CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN

Khí hóa sinh khối. Là quá trình đốt cháy nguồn nguyên liệu biomass trong môi trường thiếu ôxi để sản sinh ra các chất khí dễ cháy bao gồm Carbon monoxide (CO), hydro (H2) và một phần khí metan (CH4). Hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp khí cháy (tài liệu nước ngoài thường viết là producer gas- sinh khí).

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU

Họ và tên sinh viên:

Ngành :Công nghệ kỹ thuật hóa học-chuyên ngành hóa dầu

1.TÊN ĐỀ TÀI

Công nghệ khí hóa để sản xuất điện

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN



Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn cô Đặng Thị Hà và các thầy cô khác cùng tất cả bạn bè đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án!

Xác nhận của GVHD

Chữ ký

2.3 QUY TRÌNH KHÍ HÓA SẢN XUẤT ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ 24 2.4 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 27

Tài liệu tham khảo 28

LỜI MỞ ĐẦU



Hiện nay chúng ta đang sống trong một thế giới luôn chứa đầy những bất ổn:

Về môi trường: Do tốc độ phát triển như vũ bão của các ngành công nghiệp vàviệc khai thác sử dụng nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch tưởng như khôngbao giờ cạn kiệt như dầu, than đá, v v Đã làm cho môi trường sống của chúng tangày càng ô nhiễm trầm trọng

Tuy nhiên, con người đã dần nhận thức được rằng một ngày nào đó nguồnnhiên liệu hóa thạch kia sẽ cạn kiệt và lúc đó ta sẽ phải lấy năng lượng từ các nguồnnhiên liệu khác để thay thế

Đó chính là năng lượng tái tạo (như là năng lượng gió, năng lượng mặt trời,Biomass v.v.) mà thiên nhiên đã ban cho con người Và một trong những vấn đề đó

sẽ được nói tới ở đây, Đó là một cách để tận dụng năng lượng từ nguyên liệu sinhkhối Trong đồ án này, chúng em sẽ làm về “ Công nghệ khí hóa sinh khối để sảnxuất điện” có thể ứng dụng trong thực tiễn

Đồ án bao gồm những nội dung chính sau:

>> Tổng quan về sinh khối

>> Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa sinh khối

>> Công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện

>> Thiết kế dây chuyển khí hóa sinh khối để sản xuất điện

>> Kết Luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN KHÍ HÓA - BIOMASS

1.1.1 Năng lượng sinh khối

Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo (như

gỗ, thực vật, … ) ngoại trừ nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,… ).Với đặc tính của nó: có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, cókhả năng lưu trữ và thay thế dầu nên nó đang được đặt sự quan tâm rất lớn,nhất là hiện nay khi nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt

 Ưu điểm từ năng lượng sinh khối:

Lợi ích kinh tế :

-Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triểnNLSK, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch )-Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuấtcác thiết bị chuyển hóa năng lượng.v.v

-Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiênliệu

Lợi ích môi trường :

Đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to lớn chomôi trường:

- Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

- Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu Do đó nó vừalàm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích

- Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng mức S và tro thấp hơn đáng kể sovới việc đốt than bitum Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khíquyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo

thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khíquyển.

- Như vậy, phát triển năng lượng sinh khối làm giảm sự thay đổi khí hậu bấtlợi, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp v v

 Khó khăn

- Việc đốt sinh khối theo công nghệ cũ sinh ra các hạt bụi lơ lửng gây ônhiễm Ô nhiễm không khí là một trong những nguyên nhân gây bệnhtật và tử vong

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

1.1.2 Ứng dụng của năng lượng sinh khối

Chuyển đổi nhiệt hóa: đốt nhiệt, khí hóa và nhiệt phân

Chuyển đổi sinh hóa: phân hủy yếm khí và lên men

a Sản xuất nhiệt truyền thống

Nhiệt lượng từ việc đốt sinh khối được sử dụng để đốt sưởi ấm, để nấuchín thức ăn, để đun nước tạo hơi,

b Nhiên liệu sinh khối

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng Badạng nhiên liệu phổ biến sản xuất từ sinh khối là methanol, ethanol, vàbiodiesel Pha nhiên liệu sinh học vào các sản phẩm dầu khí sẽ gia tăng hiệusuất đốt của nhiên liệu và từ đó giảm ô nhiễm không khí

c Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối

Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển sinh khối thành điệnnăng Các công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơinước thông thường, nhiệt phân, đốt kết hợp cofiring, khí hóa, tiêu yếmkhí, sản xuất điện từ khí thải bãi chôn lấp rác

1.1.3 Khí hóa sinh khối

Khí hóa hay còn gọi sản xuất điện từ khí là việc chuyển đổi nguyên liệurắn hoặc lỏng thành nhiên liệu khí hữu ích và thuận tiện cho việc đốt cháy đểgiải phóng năng lượng

Trong quá trình khí hóa , vật liệu được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao → dẫnđến thay đổi tính chất vật lý và hóa học → tạo ra các sản phẩm cháy dễ bay hơi(CO, H2 và CH4) và các chất thải như tro, hắc ín

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2.1 Trong nước

Ðất nước ta có điều kiện tự nhiên thuận lợi như nóng ẩm, mưa nhiều, đấtđai phì nhiêu… nên sinh khối phát triển rất nhanh Do vậy, nguồn phụ phẩm từnông, lâm nghiệp phong phú, liên tục gia tăng Tuy nhiên, những nguồn phụphẩm đó lại đang bị coi là rác thải tự nhiên, đang bị lãng phí, nguy hiểm hơnlại trở thành nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường như tình trạng đốt rừng,rơm rạ, mùn cưa ở miền Bắc hoặc đổ trấu xuống sông, kênh rạch ở Ðồng bằngsông Cửu Long… NLSK nằm trong trong chu trình tuần hoàn ngắn, được các

tổ chức về phát triển bền vững và môi trường khuyến khích sử dụng Tận dụngđược nguồn nhiên liệu này sẽ đồng thời cung cấp năng lượng cho phát triểnkinh tế và đảm bảo bảo vệ môi trường

Tiềm năng về NLSK của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng và cótrữ lượng khá lớn

Bảng 2- Tiềm năng năng lượng biomass từ phụ phẩm nông nghiệp(12/2012)

Nguồn Tiềm năng(triệu tấn) Quy dầutương Tỷ lệ

Ngày 13/3/2014, dự án JICA do Trường Đại học Bách khoa TP HCM vàViện Khoa học Công nghiệp - Đại học Tokyo thực hiện trong 5 năm (2009

- 2014) với mục tiêu nghiên cứu và phát triển các công nghệ chế biếnbiomass (phế phụ phẩm nông nghiệp) thành năng lượng như biogas (phục vụcho công nghiệp, chất đốt gia đình), bioethanol (làm nhiên liệu động cơ,chất đốt công nghiệp) đồng thời kết hợp giải quyết các vấn đề về môitrường và xây dựng xã Thái Mỹ trở thành “Thị trấn sinh khối” (BiomassTown) đầu tiên tại Việt Nam

Nguồn sinh khối chủ yếu của nước ta gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng,trong đó gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trồng phân tán, cây công nghiệp

và cây ăn quả, phế phẩm gỗ công nghiệp

Bảng 1-Tiềm năng năng lượng biomass từ gỗ(12/2012)

Nguồn Tiềm năng

(triệu tấn)

Quy dầu tươngđương(triệu toe)

Tỷ lệ(%)

Cây trồng phân tán 6,0 2,12 24,1Cây công nghiệp và ăn quả 2,4 0,8 9,6

Tuy nhiên lĩnh vực nghiên cứu về khí hóa trong nước còn nhiều hạn chế, chỉ giớihạn trong phạm vi hẹp như làm bếp tại nhà, làm máy phát điện công suất nhỏ chưa

có hướng phát triển theo qui mô cao hơn

Các công nghệ hiện nay trên thế giới và Việt Nam đang sử dụng:

Một số nhà máy điện Biomass tại Việt Nam:

- Dự án xây dựng nhà máy điện sinh học Biomass tại khu Rừng Xanh, thịtrấn Phong Châu, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ đã được cấp giấy chứngnhận đầu tư với tổng mức đầu tư 1.160 tỷ đồng, công suất 40MW, dự kiến

đến năm 2018 nhà máy sẽ hoàn thành và đi vào hoạt động với sản lượng điện

là 331,5 triệu KWh/năm Nhà máy hoạt động sẽ tạo điều kiện cho các hộ giađình nông thôn bán phế thải hữu cơ nông nghiệp và rác thải sinh hoạt nôngthôn cho nhà máy như: rơm, rạ, thân cây ngô, sắn, đỗ, lạc hoa, cây củi saukhai thác rừng

- Tập đoàn tập đoàn Doosan (Hàn Quốc) đã chuẩn bị thủ tục để đầu tư xâydựng nhà máy nhiệt điện sinh khối (Biomass) tại khu công nghiệp MinhHưng - Hàn Quốc (huyện Chơn Thành) có công suất thiết kế 19 MW, cungcấp hơi nước 70m3/h Dự án có vốn đầu tư 70 triệu USD Nguyên liệu thôcung cấp cho nhà máy hoạt động chủ yếu từ thực vật ngành nông - lâmnghiệp Tập đoàn sẽ hoàn tất thủ tục pháp lý và dự án có thể hoàn thành vàonăm 2015

1.2.2 Ngoài nước

Trong những năm gần đây, sự quan tâm phát triển các công nghệ NLSK

đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch Ngay

cả những nước phát triển như Mỹ cũng đã có những chính sách để thay thế dầnnguồn năng lượng hóa thạch Nguyên nhân là do các nguồn năng lượng hóathạch đang cạn kiệt dần và chi phí cho nhiên liệu này ngày càng tăng cao Nếuvới tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện tại thì trữ lượng dầu của thế giới được dựbáo sẽ cạn kiệt trước năm 2050 và các nguồn năng lượng này còn là một trongnhững nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Cá nhà máy điện sinh khối trên thế giới: Nhà máy điện sinh khối Alholmens,Phần Lan công suất 240 MW điện cộng với 160 MW nhiệt Mỹ là nước sảnxuất điện biomass lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sảnxuất trên 7.500MW điện mỗi năm Những nhà máy này sử dụng chất thải từnhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườncây ăn quả Năng lượng biomass chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở

Mỹ và 45% năng lượng tái sinh

Ở Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ năm

2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối(biomass town) Đến đầu năm 2011, Nhật Bản đã có 286 thị trấn sinh khối trảidài khắp đất nước

Tại Hàn Quốc, năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu, phát triển

ở đất nước này với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt 11%,trong đó năng lượng từ sinh khối sẽ đạt 7,12%

Còn ở Trung Quốc đã có Luật năng lượng tái tạo và hiện nay đã có hơn 80 nhàmáy điện sản xuất từ sinh khối với công suất đến 50MW/nhà máy Tiềm năng

là có thể đạt được 30GW điện từ loại hình năng lượng này Các nhà máy điệnsinh khối thường có công suất bé dưới 10MW

Tuy nhiên cũng có nhiều nhà máy điện sinh khối công suất lớn trên thế giớinhư:

- Nhà máy điện sinh khối COLMAC ở Mecca, California, Mỹ công suất 47MW

- Nhà máy điện Teesdies vương quốc Anh, công suất 295 MW được xâydựng và dự kiến bắt đầu hoạt động thương mại vào cuối năm nay

- Nhà máy điện sinh khối chuyên dụng Alholmens (Phần Lan), công suất 240

MW điện cộng với 160 MW nhiệt

- Nhà máy điện biomass công suất 50MW ở California, sử dụng phụ phẩm

gỗ từ các nhà máy cưa lân cận

- Nhà máy điện sinh khối công suất 44 MW tại Steven's Croft ở Scotland

1.3 CƠ SỞ LÝ HÓA

1.3.1.Giới thiệu

Khí hóa sinh khối là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và

dị thể của sinh khối Tùy thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thểnhận được sản phẩm khí chứa CO, H2 và CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm chứa

CO + H2 có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử có thể được dùng cho các quátrình tổng hợp hóa học

lý Lựa chọn công nghệ khí hóa sinh khối dựa vào nhiều thông số quan trọng:

+ Chất lượng của nguồn nguyên liệu

+ Sản phẩm chính của công nghệ

Mỗi loại sinh khối có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phươngpháp khí hóa sinh khối khác nhau Tùy thuộc kích cỡ của sinh khối mà có thểlựa chọn các công nghệ khí hóa Công nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khíhóa tầng cố định và khí hóa tầng sôi

1.3.2: Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa sinh khối.

1.3.2.1 Cơ chế phản ứng C + H 2 O

Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng

C + CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O Phản ứng chỉ có tiến hành với vậntốc tương đối lớn nên t0 > 8000C Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phứctạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiềuhướng khác nhau sinh ra CO và CO2:

- C + H2O = CO + H2 – Q1

- C + 2H2O = CO + 2H2 – Q2

Nếu trong gió có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO2 ra còn

có khả năng tiến hành phản ứng sau:

- CO + H2O = CO2 + H2 + Q

Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H2O là xem xét CO là sản phẩmbậc nhất; CO2 là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO2 đều là sản phẩm bậcnhất tạo thành đồng thời cùng 1 lúc

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:

+ Giả thiết 1 : Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C vàhơi nước tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:

Đây là giả thiết đến nay được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận nhất

Trong 2 loại giả thiết trên, chúng ta chỉ viết phương trình phản ứng đối vớiphản ứng tổng cộng, không đi vào các giai đoạn trung gian của chúng

+ Giả thiết 3 : Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩmbậc nhất, còn CO2 là sản phẩm bậc 2 Giả thiết này giải thích được khá nhiềutrường hợp thực nghiệm nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

>> Giai đoạn 1: Hấp thụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

- C + H2O ↔ C + ( H2O ) hphu

>> Giai đoạn 2 : Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:

- C + ( H2O ) hphu ↔CxOy + (H2)hphu

>> Giai đoạn 3 : Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt CxOy với sự tham giacủa hơi nước từ không khí

để tạo ra các cấu tử có ích trong khí hóa sinh khối là CO và H2

Khi nghiên cứu cơ chế phản ứng này ta cũng sẽ gặp một số khó khăn vì đâycũng là phản ứng dị thể tiến hành qua nhiều giai đoạn trung gian, và phản ứngthu nhiệt nhiều nên rất khó giữ cho nhiệt độ phản ứng không đổi, nghĩa là khógiữ được sự đẳng nhiệt của phản ứng

Vì phản ứng thu nhiệt mạnh nên đặc điểm của nó là phản ứng chỉ tiến hành ởnhiệt độ cao t0 > 8000C , nếu ở nhiệt độ t0 < 8000C tốc độ phản ứng rất békhông đáng kể

Giữ cho nhiệt độ phản ứng C + CO2 không đổi khó hơn là trường hợp đối vớiphản ứng C + O2 vì trong trường hợp phản ứng cháy, muốn lấy nhiệt ra ngoàingười ta có thể dùng nito thổi qua Còn đối với phản ứng thu nhiệt C + CO2

trong phòng thí nghiệm thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằngphương pháp điện và nhiệt được truyền từ thành ngoài của lò vào tâm của ốngđựng sinh khối Nhưng vì sinh khối là 1 chất dẫn nhiệt xấu nên lượng nhiệttruyền từ thành vào bao giờ cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng.Theo Tru-kha-nop cơ chế phản ứng C + CO2 tiến hành qua các giai đoạn sau:

>> Giai đoạn 1 : Hấp thụ CO2 trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:

- C + CO2 ↔ (CO2)hphu + C

>> Giai đoạn 2 : Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:

- (CO2)hphu + C ↔ CxOy

- CxOy –là hợp chất trung gian hoạt động bề mặt

>> Giai đoạn 3 : Phân hủy hợp chất bề mặt dưới tác dụng của nhiệt độ:

Ở nhiệt độ cao chúng sẽ tự phân hủy theo phản ứng sau:

Như vậy bậc của phản ứng C + CO2 thay đổi từ 0 → 1 tủy theo điều kiện tiếnhành phản ứng.

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khí hóa sinh khối

1.4.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình hóakhí hoạt động thì áp suất tối thiểu phải là 10bar và có thể đạt đến 100bar Ở ápsuất cao cực độ, như việc tổng hợp amoniăc ( 130 – 150bar ) hay như quá trìnhhóa khí ở áp suất 70 – 100bar trở lên thì không thực tế cho yêu cầu thiết bị Ở

áp suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệulàm lò hóa khí trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao

Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho quá trình hóa khí là tùy thuộc vào yêu cầucủa quá trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu

tư là thấp nhất Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽthay đổi khác nhau.Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần

sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu côngnghệ hóa khí sinh khối thích hợp

1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của quá trình hóa khí nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạngthái tro(trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ).Đối với sinh khối điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêmchất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống Hóa khí

ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàndiện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luônđảm bảo nhiệt độ trong lò không được vượt quá giá trị cho phép

Các quá trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30bar và nhiệt độ trên13000C Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổnghợp với thành phần mêtan giảm xuống Trong trường hợp này thì nhiệt