Nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối để cung cấp năng lượng quy mô nhỏ ở Việt Nam

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU Ngày nay, con người phụ thuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng chính là nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, khí tự nhiên và than. Theo Lior trong số 20,2 PWh điện năm 2008 thì có 66% là từ nhiên liệu hóa thạch, 18% là từ thủy điện, 14% là từ điện hạt nhân và 2% là từ các nguồn năng lượng tái tạo. Tỷ trọng điện từ nhiên liệu hóa thạch thì than chiếm 62%, khí chiếm 29% và từ dầu chiếm 9% [66]. Thêm vào đó, theo dự báo trong giai đoạn từ 2007 đến 2030 nhu cầu năng lượng tăng lên khoảng 40% tức vào khoảng 16800 MTOE [49]. Do nhu cầu về năng lượng tăng nhanh, các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá năng lượng tăng nhanh cùng với đó là vấn đề bảo vệ môi trường. Vì vậy, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc biệt chú trọng [74]. Sinh khối là nguồn năng lượng có nhiều ưu điểm: là nhiên liệu giá rẻ, có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hơn thế, việc sử dụng sinh khối cũng không làm tăng lượng phát thải CO trong khí quyển [94]. Khí hóa sinh khối đang được xem như là giải pháp có tiềm năng lớn để sử dụng nguồn sinh khối cho các nhu cầu cung cấp năng lượng chất lượng cao thay thế được một phần nhiên liệu hóa thạch [14, 15]. Tuy nhiên, hắc ín có trong sản phẩm khí hóa đang là một trong những tồn tại chính trong việc ứng dụng khí hóa sinh khối cho các mục đích sản xuất năng chất lượng cao như vận hành động cơ đốt trong, pin nhiên liệu và cung cấp nhiệt thay thế dầu và khí. Do đó, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều chú trọng việc nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện công nghệ khí hóa sinh khối, để khí sản phẩm có hàm lượng hắc ín thấp, đáp ứng yêu cầu công nghệ trong sản xuất năng lượng chất lượng cao, có đặc tính vận hành ổn định, có thể sử dụng đa dạng các loại sinh khối. Nổi bật trong số đó phải kể đến các quốc gia phát triển như Mĩ, Phần Lan, Nhật Bản, Áo, Đan Mạch…đến các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan…[108] 2 Đối với Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng chất lượng cao (điện năng) đang gia tăng nhanh chóng để phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế (14,9%/năm trong giai đoạn 1995 đến 2005), do đó nguồn cung điện năng đang thiếu hụt trầm trong (khoảng 4%/năm) [1], cùng với đó là hệ thống phân phối điện chưa đảm bảo. Theo báo cáo của Bộ Công Thương năm 2009, hiện nay tỷ lệ phủ điện lưới mới đạt khoảng trên 97% dân số [119]. Hơn thế, nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch không nhiều, theo ước tính trữ lượng dầu, khí đốt đủ trong vòng 40 - 50 năm và sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng từ 2015 [7]. Mặt khác các nguồn sinh khối đang được sử dụng chưa hợp lí, việc sử dụng sinh khối để cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là đốt cháy trực tiếp để cung cấp nhiệt, hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường. Theo báo cáo hiện 59% sinh khối được sử dụng là cho mục đích cung cấp nhiệt, đun nấu hộ gia đình (Sectral Energy: 2006). Đối với công nghệ khí hóa sinh khối, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, quy mô bếp đun hộ gia đình. Trong khi đó, việc nhập khẩu công nghệ và chép mẫu các hệ thống khí hóa chi phí tốn kém, tiềm ẩn nhiều rủi ro do công nghệ này hiện nay vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử ngiệm [8]. Cụ thể theo tham khảo từ các báo cáo và khảo sát thực tế của tác giả thì sau khi nhập công nghệ về Việt Nam và đưa vào vận hành thử nghiệm kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín cao, hệ thống hoạt động không ổn định, hệ số sẵn sàng và hiệu quả thấp, nhiên liệu sử dụng không phù hợp nên chỉ sau một thời gian ngắn vận hành thử nghiệm đã phải dừng, gây lãng phí. Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến và phát triển công nghệ công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, [18] phục vụ nhu cầu năng lượng thiết yếu cho những khu vực chưa có điện lưới, hoặc không thể sử dụng điện lưới vì chi phí quá cao, những khu vực có nguồn sinh khối đa dạng, dồi dào, rẻ tiền mà có thể thậm chí là nguồn gây ô nhiễm môi trường. 2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1 Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, có đặc tính vận hành ổn định, sử dụng đa dạng nguồn nhiên liệu sinh khối sẵn có ở Việt Nam để sản xuất năng lượng chất lượng cao góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. 2.2 Mục tiêu cụ thể - Thiết kế, chế tạo và phát triển được một hệ thống khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín đáp ứng việc sử dụng cho động cơ đốt trong để sản xuất điện năng công suất nhỏ. - Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố như: i) ảnh hưởng chế độ vận hành; ii) ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu; và iii) ảnh hưởng của loại sinh khối đến đặc tính năng lượng của hệ thống khí hóa. - Đánh giá được khả năng thay thế dầu diesel và phát thải môi trường khi sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng. - Đánh giá tiềm năng nguồn và sự phù hợp về đặc tính nhiệt, cũng như đặc tính lý, hóa của sinh khối ở Việt Nam, để có thể sử dụng cho công nghệ khí hóa trong sản xuất điện năng. 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình khí hóa sinh khối và công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ. - Nghiên cứu cơ chế hình thành hắc ín trong khí hóa sinh khối và các giải pháp loại bỏ hắc ín trong khí sản phẩm từ hệ thống khí hóa sinh khối. - Đánh giá tiềm năng ứng dụng khí hóa sinh khối và đề xuất mô hình khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp phù hợp cho sản xuất năng lượng ở Việt Nam. - Nghiên cứu cải tiến và phát triển một công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp với động cơ diesel - máy phát để sản xuất điện năng. - Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ưu điểm của thiết bị khí hóa đã chế tạo và ảnh hưởng của các yếu tố: i) chế độ vận hành; ii) đặc tính nhiên liệu; iii) chủng loại nhiên liệu, đến đặc tính năng lượng của thiết bị, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm của thiết bị vừa phát triển với những công trình khác đã công bố. - Nghiên cứu thực nghiệm khả năng ứng dụng khí sản phẩm từ thiết bị khí hóa sinh khối để thay thế dầu diesel trong sản xuất điện năng và so sánh với kết quả mô phỏng của quá trình trên.

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, con người phụ thuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng chính là nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, khí tự nhiên và than Theo Lior trong số 20,2 PWh điện năm 2008 thì

có 66% là từ nhiên liệu hóa thạch, 18% là từ thủy điện, 14% là từ điện hạt nhân và 2% là từ các nguồn năng lượng tái tạo Tỷ trọng điện từ nhiên liệu hóa thạch thì than chiếm 62%, khí chiếm 29% và từ dầu chiếm 9% [66] Thêm vào đó, theo dự báo trong giai đoạn từ

2007 đến 2030 nhu cầu năng lượng tăng lên khoảng 40% tức vào khoảng 16800 MTOE [49] Do nhu cầu về năng lượng tăng nhanh, các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá năng lượng tăng nhanh cùng với đó là vấn đề bảo vệ môi trường Vì vậy, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được đặc biệt chú trọng [74] Sinh khối là nguồn năng lượng có nhiều ưu điểm: là nhiên liệu giá rẻ,

có hàm lượng lưu huỳnh thấp Hơn thế, việc sử dụng sinh khối cũng không làm tăng lượng phát thải CO2 trong khí quyển [94] Khí hóa sinh khối đang được xem như là giải pháp có tiềm năng lớn để sử dụng nguồn sinh khối cho các nhu cầu cung cấp năng lượng chất lượng cao thay thế được một phần nhiên liệu hóa thạch [14, 15] Tuy nhiên, hắc ín có trong sản phẩm khí hóa đang là một trong những tồn tại chính trong việc ứng dụng khí hóa sinh khối cho các mục đích sản xuất năng chất lượng cao như vận hành động cơ đốt trong, pin nhiên liệu và cung cấp nhiệt thay thế dầu và khí Do đó, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều chú trọng việc nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện công nghệ khí hóa sinh khối, để khí sản phẩm có hàm lượng hắc ín thấp, đáp ứng yêu cầu công nghệ trong sản xuất năng lượng chất lượng cao, có đặc tính vận hành ổn định, có thể sử dụng đa dạng các loại sinh khối Nổi bật trong số đó phải kể đến các quốc gia phát triển như Mĩ, Phần Lan, Nhật Bản, Áo, Đan Mạch…đến các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan…[108] Đối với Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng chất lượng cao (điện năng) đang gia tăng nhanh chóng để phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế (14,9%/năm trong giai đoạn 1995 đến 2005), do đó nguồn cung điện năng đang thiếu hụt trầm trong (khoảng 4%/năm) [1], cùng với đó là hệ thống phân phối điện chưa đảm bảo Theo báo cáo của Bộ Công Thương năm 2009, hiện nay tỷ lệ phủ điện lưới mới đạt khoảng trên 97% dân số [119] Hơn thế, nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch không nhiều, theo ước tính trữ lượng dầu, khí đốt

đủ trong vòng 40 - 50 năm và sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng từ 2015 [7] Mặt khác các nguồn sinh khối đang được sử dụng chưa hợp lí, việc sử dụng sinh khối để cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là đốt cháy trực tiếp để cung cấp nhiệt, hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường Theo báo cáo hiện 59% sinh khối được sử dụng là cho mục đích cung cấp nhiệt, đun nấu hộ gia đình (Sectral Energy: 2006) Đối với công nghệ khí hóa sinh khối, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, quy mô bếp đun hộ gia đình Trong khi đó, việc nhập khẩu công nghệ và chép mẫu các hệ thống khí hóa chi phí tốn kém, tiềm ẩn nhiều rủi ro do công nghệ này hiện nay vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử ngiệm [8] Cụ thể theo tham khảo từ các báo cáo và khảo sát thực tế của tác giả thì sau khi nhập công nghệ về Việt Nam và đưa vào vận hành thử nghiệm kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín cao, hệ thống hoạt động không ổn định, hệ số sẵn sàng và hiệu quả thấp, nhiên liệu sử dụng không phù hợp nên chỉ sau một thời gian ngắn vận hành thử nghiệm đã phải dừng, gây lãng phí Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến và phát triển công nghệ công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, [18] phục vụ nhu cầu năng lượng thiết yếu cho những khu vực chưa có điện lưới, hoặc không thể sử dụng điện lưới vì chi phí quá cao, những khu vực có nguồn sinh khối đa dạng, dồi dào, rẻ tiền mà có thể thậm chí là nguồn gây ô nhiễm môi trường

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp,

có đặc tính vận hành ổn định, sử dụng đa dạng nguồn nhiên liệu sinh khối sẵn có ở Việt Nam để sản xuất năng lượng chất lượng cao góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình khí hóa sinh khối và công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ

- Nghiên cứu cơ chế hình thành hắc ín trong khí hóa sinh khối và các giải pháp loại bỏ hắc

ín trong khí sản phẩm từ hệ thống khí hóa sinh khối

- Đánh giá tiềm năng ứng dụng khí hóa sinh khối và đề xuất mô hình khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp phù hợp cho sản xuất năng lượng ở Việt Nam

- Nghiên cứu cải tiến và phát triển một công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp với động cơ diesel - máy phát để sản xuất điện năng

- Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ưu điểm của thiết bị khí hóa đã chế tạo và ảnh hưởng của các yếu tố: i) chế độ vận hành; ii) đặc tính nhiên liệu; iii) chủng loại nhiên liệu, đến đặc tính năng lượng của thiết bị, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm của thiết bị vừa phát triển với những công trình khác đã công bố

- Nghiên cứu thực nghiệm khả năng ứng dụng khí sản phẩm từ thiết bị khí hóa sinh khối để thay thế dầu diesel trong sản xuất điện năng và so sánh với kết quả mô phỏng của quá trình trên

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu và cập nhật thông tin: Thu thập, cập nhật thông tin từ các bài báo, công trình đã công bố trong và ngoài nước, các hội thảo trong nước và quốc tế về quá trình khí hóa sinh khối, công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất nhỏ

- Nghiên cứu lí thuyết: Dựa vào các lí thuyết về động học, nhiệt động học phản ứng của quá trình cháy, khí hóa và nhiệt phân sinh khối…

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thí nghiệm khí hóa sinh khối kết hợp với động

cơ diesel – máy phát tại Đại học Bách Khoa Hà Nội để, i) nghiên cứu quá trình khí hóa với các loại sinh khối ở Việt Nam có đặc tính nhiên liệu thay đổi, điều kiện vận hành thay đổi để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đăc tính năng lượng của thiết bị; ii) nghiên cứu đánh giá khả năng thay thế diesel của khí sản phẩm, và đánh giá tác động môi trường của hệ thống

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu giúp cho các đơn vị có thể tự thiết kế chế tạo thiết bị khí hóa sinh khối nói chung,

và thiết bị khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp nói riêng ở trong nước, mà không phải nhập khẩu Hơn nữa, có thể tự bảo trì bảo dưỡng và xử lí sự cố giúp tiết kiệm chi phí thuê chuyên gia, tăng độ tin cậy và hệ số sẵn sàng của hệ thống

- Kết quả nghiên cứu còn giúp chủ động tận dụng được đa dạng các nguồn sinh khối sẵn có và

rẻ tiền ở Việt Nam, thay vì chỉ sử dụng được một vài loại nhiên liệu như thiết kế ban đầu và đắt tiền, thậm chí phải nhập khẩu

- Kết quả nghiên cứu còn giúp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống và sử dụng sinh khối cho các mục đích năng lượng chất lượng cao như: sản xuất điện năng (kết hợp động cơ đốt trong, tua bin…), cung cấp nhiệt (lò nung thủy tinh, gốm sứ…) thay thế một số nhiên liệu LPG, SNG đắt tiền và ô nhiễm môi trường

- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã bước đầu đóng góp vào việc giải quyết một số vấn đề thực tiễn ở Việt Nam như: i) đã thiết kế, chế tạo và chuyển giao một hệ thống khí hóa sinh khối công suất 150 kW cho Viện hóa học công nghiệp Việt Nam (năm 2013); ii) đã tư vấn thiết kế cho công ty cổ phần thuốc lá Ngân Sơn (khu công nghiệp Tiên Sơn – Bắc Ninh) một hệ thống khí hóa sinh khối để tận dụng nguồn phụ phẩm (chất thải) từ quá trình chế biến thuốc lá (năm 2012)…(minh chứng đính kèm trong phụ lục 3.5.2)

6 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đã đánh giá được tiềm năng nguồn và khả năng khí hóa của một số loại sinh khối ở Việt Nam, điều này giúp cho những nhà làm chính sách xác định được mục tiêu và chiến lược phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng ở Việt Nam

- Đã xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo và lắp đặt thành công một hệ thống khí hóa sinh khối công suất 150 kW với những cải tiến về công nghệ Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống khí hóa mới phát triển với một số loại sinh khối ở Việt Nam cho thấy:

+ Hàm lượng hắc ín thấp nhất khi khí hóa than hoa và mẩu gỗ keo lần lượt là 19,51 mg/m3 và 31,55 mg/m3, các kết quả này thấp hơn mức yêu cầu và hoàn toàn có thể cho phép cấp khí sản phẩm trực tiếp cho vận hành động cơ đốt trong

+ Ảnh hưởng của các yếu tố như: i) chế độ vận hành (cấp gió G1, G2, G3 và ER), ii) đặc tính nhiên liệu (độ ẩm, chủng loại nhiên liệu) đến quá trình khí hóa và đặc tính năng lượng của thiết bị khí hóa của các loại sinh khối ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng chỉ ra chế độ vận hành phù hợp với động cơ đốt trong của nhiên liệu than hoa

và mẩu gỗ keo để sản xuất điện năng quy mô nhỏ

+ Hệ thống vận hành ổn định và có thể sử dụng đa dạng nguồn sinh khối đầu vào Các kết quả nghiên cứu trên giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong vận hành, giúp các nhà thiết kế, chế tạo có thể tự thiết kế, chế tạo thiết bị trong nước với dải công suất lớn hơn, tận dụng tốt hơn các nguồn sinh khối ở địa phương để sản xuất năng lượng ở Việt Nam

- Đã nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ diesel – máy phát để sản xuất điện năng, và kết quả cho thấy khả năng cung cấp trực tiếp khí sản phẩm

từ hệ thống khí hóa sinh khối để vận hành động cơ sản xuất năng lượng chất lượng cao là hoàn toàn khả thi và rất tiềm năng, cụ thể khi vận hành ở chế độ nhiên liệu kép thì khí sản phẩm có thể thay thế từ 30 – 75% lượng diesel tiêu thụ, điều này giúp giảm chi phí vận hành và giảm ô nhiễm môi trường trong sản xuất điện năng

7 TRÌNH TỰ LUẬN ÁN

Luận án gồm 4 chương chính, 113 trang Phần Mở Đầu: trình bày những cơ sở nghiên cứu của luận án, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học của luận án Chương 1 - Tổng quan về khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ: chương này trình bày về công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất nhỏ, các đặc điểm của công nghệ này, tình hình nghiên cứu ứng dụng, và những tồn tại của công nghệ cần giải quyết, đồng thời giới thiệu một số sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng quy mô nhỏ điển hình trên thế giới hiện nay Ngoài

ra, chương này còn nghiên cứu và đánh giá tiềm năng phát triển công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng ở Việt Nam thông qua việc đánh giá tiềm năng nguồn và sự phù hợp của các loại sinh khối ở Việt Nam sử dụng cho công nghệ khí hóa, đồng thời đề xuất một công nghệ khí hóa sinh khối để nghiên cứu và phát triển trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ ở Việt Nam Chương 2 – Cơ sở lý thuyết về quá trình khí hóa sinh khối: chương này trình bày những cơ sở lý thuyết về khí hóa sinh khối, các phản ứng, cơ chế phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối Ngoài ra, chương này còn đề cập đến hắc ín, cơ chế hình thành và các giải pháp khử hắc ín, đồng thời giới thiệu các mẫu thiết kế lò khí hóa khử hắc ín đang được nghiên cứu ứng dụng trên thế giới hiện nay Chương 3- Cải tiến công nghệ và nghiên cứu thực nghiệm quá trình khí hóa với nguồn sinh khối ở Việt Nam: chương này trình bày về cơ sở và những cải tiến công nghệ khí hóa sinh khối, xây dựng các bước tính toán thiết kế một hệ thống khí hóa sinh khối công suất khoảng 150 kW, đồng thời đưa ra bảng định hướng tính toán thiết kế cho hệ thống khí hóa sinh khối công suất lên đến 2 MW Ngoài ra, chương này còn tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ cấp gió, độ ẩm của sinh khối, chủng loại nhiên liệu đến hàm lượng hắc ín và đặc tính năng lượng của thiết bị khí hóa sinh khối, đồng thời phân tích, thảo luận và so sánh kết quả đạt được trên hệ thống mới phát triển (150 kW) với hệ thống cũ (50 kW) và các hệ thống tương tự khác hiện nay Chương 4 - Nghiên cứu thực nghiệm khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng: chương này trình bày những nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá khả năng thay thế diesel của khí sản phẩm trên hệ thống động cơ diesel – máy phát điện công suất 9,6 kW, dựa trên các chỉ tiêu năng lượng

và môi trường Nghiên cứu được tiến hành với các chế độ vận hành thay đổi, sử dụng một vài loại sinh khối đầu vào như: than hoa, gỗ mẩu, viên nén mùn cưa Kết quả thí nghiệm được so sánh đối chiếu với kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL Boost Phần Kết luận,

đề xuất: Gồm các kết luận, nhận xét và các đề xuất, khuyến nghị được tác giả trình bày trong phần cuối cùng của luận án

Hình 1.2 Khí hóa

thuận chiều [5]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT

NĂNG LƯỢNG QUY MÔ NHỎ Tóm tắt chương 1

Chương này đề cập đến các công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy

mô nhỏ, và những đặc thù của công nghệ này, trình bày khái quát tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ ở trong và ngoài nước, đồng thời tổng hợp các sơ đồ hệ thống đang được nghiên cứu phát triển trên thế giới hiện nay, từ đó phân tích và chỉ ra những tồn tại cần nghiên cứu, giải quyết Ngoài ra, chương này còn nghiên cứu đánh giá tiềm năng phát triển công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng của Việt Nam thông qua 2 hướng chính: i) nhu cầu năng lượng của Việt Nam hiện tại và trong tương lai, ii) tiềm năng nguồn sinh khối của Việt Nam và tính phù hợp của các dạng sinh khối ở Việt Nam sử dụng cho công nghệ khí hóa để sản xuất điện năng Qua phân tích thực tế nguồn sinh khối ở Việt Nam kết hợp với những nghiên cứu tổng quan, tác giả đã lựa chọn công nghệ khí hóa nhiều cấp kiểu thuận chiều, có hàm lượng hắc ín phù hợp cho mục đích sản xuất điện năng quy

mô nhỏ để nghiên cứu, phát triển ở Việt Nam

1.1 Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ

Khí hóa sinh khối ứng dụng trong sản xuất năng lượng quy

mô nhỏ thường sử dụng công nghệ khí hóa lớp cố định Công

nghệ này được chia làm ba loại theo chiều di chuyển của khí

sản phẩm đầu ra:

- Lò khí hóa ngược chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm

đầu ra ngược với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa thuận chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm đầu

ra cùng với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa dòng cắt nhau: chiều di chuyển của khí sản phẩm

đầu ra cắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu

1.1.1 Lò khí hóa ngược chiều

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối ngược chiều được trình bày

trên hình 1.1 Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của

thiết bị xuống phía dưới trong khi đó không khí cho quá trình

khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên

của thiết bị Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động lên phía

trên và thoát ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị Trong trường hợp

này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng khí sản phẩm đầu ra

chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa

1.1.2 Lò khí hóa thuận chiều

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối thuận chiều được trình bày

trên hình 1.2 Cả nhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình

khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống Khí sản phẩm

được tạo ra sẽ chuyển động xuống phía dưới và thoát ra ngoài ở

gần đáy của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu

Hình 1.1 Khí hóa ngược chiều [5]

Hình 1.3 Khí hóa

dòng cắt ngang [5]

vào và dòng khí sản phẩm đầu ra chuyển động cùng chiều trong thiết bị khí hóa

1.1.3 Lò khí hóa dòng cắt ngang

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối dòng cắt ngang được trình

bày trên hình 1.3 Không khí cần cho quá trình khí hóa chuyển

động theo phương vuông góc với chuyển động của nhiên liêu

rắn trong thiết bị khí hóa Khí sản phẩm được lấy ra gần vùng

cấp không khí ở phía đối diện

1.1.4 Đặc điểm của khí hoá sinh khối theo lớp cố định

Thông thường, khả năng khí hoá sinh khối theo lớp cố định

phụ thuộc vào tính chất của sinh khối như: hình dạng sinh khối,

khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro,

thành phần hóa học của tro và nhiệt trị của sinh khối

Khả năng lưu chuyển của sinh khối bên trong thiết bị khí

hóa phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng riêng của sinh khối

Tổn thất áp suất trong thiết bị khí hóa sẽ tăng khi giảm kích thước hạt nhiên liệu và do vậy có thể hạn chế tốc độ lưu động của không khí bên trong thiết bị hóa khí

Nói chung, hiệu suất khí hoá sẽ giảm khi độ ẩm của sinh khối tăng, độ ẩm của sinh khối

vì thế không nên vượt quá 30% với lò khí hóa thuận chiều [45, 87]

Sinh khối có hàm lượng chất bốc thấp là nguồn nhiên liệu phù hợp cho các thiết bị khí hóa, đặc biệt trong các ứng dụng có sử dụng động cơ đốt trong và máy phát để sản xuất điện năng công suất nhỏ

Sinh khối có độ tro cao có thể gây nên những sự cố khi vận hành Việc thải tro xỉ do vậy phải được tiến hành liên tục hoặc định kỳ

Bảng 1.1 Đặc tính vận hành của một số lò khí hóa sinh khối lớp cố định [45, 101, 34]

chiều

Lò thuận chiều

Lò cắt ngang

Nhiệt độ chảy mềm của tro (0C) > 1000 > 1250

Nhiệt độ khí sản phẩm ra (0C) 200 - 400 450 - 700 1250 Hàm lượng hắc ín (g/m3) 30 - 150 0,015 - 3 0,01 - 0,1 Nhiệt trị thấp của khí sản phẩm (MJ/m3) 5 - 6 4,5 - 5 4 - 4,5

1.1.5 Ƣu, nhƣợc điểm của các loại lò khí hóa sinh khối lớp cố định

Mỗi loại lò khí hóa sinh khối (KHSK) kiểu lớp cố định đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy khi sử dụng cần lựa chọn để phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa nhược điểm của nó

Bảng 1.2 Một số ưu, nhược điểm của các loại lò KHSK lớp cố định [75, 27]

Kiểu thiết bị

KHSK

Ngược chiều 1.Tổn thất áp suất nhỏ

2 Hiệu quả nhiệt cao

1 Hiệu quả thiết bị phụ thuộc nhiều vào lượng hắc ín và độ ẩm của nhiên liệu

3 Xu hướng hình thành xỉ ít

4 Thiết kế đơn giản

5 Linh hoạt cho nhiên liệu đầu vào (kích thước, hình dạng và độ ẩm)

6 Khí sản phẩm có nhiệt trị cao

2 Khí sản phẩm sử dụng cho động cơ đốt trong thì đòi hỏi thời gian khởi động dài hơn

3 Khả năng đáp ứng phụ tải thay đổi lớn là khó khăn hơn

4 Độ chứa hắc ín cao Thuận chiều 1 Khí sản phẩm rất linh hoạt thích

ứng cho các nhu cầu phụ tải khác nhau

2 Thiết kế đơn giản

5 Hiệu quả khí hóa tương đối thấp

6 Yêu cầu cụ thể về nhiên liệu (kích thước, hình dạng và độ ẩm)

1 Khả năng đóng xỉ cao

2 Trở lực áp suất cao

1.2 Đặc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng

Hiện nay có 2 xu hướng chính trong phát triển công nghệ năng lượng sinh khối để sản xuất điện năng [59], i) quy vừa và nhỏ, ii) quy mô lớn Quy mô công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp sản xuất điện năng được một số tác giả đưa ra như sau: [45, 14]

+ Công suất nhỏ: 1 MWe

+ Công suất vừa: > 1 MW đến 5 MWe

+ Công suất lớn: > 5 MWe

Do đặc tính công nghệ nên với sản xuất điện năng quy mô vừa và lớn thường sử dụng công nghệ khí hóa tầng sôi và chu trình kết hợp sản xuất đồng thời nhiệt và điện năng Với sản xuất điện năng quy mô nhỏ thường sử dụng công nghệ khí hóa tầng cố định kết hợp với động cơ đốt trong (động cơ khí hoặc động cơ diesel) [20] Việc lựa chọn động cơ khí hay động cơ diesel phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của hộ sử dụng

1.2.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất nhỏ

Công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện quy mô nhỏ thường sử dụng kiểu lò khí hóa lớp cố định mà chủ yếu là loại lò thuận chiều [20] vì: hàm lượng hắc ín thấp, công nghệ đơn giản, vận hành không quá phức tạp, chi phí ban đầu thấp, tuy nhiên công suất của công nghệ này là hạn chế

Sản xuất điện năng quy mô nhỏ từ khí hóa sinh khối thường kết hợp với động cơ đốt trong vì [28]: đây là công nghệ đã được minh chứng trong lịch sử phát triển [20], đặc tính vận hành đơn giản, tính hệ thống không đòi hỏi quá cao, chi phí ban đầu thấp Hơn nữa, có thể tận dụng và cải tạo từ hệ thống máy phát sẵn có của các hộ sử dụng Tuy nhiên, công nghệ cũng có những đòi hỏi về chất lượng khí sản phẩm khá cao như: [87, 77]

+ Nhiệt trị thấp làm việc: khoảng 4 - 6 MJ/m3

+ Hàm lượng hắc ín: 100 mg/m3

+ Nồng độ bụi: 30 mg/m3

Việc lựa chọn động cơ diesel hay động cơ khí để kết hợp với công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể sau:

+ Đặc tính làm việc của hệ thống khí hóa sinh khối: liên tục, gián đoạn

+ Tính ổn định và chất lượng khí sản phẩm của hệ thống khí hóa sinh khối

+ Yêu cầu về tính ổn định và tính sẵn sàng của hệ thống với hộ sử dụng Ví dụ: với hệ thống khí hóa sinh khối kết hợp động cơ diesel tính ổn định và hệ số sẵn sàng cao hơn so với động cơ khí vì khi hệ thống khí hóa gặp sự cố ta có thể vận hành bằng diesel

+ Điều kiện thực tế của hộ sử dụng, ví dụ: Qua thực tế khảo sát ở Việt Nam, hầu hết các hộ

sử dụng có sẵn hệ thống máy phát điện dự phòng, công suất nhỏ hơn 10 kVA chủ yếu là sử dụng động cơ xăng, công suất lớn hơn 10 kVA chủ yếu sử dụng động cơ diesel

1.2.2 Những tồn tại trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng quy mô nhỏ

Công nghệ khí hóa sinh khối ứng dụng để sản xuất điện năng mặc dù được nhiều nước quan tâm nghiên cứu và phát triển từ lâu, tuy nhiên cho đến nay công nghệ này vẫn chưa được thương mại hóa một cách rộng rãi vì nó còn nhiều bất cập [12, 15, 52], ngoài vấn đề giá năng lượng và cơ chế chính sách, thì bản thân công nghệ này còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu và cải tiến, để nâng cao khả năng cạnh tranh với các công nghệ sử dụng sinh khối khác, cũng như với công nghệ sử dụng nhiên liệu hóa thạch như: Nâng cao hiệu suất, cải thiện chất lượng khí sản phẩm, đặc biệt là vấn đề xử lí hắc ín để giảm thiểu hắc ín trong khí sản phẩm, sử dụng đa dạng các nguồn nhiên liệu, dễ vận hành, ổn định, tin cậy…

1.2.3 Xu hướng nghiên cứu trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng

Xu hướng nghiên cứu đều bắt nguồn từ những bất cập tồn tại của công nghệ [38, 19]

a Nâng cao hiệu suất

Gồm nâng cao hiệu suất của hệ thống khí hóa sinh khối và hệ thống động cơ – máy phát Trong đó việc cải thiện hiệu suất hệ thống khí hóa sinh khối như cải thiện cấu trúc lò khí hóa, cũng như các thông số vận hành cho phù hợp với đặc tính nhiên liệu sử dụng, tăng cường tận dụng nhiệt thải từ hệ thống Đối với hệ thống động cơ máy phát thì việc nâng cao hiệu suất được thực hiện thông qua việc tối ưu hóa hệ thống kết nối và điều khiển quá trình cấp nhiên liệu khí và tận dụng nhiệt thải

b Cải thiện chất lượng khí sản phẩm

Việc cải thiện chất lượng khí sản phẩm chủ yếu được thực hiện thông qua hai giai đoạn của quá trình khí hóa, đó là giai đoạn nhiệt phân và khí hóa bằng cách tận dụng triệt để các đặc tính nhiệt động của hai giai đoạn này, cũng như sử dụng thêm chất xúc tác hoặc thay đổi, bổ sung tác nhân khí hóa khác (oxy, hơi nước…) để tối đa hóa quá trình chuyển đổi của các hydro cacbon trong sinh khối thành khí sản phẩm hoặc thậm chí nhằm đạt được thành phần khí sản phẩm như mong muốn

c Giảm thiểu hắc ín

Việc nghiên cứu nhằm giảm thiểu hắc ín trong sản phẩm khí hóa sinh khối hiện nay đang là mối quan tâm nghiên cứu hàng đầu trong phát triển công nghệ này Hắc ín là một sản phẩm của quá trình khí hóa sinh khối nên việc giảm thiểu hắc ín thường đi kèm với việc suy giảm về hiệu suất nhiệt hoặc các chi phí tăng thêm trong quá trình vận hành Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu hắc ín là rất cần thiết thông qua việc nghiên cứu lựa chọn công nghệ khí hóa, cấu trúc lò khí hóa, điều kiện vận hành, nhiên liệu sử dụng, tác nhân khí hóa, thiết bị phụ trợ hay thậm chí là các chất xúc tác phù hợp

d Sử dụng đa dạng các loại sinh khối

Sinh khối là nguồn nhiên liệu hữu hạn và mang tính địa phương, quá trình vận hành và

sử dụng lò bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của nhiên liệu như hàm lượng chất bốc, độ ẩm,

độ tro…, vì vậy việc nghiên cứu phát triển các lò khí hóa sinh khối có thể sử dụng đa dạng các loại sinh khối, phù hợp với nguồn nhiên liệu sẵn có ở từng địa phương là rất cần thiết, giúp tăng tính thích ứng và tính cạnh tranh của công nghệ

e Dễ sử dụng, rẻ tiền, vận hành ổn định

Một công nghệ muốn thương mại hóa thì phải hướng tới những mục tiêu trên, những nghiên cứu gần đây ngoài việc cải thiện hiệu suất chất lượng khí sản phẩm…cũng chú trọng tới cải tiến cơ khí hóa, tự động hóa để giảm sức lao động và ngoài ra nghiên cứu còn hướng tới những công nghệ có tính đơn giản dễ chế tạo, dễ làm chủ để có thể tự bảo trì bảo dưỡng và sửa chữa và vận hành ổn định, dễ thương mại hóa

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ

Những năm gần đây công nghệ khí hóa sinh khối được các quốc gia quan tâm và phát triển mạnh do 3 yếu tố: i) Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và trở lên đắt đỏ ii) Ô nhiễm môi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng tác động xấu đến đời sống cũng như gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, ví dụ: Tình hình ô nhiễm khói bụi ở thủ đô Bắc Kinh (Trung Quốc) năm 2013; hay tình hình thiên tai lụt lội tại nhiều quốc gia gây hậu quả nghiêm trọng gần đây [122]; iii) công nghệ khí hóa chưa hoàn thiện và đắt đỏ

Các nghiên cứu gần đây thường tập trung vào những vấn đề sau: i) nâng cao công suất khí hóa, ii) nâng cao chất lượng khí sản phẩm (giảm hàm lượng hắc ín, bụi và tăng nhiệt trị khi sản phẩm) để sử dụng cho mục đích sản xuất năng lượng chất lương cao, iii) vận hành

ổn định và sử dụng đa dạng các nguồn sinh khối Để đáp ứng nhu cầu điện năng quy mô nhỏ cho những khu vực không nối lưới thì công nghệ được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là khí hóa lớp cố định Mục tiêu nghiên cứu hướng đến đó là nâng cao hiệu suất và chất lượng khí sản phẩm, giảm thiểu hắc ín để đáp ứng yêu cầu của động cơ đốt trong hoặc tua bin khí, có đặc tính vận hành ổn định

1.3.1 Các công trình công bố trong và ngoài nước có liên quan trực tiếp đến đề tài

a Các công trình công bố trên thế giới

Mặc dù công nghệ khí hóa sinh khối đã phát triển từ khá lâu, tuy nhiên để sản xuất khí sản phẩm sử dụng cho mục đích năng lượng chất lương cao thì hắc ín sinh ra trong quá trình khí hóa vẫn là một trong những tồn tại lớn nhất để thương mại hóa công nghệ này, và hiện nó vẫn đang được rất nhiều nước quan tâm và nhiều tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, với sản xuất năng lượng quy mô nhỏ, việc xử lí hắc ín chủ yếu tập trung vào phương pháp đốt và phân hủy nhiệt, đã có một số công trình công bố đáng chú ý như:

- Jindrich Sulc và công sự năm 2012 [53] đã nghiên cứu phát triển lò khí hóa sinh khối thành hai buồng riêng biệt dựa trên ý tưởng của Nikolaisen trường đại học kỹ thuật Đan Mạch và đã nghiên cứu thực nghiệm với nhiên liệu là gỗ, kết quả cho thấy hàm lượng hắc

ín chỉ còn khoảng 135 mg/kg gỗ Tuy nhiên tỷ số ER là 0,71 và nhiệt trị của khí sản phẩm chỉ còn khoảng 3,15 MJ/m3

- Luisa Burhenne và cộng sự năm 2013 [68] cũng đã xây dựng một hệ thống khí hóa gỗ nhiều cửa cấp gió, không có thót, quy mô phòng thí nghiệm với công suất 50 kW, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vùng phân hủy hắc ín, thí nghiệm cho thấy hàm lượng

hắc ín bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ vùng phân hủy và chiều cao của vùng này, kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín có thể đạt dưới 50 mg/m3 và nhiệt trị dao động từ 4,5 - 5,5 MJ/m3

- Bui Tuyen và cộng sự [102] một trong những người đầu tiên phát triển công nghệ khí hóa sinh khối nhiều cấp gió dựa trên ý tưởng của Nikolaisen nhưng đã cải tiến, thiết bị khí hóa chỉ còn một buồng duy nhất, năm 1994 đã công bố kết cấu buồng khí hóa hai cửa cấp gió, kết quả cho thấy lượng hắc ín giảm 40 lần so với khí hóa một cửa cấp gió và chỉ còn khoảng 50 mg/m3

- P Raman và cộng sự năm 2013 [90, 91] cũng đã công bố các kết quả về phát triển công nghệ khí hóa sinh khối với hai cửa cấp gió, không có thót đồng thời tận dụng nhiệt thải để gia nhiệt không khí cấp vào lò để cải thiện hiệu suất lò và kết quả là hàm lượng hắc ín đạt dưới 100 mg/m3

, hiệu suất đạt tới 89%

- Bhattacharya và công sự [24, 25] cũng đã công bố những kết quả nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối với ba cửa cấp gió và hai vùng cháy chính đồng thời kết nối trực tiếp với động cơ – máy phát, kết quả là hàm lượng hắc ín giảm chỉ còn 19 - 34 mg/m3 và khí sản phẩm thay thế diesel tỷ lệ cao nhất lên đến 81% Sơ đồ hệ thống được trình bày trong hình 1.8

- Zhongqing Ma và công sự [115] năm 2012 đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống khí hóa hai cửa cấp gió vận hành liên tục kết hợp với động cơ – máy phát với những cải tiến ở vùng nhiệt phân (thiết bị phá tảng) và vùng ghi lò kết hợp với hệ thống phụ trợ làm sạch khí, công suất lên đến 190 kW điện Đây được xem là một hệ thống khá hoàn thiện có triển vọng thương mại hóa trong tương lai, tuy nhiên trường nhiệt độ và quá trình vận hành ổn định là khá khó khăn vì vùng cháy thường bị dịch chuyển lên hoặc xuống rất nhạy cảm với quá trình cấp liệu và thải xỉ

- Kittipong Jaojaruek và cộng sự [57] năm 2011 cũng đã công bố kết quả nghiên cứu khí hóa gỗ thông trên hệ thống khí hóa sinh khối hai cấp cải tiến, có sự kết hợp giữa lò khí hóa hai cửa cấp gió vận hành kiểu lai ghép ngược chiều và thuận chiều, đồng thời tuần hoàn khí khí sản phẩm Kết quả cho thấy với lò khí hóa hai cấp cải tiến thì hàm lượng hắc ín giảm còn dưới 45 mg/m3, và khí sản phẩm có thể cấp trực tiếp cho động cơ đốt trong và hiệu suất tổng của chu trình đạt 14%

- Juan Daniel Martinez và công sự [54] năm 2011 cũng đã công bố một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về đánh giá ảnh hưởng của chế độ vận hành đến chất lượng khí sản phẩm trên hệ thống khí hóa sinh khối hai cửa cấp gió, các kết quả thực nghiệm cho thấy lò khí hóa nhiều cấp giúp cải thiện hắc ín và tỷ lệ cấp không khí hợp lí giúp cải thiện hiệu suất lò

- Daya Ram Nhuchhen và P Abdul Salam [37] năm 2012 cũng đã nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống khí hóa sinh khối hai cấp kết hợp với động cơ dựa trên một số cải tiến và phát triển từ hệ thống khí hóa của Bhattacharya, kết quả cho thấy có thể sử dụng trực tiếp khí sản phẩm từ thiết bị khí hóa sinh khối để thay thế diesel và hiệu suất tổng có thể đạt tới 13,86%

- Ana Lisbeth Galindo và công sự [16] năm 2014 cũng đã công bố những nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến chất lượng khí sản phẩm trên hệ thống khí hóa sinh khối hai cửa cấp gió và kết quả cho thấy khí hóa hai cửa cấp gió cho phép giảm hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm lên đến 87%

- Stafan Hamel và cộng sự năm 2007 [98] và Hofbauer cũng dựa trên ý tưởng khí hóa nhiều cấp để phát triển lò khí hóa lớp sôi tuần hoàn để khử hắc ín

- Ngoài ra còn có một số công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố vận hành, kích thước nhiên liệu, thời gian lưu liệu đến quá trình khí hóa sinh khối trên hệ thống khí hóa thuận chiều thuần túy như Z.A Zainal [113], Van De Steen [ 105] và Juan J.Hernandez [56] Hay một số nghiên cứu về đặc tính vận hành của động cơ và phát thải khi vận hành ở

chế độ lai ghép diesel và khí sản phẩm (dual fuel) như M Barrio và cộng sự [23], Vinay Shrivastava và cộng sự [107, 108], Somrat Kerdsuwan và cộng sự [97]

Nhận xét: Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, các nghiên cứu hướng tới sản xuất

điện năng công suất nhỏ gần đây vẫn chủ yếu tập trung vào việc xử lý và giảm thiểu hắc ín bằng phân hủy nhiệt, đã có những công nghệ được minh chứng là có thể giảm thiểu được hắc ín xuống mức cho phép để vận hành trực tiếp cho động cơ đốt trong ở quy mô phòng

thí nghiệm Tuy nhiên, tính ứng dụng chưa cao như: Hàm lượng hắc ín thấp nhưng chỉ trong điều kiện thí nghiệm, vận hành rất phức tạp, và tính ổn định trong vận hành chưa cao, nên khi đưa vào ứng dụng thực tế còn nhiều tồn tại, chưa sử dụng được đa dạng các loại sinh khối trong thực tế đặt ra

b Các công trình công bố trong nước

Hiện nay, các công trình công bố trong nước chủ yếu dừng lại ở nghiên cứu lí thuyết và đánh giá tiềm năng như trong các tài liệu [9, 10, 12, 77, 104] Các nghiên cứu thực nghiệm

và phát triển công nghệ này để sản xuất năng lượng một cách chi tiết và tin cậy hầu như chưa có, hoặc dừng lại ở dạng các bếp đun khí hóa sinh khối hộ gia đình Gần đây đã có một vài đề tài nghiên cứu được phê duyệt theo đơn đặt hàng của bộ công thương, bộ khoa học và công nghệ, bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn về sản xuất năng lượng từ khí hóa sinh khối, tuy nhiên hiện nay vẫn đang trong giai đoạn triển khai thực hiện, vì vậy cũng chưa có công bố nào liên quan trực tiếp đến đề tài

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tại một số quốc gia trên thế giới

Với giá dầu hiện nay và xu hướng trong tương lai, cộng với nhu cầu năng lượng gia tăng đột biến nên rất nhiều nước đã đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ này ở dải công suất vừa và nhỏ, điển hình là Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Thái Lan vì nếu so sánh giá thành 1 kW điện sản xuất từ khí hóa sinh khối vẫn rẻ hơn sản xuất từ diesel Do đó, công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng quy mô nhỏ được xem là rất tiềm năng cho các nước đạng phát triển ở châu Á Theo báo cáo của IEA năm 2002 lần lượt khoảng 59,2% và 37,8% tổng dân số ở Nam Á và Đông Nam Á không được sử dụng điện, báo cáo cũng cho thấy ở một số nước kém phát triển như tại Myanmar và Nepal tỷ lệ điện khí hóa đạt rất thấp lần lượt chỉ khoảng 5% và 15% Việc cải thiện tình trạng thiếu điện là vấn đề sống còn trong phát triển kinh tế - xã hội đặc biệt đối với những vùng xa xôi hẻo lánh Những nghiên cứu phát triển gần đây của Ấn Độ cho thấy ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối kết hợp động cơ để sản xuất điện quy mô nhỏ đang một trong những là giải pháp hữu hiệu cho những vùng nông thôn, vùng chưa có điện lưới [96]

a Tình hình nghiên cứu ứng dụng tại Trung Quốc

Sau chiến tranh thế giới thứ 2 Trung Quốc là một trong số ít quốc gia tiếp tục phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng, có rất nhiều nhà máy sản xuất năng lượng từ khí hóa sinh khối với công suất điện 15 - 200 kW chủ yếu sử dụng nhiên liệu trấu

và phụ phẩm [45, 114]

Khí hóa sinh khối hiện nay được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như: cấp nhiệt, sấy, đốt lò hơi và sản xuất điện [38]

Bảng 1.3 Ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối ở quy mô vừa và nhỏ tại Trung Quốc [38]

Hình 1.4 Phân phối năng lượng từ khí hóa sinh khối tại Trung Quốc

Ngoài ra, hiện tại Trung Quốc còn triển khai, xây dựng và lắp đặt nhiều dự án khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng: ví dụ như dự án sản xuất điện và nhiệt công suất 1,2 MW tại Changxing, tỉnh Zhejiang sử dụng trấu từ các nhà máy xay sát gạo năm 2004 [35]

Do sự đa dạng về chủng loại và đặc tính của sinh khối nên Trung Quốc nghiên cứu và phát triển đa dạng các công nghệ khí hóa sinh khối, chi tiết trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Một số công nghệ khí hóa sinh khối chính sử dụng ở Trung Quốc [38]

Kiểu thiết bị khí hóa Ngược chiều Mở nắp Thuận chiều CFB Nhiên liệu sử dụng Vỏ cây, gỗ

mẩu

Trấu Lõi ngô, rơm dạ,

gỗ mẩu

Trấu, rơm dạ, mùn cưa Công suất điện 2 – 30 kW 60 – 200 kW 60 – 200 kW 400 – 2000 kW Theo thống kê hiện nay ở Trung Quốc có 2 xu hướng phát triển công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng chính là: i) công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng quy

mô nhỏ, với công suất điện ≤ 200 kW công nghệ này sử dụng thiết bị khí hóa kiểu ghi tĩnh, thuận chiều kết hợp với máy phát - động cơ đốt trong, với hiệu suất toàn phần khoảng 20%

và chi phí đầu tư khoảng gần 800 - 100 USD/kW [28]; ii) công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng quy mô lớn, công nghệ này thường sử dụng thiết bị khí hóa kiểu tầng sôi kết hợp máy phát – tuabin khí hoặc tuabin hơi sử dụng chu trình kết hợp, công suất điện lên đến trên 5 MW [114]

Hiện tại, Trung Quốc có khoảng trên 40 nhà máy và doanh nghiệp tham gia nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị khí hóa sinh khối, nổi bật trong số đó có một số công ty chế tạo

và chuyển giao công nghệ khí hóa cho nhiều nơi trên thế giới như: Công ty năng lượng xanh Hefei Tianyan, Viện công nghệ chuyển hóa năng lượng Guangzhou [28]

b Tình hình nghiên cứu ứng dụng tại Ấn Độ

Theo số liệu thống kê của viện khoa học Bangalore năm 2007 trữ lượng sinh khối của

Ấn Độ khoảng 400 triệu tấn/năm và khoảng 125 triệu tấn trong đó có thể sử dụng được cho sản xuất điện, tương ứng tiềm năng sản xuất điện là khoảng 16000 MW Tuy nhiên, hiện tại tổng công suất điện sản xuất từ sinh khối chỉ khoảng 165 MW, trong đó khoảng 87 MW

là được sản xuất từ công nghệ khí hóa sinh khối

Hiện nay, Ấn Độ đang nỗ lực nghiên cứu nhằm phát triển và thương mại hóa các công nghệ phát điện từ sinh khối để cấp điện cho những vùng chưa có điện lưới, đặc biệt là ở vùng sâu, vùng xa và nông thôn Dự án nghiên cứu lắp đặt và vận hành 5 lò khí hóa sinh khối công suất nhỏ đã được triển khai ở một số đơn vị như tại I.I.T Bombay, I.I.T Delhi, I.I.Sc Bangalore, M.K Đại học Madurai và SPRERI Nagar phục vụ mục đích nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu I.I.Sc Bangalore đã nghiên cứu phát triển và chuyển giao thành công hệ thống khí hóa sinh khối thuận chiều, công suất điện lên đến 500 kW Hiện có

6% Trong đốt lò hơi cấp nhiệt 6% Trong sản xuất điện năng 25,5% Trong đun nấu hộ gia đình 62,5% Trong sấy gỗ

khoảng trên 25 nhà máy đã được xây dựng và lắp đặt theo công nghệ này [30] Chi tiết trình bày trong bảng phụ lục PL1.1

Ngoài ra còn có một số công ty có nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa sinh khối

và đã có những đóng góp đáng kể, một trong số đó phải kể đến công ty khoa học công nghệ Ankur Công ty này đã nghiên cứu chế tạo, xây dựng và chuyển giao hơn 700 hệ thống khí hóa sinh khối để cung cấp năng lượng ở Ấn Độ và các nước trong khu vực [30]

Sơ đồ hệ thống và danh sách các nhà máy đã xây dựng theo công nghệ này được trình bày trong hình 1.5 và bảng phụ lục PL1.2

Từ năm 2006 đến nay, để thúc đẩy việc sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối cho sản xuất điện, chính phủ Ấn Độ đã có chính sách hỗ trợ tài chính trực tiếp cho các đơn vị xây dựng nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối: ví dụ: Chính phủ sẽ hỗ trợ 150000 Rs/100 kW, nên hiện nay số lượng nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối là trên 1800 nhà máy [30] Chi tiết được trình bày trong bảng phụ lục PL1.3

c Tình hình nghiên cứu ứng dụng tại Thái Lan

Việc ứng dụng khí hóa sinh khối để sản xuất điện hiện nay mới trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm và thí điểm quy mô nhỏ, trong 5 năm gần đây thì có khoảng 25 nhà máy khí hóa sinh khối được lắp đặt và 10 nhà máy trong số đó vận hành phục vụ mục đích nghiên cứu thử nghiệm và được tài trợ bởi chính phủ, số còn lại là vận hành thương mại Tất cả công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện được sử dụng hiện nay là thuận chiều, kiểu ngược chiều và CFB được sử dụng cho mục đích cấp nhiệt Công nghệ khí hóa sinh khối hiện nay ở Thái Lan chủ yếu được phát triển và chuyển giao từ Trung Quốc, Nhật Bản

và Ấn Độ [81] Tổng công suất điện của các nhà máy trên khoảng 5,4 MW, với chi phí đầu

tư khoảng từ 8000 – 10000 Bath/ kW [76]

Bảng 1.5 Danh sách nhà máy khí hóa sinh khối sản xuất điện ở Thái Lan [81]

Stt Tên nhà máy Công suất

điện (kW)

Kiểu thiết bị khí hóa

Động

cơ

Nhiên liệu

1500 thuận chiều khí gỗ mẩu nối lưới

3 Rice Mill, Lam Luk Ka 80 thuận chiều

khí đa dạng nối lưới

9 Rice Mill Ban Non Muay,

11 Asian Institute of

Technology, Pathumthani

10 thuận chiều diesel gỗ mẩu NA

12 Naresuan University 10 thuận chiều diesel gỗ mẩu NA

13 Rice Mill, Chai Nat NA thuận chiều diesel trấu NA

14 Prince of Songkla

University, Songkla

30 thuận chiều NA gỗ mẩu NA

Các nhà máy vận hành thương mại để sản xuất điện thường gặp sự cố, và phải dừng sau một thời gian vận hành do người sử dụng cũng như nhà cung cấp chưa làm chủ được công nghệ và thiếu sự hỗ trợ dịch vụ sau bán hàng của các nhà sản xuất thiết bị, trong số các nhà máy thử nghiệm hiện nay chỉ còn nhà máy Supreme với công suất điện 150 kW còn hoạt động [81, 76] Đây là một thực tế đặt ra cho các nhà khoa học của Thái Lan, mặc dù các nghiên cứu gần đây đã đạt được những kết quả ban đầu, trong phát triển công nghệ khí hóa

có hàm lượng hắc ín thấp, để vận hành trực tiếp cho động cơ – máy phát công suất nhỏ Tuy nhiên, để ứng dụng vào thực tế thì công nghệ này vẫn đang được nghiên cứu phát triển

và hoàn thiện trong tương lai

1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, khí hóa sinh khối đã được chú ý từ những năm đầu thập niên 1980 do thiếu hụt cung cấp sản phẩm dầu mỏ và điện Khí sản phẩm được sản xuất từ khí hóa củi

gỗ đã được sử dụng cho xe buýt [8] Cụ thể khí hóa trấu kết hợp sản xuất điện đã được phát triển ở miền Nam của Việt Nam thời gian này, có khoảng 15 hệ thống với công suất điện

75 kW đã được lắp đặt tại các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long và ở thành phố Hồ Chí Minh (chủ yếu nhập khẩu và sao chép công nghệ) Tuy nhiên, công nghệ này đã bị bỏ qua do tình hình cung cấp dầu mỏ và điện được cải thiện sau đó, và do việc sử dụng trấu cho các mục đích khác (sản xuất gạch, lò gốm, v.v ) đem lại hiệu quả kinh tế và lợi ích thực tế cao hơn Nhìn chung, công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn rất mới mẻ ở Việt Nam, kinh nghiệm về công nghệ này vẫn còn rất ít ngay cả trong số những chuyên gia về sinh khối Gần đây, khí hóa sinh khối đã được một số tổ chức, nhóm nghiên cứu quan tâm nghiên cứu và ứng dụng, cụ thể như sau:

- Viện Công nghệ sau thu hoạch (hiện nay là Viện Cơ khí nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn) đã nhập 1 thiết bị khí hóa trấu vào năm 1989 - 1990 Khí sản phẩm dùng để đốt cấp nhiệt quy mô nhỏ [64]

- Trong những năm 1993 - 1996, Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện thuộc Bộ Nông nghiệp đã nghiên cứu và công bố kết quả chuyển giao 10 buồng đốt trấu hoá khí với năng suất nhiệt

là 160.000 - 200.000 kcal/giờ, cung cấp nhiệt trực tiếp cho các máy sấy nông sản dạng máy sấy tháp, năng suất sấy 5 tấn/mẻ cho trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Đồng Tháp Mười, nông trường Cờ đỏ, nông trường Sông Hậu tỉnh Cần Thơ Do lò khí hoá được thiết kế theo nguyên lý hóa khí dạng mẻ nên gặp hạn chế trong khâu nạp trấu vào lò và thải tro [3]

- Trên cơ sở các kết quả thuộc Dự án cấp vùng về nghiên cứu, phát triển và phổ biến các công nghệ năng lượng tái tạo từ 1997 - 2001, một nhóm nghiên cứu công nghệ sinh khối của trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã kết hợp với Viện Năng lượng (Bộ Công Thương) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm 3 loại bếp đun sinh khối có hiệu suất nhiệt khá cao so với bếp thông thường (17 - 25% so với 10%) và chỉ số phát thải CO thấp (6,7 – 12,7 gCO/MJ) [11, 84]

- Cũng từ năm 2005, nhóm nghiên cứu ĐHBKHN đã có hợp tác với Trung tâm nghiên cứu quốc tế về nông học phục vụ phát triển (CIRAD, Cộng hòa Pháp) trong việc vận hành thử nghiệm một hệ thống khí hóa sinh khối 2 giai đoạn trong đó quá trình nhiệt phân sinh khối

và khí hóa sinh khối diễn ra ở các buồng phản ứng khác nhau Nguyên liệu sử dụng cho hệ thống khí hóa 2 giai đoạn này là gỗ vụn Khí sản phẩm có thể được sử dụng cho mục đích

sản xuất điện năng (thông qua 1 hệ động cơ đốt trong và máy phát điện) hoặc tạo khí H2phục vụ cho công nghiệp hóa chất [109]

- Trung tâm nghiên cứu và phát triển về tiết kiệm năng lượng Tp Hồ Chí Minh đã nghiên cứu áp dụng thành công công nghệ khí hóa trấu cho lò nung gạch gốm liên tục tại công ty gốm Tân Mai, tỉnh Đồng Tháp Với lò đốt áp dụng công nghệ khí hóa này, lượng khí thải

ra môi trường giảm và đạt tiêu chuẩn Việt Nam về chất thải Ngoài ra, lò đốt này cũng giúp giảm 35% lượng trấu sử dụng so với lò gạch thủ công [121]

- Tháng 5/2010 một đề tài nghiên cứu thiết kế bếp khí hóa trấu sử dụng cho hộ gia đình nông thôn khu vực ngoại thành Tp Cần Thơ của Trung tâm R&Dtech - trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh được Sở Khoa học & Công nghệ Tp Cần Thơ xét duyệt cấp kinh phí thực hiện, hiện đề tài đang chuyển giao các bếp đốt xuống các hộ dân sử dụng (chưa công bố kết quả chính thức), tuy nhiên đề tài này chỉ nẳm ở mức độ hoá khí dạng thô, không cần lọc sạch và làm nguội, quy mô nhỏ, chuyên sử dụng trong các hộ gia đình của đồng bằng sông Cửu Long [3]

- Cũng trong năm 2010, Công ty cổ phần Vinasilic (Tp Vũng Tàu) đã nghiên cứu và sản xuất ra một loại bếp khí hóa sinh khối mới, với nhiên liệu là các phụ phẩm trong nông nghiệp bao gồm vỏ trấu, rơm rạ hay phế liệu từ gỗ như mùn cưa, củi vụn Nguyên liệu ban đầu khá đa dạng, có thể được băm nhỏ hoặc viên để khí hóa Nhiệt độ của ngọn lửa đốt có thể lên tới 7000C, đảm bảo cấp nhiệt cho quá trình đun nấu thông thường [117]

- Công ty cổ phần chế tạo máy Dzĩ An, Bình Dương là nơi đã sớm nhận ra vai trò và tiềm năng ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng tại Việt Nam cũng như

1 số nước lân cận như Căm-pu-chia, Lào Mới đây, Công ty này đã nhập khẩu công nghệ khí hóa trấu từ Trung Quốc để lắp đặt 1 nhà máy sản xuất điện tại Căm-pu-chia với công suất điện khoảng 3 - 4 MW Tuy nhiên, cho đến nay, Công ty vẫn đang gặp nhiều khó khăn

về vận hành và khai thác thiết bị (vấn đề về hắc ín, đồng bộ việc kết nối với động cơ - máy phát) [4]

Nhận xét: Từ tình hình nghiên cứu và ứng dụng về khí hóa sinh khối để sản xuất năng

lượng trong nước hiện nay cho thấy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam còn rất hạn chế Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ này chỉ chủ yếu tập trung vào lĩnh vực cung cấp nhiệt và đun nấu hộ gia đình, trong sản xuất điện năng thì còn rất mới và hầu như chưa có nghiên cứu ứng dụng nào đáng kể, một vài hệ thống đang nghiên cứu thử nghiệm hiện nay đều là nhập khẩu

Tình hình nghiên cứu ứng dụng và các công trình công bố trong và ngoài nước cho thấy việc nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng ở Việt Nam

là rất cần thiết, và ở quy mô nhỏ là hoàn toàn phù hợp Tuy nhiên hướng nghiên cứu cần tập trung là tiếp thu công nghệ đồng thời cải tiến và phát triển để khắc phục những tồn tại của công nghệ này hiện nay đó là: i) giảm thiểu hắc ín và có đặc tính vận hành ổn định đáp ứng yêu cầu để có thể vận hành trực tiếp cho các hộ tiêu thụ như động cơ đốt trong, tua bin khí, pin nhiên liệu…; ii) có thể sử dụng đa dạng các loại sinh khối, để tận dụng tối đa nguồn sinh khối sẵn có tại địa phương; iii) vận hành đơn giản và chi phí đầu tư thấp

mô nhỏ điển hình hiện nay

Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng quy

mô vừa và nhỏ hiện nay thường sử dụng kiểu lò khí hóa thuận chiều, tuy nhiên cấu hình của hệ thống cũng rất đa dạng và ngày càng hoàn thiện với mục đích là i) có thể nâng cao được chất lượng khí sản phẩm, ii) sử dụng đa mục đích (kết hợp sản xuất điện, nhiệt, cơ),

đa dạng hóa các loại sinh khối, linh hoạt trong vận hành hoặc iii) cải thiên hiệu suất của hệ thống Dưới đây là một số sơ đồ nguyên lí và hình ảnh của một vài cấu khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng đã được xây dựng và lắp đặt trên thế giới [8]

- Nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối Gosaba, Bengal, Ấn Độ

Công suất điện là 500 kW với 5 tổ máy mỗi tổ 100 kW (5x100) Hệ thống được lắp đặt

và đưa vào vận hành ở đảo Gosaba, West Bengal, Ấn Độ vào tháng 7 năm 1997 cấp điện 5 làng bao gồm hơn 10000 người Sử dụng công nghệ của Ankur, Ấn Độ với nhiên liệu là gỗ mẩu, sản lượng điện trung bình 351,798 kWh Củi và dầu diesel tiêu thụ trung bình mỗi kWh điện lần lượt là 0,822 và 0,135l kg Khí sản phẩm thay thế được khoảng 59% nhiên liệu diesel

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất điện tại Bengal, Ấn Độ [8]

Hệ thống này có ưu điểm là vận hành ổn định, chất lượng khí sản phẩm tốt Tuy nhiên chi phí năng lượng tự dùng còn cao, chi phí đầu tư ban đầu lớn

- Nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối TERI, Ấn Độ

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất điện của TERI, Ấn Độ [81]

TERI sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối thuận chiều, tuy nhiên họ đã cải tiến buồng

lò không thót và cấp gió nhiều cấp Với sơ đồ hệ thống kiểu này công suất điện trong dải từ 3,5 – 100 kW, sử dụng đa dạng các loại sinh khối Khí sản phẩm có thể thay thế đến 70%

Sinh khối

Bép đốt

Màng lọc

Tới động cơ Quạt

Làm lạnh Khí SP

Rửa Khí SP-2

Rửa Khí SP-1 Khí SP ra

Nước làm mát Cyclon Sinh khối

nhiên liệu diesel Tuy nhiên hệ thống vận hành phức tạp, chi phí đầu tư và vận hành lớn, phát thải môi trường qua nước thải cao

- Hệ thống khí hóa sinh khối 2 cấp kết hợp sản xuất điện, Đan Mạch

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kiểu thuận chiều 2 cấp kết hợp sản xuất điện [81]

Công nghệ này dựa trên nguyên lí khí hóa sinh khối nhiều cấp, với 2 buồng nhiệt phân

và khí hóa tách biệt, giúp giảm hắc ín tới mức thấp nhất, tuy nhiên vận hành phức tạp, không ổn định, hiệu suất thấp

- Hệ thống khí hóa sinh khối nhiều cấp kết hợp sản xuất điện, Thái Lan

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối kiểu thuận chiều nhiều cấp kết hợp sản xuất điện, Thái

SP

Sinh khối Khí thải

Sấy khô và nhiệt phân

Hệ thống làm sạch và làm mát khí SP

Sấy không khí

Thải xỉ Sấy dầu

Động cơ – máy phát điện

- Về mặt kinh tế: công nghệ khá đơn giản, dễ chế tạo, nhỏ gọn, chi phí đầu tư linh hoạt phụ thuộc vào mức độ yêu cầu của hộ sử dụng

- Về kỹ thuật: công nghệ này cho phép giảm hắc ín xuống còn 28 mg/m3, thấp hơn mức yêu cầu để chạy trực tiếp cho động cơ đốt trong, nhưng hiệu suất của hệ thống vẫn tương đối cao (khoảng 70%), có thể sử dụng đa dạng nhiên liệu

- Về mặt môi trường: công nghệ này sử dụng phương pháp khử hắc ín ngay trong quá trình khí hóa nên có thể giảm tác động môi trường

* Nhược điểm của công nghệ

Do chưa được cơ khí hóa nên vận hành khá vất vả và phức tạp, tính ổn định chưa cao đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm Công nghệ đang trong quá trình nghiên cứu

và hoàn thiện

1.5 Tiềm năng phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng ở Việt Nam

1.5.1 Nhu cầu năng lƣợng

Việt Nam là nước đang phát triển với dân số đông khoảng trên 90 triệu người, chủ yếu đang ở độ tuổi trẻ, GDP khoảng 122 tỷ USD (2011), tiêu thụ NL sơ cấp là 58,370 KTOE (2009), tiêu thụ năng lượng cuối cùng khoảng 46,774 KTOE (2009) và tỷ lệ tăng trưởng GDP hàng năm đạt từ 6 đến 7%/năm (giai đoạn 2005 - 2010), vì vậy nhu cầu về năng lượng là rất lớn, với tỷ lệ tăng trưởng kinh tế và gia tăng dân số như hiện nay thì nhu cầu

về năng lượng tăng hàng năm từ 12 đến 15% Hơn nữa, hiện trạng sử dụng năng lượng sinh khối cho thấy cơ cấu sử dụng năng lượng sinh khối của việt nam trong các nguồn năng lượng là rất lớn nhưng chưa hiệu quả, tỷ lệ này theo thống kê hàng năm vào khoảng 46% [65, 117, 118]

Hình 1.9 Dự báo tổng nhu cầu về năng lượng của Việt Nam đến 2030 [1]

Năng lượng tái tạo Thủy điện

Dầu thô Tổng nhu cầu năng lượng sơ cấp

Thủy điện nhỏ Khí

Việc lựa chọn công nghệ biến đổi năng lượng sinh khối để sử dụng hợp lí nguồn năng lượng này là yếu tố rất quan trọng, đồng thời phải có chiến lược đầu tư phát triển cho các công nghệ sử dụng sinh khối trong ngắn hạn và dài hạn

- Nhu cầu điện năng

Nhu cầu điện năng để phát triển ở Việt Nam tăng nhanh đặc biệt từ năm 1995 trở lại đây, báo cáo tăng trưởng nhu cầu điện năng giai đoạn 2008-2021 [1]

Bảng 1.6 Dự báo tăng trưởng nhu cầu điện của Việt Nam đến 2021 [31]

Dữ liệu và dự báo tổng tiêu thụ điện của Việt Nam giai đoạn 2008-2021

Năm 2008 2009e 2010e 2011e 2012f 2013f 2014f 2015f 2016f Tổng tiêu thụ

Tổng tăng

trưởng hằng

năm (%)

8,68 8,60 8,53 8,47 8,41

e: BMI ước tính; f: BMI dự báo Nguồn EIA/BMI

Theo tổng sơ đồ quy hoạch và phát triển điện năng giai đoạn 2011 - 2020, có xét đến năm 2030 vừa được thủ tướng phê duyệt 2012 thì năng lượng tái tạo được ưu tiên phát triển và tỷ lệ đóng góp của điện từ sinh khối cũng tăng mạnh theo từng năm và dự kiến đạt

công suất 500 MW vào nắm 2020, và 2000 MW vào năm 2030 [1]

Bảng 1.7 Điện năng và tỷ lệ gia tăng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo

Stt Năm Sản lượng Đơn vị tính Điện năng từ NLTT Tỷ lệ gia tăng

Bảng 1.8 Định hướng phát triển nguồn điện đến năm 2020 [1]

Tổng công suất các nhà máy điện 75000 MW 100,0%

4 Nhiệt điện khí (trong đó sử dụng LNG

6 Điện hạt nhân 975 MW 1,3%

Bảng 1.9 Định hướng phát triển nguồn điện đến năm 2030 [1]

Tổng công suất các nhà máy điện 146800 MW 100,0%

4 Nhiệt điện khí (trong đó sử dụng LNG

về địa lý, khu dân cư, biên giới, giao thông, cơ sở hạ tầng GsT có thể tự động nhận các dữ liệu về thời tiết để tiến hành phân tích cụ thể cho từng quốc gia khác nhau, cho biết các dữ liệu về thời tiết, địa hình, nguồn nguyên liệu tái tạo (gió, mặt trời, sinh khối) Đây là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu và đánh giá các nguồn sinh khối cho các vùng tại Việt Nam, các dữ liệu của GsT đã được cập nhật về các nguồn sinh khối của Việt Nam dựa trên cuốn "Niên giám thống kê năm 2010"

Hiện nay, phần mềm GsT mới tập trung vào các sản phẩm của sinh khối nông nghiệp

và phân loại thành 5 danh mục: phụ phẩm cây lúa, cây ngô, cây lạc, cây mía và cây sắn Chi tiết nguồn sinh khối của mỗi danh mục có thể được đánh giá cho tất cả các tỉnh của Việt Nam Ngoài ra, GsT còn cho phép tính toán được trữ lượng các nguồn sinh khối có thể đạt được trong một địa điểm cụ thể với khoảng cách của nó đến các vùng lân cận, điều này giúp cho nhà hoạch định chính sách, chủ đầu tư có thể định hình được quy mô của dự

án đầu tư

1.5.2.1 Trữ lượng, chủng loại và phân bố nguồn sinh khối

Việt nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, vỏ cà phê, rơm rạ và bã mía Phụ phẩm nông nghiệp rất phong phú, dồi dào ở Vùng đồng bằng sông Mê kông, chiếm khoảng 50% tổng sản lượng phụ phẩm nông nghiệp toàn quốc, và vùng đồng bằng Sông Hồng với 15% tổng sản lượng toàn quốc Hàng năm tại Việt Nam có khoảng 80 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp trong đó 40% được sử dụng đáp ứng nhu cầu nhiệt cho hộ gia đình và sản xuất điện [92, 93, 65] Dưới đây là thống kê phụ phẩm nông nghiệp tại một số tỉnh ở Việt Nam Chi tiết trong bảng phụ lục PL1.4

Qua đồ thị hình 1.10 và 1.11 ta thấy các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lạc như: Bắc Giang, Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm sắn như: Sơn La, Thanh Hóa, Tây Ninh, Gia Lai Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm mía như: Thanh Hóa, Hòa Bình, Tây Ninh, Nghệ An, Sóc Trăng Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm ngô như: Hà Tây, Thanh

Hóa, Đắc Lắc Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lúa như: Thái Bình, Bắc Giang, Thanh Hóa,

An Giang, Đồng Tháp, Long An Tuy nhiên, nhìn chung phụ phẩm từ lúa, ngô, mía chiếm

tỷ trọng lớn

Tổng hợp chi tiết trữ lượng các phụ phẩm nông nghiệp cho các tỉnh và toàn lãnh thổ Việt Nam, với 5 nhóm nhiên liệu chính được tính toán bằng phần mềm Geospatial trình bày trong bảng phụ lục PL1.4

Hình 1.10 Sản lượng sinh khối một số tỉnh phía Bắc

Hình 1.11 Sản lượng sinh khối một số tỉnh Miền trung và Nam bộ

Ngoài các nguồn sinh khối là phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam còn có các nguồn sinh khối từ các quá trình sản xuất khác như: phụ phẩm từ chế biến lâm sản, sản xuất công nghiệp (giấy, vải sợi…), chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, rác thải đô thị và chất thải hữu cơ khác Theo tính toán thì tổng tiềm năng, khả năng khai thác nguồn năng lượng sinh khối cho năng lượng và điện từ các nguồn trên đạt khoảng 142 triệu tấn, và có thể khai thác được từ 784 - 861 MW điện Dưới đây là bảng tổng hợp các nguồn sinh khối ở Việt Nam tổng hợp từ phần mềm Geospatial Toolkit và các công trình đã công bố

Bảng 1.10 Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối ở Việt Nam [46, 6]

(triệu tấn/năm)

Khả năng khai thác cho năng lượng (triệu tấn/năm)

Khả năng khai thác cho sản xuất điện (MW)

Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lượng khá lớn đặc biệt là phụ phẩm

gỗ, nông nghiệp và chăn nuôi Chủng loại sinh khối đa dạng và phong phú nhưng rất phân tán và phân bố không đồng đều do: i) vùng sản xuất trải dài theo lãnh thổ, ii) tập tục, quy

mô sản xuất của người dân và iii) chính sách địa điền của nhà nước

1.5.2.2 Đặc tính hóa học và công nghệ của sinh khối ở Việt Nam

Kết quả phân tích của các loại sinh khối thể hiện ở các bảng sau:

Bảng 1.11 Thành phần công nghệ và nhiệt trị thấp của sinh khối ở Việt Nam [8, 120]

Mẫu Wad (%) Aad (%) Vad (%) FCad (%) LHV (MJ/kg)

gặp nhiều khó khăn Nếu quá trình nhiệt phân không tốt: hắc ín nhiều, char không xốp, khả năng khuếch tán của lưu chất trong lò khí hóa kém thì việc giảm hắc ín sẽ càng khó khăn hơn, do đó phải chú trọng nghiên cứu thiết kế lò có khả năng giảm hắc ín tốt

Từ kết quả trên cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng nhiên liệu than hoa, gỗ, trấu, rơm là phù hợp Tuy nhiên, với quy mô nhỏ thì trấu và rơm cần xem xét kĩ hơn vì tỷ trọng đổ là rất lớn nên cần được sơ chế trước, hàm lượng tro cao nên thiết bị thải tro cần được cơ khí hóa, những vấn đề kĩ thuật trên sẽ gây ra một số khó khăn nhất định cho khí hóa sinh khối

sử dụng trấu và rơm ở quy mô nhỏ Hình ảnh về các mẫu sinh khối ở Việt Nam được trình bày trong bảng phụ lục PL1.5

Bảng 1.12 Thành phần hóa học của sinh khối ở Việt Nam [8, 120]

Bảng 1.13 Hàm lượng các oxit kim loại có trong tro [8]

Từ bảng 1.13 ta thấy hàm lượng SiO2 trong tro thường cao nhất nó dao động trong khoảng từ 29 đến 92%, tiếp đến là các kim loại kiềm và kiềm thổ (K2O và CaO) Sự có mặt của các kim loại này có thể giúp cho việc khử hắc ín trong khí sản phẩm tốt hơn Tuy nhiên, nó cũng là tác nhân gây đóng xỉ trong lò ở nhiệt độ cao và gây sự cố cho lò, đây cũng là một thách thức không nhỏ cho việc thiết kế và sử dụng lò khí hóa sinh khối

1.5.2.3 Phân tích đặc tính nhiệt của sinh khối ở Việt Nam

Các kết quả phân tích được trình bày trong bảng 1.14 và hình 1.12, 1.13, 1.14

Stt Khối lượng

oxit kim loại (%)

Viên nén mùn cưa

Viên nén trấu

Bảng 1.14 Kết quả phân tích quá trình nhiệt phân và cháy của mẫu sinh khối

Khối lượng giảm (%) (Lượng nhiên liệu cháy) 34,93 27,27 34,17

Từ kết quả trong bảng 1.14 và các đồ thị hình 1.12, 1.13 và 1.14 ta thấy lượng chất bốc thoát ra rất lớn ở nhiệt độ khoảng 250 – 3500C, khoảng 50% Tuy nhiên, khi chất bốc thoát

ra mạnh ở vùng nhiệt độ 300 - 4000C nếu lúc này ta cấp không khí vào vùng nhiệt phân thì

a Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu rơm

b Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu trấu

0 20 40 60 80 100 120

xu hướng mà một số tác giả nghiên cứu gần đây đã báo cáo (như trong mục 1.3.1) Ở nhiệt

độ trên 5000

C thì hầu hết cốc đã tham gia phản ứng, nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ thông thường của vùng khí hóa (khoảng 800 – 10000C), do đó khả năng chuyển hóa hoàn toàn các bon ở vùng khí hóa là rất khả quan Với kết quả phân tích nhiệt như trên ta thấy đặc tính của sinh khối ở Việt Nam hoàn toàn phù hợp cho việc ứng dụng công nghệ khí hóa, và việc ứng dụng, phát triển công nghệ khí hóa sinh khối kiểu cấp gió nhiều cấp là rất phù hợp và có khả năng xử lí tốt được lượng hắc ín sinh ra trong quá trình nhiệt phân

Từ các kết quả nghiên cứu về trữ lượng, chủng loại, phân bố nguồn sinh khối, đặc tính nhiên liệu và khả năng khí hóa của một số loại sinh khối ở Việt Nam, một lần nữa cho thấy việc sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối là rất tiềm năng và hoàn toàn khả thi Tuy nhiên,

do hàm lượng chất bốc của hầu hết các loại sinh khối đều khá lớn, nên xử lí hắc ín vẫn là thách thức không nhỏ cần được nghiên cứu, và giải quyết để đáp ứng yêu cầu công nghệ, đặc biệt là sử dụng trong động cơ đốt trong để sản xuất điện năng quy mô nhỏ

Kết luận chương 1

- Nghiên cứu đã cho thấy thực trạng tình hình nghiên cứu ứng dụng khí hóa sinh khối

để sản xuất năng lượng trên thế giới và trong nước hiện nay Nó cho thấy sự quan tâm đặc biệt và xu hướng tất yếu của việc phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng của các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng

và phát triển bền vững Kết quả cũng cho thấy, các nghiên cứu về công nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam hiện còn rất hạn chế và việc nghiên cứu phát triển, ứng dụng trong sản xuất năng lượng là rất cần thiết

- Qua nghiên cứu ở trên cho thấy, khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng quy mô vừa

và nhỏ hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ khí hóa lớp cố định kiểu thuận chiều kết hợp với động cơ đốt trong Đặc thù của công nghệ này là đòi hỏi chất lượng khi sản phẩm khá cao và ổn định như: hàm lượng hắc ín trong khí sản phẩm rất thấp ( 100 mg/m3

), nhiệt trị trong khoảng 4 - 6 MJ/m3, đây là một trong những tồn tại chính trong việc phát triển rộng rãi công nghệ này hiện nay Do đó việc nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa sinh khối

có hàm lượng hắc ín thấp, có đặc tính vận hành ổn định đáp ứng yêu cầu trên là một thách thức lớn đặt ra hiện nay

- Nghiên cứu cho thấy tiềm năng phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng của Việt Nam là rất lớn do: i) nhu cầu điện năng tăng 12 - 15%/năm và ii) trữ

lượng sinh khối rất dồi dào khoảng 160 đến 185 triệu tấn/năm và trữ lượng khả dụng cho phát điện hiện nay chỉ khoảng 784 đến 860 MW Tuy nhiên, do đặc thù về phân bố nguồn sinh khối, thực trạng hệ thống phân phối và nhu cầu năng lượng của Việt Nam hiện nay, do điều kiện kinh tế, cũng như quy mô sản xuất và trình độ công nghệ thì việc phát triển công nghệ khí hóa sinh khối sản xuất điện năng quy mô nhỏ là phù hợp nhất

- Nghiên cứu cũng cho thấy chủng loại sinh khối rất đa dạng và đến từ nhiều nguồn khác nhau (thậm chí là chất thải) nên tính chất vật lí, thành phần hóa học, thành phần công nghệ, thành phần tro xỉ của sinh khối cũng rất khác nhau Qua phân tích thành phần hóa học, thành phần công nghệ thành phần tro xỉ và đặc tính nhiệt của một số loại sinh khối ở Việt Nam cho thấy hầu hết các loại sinh khối đều phù hợp với công nghệ khí hóa, nhưng

để chất lượng khí sản phẩm đạt yêu cầu động cơ đốt trong là một trong những tồn tại hiện nay Do đó, để tận dụng tối đa nguồn sinh khối để sản xuất điện năng hiện nay, thì ngoài việc nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa có hàm lượng hắc ín thấp, có đặc tính vận hành ổn định như đề cập ở trên, nó còn cần phải sử dụng được đa dạng các loại sinh khối, điều này sẽ giúp tăng tính cạnh tranh của công nghệ

Từ các kết quả nghiên cứu trên kết hợp với việc phân tích các sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối có hàm lượng hắc ín thấp, các kết quả công bố trong và ngoài nước gần đây (mục 1.3.1), các phân tích đặc tính nhiên liệu sinh khối và khảo sát thực tế tại Việt Nam của tác giả cho thấy, công nghệ khí hóa sinh khối cấp gió nhiều cấp kiểu thuận chiều kết hợp với động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu kép (lưỡng nhiên liệu) là phù hợp nhất cho sản xuất điện năng công suất nhỏ từ khí hóa sinh khối ở Việt Nam hiện nay Công nghệ này có đặc tính năng lượng phù hợp, cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, vận hành không quá phức tạp, có hàm lượng hắc ín thấp phù hợp để vận hành trực tiếp cho động cơ đốt trong, có thể sử dụng

đa dạng loại sinh khối.[8]

ín, cơ chế hình thành và các phương pháp xử lý hắc ín, đồng thời giới thiệu một số thiết kế

lò khí hóa để xử lý hắc ín đang được nghiên cứu và phát triển hiện nay trên thế giới

2.1 Lý thuyết về khí hóa sinh khối

2.1.1 Quá trình khí hóa sinh khối

Khí hoá sinh khối là quá trình biến đổi nhiệt hóa sinh khối ở nhiệt độ cao (khoảng từ

600 - 13000C) thành nhiên liệu khí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế ôxy nguyên chất, ôxy trong không khí, CO2, hơi nước hoặc hỗn hợp các thành phần trên [96, 45, 74] Khí hoá sinh khối bằng không khí sẽ tạo ra nhiên liệu khí có nhiệt trị thấp, chứa khoảng 50% Nitơ Khí hoá sinh khối bằng ôxy nguyên chất hoặc hơi nước sẽ tạo ra khí sản phẩm

có nhiệt trị trung bình Thành phần chính của khí sản phẩm bao gồm CO, H2 và CH4, ngoài

ra còn có CO2, hơi nước, N2 và hắc ín

Quá trình khí hóa điển hình thường diễn ra theo các bước được liệt kê trên hình 2.1

Hình 2.1 Lưu đồ của quá trình khí hóa sinh khối [87]

Xu hướng của quá trình và thành phần của sản phẩm khí hóa phụ thuộc vào tác nhân khí hóa và quá trình nhiệt phân Từ hình 2.2 ta thấy nếu nhiệt phân chậm thì xu hướng sinh khối hình thành char sẽ nhiều hơn, ngược lại nếu nhiệt phân nhanh thì sản phẩm của quá trình khí hóa sẽ nhiều hợp chất hydro cacbon hơn Mặt khác, nếu sử dụng oxy là tác nhân

Sinh khối Sấy khô Nhiệt

phân

Các khí (CO, H 2 ,

CH 4 , H 2 O) Chất lỏng (hắc ín, dầu, naptha) Các hợp chất

có chứa oxy (phenol, axit)

Chất rắn (char)

Các phản ứng pha khí và pha hơi (Phản ứng phân hủy, reforming, cháy, thế)

Các phản ứng khí hóa char (Phản ứng phân hủy, reforming, cháy, thế)

CO, H2, CH4,

H2O, CO2, phân hủy + 5% sản phẩm

CO, H2, CH4, H2O, CO2, C không tham gia phản ứng

khí hóa thì sản phẩm sẽ chứa nhiều oxy hơn và tiến về vùng của sản phẩm cháy gồm CO2

và H2O…[58, 87]

Phương trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối như sau:

CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí) + H2O (hơi nước có thể có) CH4 + CO + CO2 + N2 + H2 + H2O (Hơi nước trong nhiên liệu và hơi

nước không phản ứng) + C (char) + hắc ín (tar) [111] (2.1) Đối với lò khí hoá theo lớp cố định thì quá trình khí hóa sinh khối bao gồm 4 vùng khác nhau chi tiết trên hình 2.3: i) vùng sấy khô, ii) vùng nhiệt phân, iii) vùng cháy và iv) vùng khí hóa Quá trình nhiệt hóa xảy ra trong các vùng sấy khô, nhiệt phân và vùng khí hóa được duy trì do nhiệt thoát ra từ vùng cháy (còn gọi là vùng ôxy hoá) Mặc dù các giai đoạn này được mô phỏng theo thứ tự trong quá trình khí hóa, nhưng thực tế nó không có ranh giới rõ ràng mà thường xảy ra đan xen với nhau [20, 74]

Hình 2.2 Biểu đồ C-H-O của quá trình khí hóa [87]

Vùng sấy: nhiệt độ khoảng 150 - 2000C ẩm trong sinh khối sẽ bay hơi Trong thiết bị khí hoá ngược chiều, hơi ẩm thoát ra theo khí cháy ở phía trên đỉnh của thiết bị Trong khi thiết bị khí hoá cùng chiều, hơi ẩm thoát ra sẽ đi qua vùng cháy và vùng khí hóa tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra trong 2 vùng này

Vùng nhiệt phân: sinh khối sau khi được sấy khô sẽ chuyển sang vùng nhiệt phân,

nhiệt độ vùng nhiệt phân khoảng 200 - 6000C Quá trình nhiệt phân biến đổi sinh khối khô thành char, hơi hắc ín và các khí không ngưng khác

Sản phẩm của quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào thiết kế của lò, đặc tính lý hóa của sinh khối và các thông số vận hành quan trọng như: Tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ nhiệt phân cuối cùng, thời gian lưu trong vùng phản ứng Bên cạnh đó, hắc ín và sản lượng của các sản phẩm khác phụ thuộc vào (i) áp suất, (ii) thành phần khí môi trường xung quanh, và (iii) sự hiện diện của chất xúc tác [74] Hắc ín và các khí không ngưng thoát ra ngoài ở phía trên đỉnh trong trường hợp thiết bị khí hoá ngược chiều, còn trong các thiết bị khí hoá cùng chiều, hỗn hợp khí này chuyển động qua vùng cháy và tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra tại đây Nếu nhiệt độ vùng nhiệt phân đủ cao thì một lượng hắc ín sơ cấp cũng được phân hủy nhiệt để chuyển thành các khí không ngưng trong vùng này [87] Char được

tạo ra trong vùng nhiệt phân có khối lượng khoảng 20% tổng khối lượng sinh khối ban đầu

và được chuyển qua vùng cháy và vùng khí hóa

Trong vùng cháy: ôxy (trong không khí) cung cấp cho lò sẽ tiếp xúc với sản phẩm của

quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra phản ứng cháy một phần char và cháy các khí nhiệt phân (được gọi là flaming pyrolysis) [111] Nhiệt của quá trình cháy sẽ là nguồn cung cấp nhiệt cho các vùng còn lại

Trong vùng khí hóa: sản phẩm của phản ứng ôxy hoá hoàn toàn là CO2, hơi nước và oxy có thể còn dư sẽ phản ứng với char tạo ra trong quá trình nhiệt phân Ngoài ra, ở vùng khí hoá, vùng cháy và vùng nhiệt phân có thể xảy ra quá trình phân hủy nhiệt của hắc ín sơ cấp và thứ cấp để tạo ra một số khí không ngưng

Hình 2.3 Mô hình quá trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lò kiểu thuận chiều [69, 87]

Trong các thiết bị khí hoá theo lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn, do có sự hoà trộn tốt giữa sinh khối với các hạt trơ và dòng khí, tất cả các quá trình sấy, nhiệt phân, cháy, và khí hóa

Do vậy có thể coi như xảy ra đồng thời trong toàn bộ thể tích của thiết bị mặc dù cường độ phản ứng của từng vùng có thể khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí tương đối của nó Chẳng hạn quá trình cháy sẽ diễn ra mạnh mẽ ở gần ghi của thiết bị khí hóa, còn quá trình sấy diễn ra mạnh mẽ ở gần miệng cấp nhiên liệu

Như vậy, ta thấy trong lò khí hóa sinh khối có rất nhiều phản ứng hóa học xảy ra tại các vùng khác nhau Bảng 2.1 trình bày các phản ứng hóa học quan trọng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối

Bảng 2.1 Các phản ứng đặc trưng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối [87, 45] (ở 25 0 C, 1 at)

Các phản ứng char

R1: phản ứng hoàn nguyên C + CO2 2CO - 172 kJ/mol

R2: phản ứng khí (hơi) C + H2O H2 + CO - 131,40 kJ/mol

R3: phản ứng khí hóa hydro C + 2H2 CH4 + 74,8 kJ/mol

R4: phản ứng oxi hóa không hoàn toàn C + 0,5 O2 CO + 111 kJ/mol

Các phản ứng oxi hóa hoàn toàn

R7: CH4 + 0,5 O2 CO2 + H2O + 803 kJ/mol

Phản ứng reforming có mặt hơi nước

2.1.2 Các phản ứng xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối

Dưới đây là các phản ứng hoá học xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối [87,70, 20]

Trong vùng nhiệt phân:

CxHyOzNt (sinh khối) nhiệt→ char + hắc ín + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm) (2.2)

Trong vùng khí hóa còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

CO + H2O CO2 + H2 + 41,20 kJ/mol (ở 25oC, 1 at) (2.11)

Và khi nhiệt độ khoảng 500-6000C trong vùng khí hóa còn xảy ra phản ứng tạo H2 như sau:

C + 2H2O 2H2 + CO2 - 88 kJ/mol (ở 25oC, 1 at) (2.12) Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng trên 5000C nhưng với tốc độ rất chậm:

C + 2H2 CH4 + 74,8 kJ/mol (ở 25o

Ngoài ra ở vùng khí hóa có thể xảy ra phản ứng reforming hơi nước với CH4:

CH4 + 2H2O CO + 3H2 - 206 kJ/mol (ở 25oC, 1 at) (2.14) Phản ứng (R13) cũng có thể xảy ra ở vùng khí hóa do oxy dư từ vùng cháy

2.1.3 Các phản ứng của char trong lò khí hóa

2.1.3.1 Phản ứng khí hóa char

Quá trình khí hóa xảy ra các phản ứng hóa học phức tạp giữa các hydro cacbon của nhiên liệu với hơi nước, CO2, O2, và H2 trong lò khí hóa, cũng như giữa các khí sinh ra Trong đó, khí hóa char là phần quan trọng nhất, char tạo ra do nhiệt phân sinh khối không phải là cacbon nguyên chất

Char sinh khối nhìn chung là xốp và hoạt tính hơn char từ than Độ xốp của nó trong khoảng 40 ÷ 50% trong khi char của than đá chỉ là 2 ÷ 18% Các lỗ rỗng trong char sinh khối lớn hơn nhiều (20 ÷ 30 micron) so với của char than (~ 5 angstrom) Do đó, hoạt tính phản ứng của nó khác hẳn so với char từ than đá, than non và than bùn Khí hóa char sinh khối bao gồm các phản ứng giữa char và chất khí hóa Dưới đây là một số các phản ứng của char với O2, CO2, H2, và hơi nước [87]

Char + O2 CO2 và CO (2.15) Char + CO2 CO (2.16)

Char + H2 CH4 (2.18) Các phương trình từ (2.15) đến (2.18) chỉ ra cách mà tác nhân khí hóa như oxy, CO2,

và hơi nước phản ứng với cacbon rắn và chuyển đổi thành khí có khối lượng phân tử nhỏ như CO và H2

a Tốc độ của các phản ứng khí hóa char

Tốc độ khí hóa char (gồm chủ yếu là cacbon) phụ thuộc chính vào hoạt tính của nó và khả năng phản ứng của tác nhân khí hóa ví dụ, oxy là mạnh nhất, sau đó là hơi nước và

CO2 Tốc độ của phản ứng char - oxy (C + 0,5O2 CO) là nhanh nhất trong bốn phản ứng bảng 2.1 (R1, R2, R3 và R4) Nó nhanh tới mức mà khó có oxy tự do còn lại cho các phản ứng khác

Tốc độ của phản ứng char - hơi nước (C + H2O CO + H2) chậm hơn 3 - 5 lần so với phản ứng char - oxy Phản ứng hoàn nguyên, hoặc phản ứng char - CO2, (C + CO2 2CO) chậm hơn 6 - 7 lần so với phản ứng char - oxy Tốc độ phản ứng nước (dạng khí) hoặc nước (dạng hơi) với char trong phản ứng (R2) là nhanh hơn khoảng 2 - 5 lần so với phản ứng hoàn nguyên (R1)

Phản ứng char - hydro tạo thành khí mê-tan (C + 2H2 CH4) là chậm nhất trong tất cả Ước tính tốc độ tương đối của bốn phản ứng trên, ở nhiệt độ 800°C và áp suất 10 KPa, với oxy là 105, hơi nước là 103

, 101 với dioxide cacbon, và 3×10-3 với hydro Thứ tự tốc độ phản ứng của char, R, có thể được hiển thị như sau:

R R > R R (2.19)

b Phản ứng hoàn nguyên

Khí hóa char trong CO2 được biết đến là phản ứng hoàn nguyên

C + CO2 2CO (phản ứng R1 trong bảng 2.1) (2.20) Phản ứng trên được mô tả qua các bước sau đây Bước đầu, CO2 phân ly ở vùng có cacbon hoạt tính tự do (Cfas), giải phóng ra khí CO và tạo thành một phức hợp các bon - oxy bề mặt, C(O) Phản ứng này cũng có thể dịch chuyển theo hướng ngược lại, tạo thành các bon hoạt tính và CO2 trong bước thứ hai Trong bước thứ ba, phức hợp các bon - oxy tạo ra một phân tử CO [111]

Bước 1: Cfas + CO2 k 1

Bước 2: C(O) + CO k 2

Bước 3: C(O)  3 CO (2.23) với kbi là tốc độ của phản ứng thứ i

Dưới 1000K tốc độ phản ứng khí hóa char trong CO2 là không đáng kể

c Phản ứng char và nước (dạng hơi)

Khí hóa char trong hơi nước có lẽ là phản ứng khí hóa quan trọng nhất

C + H2O CO + H2 (R2 trong bảng 2.1) (2.24) Bước đầu bao gồm sự phân ly của H2O trên vùng cacbon hoạt tính tự do (Cfas), giải phóng hydro và tạo thành một phức hợp oxit cacbon bề mặt C(O) Trong các bước thứ hai

và thứ ba, các phức hợp oxit cacbon bề mặt tạo thành cacbon hoạt tính tự do mới và phân

Sự hiện diện của hydro có tác dụng ức chế mạnh mẽ về tốc độ khí hoá char trong H2O Ví

dụ, 30% hydro trong môi trường khí hóa có thể giảm tốc độ khí hóa giữa C với H2O xuống

15 lần [22] Vì vậy, một phương pháp hiệu quả thúc đẩy các phản ứng char - nước là loại

bỏ liên tục hydro khỏi vùng phản ứng

d Phản ứng thế

Phản ứng thế là một phản ứng pha khí quan trọng Nó làm tăng hàm lượng hydro trong sản phẩm khí hóa khi tiêu thụ khí CO Phản ứng còn được gọi là “phản ứng thế nước - khí” trong tài liệu [60], mặc dù nó khác nhiều với phản ứng nước (R2)

nh 2.4 Hằng số cân bằng của các phản ứng khí hóa

Nhiệt độ (K) 2C + 2H 2 O CO 2 + CH 4 (khí hóa)

CO + H2O CO2 + H2 – 41,2 kJ/mol (R9 trong bảng 2.1) (2.28) Phản ứng này tỏa ít nhiệt, sản lượng khí H2 giảm nhẹ theo nhiệt độ do dịch chuyển cân bằng trong phản ứng Tùy thuộc vào nhiệt độ cân bằng phản ứng có thể dịch chuyển theo hai hướng thuận và nghịch Tuy nhiên, nó không phụ thuộc vào áp suất

Trên 10000C phản ứng này rất nhanh đạt trạng thái cân bằng, nhưng ở nhiệt độ thấp cần

có chất xúc tác Hình 2.4 [87] cho thấy rằng phản ứng này có hằng số cân bằng cao ở nhiệt

độ thấp, có nghĩa là sinh ra nhiều H2 ở nhiệt độ thấp Ngược lại, nhiệt độ tăng lượng H2 giảm nhưng tốc độ phản ứng tăng Sản lượng khí tối ưu thu được ở nhiệt độ khoảng 2250C

Do tốc độ phản ứng ở nhiệt độ thấp rất thấp, chất xúc tác như sắt crôm, đồng kẽm, và coban-molipden được sử dụng Ở nhiệt độ cao (350 – 6000C) các chất xúc tác sắt có thể được sử dụng Áp suất không có tác dụng đáng kể với tỉ lệ H2/CO Các công nghệ chuyển đổi CO trong thương mại sử dụng các chất xúc tác: Xúc tác đồng, ở nhiệt độ 300 – 5100

C; Xúc tác đồng - kẽm - nhôm oxit, ở nhiệt độ 180 - 2700

C

e Phản ứng khí hóa hydro

Phản ứng này là sự khí hóa char trong môi trường hydro, dẫn tới việc tạo ra metan

C + 2H2 = CH4 (phản ứng R3 trong bảng 2.1) (2.29) Tốc độ của phản ứng này chậm hơn các phản ứng khác Nó chỉ quan trọng khi cần sản xuất khí tự nhiên tổng hợp (SNG)

2.1.3.2 Các phản ứng cháy char

Hầu hết các phản ứng khí hóa là thu nhiệt Để cung cấp nhiệt cần thiết cho các phản ứng cũng như gia nhiệt để sấy nhiên liệu và nhiệt phân, một lượng nhất định sinh khối tham gia phản ứng cháy tỏa nhiệt được cho phép xảy ra trong lò Phản ứng quan trọng nhất

là phản ứng R5 (C + O2 = CO2) vì nó tỏa lượng nhiệt nhiều nhất (394 kJ/mol) Lựa chọn tiếp theo là R4 (C + 1/2O2 = CO) tạo ra khí CO nhưng chỉ tỏa ra lượng nhiệt là 111 kJ/mol Tốc độ của R4 tương đối chậm

Khi cacbon phản ứng với oxy cả R4 và R5 đều có thể xảy ra, nhưng trong vùng động học của phản ứng thì mức độ xảy ra của từng phản ứng trên phụ thuộc vào nhiệt độ Hệ số phân chia, β, được xác định để quyết định oxy sẽ phân chia như thế nào giữa hai phản ứng R4 và R5 có thể được viết kết hợp lại như sau:

βC + O2 2(β – 1)CO + (2 – β)CO2 (2.30 Giá trị của hệ số phân chia β nằm giữa 1 và 2 và phụ thuộc nhiệt độ Một biểu thức thông dụng được sử dụng để tính β là: [87]

6234 - T

Các phản ứng cháy thường nhanh hơn các phản ứng khí hóa trong cùng điều kiện Bảng 2.2 so sánh tốc độ quá trình cháy và khí hóa sinh khối ở nhiệt độ lò khí hóa điển hình

9000C Tốc độ cháy thấp nhất cũng nhanh hơn một bậc so với tốc độ phản ứng khí hóa Do các lỗ trống làm giảm khả năng khuếch tán nhiệt, nên các hạt char mịn hơn có tốc độ phản ứng cao hơn nhiều

Bảng 2.2 So sánh ảnh hưởng của kích thước hạt char đến tốc độ khí hóa và cháy [87]

Kích thước hạt

( ) Tốc độ cháy (min-1)

Tốc độ khí hóa (min-1)

Tốc độ cháy/ tốc độ khí hóa

841 5,04 0,317 15,9

Một sự khác nhau quan trọng khác giữa phản ứng khí hóa và đốt cháy char trong lò tầng sôi là trong quá trình khí hóa nhiệt độ của hạt char là gần như bằng nhiệt độ lớp sôi vì các phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt xảy ra đồng thời trong lớp [43] Còn trong quá trình cháy, nhiệt độ các hạt char có thể cao hơn rất nhiều nhiệt độ của lớp sôi

Sự tương quan giữa lượng nhiên liệu, chất oxy hóa (oxy), và hơi nước (nếu có) cũng tác động đến lượng cacbon hay oxy tham gia phản ứng R4 và R5 (bảng 2.1) Nếu cấp lượng oxy lên quá mức cần thiết, phản ứng thu nhiệt cũng sẽ tăng, nhiệt độ lò khí hóa giảm, chất lượng khí sản phẩm vì bị pha loãng với khí CO2

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phản ứng của char

Giá trị hợp lí của độ phản ứng char là cần thiết cho tất cả các mô hình khí hóa Chủ đề này đã được nghiên cứu trong hơn 60 năm qua, và có rất nhiều kết quả, đặc biệt là than đá Những nghiên cứu này đã tìm hiểu ảnh hưởng của kích thước char, diện tích bề mặt, phân

bố kích thước lỗ trống, hiệu ứng xúc tác, hàm lượng khoáng chất, quá trình gia nhiệt

- Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt phân

Điều kiện nhiệt phân cũng ảnh hưởng đến độ phản ứng của các hạt char Ví dụ, Van Heek và Muhlen (1990) cho rằng phản ứng của char (trong không khí) khi được sinh ra ở trên 1000°C là thấp hơn rất nhiều so với khi được sinh ra ở 700°C Nhiệt độ cao làm giảm

số lượng các nguyên tử cacbon hoạt tính bề mặt Thời gian lưu trú lâu hơn ở nhiệt độ đỉnh của quá trình nhiệt phân cũng làm giảm độ phản ứng [83]

- Ảnh hưởng của khoáng chất trong sinh khối

Vật liệu vô cơ trong nhiên liệu có thể hoạt động như chất xúc tác trong phản ứng oxy – char Trong than, vật liệu vô cơ đi kèm là kim loại, trong khi ở sinh khối nói chung nó vẫn

là dạng các muối hoặc liên kết hữu cơ Các kim loại kiềm, kali, và natri là các chất xúc tác tích cực trong việc phản ứng với các hợp chất có chứa oxy Với khí hóa than, các muối CaCO3 trong than dưới tác dụng của nhiệt độ nó phân hủy thành CaO và CO2, CaO ở nhiệt

độ cao nó thiêu kết và hóa hơi, ngăn chặn hoạt động của các lỗ trống siêu nhỏ [116, 21] Chất vô cơ cũng ảnh hưởng đến nhiệt phân, làm char thay đổi đặc tính hình thái Kali

và natri là chất xúc tác cho phản ứng polyme hóa chất bốc, tăng năng suất char, đồng thời chúng cũng tạo ra chất rắn trên các lỗ trống của char, đóng rắn các lỗ trống này

- Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

Khí hóa char diễn ra trên bề mặt của các hạt char, nó thường xảy ra ở vùng bề mặt bên ngoài Tuy nhiên, các hạt char khá xốp, và diện tích bề mặt của các vách bên trong lỗ trống thường cao hơn so với diện tích bề mặt bên ngoài Ví dụ, diện tích bề mặt thực tế (BET) của một lỗ trống bên trong của một hạt char gỗ sồi đường kính 1 cm là 660 cm2 trong khi

bề mặt bên ngoài của nó chỉ là 3,14 cm2 Vì vậy, nếu không có sự hạn chế nào về tính nhất vật lí, khí phản ứng có khả năng thâm nhập vào lỗ trống và phản ứng trên các vách, kết quả

là tốc độ chuyển đổi char cao Vì lý do này, mà hai hạt char có cùng diện tích bề mặt bên ngoài nhưng có tốc độ phản ứng rất khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của chúng Trên quan điểm khoa học, thể hiện tốc độ phản ứng bề mặt trên cơ sở của bề mặt thực

tế mà các phản ứng xảy ra, chính xác hơn là diện tích bề mặt bên ngoài Tốc độ dựa trên diện tích bề mặt vách các lỗ trống thực tế là tốc độ phản ứng bên trong (nội tại); Tốc độ dựa trên diện tích bề mặt bên ngoài của char là tốc độ phản ứng biểu kiến [61, 87]

- Ảnh hưởng của tốc độ khuếch tán

Với phản ứng khí hóa xảy ra trong lỗ trống của char, các khí phản ứng phải xâm nhập các lỗ trống Nếu lượng khí tham gia phản ứng là giới hạn thì nó hoàn toàn được tiêu thụ bởi các phản ứng trên bề mặt ngoài của char, quá trình khí hóa được giới hạn bởi diện tích

bề mặt bên ngoài Do đó quá trình chuyển khối được giới hạn bởi diện tích bề mặt char Chúng ta có thể minh họa bằng cách sử dụng ví dụ về char khí hóa trong CO2:

Ở đây, khí CO2 khuếch tán vào bề mặt char để phản ứng với các cacbon hoạt tính, tuy nhiên, sự khuếch tán diễn ra với một tốc độ hữu hạn Nếu tốc độ động học của phản ứng này nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán của CO2 vào bề mặt char, tất cả các phân tử khí CO2 khuếch tán vào được tiêu thụ trên bề mặt bên ngoài của char, không còn khí CO2

vào các lỗ trống và phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt của chúng Như vậy phản ứng tổng thể được kiểm soát bằng quá trình khuếch tán, nó được gọi là cơ chế kiểm soát chuyển khối (khuếch tán) của phản ứng

Mặt khác, nếu tốc độ động học của phản ứng là chậm so với tốc độ khuếch tán của các phân tử CO2, thì khí CO2 sẽ khuếch tán vào các lỗ trống và phản ứng trên các vách của chúng Phản ứng trong trường hợp này được gọi là "phản ứng kiểm soát động học"

Tốc độ khuếch tán >> Tốc độ động học (là phản ứng kiểm soát động học)

Tốc độ khuếch tán << Tốc độ động học (là phản ứng kiểm soát khuếch tán) (2.33) Nằm giữa hai thái cực là cơ chế trung gian, tốc độ tương đối của phản ứng hóa học và khuếch tán được xác định bởi biểu đồ phân bố nồng độ chất khí trong vùng lân cận của hạt char Tiến trình của phản ứng ra sao, kích thước của char thế nào, mật độ phân bố lỗ trống, nhiệt độ phản ứng, vận tốc tương đối giữa khí và char v.v., ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình chuyển đổi char Hình 2.5 cho thấy nồng độ của CO2 xung quanh hạt thay đổi theo nhiệt độ Với sự gia tăng trong nhiệt độ bề mặt, tốc độ động học tăng và do đó phản ứng tổng thể di chuyển từ chế độ kiểm soát động học sang chế độ kiểm soát khuếch tán, kết quả

là ít phản ứng bên trong các lỗ trống

Hình 2.5 Cơ chế khí hóa char trong các lỗ trống hạt char

Tốc độ phản ứng khí hóa tổng quát của các hạt char char, khi cả tốc độ chuyển khối và tốc

độ động học là quan trọng, có thể được viết như sau:

Tính toán cân bằng hóa học có thể giúp xác định các sản phẩm của phản ứng Không phải tất cả các phản ứng đồng thời và hoàn toàn chuyển đổi thành các sản phẩm Nhiều phản ứng trong số đó chỉ phản ứng một phần, đến mức độ nào đó một quá trình phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng

Mặt khác, tốc độ động học của phản ứng xác định các sản phẩm phản ứng được hình thành nhanh đến mức nào và liệu phản ứng có hoàn thành trong buồng khí hóa Xem xét các vấn đề cơ bản của cân bằng hóa học là rất hữu ích trước khi thảo luận các kết quả thực nghiệm đo được

Đối với phản ứng hoàn nguyên, giá trị của năng lượng hoạt hóa E, của char sinh khối thường trong khoảng 200 đến 250 kJ/mol, và giá trị số mũ n là trong khoảng 0,4 - 0,6 [26] Giá trị tiêu biểu của A, E, và n với một số loại sinh khối được trình bày trong bảng phụ lục PL2.3

Chiều ngược lại của phản ứng hoàn nguyên có một ý nghĩa quan trọng, đặc biệt là trong các phản ứng có xúc tác, vì nó tạo cacbon trên bề mặt chất xúc tác, do đó làm giảm hoạt tính chất xúc tác

Phản ứng trước có tính khả thi về nhiệt động học khi (PCO2 /PCO2) là lớn hơn nhiều so với các hằng số cân bằng của phản ứng hoàn nguyên [87, 67]

2.1.5.3 Phản ứng char với nước (thể khí)

Đề cập đến phản ứng này, tốc độ phản ứng, rw, cũng có thể được viết dưới dạng của Langmuir-Hinshelwood để xem xét ảnh hưởng ức chế của hydro và các phức hợp khác (Blasi, 2009)

rw kw1.PH2O

1 + ( kw1

kw3).PH2O + (kw2kw3).PH2

Trong đó Pi là áp suất riêng phần của khí i

Hằng số tốc độ theo Barrio et al (2001) là:

2.1.5.4 Phản ứng khí hóa hydro (tạo metan)

Phản ứng khí hóa hydro như sau:

Với char mới hình thành từ quá trình nhiệt phân, phản ứng này xảy ra nhanh chóng, nhưng khi cacbon bị graphit hóa tốc độ phản ứng giảm xuống thấp [87] Phản ứng này liên quan đến thể tích vùng phản ứng, do đó áp suất có ảnh hưởng tới phản ứng này, áp suất cao

và tốc độ gia nhiệt nhanh giúp phản ứng này xảy ra mạnh hơn Wang và Kinoshita (1993)

đã xác định được tốc độ của phản ứng này và giá trị thu được của A = 4,189.10-3

(s-1) và E

= 19,21 kJ/mol

2.1.5.5 Phản ứng reforming hơi của hydro cacbon

Để sản xuất khí tổng hợp (CO, H2) từ phản ứng reforming của hydro cacbon là một lựa chọn Ở đây, một hỗn hợp của hydro cacbon và hơi nước được đi qua một chất xúc tác của niken ở 700 - 900°C Thành phần cuối cùng của khí sản phẩm phụ thuộc vào những yếu tố sau đây: [67]

- Tỷ lệ H/C của nhiên liệu

- Tỷ lệ hơi/cacbon (S/C)

- Nhiệt độ phản ứng

Dưới 400°C, chất xúc Fe2O3 – Cr2O3 có thể được sử dụng [67, 87] Các phản ứng pha khí khác bao gồm cháy CO, cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa thu nhiệt:

CO + 12O2 k→ COthuận 2 284 kJ/mol (2.49) Tốc độ phản ứng thuận được đưa ra bởi các hệ số trong bảng phụ lục PL2.5

Những phản ứng đồng nhất có thể diễn ra theo chiều nghịch Với phản ứng oxy hóa CO: (CO + ½O2

trong đó T tính ở nhiệt độ Kevin

- Kích thước nhiên liệu

Kích thước nhiên liệu nhỏ hơn nên ta có diện tích bề mặt lớn hơn trên một đơn vị khối lượng do đó tạo điều kiện cho truyền nhiệt và khí hóa nhanh hơn [41] Lv quan sát thấy rằng các hạt nhiên liệu nhỏ hơn dẫn đến khí sản phẩm có thành phần CH4, CO, C2H4 cao hơn và ít CO2, nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa cacbon cao hơn (Ceff) Ví dụ: Bằng cách giảm kích thước hạt từ 1,2 mm đến 0,075 mm, người ta quan sát thấy rằng khí sản phẩm

chứa H2 và CO cũng như hiệu suất khí hóa và chuyển hóa cacbon tăng trong khi lượng CO2 lại giảm Sản lượng khí cao hơn và hiệu quả năng lượng là do sự truyền nhiệt tăng lên trong các hạt kích thước nhỏ hơn do diện tích bề mặt lớn hơn [44, 15]

- Độ ẩm nhiên liệu

Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp, vì vậy quá trình sấy sinh khối sau khi thu gom từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa sinh khối (độ ẩm phù hợp trong khoảng 10 - 30%) Sấy là một quá trình tốn kém năng lượng mà có thể làm giảm hiệu quả

sử dụng năng lượng tổng thể của quá trình Tuy nhiên, trong công nghệ khí hóa nhiệt thải

có thể được sử dụng để làm giảm độ ẩm của sinh khối, do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này Tuy nhiên, đối với sinh khối nguyên khai có độ ẩm thấp (dưới 10%) giai đoạn sấy có thể không cần thiết [15]

- Chủng loại và đặc tính nhiên liệu

Hanaoka quan sát thấy rằng ở 800 – 900°C, hiệu suất chuyển hóa các bon của cellulose, xylan và lignin tương ứng là 97,9%; 92,2% và 52,8%, như vậy, ta có thể thấy rằng ở cùng điều kiện như nhau nhưng thành phần nhiên liệu khác nhau sẽ dẫn đến khả chuyển hóa cacbon khác nhau [15]

- Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí (ER)

Với sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí (ER) sẽ làm quá trình cháy tốt hơn, nhiệt độ vùng cháy cao hơn dẫn đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối tốt hơn, tuy nhiên đến một giá trị nào đó sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí sẽ làm cho quá trình cháy hoàn toàn xảy

ra và giảm thời gian lưu của không khí trong lò kết quả là hiệu quả quá trình khí hóa lại giảm đi Wang nhận thấy rằng với mức tăng hệ số tỷ lệ không khí từ 0,16 đến 0,26, nhiệt

độ vùng cháy tăng dẫn đến tăng hiệu quả khí hóa từ 57% đến 74%, tăng hàm lượng H2 từ 8,5% đến 13,9%, và sự gia tăng khí CO từ 12,3% đến 14% [15, 41]

- Ảnh hưởng của giản đồ nhiệt độ trong lò

Nhiệt độ khí hoá là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất ảnh hưởng đến thành phần khí sản phẩm và sản lượng khí, ở nhiệt độ trên 750 – 800°C bản chất thu nhiệt của các phản ứng sản xuất H2 (từ phản ứng char - nước và phản ứng reforming khí - nước) kết quả là sự gia tăng thành phần khí H2 và giảm khí CH4 Ở nhiệt độ trên 850 – 900°C, cả hai phản ứng tạo CO chiếm ưu thế, dẫn đến sự gia tăng thành phần khí CO Nhiệt độ cao cũng hỗ trợ cho quá trình phân hủy hắc ín dẫn đến giảm lượng hắc ín trong khí sản phẩm

và tăng năng suất khí Người ta thấy rằng thành phần khí H2 thu được tối đa ở 1000°C đối với nhiên liệu từ giấy, và 900°C với các nhiên liệu bìa các tông, gỗ vụn [15]

2.2 Hắc ín, cơ chế hình thành và phương pháp khử hắc ín trong khí hóa sinh khối

2.2.1 Hắc ín và cơ chế hình thành hắc ín

Hắc ín là hỗn hợp phức tạp của các hydro cacbon có phân tử lượng lớn hơn benzene và

có khả năng ngưng tụ ở điều kiện thường [87] Hắc ín là một sản phẩm phụ khó tránh khỏi trong quá trình biến đổi nhiệt, nó chủ yếu sinh ra từ quá trình nhiệt phân sinh khối, có nhiệt trị tương đối thấp Hắc ín có trong khí sản phẩm làm ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị sử dụng, vì vậy việc nghiên cứu làm giảm hắc ín đang là một thách thức rất lớn trong việc ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng, hàm lượng hắc

ín và bụi cho phép với một số hộ sử dụng được trình bày trong bảng phụ lục PL2.6

Sinh khối khi đưa vào lò khí hóa, đầu tiên phải trải qua nhiệt phân, quá trình này có thể bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ tương đối thấp khoảng 200 – 500°C Ở dải nhiệt độ này cellulose, hemicellulose, và lignin là các thành phần của sinh khối bị phân hủy thành hắc ín sơ cấp,

nó còn được gọi là dầu gỗ Trên 500°C các thành phần hắc ín sơ cấp bắt đầu phân hủy tạo thành các phần tử khí không ngưng nhỏ hơn, nhẹ hơn và một số các phân tử nặng hơn gọi

là hắc ín thứ cấp [27] Khí không ngưng bao gồm CO2, CO, và H2O Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng đến trên 650°C, các sản phẩm hắc ín sơ cấp và hắc ín thứ cấp bị phân hủy và hắc ín cấp 3 được sản sinh ra nhiều hơn Khi nhiệt độ trên 900°C thì hắc ín cấp 1, 2 và 3 giảm rất

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành hắc ín [87]

nhanh, lúc này các chất thơm sẽ tiếp tục phản ứng trong điều kiện thiếu oxy để tạo thành hợp chất thơm cao phân tử (PNAs), nhưng ở nhiệt độ này thì char cũng rất dễ dàng phản ứng với hắc ín ở bề mặt xung quanh để tạo thành khí sản phẩm [94] Quá trình hình thành hắc ín được trình bày trong hình 2.6 Thành phần và hàm lượng hắc ín phụ thuộc vào cấu trúc lò và các điều kiện vận hành, điều kiện phản ứng diễn ra trong lò, thành phần của hắc

ín được trình bày trong bảng phụ lục PL2.7 và PL2.8 [53, 25]

Từ cơ chế hình thành hắc ín như trên, Bridgwater đã đề xuất một vài cách để xử lí hắc

ín bằng phương pháp phân hủy nhiệt [94]: i) tăng thời gian lưu trong buồng khí hóa, ii) tăng khả năng tiếp xúc trực tiếp với các bề mặt (char) có nhiệt độ cao, iii) tăng nhiệt độ vùng cháy lên trên 1300°C

2.2.2 Tác hại của hắc ín

Trong quá trình khí hóa hàm lượng hắc ín có thể đạt tới 7 ÷ 8% nếu ta khí hóa củi gỗ, bạch đàn, than non, than bùn…Với các nhiên liệu rắn khác hắc ín có hàm lượng thấp hơn Hắc ín có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ và thành phần các hợp chất polyme Tuy nhiên,

ở một điều kiện nhất định thì hắc ín tách ra ở dạng lỏng gây tắc hệ thống, hoặc tổn hại cho thiết bị đầu cuối (như động cơ đốt trong, thiết bị trao đổi nhiệt, pin nhiên liệu…)

Có nhiều giải pháp để giảm thiểu hắc ín như: sử dụng chất xúc tác để xử lí hắc ín trong quá trình khí hóa sinh khối, tách rửa hắc ín sau khí hóa (làm sạch khí sau quá trình khí hóa), và một giải pháp rất hữu hiệu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay là phân hủy nhiệt (sử dụng công nghệ có thiết kế phù hợp để tăng nhiệt độ vùng cháy hoặc tăng thời gian lưu) Ví dụ: hệ thống khí hóa có nhiều cấp, tăng nhiệt độ và chiều cao vùng khí hóa, tăng thời gian lưu để giảm lượng hắc ín [15]