Nghiên cứu kỹ thuật khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng nhiệt

Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng và các áp lực môitrường gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch,năng lượng sinh khối hiện nay được coi là một ngu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI CAM ĐOAN 6

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

LỜI NÓI ĐẦU 12

1 Tính cấp thiết của đề tài 12

2 Mục tiêu nghiên cứu .13

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .13

4 Phương pháp nghiên cứu .13

5 Bố cục đề tài .14

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI 15

1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối 16

1.1.1 Sinh khối là gì? 16

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối 16

1.2 Vai trò của sinh khối 17

1.2.1 Lợi ích 17

1.2.2 Khó khăn 18

1.3 Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối 19

1.4 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam 22

1.5 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam .23

1.6 Kết luận .24

CHƯƠNG II LÝ THUYẾT KHÍ HÓA SINH KHỐI 25

2.1 Các phương trình và các bước khí hóa 26

2.2 Quá trình khí hóa 29

2.2.1 Sấy 31

2.2.2 Nhiệt phân 32

2.2.3 Phản ứng khí hóa char 32

2.3 Các phản ứng cháy char 37

2.4 Xúc tác khí hóa 39

2.5 Kết luận 39

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU BẾP KHÍ HÓA 41

3.1 Giới thiệu 42

3.2 Các dạng bếp khí hóa 42

3.2.1 Bếp Thuận Phú 42

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 43

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 43

3.2.1.3 Ưu, nhược điểm 44

3.2.2 Bếp Viết 45

3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 45

3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 45

3.2.2.3 Ưu, nhược điểm 46

3.2.3 Bếp Rùa 47

3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 47

3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động 47

3.2.3.3 Ưu, nhược điểm 48

3.2.4 Bếp truyền thống 49

3.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 49

3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động 49

3.2.4.3 Ưu, nhược điểm .50

3.3 Kết luận 50

CHƯƠNG IV 52

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ BẾP KHÍ HÓA TRẤU 52

4.1 Giới thiệu 53

4.2 Phương pháp 54

4.2.1 Bếp thử nghiệm 54

4.2.3 Hệ thống thử nghiệm 54

4.2.4 Quy trình kiểm tra 59

4.2.4.1 Tổng khối lượng nhiên liệu trong một mẻ khí hóa 65

4.2.4.2 Độ ẩm nhiên liệu 65

4.2.4.3 Xác định nhiệt trị của nhiên liệu 66

4.2.4.4 Hiệu suất nhiệt 66

4.2.4.5 Các bước kiểm tra khác 68

4.2.5 Kết quả 69

4.2.5.1 Đặc tính nhiên liệu 69

4.2.5.2 Hiệu suất 70

4.2.5.3 Phát thải khí CO và bụi PM2.5 73

4.2.6 Kết luận 74

CHƯƠNG V THIẾT KẾ BẾP KHÍ HÓA 76

5.1 Lựa chọn công nghệ khí hóa sinh khối .77

5.2 Tính toán .77

5.2.1 Năng lượng cần thiết: 77

5.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 78

5.2.3 Đường kính buồng phản ứng 79

5.2.4 Chiều cao bếp 79

5.2.5 Thời gian để tiêu thụ trấu 80

5.2.6 Lưu lượng không khí 80

5.2.7 Vận tốc bề mặt 81

5.3 Cấu tạo bếp 81

5.4 Ưu, nhược điểm 83

5.5 Sơ đồ nguyên lý 84

5.6 Nguyên lý hoạt động 84

5.7 Thử nghiệm bếp 85

5.7.1 Phương pháp 85

5.7.2 Quy trình thử nghiệm 85

5.7.3 Kết quả và thảo luận 88

5.8 Kết luận 90

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện bản luận văn tôi đã được giúp đỡ từ rất nhiều đơn

vị, cá nhân Qua đây tôi xin được đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Lê Đức Dũng –

người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn Xin đượcchân thành cảm ơn các thầy cô trong viện KH & CN Nhiệt Lạnh trường Đại HọcBách Khoa Hà Nội, xin được chân thành cảm ơn các anh, chị trong tổ chức SNV đãgiúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm, cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và đặc biệtcảm ơn những người thân đã quan tâm đ ộng viên giúp đỡ tôi hoàn thiện luận vănnày

Quá trình thực hiện bản luận văn tôi đã tìm kiếm và tham khảo nhiều cuốnsách khác nhau tuy vậy vẫn còn nhiều thiết sót Tôi mong nhận được sự góp ý chânthành từ quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Việt Linh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên cứu

dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng.

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu ghi trong mụctài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không đượcghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Việt Linh

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3 TLUD (Top Lit Up Draft) Khí hóa theo lớp từ trên xuống

4 TLDD (Top Lit Down Draft) Khí hóa theo lớp từ dưới lên

5 WBT (Water Boiling Test) Thử nghiệm đun sôi nước

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng

lượng tái sinh khác

2.1 Nhiệt trị của khí sản phảm dựa theo tác nhân khí hóa 26

2.3 So sánh ảnh hưởng của sụ khuếch tán các lỗ rỗng lên

tốc độ khí hóa char và tốc độ cháy

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

2.1 Biểu đồ C – H - O của quá trình khí hóa 27

2.3 Hằng số cân bằng của các phản ứng khí hóa 36

4.8 Thời gian để đun sôi nước từ trạng thái nguội

4.10 Tỉ lệ phát thải khí CO và bụi PM2.5 theo năng

lượng hữu ích của 5 bếp đun trong quá trình

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng và các áp lực môitrường gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch,năng lượng sinh khối hiện nay được coi là một nguồn năng lượng tái tạo là giảipháp thay thế cho năng lượng hóa thạch

Sinh khối (biomass) chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng từmặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối là các phếphẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp …v.v), phế phẩm lâm nghiệp(lá khô, vụn gỗ …v.v), giấy vụn, metan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải,phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm Nhiên liệu sinh khối có thể

ở dạng rắn, lỏng, khí … được đốt để phóng thích năng lượng Sinh khối, đặc biệt

là gỗ, than gỗ cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới Ít nhất một nửadân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối Con người đã sửdụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm Sinh khối cũng cóthể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như metanol, etanol dùng trong các động

cơ đốt trong, hay thành dạng khí sinh học ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ởquy mô gia đình

Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đềrất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiênliệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai

Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượngmặt trời, khí sinh học đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng số lượng còn ít vàquy mô không lớn Bên cạnh đó Việt Nam có một nguồn nhiên liệu sinh khối rấtlớn đó là những sản phầm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm,

rạ, trấu, mùn cưa, bã mía…và một số chất thải nông nghiệp khác nhưng cũngchưa được khai thác đúng với tiềm năng của nó Để tận dụng các nguồn nhiên

liệu sẵn có, đề tài này “ Nghiên cứu kỹ thuật khí hóa sinh khối để sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu.

Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng sinh khối, cần nghiên cứu cácgiải pháp công nghệ khí hóa và các ứng dụng công nghệ khí hóa trong dân dụng

để đáp ứng một phần năng lượng bằng việc sử dụng nhiên liệu sinh khối sẵn có

từ phụ phẩm nông nghiệp Mục tiêu của đề tài này nhằm cập nhật lý thuyết vàcông nghệ khí hóa đồng thời nghiên cứu thí nghiệm, đánh giá các loại bếp khíhóa trấu và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng sinh khối, góp phầngiảm thiểu ô nhiễm môi trường Trên cơ sở đó, đề tài sẽ hướng đến việc nghiêncứu cụ thể các vấn đề:

- Vấn đề về năng lượng và môi trường hiện nay;

- Tiềm năng về năng lượng sinh khối;

- Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật khí hóa sinh khối;

- Nghiên cứu, đánh giá các bếp khí hóa sinh khối;

- Đề xuất thiết bị khí hóa mới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu:

- Nhiên liệu trấu

- Thiết bị nhiệt sử dụng nhiên liệu sinh khối

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp kiểm tra thực nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu.

* Phương pháp lý thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các bước

thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp đã công bố

* Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm các thiết bị đã có, khảo sát

các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình khí hóa, đo đạc tính toán các thông số sauthực nghiệm như nồng độ CO, độ bụi, hiệu suất nhiệt…

5 Bố cục đề tài.

Luận văn bao gồm các nội dung:

Mở đầu

Chương I : Tổng quan về sinh khối

Chương II : Lý thuyết khí hóa sinh khối

Chương III : Nghiên cứu bếp khí hóa

Chương IV : Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá bếp khí hóa trấu.Chương V : Thiết kế bếp đốt khí hóa sinh khối

Chương VI : Kết luận và đề xuất

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI

1.1 Các khái niệm cơ bản về sinh khối

1.1.1 Sinh khối là gì?

Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạongoại trừ nguồn nguyên liệu hóa thạch Trong sản xuất năng lượng và ngành côngnghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà

có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp Thông thường sinhkhối là phần chất trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phầnchất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ

Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con ngườiđến tận thế kỷ 19 Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu

và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử Câu trả lời cho lý do hiệnnay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối: sinhkhối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ vàthay thế dầu

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối

Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) có thể sản xuất tạichỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo

Năng lượng sinh khối (NLSK) khác các dạng năng lượng tái sinh khác: Mộtlà: không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soátđược Hai là: cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuấtđiện năng

Năng lượng sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nôngnghiệp dạng hạt nhỏ như trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ,…v.v Thứ hai:Sinh khối gỗ có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây như gỗ cây cao su, cây điều,cây bắp,…v.v

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

so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định

CO2 ngắn Ngoài ra các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô,đồng nhất và chất lượng ổn định

NLSK có thể cung cấp cả nhiệt lẫn điện Vậy khí hóa sinh khối là gì? Đó làmột quá trình hóa học, chuyển hóa các loại nhiên liệu dạng rắn thành một hỗnhợp khí đốt, gọi là khí “gas” (CO + H2 + CH4) Khí hóa bao gồm việc đốt khôngcháy hết nhiên liệu SK Có bốn quá trình khác nhau xảy ra trong lò khí hóa, gồm:sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy và biến đổi thành khí

Khi biến đổi sinh khối thành khí thì quá trình có hiệu suất cao, có thể ứngdụng với một dãy công suất rộng (một vài trăm kW), có thể sử dụng cho các thiết bịnhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp Đồng thờiquá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển quy trình tốt hơn, đốtsạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan đến sửdụng sinh khối

1.2 Vai trò của sinh khối

Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư,chiếm tới 14 - 15 % tổng năng lượng tiêu thụ Ở các nước phát triển sinh khốithường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số nănglượng Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làmchất đốt hay nhiên liệu cho động cơ Vì vậy lợi ích của nguồn năng lượng sinhkhối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khókhăn khi sử dụng NLSK

1.2.1 Lợi ích

Lợi ích kinh tế

- Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc pháttriển năng lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sảnxuất, thu hoạch…)

- Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các

thiết bị chuyển hóa năng lượng, …vv

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

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

Bảng 1.1 Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng lượng tái

sinh khác năm [7]

Công suất điện phát hàng năm (MWh) 1,100 17,500 61,300

Lợi ích môi trường: đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to

lớn cho môi trường

- Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

- Nhiên liệu sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu, do đó nó vừa làmgiảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích Đốt sinh khối cũng thải

ra CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum Tacũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụchúng Vì vậy NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuốicùng không làm tăng CO2 trong khí quyển

Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảmhiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp …v.v

1.2.2 Khó khăn

- So với nhiên liệu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp;

- Khó sử dụng đặc biệt là nguồn từ thực phẩm

Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưađược khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn

về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhànước…v.v

1.3 Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối

Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía,rơm rạ, trấu, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinhhoạt … v.v

Thành phần hóa học của sinh khối chủ yếu gồm ba thành phần là :

+ Lignin: chiếm 15% - 25% Công thức hóa học (C10H12O4)n Nó có cấu trúc phứccủa các aromatic, nó chống lại được các quá trình chuyển hóa hóa học sinh khối, đểchuyển hóa nó cần nhiệt độ cao

+ Hemicellulose: chiếm 23% - 32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là polyme củacác phân tử đường 5 cacbon, 6 cacbon Nó là thành phần dễ bị depolyme hóa, đường

5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó lớn hơn đường 6 cacbon.+ Cellulose: chiếm 38% - 50%, công thức hóa học [C6(H2O)5]n, là polyme củaglucoza, nhạy với sự tấn công của enzym, glucoza là thành phần dễ biến đổi

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số loại rơm từ cây nông nghiệp [2]

(%)

Cellulose (C6-fraction, %)

Hemicellulose (C5- fraction, %)

Tro (%)

Ngoài các thành phần chính, nhiên liệu sinh khối vẫn còn phần nhỏ cácthành phần khác như khoáng (là thành phần tạo nên tro của nó) Gỗ là loại sinhkhối chính cho các quá trình chế biến Thành phần khoáng của gỗ nhỏ hơn 1% khốilượng trên nguyên liệu khô và chủ yếu là thành phần hữu cơ Thành phần chủyếu hình thành tro là các kim loại kiềm và kiềm thổ, chúng chiếm hơn 80% chất vô

cơ trong gỗ Các kim loại khác tồn tại trong gỗ như muối của oxanat và cacbonathoặc các ion kim loại bị liên kết chặt với nhóm cacboxyl hoặc cacbohydrat Cònnguyên tố P và Si có chủ yếu trong công thức este nhưng Si cũng ở dạng SiO2, xembảng 1.3:

Bảng 1.4 Thành phần các nguyên tố một số loại nhiên liệu sinh khối [2]

1.4 Tiềm năng sinh khối của Việt Nam

Nguồn sinh khối chủ yếu gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng Tiềm năng cácnguồn này theo đánh giá của Viện Năng lượng được trình bày ở các bảng sau:

Bảng 1.5 Tiềm năng năng lượng từ sinh khối gỗ [8]

Bảng 1.6 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [8]

Nguồn cung cấp Tiềm năng

(triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu tấn)

Tỷ lệ (%)

tính ổn định và là nguồn năng lượng có thể tái tạo

Giá thành của NLSK luôn rẻ hơn các loại nhiên liệu khác,ví dụ: sử dụng 2

-4 kg chất thải sinh khối tương đương 1 kg than, trong đó giá của 1 kg chất thải sinhkhối chỉ bằng 5 - 10% giá 1 kg than Nếu sản xuất điện năng từ sinh khối thì giáthành điện cũng giảm từ 10 - 30% so với nguồn nguyên liệu hóa thạch Ở nước

ta, nếu tận dụng triệt để nguồn NLSK từ rơm rạ, bã mía thì ước tính cũng sản xuấtđược khoảng 605.000.000 kW điện trong một năm

1.5 Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam.

Trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc, NLSK vẫn chiếm tỷ lệ lớn, tớitrên một nửa Mặc dù giá trị tuyệt đối vẫn không ngừng tăng nhưng tỷ lệ giảm dần

do năng lượng thương mại tăng nhanh hơn

Bảng tiếp theo cho thấy các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay

Bảng 1.7 Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [8]

Năng lượng cuối cùng Tổng tiêu thụ (toe) Tỷ lệ (%)

Bảng trên cho thấy trên ba phần tư (3/4) sinh khối hiện được sử dụng phục

vụ đun nấu gia đình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp Bếp cải tiến tuy đãđược nghiên cứu thành công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài

dự án nhỏ, lẻ tẻ ở một số địa phương

Một phần tư (1/4) sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất:

- Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theokinh nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu, chủ yếu ở phía Nam

- Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43

nhà máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài.

- Sấy lúa và các nông sản: hiện ở Đồng bằng Cửu long có hàng vạn máysấy đang hoạt động Những máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và cóthể dùng trấu làm nhiên liệu Riêng dự án sau thu hoạch do Đan Mạch tài trợ triểnkhai từ 2001 đã có mục tiêu lắp đặt 7000 máy sấy

- Công nghệ cacbon hoá sinh khối sản xuất than củi được ứng dụng ởmột số địa phương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp

- Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hoá trấu hiện ởgiai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm

- Có tới 76,2% (chiếm ¾) sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình vớicác bếp truyền thống có hiệu suất chưa cao

- Việc phát triển năng lượng sinh khối, khai thác sử dụng còn theo lối cổ truyền,chưa triệt để nên hiệu quả thấp (hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường)

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT KHÍ HÓA SINH KHỐI

2.1 Các phương trình và các bước khí hóa

Khí hóa là sự chuyển đổi nhiên liệu rắn hoặc lỏng thành nhiên liệu khí hữudụng và tiện lợi hay nhiên liệu hóa học có thể đốt cháy để lấy năng lượng hoặc sửdụng cho sản xuất các hóa chất bổ sung giá trị

Khí hóa và đốt cháy là hai quá trình nhiệt hóa học liên quan chặt chẽ vớinhau, nhưng có một sự khác nhau quan trọng giữa chúng Khí hóa giữ năng lượngbằng các liên kết hóa học trong khí sản phẩm; đốt cháy thì phá vỡ những liên kết đó

để giải phóng năng lượng Quá trình khí hóa thêm hydro vào và tách cacbon ra từnhiên liệu cấp để sản xuất các khí với tỉ lệ H/C cao, khi bị đốt cháy chúng bị oxi hóathành nước và CO2

Một quá trình khí hóa điển hình có thể gồm các bước sau:

 Sấy

 Sự phân hủy bởi nhiệt hay nhiệt phân

 Sự cháy một phần của một số khí, hơi và char

 Sự khí hóa các sản phẩm phân hủy

Nhiệt phân là một quá trình phân hủy nhiệt mà lấy đi một phần cacbon trongnguyên liệu nhưng không thêm hydro Mặt khác, khí hóa lại sử dụng một chất trunggian khí hóa như hơi nước, không khí hoặc oxi để sắp xếp lại thứ tự cấu trúc phân

tử nguyên liệu để chuyển nguyên liệu rắn thành khí hoặc lỏng, có thể thêm hydrovào sản phẩm Việc sử dụng một chất trung gian là bản chất của quá trình khí hóa

Tác nhân khí hóa

Hóa chất khí hóa phản ứng với cacbon rắn và các hydrocacbon nặng hơn đểchuyển đổi chúng thành khí có khối lượng phân tử nhỏ như CO và H2 Các tác nhânkhí hóa chính sử dụng cho quá trình khí hóa là:

Bảng 2.1 Nhiệt trị của khí sản phẩm dựa theo tác nhân khí hóa [1]

Hình 2.1 Biểu đồ C – H - O của quá trình khí hóa [1]

Nếu dùng oxi làm chất khí hóa, hướng chuyển đổi rời về góc O Sản phẩmgồm CO nếu ít oxi và CO2 nếu nhiều Khi lượng oxi vượt quá lượng oxi cần theo hệ

số tỉ lượng, quá trình chuyển từ khí hóa sang đốt cháy, và sản phẩm là “khí thải”thay cho “khí nhiên liệu” Khí thải hay sản phẩm cháy đều không còn mang nhiệt trị

dư sau khi làm lạnh Một dịch chuyển về hướng oxi dẫn tới sức chứa hydro thấp vàtăng lượng các hợp chất của cacbon như CO và CO2trong sản phẩm khí

Nếu dùng hơi nước, hướng chuyển đổi là lên trên góc H Do đó sản phẩm khímang nhiều hydro trên đơn vị cacbon, kết quả của tỉ lệ H/C cao Một số sản phẩmcủa phản ứng trung gian như CO và H2cũng tham gia khí hóa cacbon rắn

Việc lựa chọn chất khí hóa tác động tới nhiệt trị của khí thu được Nếu không

(Cracking, cháy, thay thế, reforming) (Khí hóa, cháy, thay thế)

CO, H2, CH4, H2O, CO2 crack + 5% sản phẩm CO, H2, CH4, H2O, CO2

Cacbon chưa chuyển đổi

Hình 2.2 Các sản phẩm của quá trình khí hóa

 Quá nhiệt và sấy

 Nhiệt phân

 Khí hóa char

 Đốt cháy

Mặc dù các bước này là hình mẫu thường gặp trong cái loại khí hóa, nhưngkhông có ranh giới rõ ràng giữa chúng mà thường chồng lên nhau Ở các phần sau

sẽ thảo luận về những giai đoạn theo thứ tự trên của khí hóa sinh khối

Trong một quá trình điển hình, sinh khối được gia nhiệt trước (sấy), sau đóchịu sự phân rã do nhiệt hay nhiệt phân Sản phẩm thu được (như khí, chất rắn vàchất lỏng) phản ứng với nhau và với cả chất khí hóa để hình thành sản phẩm cuốicùng của quá trình khí hóa Trong hầu hết các lò khí hóa thương mại, nhiệt cần thiếtcho việc sấy, nhiệt phân và các phản ứng thu nhiệt lấy từ một lượng nào đó của cácphản ứng tỏa nhiệt cho phép trong lò khí hóa Bảng 2.2 liệt kê một số phản ứng hóahọc quan trọng xảy ra trong một lò khí hóa

Bảng 2.2 Các phản ứng khí hóa điển hình ở 25 0 C [1]

Các phản ứng cacbon

R2 (nước – khí hay hơi nước) C + H2O ↔ CO + H2+ 131 kJ/molR3 (khí hóa với hidro) C + 2H2↔ CH4– 74,8 kJ/mol

Việc sấy cuối cùng xảy ra sau khi nhiên liệu được đưa vào lò khí hóa, ở đó

nó nhận nhiệt từ các vùng nóng bên dưới Nhiệt này sấy khô nguyên liệu, làm bayhơi nước Trên 1000C, nước liên kết lỏng ở phần ngoài trong sinh khối bị loại bỏ

hẳn Theo sự tăng nhiệt độ thì các chất có phân tử lượng nhỏ bắt đầu được làm chobay hơi Quá trình tiếp diễn đến khi đạt nhiệt độ xấp xỉ 2000C.

2.2.2 Nhiệt phân

Trong quá trình nhiệt phân không có hóa chất nào được đưa vào Trong mộtquá trình nhiệt phân chậm, sản phẩm rắn hướng về góc C trong tam giác phân tử, vàhình thành nhiều char Trong nhiệt phân nhanh, quá trình hướng về đường tâm C -

H đối diện góc O (hình 2.1) Lượng oxi đã được giảm nhiều, do đó chúng ta mongđợi nhiều hydrocacbon lỏng hơn

Nhiệt phân, đứng trước quá trình khí hóa, quá trình phức tạp, phân hủy bằngnhiệt các phân tử hydrocacbon lớn hơn trong sinh khối thành các phân tử nhỏ hơn(có thể ngưng hoặc không ngưng) mà không có phản ứng hóa học nào với khôngkhí, khí, hay chất khí hóa

Một sản phẩm quan trọng của quá trình nhiệt phân đó là tar (hắc ín) hìnhthành qua sự đông đặc của các hơi có thể ngưng tụ được tạo ra trong quá trình Làmột chất lỏng dính, nhớp nháp tar đã gây rất nhiều khó khăn cho việc sử dụng sảnphẩm khí hóa trong công nghiệp

Nó mang theo một lượng nào đó hydrocacbon bao gồm cả hydro và oxi

Char sinh khối xốp và hoạt tính hơn than cốc Độ xốp của nó trong khoảng

40 ÷ 50% còn char than đá là 2 ÷ 18% Độ rỗng trong sinh khối lớn hơn nhiều (20 ÷

30 micron) so với của char than (~ 5 angstrom) Do đó, trạng thái phản ứng của nókhác hẳn so với char lấy được từ than đá, than non và than bùn Ví dụ, hoạt tính của

sinh khối lại tăng lên theo chuyển đổi (Hình 2.3) Sự trái ngược này có thể cho là do

sự tăng hoạt tính xúc tác của các chất kim loại kiềm trong sinh khối char

Khí hóa char sinh khối bao gồm vài phản ứng giữa char và chất khí hóa.Dưới đây là một số các phản ứng đó với cacbon, CO2, H2, hơi nước và metan

Các phương trình từ (3.1) đến (3.4) chỉ ra cách mà chất khí hóa như oxi,

CO2, và hơi nước phản ứng với cacbon rắn và chuyển đổi thành khí khối lượngphân tử nhẹ hơn như CO và H2 Một số phản ứng đã được nói đến trong bảng 2.2

Các phản ứng khí hóa thông thường là thu nhiệt, nhưng một số lại tỏa nhiệt

Ví dụ, các phản ứng của cacbon với oxi và hydro ( R3, R4 và R5 trong bảng 2.2) làtỏa nhiệt, trong khi với CO2 và hơi nước ( phản ứng R1 và R2) là thu nhiệt Nhiệtcủa phản ứng trong bảng 2.2 cho các phản ứng khác nhau tham khảo ở 250C

Tốc độ của các phản ứng khí hóa char

Tỉ lệ khí hóa char (gồm chủ yếu là cacbon) phụ thuộc chính vào hoạt tính của

nó và khả năng phản ứng của chất khí hóa Oxi, ví dụ là mạnh nhất, sau đó là hơinước và CO2 Tốc độ của phản ứng char - oxygen (C + 0,5O2 → CO) là nhanh nhấttrong bốn phản ứng bảng 2.2 (R1, R2, R3 và R4) Nó nhanh tới mức mà khó có oxi

ứng khí - nước hoặc phản ứng khí hóa hơi nước (R2) là khoảng 2 - 5 lần nhanh hơn

Khí hóa char trong hơi nước, còn gọi là phản ứng nước - khí, có lẽ là phảnứng khí hóa quan trọng nhất

C + H2O ↔ CO + H2 (R2 trong bảng 2.2) (3.10)Bước đầu bao gồm sự phân ly của H2O trên vùng hoạt động của carbon tự do(Cfas), giải phóng hydro và tạo thành một bề mặt oxit phức tạp của cacbon C(O).Trong các bước thứ hai và thứ ba, các oxit phức tạp bề mặt tạo ra một vùng hoạtđộng tự do mới và phân tử CO

Bước 1: Cfas+ H2O kw 1

Bước 2: C(O) + H2   kw 2 Cfas+ H2O (3.12)Bước 3: C(O)   kw 3 CO (3.13)Một số hình mẫu cũng bao gồm khả năng giữ hydro bởi các phức C(H) hayC(H)2như sau

Sự hiện diện của hidro có tác dụng ức chế mạnh mẽ về tốc độ khí hoá thantrong H2O Ví dụ 30% hydro trong khí quyển khí hóa có thể giảm tỷ lệ khí hóa bởimột nhân tố cao như 15 Vì vậy, một phương pháp hiệu quả thúc đẩy các phản ứngnước - khí là loại bỏ liên tục hydro khỏi vùng phản ứng

CO + H2O ↔ CO2+ H2– 41,2 kJ / mol (R9 trong bảng 2.2) (3.16)Đây là bước trên của sản phẩm tổng hợp trong phần dưới của lò khí hóa,vùng mà tỉ lệ của hydro và CO trong sản phẩm khí là quan trọng.

Phản ứng này tỏa ít nhiệt, sản lượng cân bằng của nó giảm dần theo nhiệt độ.Tùy thuộc vào nhiệt độ nó có thể được định hướng theo hai hướng sản phẩm haychất phản ứng Tuy nhiên, nó không phụ thuộc vào áp suất

Trên 1000 0C phản ứng này rất nhanh đạt cân bằng, nhưng ở nhiệt độ thấpcần có chất xúc tác phức tạp Hình 2.3 cho thấy rằng phản ứng này có hằng số cânbằng cao ở nhiệt độ thấp, có nghĩa là sinh ra nhiều H2 ở nhiệt độ thấp Tăng nhiệtlượng H2 giảm nhưng tỉ lệ phản ứng tăng Hiệu suất tốt nhất thu được ở nhiệt độ

2250C

Bởi vì tỉ lệ phản ứng ở nhiệt độ thấp rất thấp, chất xúc tác như sắt crôm,đồng kẽm và coban - molypden được sử dụng Ở nhiệt độ cao (350 – 600 0C) cácchất xúc tác có Fe có thể được sử dụng Áp suất không có tác dụng đáng kể với tỉ lệ

H2/CO Chuyển đổi của CO trong thương mại sử dụng các chất xúc tác:

 Xúc tác đồng - promoted, ở nhiệt độ 300 – 5100C

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

Khi cacbon phản ứng với oxi cả R4 và R5 đều có thể xảy ra, nhưng qui môphụ thuộc vào nhiệt độ Hệ số phân chia β, được xác định để quyết định oxi sẽ phânchia như thế nào giữa hai phản ứng R4 và R5 có thể được viết kết hợp lại

βC + O2 → 2(β – 1)CO + (2 – β)CO2 (3.18)Giá trị của hệ số phân chia β nằm giữa 1 và 2 và phụ thuộc nhiệt độ Mộtbiểu thức thông dụng tính β là

với T là nhiệt độ bề mặt của char

Các phản ứng cháy thường nhanh hơn các phản ứng khí hóa trong điều kiệntương tự nhau Bảng 2.3 so sánh tỉ lệ của sự cháy và khí hóa sinh khối ở nhiệt độ lòkhí hóa điển hình 9000C Tỉ lệ cháy ít nhất cũng lớn hơn một bậc nhanh hơn so với

tỉ lệ phản ứng khí hóa Do chống lại sự lan rộng khe hở, các hạt char sinh khối mịnhơn có tỉ lệ phản ứng cao hơn nhiều

Bảng 2.3 So sánh ảnh hưởng của sụ khuếch tán các lỗ rỗng lên tốc độ khí hóa char và tốc độ cháy [1]

Kích thước hạt

(μm)

Tốc độ cháy (min -1 )

Tốc độ khí hóa (min -1 )

Những lượng nhiên liệu tương đối, chất oxi hóa (không khí và oxi) và hơinước (nếu có) điều chỉnh tỉ lệ của cacbon hay oxi tham gia phản ứng R5 và R4(bảng 2.2) Thêm bất kì chất oxi hóa nào hơn lượng cần thiết cho phản ứng thu nhiệt

sẽ tăng nhiệt độ khí hóa không cần thiết và giảm chất lượng sản phẩm vì bị CO2 làmloãng

2.4 Xúc tác khí hóa

Sử dụng các chất xúc tác trong chuyển đổi nhiệt hóa học của sinh khối có thểkhông cần thiết, nhưng nó có tác dụng dưới hoàn cảnh nào đó Hai động cơ chínhthúc đẩy dùng các chất xúc tác là:

 Loại bỏ tar khỏi sản phẩm khí, đặc biệt nếu ứng dụng sản phẩm ra hoặcthiết bị lắp đặt không cho phép

 Giảm hàm lượng metan trong sản phẩm, nhất là khi nó được sử dụng nhưkhí tổng hợp (hỗn hợp CO, H2)

Sự phát triển của xúc tác khí hóa là do sự cần thiết reforming tar Khi sảnphẩm khí đi qua các hạt xúc tác, tar hoặc các hydrocacbon đông đặc có thể đượctinh chỉnh lại trên bề mặt chất xúc tác với hơi nước hay CO2, do đó tăng thêm hydro

và CO

2.5 Kết luận

- Quá trình khí hóa bao gồm 4 bước: sấy, nhiệt phân (hay phân hủy bởi nhiệt),cháy, khí hóa Các bước này thường không có ranh giới rõ ràng mà chồng chéo lênnhau

- Các phản ứng khí hóa thông thường là thu nhiệt, nhưng một số lại tỏa nhiệt Ví dụ,các phản ứng của cacbon với oxi và hydro ( R3, R4 và R5 trong bảng 2.2) là tỏanhiệt, trong khi với CO2và hơi nước ( phản ứng R1 và R2) là thu nhiệt

- Hầu hết hệ thống khí hóa sử dụng sinh khối khô có độ ẩm từ 10 ÷ 20% Việc sấycuối cùng xảy ra sau khi nhiên liệu được đưa vào lò khí hóa, ở đó nó nhận nhiệt từcác vùng nóng bên dưới.

- Kích thước sinh khối có ảnh hưởng lớn đến tốc độ cháy và tốc độ khí hóa, kíchthước sinh khối càng lớn thì tốc độ cháy, tốc độ khí hóa càng nhỏ và ngược lại