.4: Khí hóa ngược chiều (updraft) 26

Hình 2.3: Khí hóa thuận chiều (downdraft) 26

Hình 2.5: Khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft) 26

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NLSK: Năng lượng sinh khối

LHV : Giá trị nhiệt thấp nhất [kJ/kg hoặc kJ/kmol]

S

e

: Hàm lượng lưu huỳnh trong sinh khối (%wt) hoặc tổng entropy [kJ]

: exit

Đồ án của nhóm em được chia làm hai phần chính:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Giới thiệu một cách tổng quan về nguyên liệu sinh khối, năng lượng sinh khối, tiềm năngsinh khối và hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam

CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI

Giới thiệu chung về quá trình khí hóa sinh khối, ưu và nhược điểm của quá trình khí hóasinh khối, giới thiệu chung về công nghệ khí hóa tầng cố định, các kiểu khí hóa tầng cốđịnh, ưu và nhược điểm của từng công nghệ

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

.2.1 Năng lượng từ sinh khối

Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) có thể sản xuất tại chỗ, có

ở khắp nơi, tương đối rẻ và nguyên liệu tài nguyên tái tạo Năng lượng sinh khối (NLSK)khác các dạng năng lượng tái tạo khác Một là: không giống năng lượng gió và sóng,năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được Hai là: cùng một lúc năng lượng sinh khốivừa cung cấp

nhiệt, vừa sản xuất điện năng

Sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: các loại phế thải nông nghiệp của ngàng lươngthực ví dụ như: trấu, vỏ hạt điều, rơm rạ….Thứ hai: sinh khối gỗ: có thể thu hoạch từ cáckhu vực trồng cây, ví dụ như: cây keo, bạch đàn, gỗ cây cao su…

Năng lượng sinh khối có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệpthành nhiệt và năng lượng Ngoài ra, năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vàomục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so

Ngoài ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất

1.2.1.1 Vai trò của nhiên liệu sinh khối

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14 5% tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, sinh khối thường là nguồn năng1

-lượng lớn nhất, đóng góp 35% tổng số năng -lượng Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiênliệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ Vì vậy, lợi íchcủa nguồn năng lượng sinh khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cần phải lưu ý

 Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bịchuyển hóa năng lượng,

 Giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu

→ Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông qua bảng sau:

Bảng 1.1: Nguồn NLSK so với các nguồn năng lượng tái sinh khác

1.830

Gió12.70010.000.00020

Sinh khối6.300Tổng đầu tư (triệu USD)

12

10.000.00070

Tỷ lệ hoạt động hằng năm (%)

Công suất điện phát hằng năm (Mkw/h)

Đơn vị đầu tư (USD/KW)

0.72

6.300

+ Lợi ích môi trường:

Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó nó vừa làm giảm





nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than

→ Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm hiện tượngmưa axit,…

Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp

Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi trường,phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác

1

.2.2 Nguyên liệu và thành phần

.2.2.1 Nguyên liệu

Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ, trấu, ngô, phân

Bảng 1.2: Nguyên liệu khí hóa sinh khối [4]

lồ)Cây năng lượng dầu, đường và tinh

( ví dụ: hướng dương )Cây đường cho etanol( cây mía đường cao lương )Nông nghiệp

Cây trồng tinh bột cho ethanol ( ví dụ:ngô, lúa mì)

Phần hữu cơ của chất thải rắnChất thải có thể phân hủy đượcBùn từ nước thải

1.2.3 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam

Với lợi thế một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng

Hình 1.1: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Bắc

Hình 1.2: Tiềm năng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam

→ Qua đồ thị hình 1.1 và hình 1.2 ta thấy Việt Nam có tiềm năng sinh khối rất dồidào

1.2.4 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn cung cấp năng lượng thứ 4, chiếm tới4-15% tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển, NLSK là nguồn năng lượng lớn1

Bảng 1.3: Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng

Năng lượng cuối cùng

Bếp đun

Tổng tiêu thụ10667903

Tỷ lệ (%)76.26,5

2.7Điện

Tổng

377

→ Qua bảng 1.3 cho thấy trên ba phần tư sinh khối hiện được sử dụng đun nấu gia đình.Một phần tư còn lại được sử dụng trong sản xuất như:







Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ

Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện

Sấy lúa và các nông sản,

CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA SINH KHỐI

2.1.2 Quá trình khí hóa sinh khối

Quá trình khí hóa sinh khối bao gồm quá trình chuyển đổi hợp chất hữu cơ rắn / lỏngtrong pha khí và pha rắn Pha khí, thường được gọi là "khí tổng hợp", có công suất đốtnóng cao và có thể được sử dụng để phát điện hoặc sản xuất nhiên liệu sinh học Pha rắn,được gọi là "than", bao gồm phần hữu cơ không chuyển đổi và vật liệu trơ có trong sinhkhối đã xử lý Sự chuyển đổi này đại diện cho quá trình oxy hóa một phần carbon trongnguyên liệu đầu vào và thường được thực hiện khi có chất mang khí hóa, chẳng hạn nhưkhông khí, oxy, hơi nước hoặc carbon dioxide

+ Khí tổng hợp được tạo ra là một hỗn hợp khí của carbon monoxide (CO), hydro

như etan và propan, và hydro-cacbon nặng hơn, chẳng hạn như tars(dầu hắc) , ngưng tụ ởnhiệt độ từ 250 đến 300 ° C Các khí không mong muốn, chẳng hạn như Hydro sulfide(H2S) và axit clohydric (HCl), hoặc khí trơ, chẳng hạn như nitơ (N2), cũng có thể cótrong khí tổng hợp Sự hiện diện của chúng phụ thuộc vào sinh khối được xử lý và vàocác điều kiện hoạt động của quá trình khí hóa Giá trị nhiệt thấp nhất (LHV) của khí tổnghợp nằm trong khoảng từ 4 đến 13 MJ / Nm3, tùy thuộc vào nguyên liệu, công nghệ khí

+ Than được tạo ra là hỗn hợp của phần hữu cơ chưa chuyển hóa, phần lớn là cacbon

và tro Hàm lượng phân hữu cơ chưa chuyển hóa chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ khíhóa và các điều kiện hoạt động Mặt khác, lượng tro phụ thuộc vào sinh khối được xử lý

hữu cơ chưa chuyển hóa

Các phản ứng chính của quá trình khí hóa là thu nhiệt và năng lượng cần thiết cho sựtạo thành của chúng, nói chung, được cấp bởi sự oxi hóa của một phần của sinh khối,thông qua sự cấp nhiệt ngoài hoặc nội sinh Trong quá trình nhiệt nội sinh, bộ khí hóa

được làm nóng từ bên trong thông qua quá trình đốt cháy một phần, trong khi trong quátrình nhiệt hóa từ bên ngoài, năng lượng cần thiết cho quá trình khí hóa được cung cấp

chuỗi của một số bước gián đoạn Một biểu đồ đơn giản hóa của quá trình khí hóa đượccho thấy trong hình 2.1 Các bước chính của quá trình khí hóa là:

(1) Sấy (giai đoạn thu nhiệt)

(2) Nhiệt phân (giai đoạn thu nhiệt)

(3) Khử (giai đoạn thu nhiệt)

(4) Ôxy hóa (giai đoạn tỏa nhiệt)

Có thể bổ sung thêm một bước nữa là sự phân hủy hắc ín để giải thích sự hình thànhcác hydrocacbon nhẹ do sự phân hủy của các phân tử hắc ín lớn

2.1.2.1 Sấy

Sấy bao gồm sự bay hơi của hơi ẩm chứa trong nguyên liệu thô Lượng nhiệt cầnthiết trong giai đoạn này tỷ lệ thuận với độ ẩm của nguyên liệu Nói chung, nhiệt lượngcần thiết có được từ các giai đoạn khác của quá trình Quá trình sấy có thể được coi làhoàn thành khi đạt được nhiệt độ sinh khối 150°C, như Hamelinck và các đồng nghiệp đãcông bố [22]

2.1.2.2 Nhiệt phân

Giai đoạn này bao gồm quá trình phân hủy nhiệt hóa các vật liệu có chứa cacbon;Đặc biệt, sự bẻ gãy các liên kết hóa học diễn ra với sự hình thành các phân tử có khốilượng phân tử nhỏ hơn Bằng cách nhiệt phân, có thể thu được các phần khác nhau: phần

Phần rắn, có thể nằm trong khoảng từ 5–10% trọng lượng đối với bộ khí hóa tầng sôi

và được đặc trưng bởi giá trị gia nhiệt cao Phần này bao gồm các vật liệu trơ có trongsinh khối ở dạng tro và một phần có hàm lượng carbon cao, được gọi là “than”

Phần chất lỏng, thường được gọi là "tars", thay đổi tùy theo loại thiết bị khí hóa,chẳng hạn như thấp hơn 1% trọng lượng đối với bộ khí hóa dòng hướng xuống, 1–5%trọng lượng đối với bộ khí hóa tầng sủi bọt, 10–20% trọng lượng đối với bộ khí hóa dònghướng lên và (tars) được cấu thành bởi các chất hữu cơ phức tạp, có thể ngưng tụ ở nhiệt

độ tương đối thấp [18,21,23,24]

hỗn hợp của các khí không ngưng tụ ở nhiệt độ môi trường xung quanh Phần thể khíđược gọi là "khí nhiệt phân" và chủ yếu bao gồm hydro, carbon monoxide, carbondioxide và các hydrocacbon nhẹ như metan và các hydrocacbon C2, C3 khác; có mộtphần nhỏ là axit hoặc khí trơ

Các phản ứng nhiệt phân diễn ra với nhiệt độ trong khoảng 250–700°C Chúng là cácphản ứng thu nhiệt, như trong bước làm khô, nhiệt cần thiết đến từ giai đoạn oxy hóa củaquá trình

+ Than (Thu nhiệt)

Khi nguyên liệu thô được làm từ sinh khối, vì xenlulo là thành phần chính của nó(thường là 50% trọng lượng), trong phản ứng này, sinh khối có thể được đại diện bằng

Một số hiện tượng phức tạp liên quan đến quá trình nhiệt phân, chúng bao gồmtruyền nhiệt, khuếch tán sản phẩm từ các lỗ sinh khối sang khối pha khí và các phản ứngnối tiếp nhau Ở nhiệt độ thấp, động học của các phản ứng có thể là bước giới hạn, trongkhi ở nhiệt độ cao hơn, bước giới hạn có thể trở thành sự truyền nhiệt hoặc sự khuếch tánsản phẩm Đối với xenlulozơ, phản ứng nhiệt phân xảy ra trong khoảng 600 đến 700 ° C

2.1.2.3 Quá trình oxy hóa

Quá trình oxy hóa một phần của sinh khối là cần thiết để thu được năng lượng nhiệtcần thiết cho các quá trình thu nhiệt, để duy trì nhiệt độ hoạt động ở giá trị cần thiết Quátrình oxy hóa được thực hiện trong điều kiện thiếu oxy theo tỷ lệ hòa khí tối ưu để chỉoxy hóa một phần nhiên liệu Mặc dù quá trình oxy hóa một phần liên quan đến tất cả cácchất chứa cacbon ( bao gồm hắc ín ) ta vẫn có thể đơn giản hóa hệ thống khi giả địnhrằng chỉ có than và hydro có trong khí tổng hợp tham gia vào các phản ứng oxy hóa từngphần Các phản ứng chính diễn ra trong giai đoạn oxy hóa là:

12

1

Sản phẩm chính của bước này là nhiệt năng cần thiết cho cả quá trình, còn sản phẩm

oxy hóa sinh khối được thực hiện với không khí, nếu không thì thực tế không có nitơ nếuchỉ sử dụng oxy

2.1.2.4 Sự khử

Bước khử liên quan đến tất cả các sản phẩm của các giai đoạn trước đó của quá trìnhnhiệt phân và oxy hóa; hỗn hợp khí và than phản ứng với nhau tạo ra khí tổng hợp cuốicùng Các phản ứng chính xảy ra ở bước khử là: