KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)

Tiến trình sinh khối khí hóa là quá trình đốt cháy sinh khối nguyên liệu không đầy đủ trong môi trường yếm khí.. Giống như các nguồn năng lượng tái tạo khác, khí hóa sinh khối chỉ sử dụn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

****************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS

GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)

Sinh viênthực hiện : TRẦN HIẾU NHÂN

Tháng 07 năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

****************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ KHÍ TẠP TỪ LÒ ĐỐT GAS

GASIFIER CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)

Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực hiện

KS NGUYỄN MINH TRIẾT

Tháng 07 năm 2012

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành đề tài này tôi xin chân thành cảm ơn:

- Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ CHí Minh, Chủ nhiệm Bộ môn Công Nghệ Sinh Học, cùng quý Thầy, Cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tại trường

- PGS TS Dương Nguyên Khang đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

- KS Nguyễn Minh Triết đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài đúng thời gian

- Các anh chị tại điểm Biogas trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã tận tình động viên giúp đỡ

- Các bạn trong tập thể lớp DH08SH đã chia sẻ những buồn vui, khó khăn cũng như nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập

- Con xin cảm ơn cha, mẹ Người đã sinh thành, nuôi dưỡng con nên người, luôn sẵn sàng giúp đỡ khi con gặp khó khăn cũng như tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện

Trần Hiếu Nhân

TÓM TẮT

Nền nông nghiệp và công nghiệp hiện đại tiêu tốn nhiều năng lượng mà chủ yếu là năng lượng hóa thạch Hiện năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Cần một nguồn năng lượng tái tạo để thay thế và đáp ứng nhu cầu kinh tế Giải pháp khí hóa sinh khối có thể đáp ứng được yêu cầu đó Nhưng trong khí gas được tạo ra có chứa khí CO2 khí gây hiệu ứng nhà kính Than sinh học có khả năng hấp thụ CO2 Nên có thể sử dụng than sinh học để loại bỏ khí CO2 có trong khí gas

Đề tài được thực hiện từ tháng 2/2012 đến 7/2012 tại điểm Biogas, trường đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng lọc khí gas từ lò đốt khí gas từ nguyên liệu trấu và thân khoai mì bằng than sinh học

Thí nghiệm được bố trí theo kiểu đơn nguyên tố và phương pháp hoàn toàn ngẫu nhiên CRD, được thực hiện với một nhân tố là nguyên liệu trấu và thân khoai mì với 6 lần lập lại Thí nghiệm có 2 nghiệm thức; Nghiệm thức 1 (NT1): 1,2 kg trấu đốt trong lò đốt khí gas để thu khí gas sinh ra và dùng 140 g than sinh học này cho vào bình lọc để lọc khí gas; Nghiệm thức 2 (NT2): 1,2 kg thân khoai mì đốt trong lò đốt khí gas để thu khí gas sinh ra và dùng 140 g than sinh học này cho vào bình lọc để lọc khí gas

Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi than trên các nghiệm thức 1 và 2 lần lượt là 44,04%

và 37,28% Tổng lượng khí cho qua lọc trên các nghiệm thức 1 và 2 lần lượt là 7,23 m3

và 5,03 m3 Khả năng lọc của biochar đối với nghiệm thức 1 cho thấy lượng CO2 giảm từ 30,5% xuống còn 6,86% Tương tự, khả năng lọc của biochar đối với nghiệm thức 2 cho thấy lượng CO2 giảm từ 34,23% xuống còn 14,25% Điều này cho thấy biochar có khả năng loại bỏ khí CO2 có trong khí gas thu được từ quá trình khí hóa nguyên liệu

SUMMARY

Modern agriculture and industrial consuming energy mainly fossil energy The more fossil fuel depletion Requestion a renewable energy source to replace and response economic needs Biomass gasification solutions can meet that requirement But syngas contain CO2 causing greenhouse gases Biochar has the ability to absorb CO2 So be able

to use biochar to remove CO2 in the gas

The study carried out from 02/2012 to 07/2012 at Biogas Center, in Nong lam University, Ho Chi Minh City This study aim to evaluate the effect on reducing carbon dioxide that produced from gasifier on different type of materials as rice husk and cassava-trunk by used rice husk biochar

The study was arranged as single factor and using Completely Randomized Design (CRD) This study was carried out one factor with 6 duplicates There were two treatments; Treatment I with 1.2 kg rice husk was supplied to downdraft gasifier to collect the syngas and used 140 g rice husk biochar that stored in box for filtering the syngas; Treatment II with 1.2 kg cassava-trunk was supplied to downdraft gasifier to collect the syngas and used 140 g rice husk biochar that stored in box for filtering the syngas

The results shown that the recovery of biochar on the treatments 1 and 2 were 44.04 and 37.28%, respectively Total gas produced by rice husk and cassava-trunk were 7.23

m3 and 5.03 m3, respectively The syngas produced by rice husk and cassava-trunk were reduced from 30.5% to 6.86% and 34.23% to 14.25%, respectively The conclusion from this study that rice husk biochar could be filtered the syngas

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT ii

SUMMARY iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Khí hóa (gasification) 3

2.1.1 Khí hóa là gì? 3

2.1.2 Các loại thiết bị khí hóa 3

2.1.2.1 Kiểu gas đi lên (updraft) 3

2.1.2.2 Kiểu gas đi xuống (downdraft) 4

2.1.2.3 Kiểu gas đi ngang 4

2.1.2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống 5

2.1.2.5 Kiểu tầng sôi 5

2.1.3 Các bước đốt cháy sinh khối 7

2.1.4 Phản ứng hóa học 8

2.1.4.1 Vùng cháy 9

2.1.4.2 Vùng phản ứng 9

2.1.4.3 Vùng nhiệt phân 9

2.1.5 Thành phần khí gas 10

2.1.6 Nhiệt độ của khí gas 10

2.2 Than sinh học (biochar) 11

2.2.1 Than sinh học là gì? 11

2.2.2 Đặc tính của than sinh học 11

2.2.3 Cấu trúc của than sinh học 11

2.2.4 Nguyên liệu dùng để đốt than 11

2.2.4.1 Trấu 12

2.2.4.2 Thân khoai mì 14

2.2.5 Ứng dụng của than sinh học trong nông nghiệp và môi trường 15

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 17

3.2 Dụng cụ thí nghiệm 17

3.3 Xác định độ ẩm nguyên liệu dùng để đốt 19

3.4 Mô tả thí nghiệm 20

3.4.1 Mô hình hệ thống lò đốt và thu khí gas 21

3.4.2 Mô hình hệ thống lọc khí gas 22

3.4.3 Tiến trình thực hiện 22

3.5 Phương pháp thí nghiệm 23

3.5.1 Chọn yếu tố đầu vào cho thí nghiệm 23

3.5.2 Chọn yếu tố đầu ra 24

3.6 Bố trí thí nghiệm 24

3.7 Phân tích số liệu 25

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

4.1 Tính toán hiệu suất thu hồi than sinh học 26

4.2 Tổng lượng khí thu được 27

4.3 Tính toán tổng lượng CO2 sinh ra trên mỗi nguyên liệu 28

4.4 So sánh trung bình tổng lượng khí CO2 trước và sau khi lọc 30

4.6 Thảo luận 31

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 33

5.1 Kết luận 33

5.2 Kiến nghị 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 36

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Thành phần khí gas 10

Bảng 2.2 Phân tích nguyên tố của trấu 13

Bảng 2.3 Phân tích thành phần của trấu 13

Bảng 2.4 Hiệu suất thu hồi than trấu 13

Bảng 2.5 Số liệu hấp thụ carbon của than sinh học 16

Bảng 3.1 Độ ẩm của trấu thí nghiệm 19

Bảng 3.2 Độ ẩm của thân khoai mì thí nghiệm 20

Bảng 3.3 Bảng bố trí thí nghiệm 25

Bảng 4.1 Hiệu suất thu hồi than của nguyên liệu trấu và thân khoai mì 26

Bảng 4.2 Tổng lượng khí thu được từ quá trình khí hóa 27

Bảng 4.3 Tổng lượng khí CO2 trong khí trước và sau lọc 28

Bảng 4.4 Bảng phần trăm CO2 có trong lượng khí gas trước và sau khi lọc 29

Bảng 4.5 Bảng so sánh khí CO2 trước và sau đối với các nguyên liệu 30

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Kiểu gas đi lên 4

Hình 2.2 Kiểu gas đi xuống 4

Hình 2.3 Kiểu gas đi ngang 5

Hình 2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống 6

Hình 2.5 Kiểu tầng sôi 6

Hình 2.6 Nguyên liệu trấu 14

Hình 2.7 Nguyên liệu thân khoai mì 14

Hình 3.1 Mô hình thiết kế máy gasifier 17

Hình 3.2 Máy đo thành phần khí Gasmet DX 4030 18

Hình 3.3 Cân điện tử Precisa 18

Hình 3.4 Tủ sấy 18

Hình 3.5 Bình lọc 20

Hình 3.6 Lược đồ hệ thống thí nghiệm 21

Hình 3.7 Mô hình hóa hệ thống thu khí 21

Hình 3.8 Mô hình hóa hệ thống lọc khí 22

Hình 4.1 Than sinh học 26

Hình 4.3 Đồ thị so sánh lượng khí CO2 có trong khí đầu vào và khí đầu ra 30

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Sản xuất công nông nghiệp hiện đại đã mang lại giá trị kinh tế cao nhưng cũng cần nhiều năng lượng đầu vào, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch Cho đến nay, nhiên liệu hóa thạch vẫn là nguồn năng lượng chính để phát triển thế giới Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có hạn ở một số quốc gia và chỉ tập trung ở một số khu vực, nên đã ảnh hưởng đến sự phát triển chung của thế giới Với sự tăng giá gần đây và sự khan hiếm của các loại nhiên liệu nên hiện có xu hướng sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế như năng lượng mặt trời, gió, nhiệt hạch Tuy nhiên các nguồn năng lượng đã không thể cung cấp một giải pháp khả thi về kinh tế cho các ứng dụng trong nông và công nghiệp hiện đại Trước thực tế đó, yêu cầu cần có một nguồn năng lượng tái tạo thay thế và đáp ứng được yêu cầu kinh tế Trong đó, biogas (khí sinh học) đã và đang là giải pháp cho các nước đang phát triển có nguồn chất thải nhiều Lượng khí biogas sinh ra được dùng cho nấu ăn ở hộ gia đình và còn có thể sử dụng cho máy phát điện đã làm tăng hiệu quả kinh tế hộ gia đình lẫn sản xuất qui mô lớn Bên cạnh đó, việc nghiên cứu tiến trình sinh khối khí hóa từ các nguyên liệu phế thải là vấn đề cần lưu ý Tiến trình sinh khối khí hóa là quá trình đốt cháy sinh khối nguyên liệu không đầy đủ trong môi trường yếm khí Quá trình đốt cháy này đã tạo

ra lượng lớn khí gas có tiềm năng cung cấp năng lượng cho sản xuất ngành công nông nghiệp hiện nay Giống như các nguồn năng lượng tái tạo khác, khí hóa sinh khối chỉ sử dụng chủ yếu phế phẩm nông nghiệp, vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa đáp ứng nhu cầu năng lượng, đang khan hiếm hiện nay Sản phẩm thu được từ quá trình khí hóa là hỗn hợp khí carbon monoxide (15 - 26,1%), hydro (20,6 - 21,6%), carbon dioxide (6,6 - 10,3%), hơi nước (8,6 - 24,0%) và dạng vết mê-tan Tuy nhiên khí gasifier thải ra ngoài

có thể gây thiệt hại cho môi trường do sự hiện diện của chất gây ô nhiễm như khí CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất Ngoài ra còn có H2O sẽ gây cản trở quá trình đốt cháy của khí gas

Trong quá trình khí hóa, nồng độ oxy được kiểm soát sẽ tạo ra lượng than sinh học biochar có giá trị cao Than sinh học nếu được bón vào đất với lượng lớn có thể giúp làm

cân bằng carbon trong tự nhiên từ dạng CO2 tồn tại trong khí quyển sang dạng carbon hữu

cơ trong đất, nó có ý nghĩa trong điều kiện nóng lên của trái đất do sản xuất ra nhiều khí

CO2 gây hiệu ứng nhà kính Ngoài ra, than sinh học còn có khả năng hấp thụ một số tạp chất gây ô nhiễm trong nước, khí gas v.v… Xuất phát từ những vấn đề trên, làm sao nghiên cứu khả năng sản xuất gas từ quá trình khí hóa và lọc khí tạp trong hỗn hợp khí gas là cần thiết, chúng tôi đã tiến hành đề tài “Khảo sát khả năng hấp thu khí tạp từ lò đốt gas gasifier của than sinh học”

1.2 Yêu cầu

Khảo sát khả năng lọc khí gas được khí hóa từ các nguyên liệu trấu và thân khoai

mì của than sinh học (biochar)

1.3 Nội dung thực hiện

- Đốt và thu khí gas sinh ra từ lò đốt khí gas của các nguyên liệu như trấu và thân khoai mì Tính tổng lượng khí gas sinh ra

- Khảo sát khả năng hấp thu khí CO2 có trong khí gas được tạo ra từ lò đốt khí gas của than sinh học

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Khí hóa (gasification)

2.1.1 Khí hóa là gì?

Quá trình tạo ra khí được gọi là khí hóa, là một phần quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn

và thực hiện ở nhiệt độ khoảng 10000C Các lò phản ứng được gọi là thiết bị khí hóa Các sản phẩm đốt từ quá trình đốt hoàn toàn sinh khối bao gồm nitơ, hơi nước, carbon dioxide và lượng dư oxy Tuy nhiên, trong quá trình khí hóa thì sản phẩm đốt cháy không hoàn toàn là các loại khí dễ cháy như carbon monoxide (CO), hydro (H2) và khí mê-tan dạng vết và sản phẩm không thể sử dụng như hắc ín và bụi Việc tạo ra khí này bởi phản ứng của hơi nước và carbon dioxide thông qua một lớp than củi cháy sáng Vì vậy, chìa khóa để thiết kế thiết bị khí hóa là tạo điều kiện giống như: sinh khối được giảm xuống thành than, than được chuyển đổi thích hợp để tạo ra CO và H2

2.1.2 Các loại thiết bị khí hóa

Các kiểu hóa gas phụ thuộc bởi sự tiếp xúc giữa không khí và sự nạp nguyên liệu vào bên trong lò hóa gas, được phân ra các kiểu: kiểu gas đi lên; kiểu gas đi xuống; kiểu gas

đi ngang; kiểu phân tầng gas đi xuống; tầng sôi

2.1.2.1 Kiểu gas đi lên (updraft)

Thiết bị được minh họa ở hình (2.1), có những ưu điểm và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: dễ sản sinh gas, hiệu suất cao, nhiệt trong gas hâm nóng chất đốt Nhiệt

độ gas ra khỏi lò hóa gas thấp, làm tăng tuổi thọ của các thiết bị đi kèm

- Nhược điểm: gas sinh ra dơ, chứa nhựa, dầu và acid Kiểu gas đi lên này rất tốn kém cho việc xử lý lọc gas trước khi đưa vào động cơ

Hình 2.1 Kiểu gas đi lên (Reed, 1981) Hình 2.2 Kiểu gas đi xuống (Reed, 1981)

2.1.2.2 Kiểu gas đi xuống (downdraft)

Được minh họa ở hình 2.2 có các ưu và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: gas sinh ra ít nhựa và ít dầu chỉ bằng 10% so với kiểu đi lên, nhiệt độ trong lò duy trì ổn định trong khoảng 800 – 10000C

- Nhược điểm: chất đốt có độ ẩm cao không sử dụng được, cấu tạo cổ thắt rất khó cho việc di chuyển của tro, chỉ thích hợp cho loại chất đốt có thành phần tro ít

2.1.2.3 Kiểu gas đi ngang

Không khí được cung cấp vào bên trong lò hóa gas xuyên qua ngang miệng hóa gas được minh họa ở hình (2.3), gas sinh ra đối diện với đường cung cấp không khí Đây là một trong ba kiểu hóa gas cơ bản tồn tại từ thế kỷ XIX và có hàng trăm ngàn sản phẩm được xây dựng để sử dụng làm nguyên liệu cho động cơ nhiều nước châu Âu

Hình 2.3 Kiểu gas đi ngang (Reed,1981) 2.1.2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống

Kiểu này gọi là kiểu mở nắp không cổ thắt, cải tiến từ kiểu gas đi xuống.Bộ phận hóa gas cơ bản gồm một ống hình trụ với ghi lò ở phía dưới cùng cửa lò với các vùng sấy, nhiệt phân oxy hóa, khử, tro được minh họa ở hình 2.4 Ưu điểm của loại này là dễ chế tạo Nhược điểm là gas sinh ra chứa nhiều nhựa, dầu lẫn trong gas

Hình 2.4 Kiểu phân tầng gas đi xuống

(Reed, 1981)

Hình 2.5 Kiểu tầng sôi (Geldart, 1986)

2.1.3 Các bước đốt cháy sinh khối

Một khi biết được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy thì có thể sử dụng chúng để kiểm soát và tối ưu hóa quá trình Vì vậy hãy dành một chút thời gian để tìm

hiểu từng bước một cách riêng biệt Quá trình khí hóa gồm các bước sau:

Bước 1 Sấy khô

Sự thay đổi đầu tiên xảy ra trong quá trình sấy là nước trong nguyên liệu hóa thành hơi Lượng nước hóa thành hơi phụ thuộc vào độ ẩm của nhiên liệu thô, trong đó cũng cần xác định nhiệt đầu vào cần thiết để bốc hơi toàn bộ lượng nước, lượng sinh khối và khối lượng mất đi để có được nhiên liệu khô

Bước 2 Nhiệt phân (carbonisation)

Nhiệt độ tăng và hấp thụ nhiệt cuối cùng gây ra một phân hủy hoàn toàn sinh khối, chia tách thành các chất khí dễ bay hơi, hơi nước và than

Hơi có chứa các hợp chất carbon từ nhiên liệu khác nhau, được gọi với thuật ngữ

“wood-gas” Là sản phẩm rắn của giai đoạn than, nó còn được gọi là carbonisation

Nhiệt phân có thể xảy ra trong trường hợp không có đủ oxy, các yếu tố điều chỉnh nhiệt Trong thời gian ngắn: không có nhiệt vào, nhiệt phân không có, không tạo ra wood-gas và không có lửa

Bước 3 Than- gasification

Một khi than được hình thành, các giai đoạn tiếp theo của pha rắn là chuyển đổi các nguyên tử khí carbon và phần không carbon thành tro

Điều này chỉ xảy ra nếu oxy có sẵn và than vẫn đủ nóng để phản ứng Sau đó sự khí hóa than xảy ra: oxy phản ứng với than rắn, tạo ra carbon monoxide, carbon dioxide và tạo thêm nhiệt lượng Phần nhỏ lượng than không cháy giống như tro

Các yếu tố điều tiết của sự khí hóa than là lượng oxy có sẵn xung quanh than nóng Nếu than được làm lạnh và/hoặc cung cấp oxy bị hạn chế, việc chuyển đổi từ than thành tro không diễn ra và các than sẽ được bảo tồn và tro không được tạo ra

Bước 4 Khí đốt

Giai đoạn cuối của “khí đốt” là khí bị cháy (đốt) và số lượng lớn nhiệt được phát ra có

thể được sử dụng ví dụ như để nấu ăn

Việc đốt cháy là một loạt các phản ứng oxy hóa, mà chỉ có thể diễn ra nếu có đủ oxy Các yếu tố chính điều tiết quá trình đốt cháy là lượng oxy hòa với hơi và gas nóng

Nếu không có đủ oxy có sẵn, khí gas không thể bị cháy và việc đốt xảy ra không hoàn toàn và không cháy hết khói, carbon monoxide sẽ được tạo ra

Hòa trộn hoàn toàn oxy được cung cấp bởi không khí với khí wood-gas và khí than (nếu sự khí hóa than diễn ra) nóng mới tạo ra, kết hợp với ngọn lửa hiện có, kết quả đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp khí Ngọn lửa có thể nhìn thấy trong quá trình đốt cháy Điều kiện lý tưởng chỉ khi khí bị oxy hóa hoàn toàn, không có năng lượng chưa tiêu thụ thoát khỏi khu vực cháy có nghĩa là tất cả khí hydrocarbon từ nhiên liệu sinh khối đã được oxy hóa từ carbon dioxide và hơi nước

Nếu quá trình đốt cháy không đầy đủ do thiếu oxy hoặc nếu hơi đã nguội xuống dưới điểm mà chúng sẽ cháy, chúng biến thành khí thải không mong muốn: trong trường hợp wood - gas trong các dạng đáng chú ý, thường mùi khó chịu, khói Trong dạng khí than

nó ở dạng carbon monoxide, khí độc không mùi, không thể nhận thấy và không đươc chấp nhận Carbon monoxide độc hại và nguy hiểm cho sức khỏe con người

Năng lượng đầu vào và đầu ra

Mục tiêu của việc đốt cháy sinh khối cho mục đích nấu nướng là để cung cấp nhiệt lương để làm nóng thức ăn

Tuy nhiên, phải mất năng lượng để phá vỡ các liên kết hóa học trong các sinh khối rắn

Vì vậy, hai giai đoạn đầu tiên mô tả sự tiêu thụ nhiệt thực tế, có nghĩa là chúng thu nhiệt Đây là lý do tại sao cúng ta cần có một số mồi lửa để bất đầu đốt cháy Sau khi ngọn lửa được bắt đầu, nhiệt phát ra bởi các phản ứng đốt cháy cung cấp lượng nhiệt cần thiết để duy trì ngọn lửa và làm cho nó tự duy trì

Khi thiết kế một thiết bị để kiểm soát việc đốt sinh khối và điều chỉnh tỷ lệ nhiệt tạo ra, điều quan trọng cần lưu ý là giai đoạn sấy khô và nhiệt phân được kiểm soát bằng cách điều chỉnh số lượng nhiệt cho vào sinh khối rắn, trong khi các bước sau đó là quá trình sự khí hóa than và hơi đốt phụ thuộc vào sự có sẵn của oxygen

2.1.4 Phản ứng hóa học

Các phản ứng chính sau đây xảy ra ở vùng đốt cháy và vùng giảm:

2.1.4.1 Vùng cháy

Các chất dễ cháy của nhiên liệu rắn thường gồm các yếu tố hydro, carbon và oxy Trong quá trình đốt cháy hoàn toàn carbon dioxide thu được từ carbon trong nhiên liệu và nước thu được từ khí hydro, thường là hơi nước Phản ứng đốt cháy tỏa nhiệt và tạo ra nhiệt độ của quá trình oxy hóa lý thuyết là 14500C Các phản ứng chính là:

Nhiệt độ tối đa 2000

C chỉ có nước bốc hơi Giữa 200 đến 2800

C carbon dioxide, acetic acid và nước được tạo ra Nhiệt phân thực tế diễn ra ở khoảng 280 – 5000C, sản xuất lượng lớn dầu sinh học và các loại khí bao gồm carbon dioxide Bên cạnh đó dầu sinh học sáng, một số rượu methyl cũng được hình thành Từ 500 – 7000

C sảm phẩm là lượng ít khí gas và có chứa khí hydro (Rajvanshi, 1986)

Vì vậy nó rất dễ cho thấy rằng thiết bị khí hóa updraft sẽ tạo dầu sinh học nhiều hơn thiết bị khí hóa downdraft Trong thiết bị khí hóa downdraft dầu sinh học phải đi qua khu vực đốt cháy và khu vực giảm và một phần bị phá hủy

Kể từ khi phần lớn các loại nhiên liệu giống như gỗ và dư lượng sinh khối có lượng lớn dầu sinh học thiết bị khí hóa downdraft được ưa thích hơn các thiết bị khác Thực tế phần lớn các thiết bị khí hóa, cả trong chiến tranh thế giới thứ II và hiện này là loại downdraft Cuối cùng, tại khu vực sấy quá trình chính là sấy gỗ Gỗ được đưa vào thiết bị khí hóa

có độ ẩm 10 -30% Các thí nghiệm khác nhau trên các thiết bị khí hóa khác nhau trong các điều kiện khác nhau đã chỉ ra rằng trung bình hình thành ngưng tụ là 6 – 10% trong lượng của gỗ được khí hóa Một số acid hữu cơ tạo ra trong quá trình sấy Những acid ăn mòn dần thiết bị khí hóa

C thì lượng khí CH4 không tồn tại

Bảng 2.1 Thành phần khí gas

2.1.6 Nhiệt độ của khí gas

Nhiệt độ trung bình của khí gas khi thoát khỏi thiết bị khí hóa là khoảng 300-4000

C Nếu nhiệt độ cao hơn (~ 5000

C) nó là một dấu hiệu cho thấy một phần quá trình đốt cháy khí đang diễn ra Điều này thường xảy ra khi tốc độ dòng chảy không khí qua thiết bị khí hóa cao hơn giá trị thiết kế (Rajvanshi, 1986 )

2.2 Than sinh học (biochar)

2.2.1 Than sinh học là gì?

Than sinh học (Black cacbon) là các hạt mịn và xốp, được hình thành từ việc đốt cháy không hoàn toàn sinh khối hữu cơ như gỗ, lá, phụ phẩm thực vật… trong điều kiện thiếu oxy Than sinh học có mặt ở mọi nơi trên trái đất do đặc tính nhẹ, dễ bay theo gió, dễ bị cuốn trôi do xói mòn đất Định nghĩa được thông qua bởi tổ chức sáng kiến than sinh học quốc tế (IBI) Than sinh học có nhiều đặc tính quan trọng do đó được ứng dụng nhiều trong việc cải tạo đất nông nghiệp và môi trường đã được quan tâm sử dụng nhiều trên thế giới (Trần Thanh Thảo, 2011)

2.2.2 Đặc tính của than sinh học

Kuwagaki (1990) đề xuất bảy tính chất cho việc đánh giá chất lượng sử dụng than sinh học trong nông nghiệp: pH, hàm lượng hợp chất dễ bay hơi, tro, khả năng giữ nước, mật

độ lỗ hạt, khối lượng, và diện tích bề mặt Nguyên liệu là yếu tố quyết định tính chất lý hoá của than sinh học

2.2.3 Cấu trúc của than sinh học

Cấu trúc than sinh học phân lớn là vô định hình nhưng có chứa một số cấu trúc tinh thể

cố định liên kết cao với các hợp chất thơm (Downie và cs, 2009) Các hạt tinh thể trong cấu trúc có đường kính vài nanometers và hỗn hợp graphite-dạng lớp được sắp xếp theo dạng turbostratically (tức là các lớp không được xếp theo hang) Ngoài ra các tấm grapheme liên kết theo một dạng ngẫu nhiên, và than sinh học cũng chứa các hợp chất hữu cơ thơm trong cấu trúc phức tạp của mình (bao gồm cả các chất bay hơi còn lại) và các hợp chất khoáng (tro vô cơ) Cuối cùng, có những khoảng trống trong cấu trúc than sinh học như các lỗ nhỏ (vĩ mô, trung mô, và vi mô), vết nứt và hình thái có nguồn gốc từ sinh khối tế bào Đó là cấu trúc đặc biệt của than sinh học có chứa một số đặc điểm khác thường Các nguyên tử carbon gắn kết chặt chẽ với nhau và nó giúp cho chúng có khả năng chống sự tác động và phân hủy bởi vi sinh vật

2.2.4 Nguyên liệu dùng để đốt than

Nguyên liệu được sử dụng trong các cơ sở sản xuất bao gồm vỏ bào và bột gỗ, chất thải nông nghiệp (rơm rạ, vỏ hạt và vỏ trấu), cỏ, chất thải hữu cơ bao gồm cả phế phẩm từ

(Das và cs, 2008), chất thải từ nhà máy sữa, nước thải bùn (Shinogi và cs, 2002) và từ công nghệ sản xuất giấy

Tỷ lệ các nguyên tố cacbon, oxy và hydro trong nguyên liệu quyết định chất lượng của các sản phẩm nhiên liệu (Friedl và cs, 2005) Các nguyên liệu được sử dụng trong việc tạo dầu sinh học và nhiên liệu khí có lượng khoáng và N thấp Bao gồm gỗ và sinh khối cây trồng, loại cỏ cho năng suất cao, và một loạt các cây thân thảo khác Có nhiều nguyên liệu phong phú, có sẵn và chi phí thấp như phụ phẩm nông nghiệp (rơm, vỏ ngũ cốc) Tỷ lệ thành phần các Hemi - cellulose, cellulose và lignin quyết định tỷ lệ bay hơi cacbon (trong dầu sinh học và khí gas) và quyết định độ bền cacbon (trong than sinh học) trong các sản phẩm nhiệt phân Nguyên liệu có thành phần lignin cao cung cấp sản lượng than sinh học cao nhất khi nhiệt phân ở nhiệt độ trung bình (khoảng 500°C) (Fushimi và cs, 2003; Demirbas, 2006)

Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt: Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với

bà con nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long Chất đốt

từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: Sản lượng lúa năm 2007 cả nước đạt 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu 10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương đương 7,4 triệu tấn

Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít

Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu

rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Trấu gồm các nguyên tố cấu thành như: cacbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh Trong

đó 35,8 – 42,1% là C, 5% H, 2% N, 0,1% S, 33% O và 17 – 26% tro vn.com)

(www.ecoenergy-Trấu chứa khoảng 14 - 17% cacbon cố định, 54 - 70% chất bốc hơi và 17 – 26% tro, tro chứa khoảng 80 – 85% silica Bảng 2.3

Bảng 2.2 Phân tích nguyên tố của trấu (trích dẫn bởi Phan Hiếu Hiền, 1993)

Bảng 2.3 Phân tích thành phần của trấu (Phan Hiếu Hiền, 1993)

Bảng 2.4 Hiệu suất thu hồi than trấu (Trần Thanh Thảo, 2011)