Biomass plant in HCMUT

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM ------NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS TẠI XƯỞNG THÍ NG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM

- -NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS TẠI XƯỞNG THÍ NGHIỆM NHIÊN LIỆU SINH HỌC

THUỘC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

BÀI THU HOẠCH

TPHCM – THÁNG 06/2016

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM

- -NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS TẠI XƯỞNG THÍ NGHIỆM NHIÊN LIỆU SINH HỌC

THUỘC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

BÀI THU HOẠCH

Chuyên ngành: Qúa trình thiết bị và điều khiển

Lớp: 02 ĐH QTTB MSSV: 0250020074

TPHCM – THÁNG 06/2016

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1 Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học 2

Hình 2 Xưởng thí nghiệm biomass 3

Hình 3 Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ 4

Hình 4 Cơ chế quá trình nổ hơi 6

Hình 5 Rơm sau khi xử lý qua quá trình nổ hơi 6

Hình 6 Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời 7

Hình 7 Cửa nạp liệu tháp chưng cất 8

Hình 8 Bảng điều khiển thiết bị nổ hơi 9

Hình 9 Sơ đồ thiết bị nổ hơi 10

Hình 10 Bình thủy phân và lên men đồng thời 13

Hình 11 Tháp chưng cất thô 15

Hình 12 Tháp chưng cất tinh (bên trái) 17

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ 1

TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM 1

1 Lịch sử hình thành và phát triển 1

2 Các thiết bị chính trong xưởng 3

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 3

1 Nguyên liệu 4

a Rơm lúa 4

b Vi sinh lên men đường thành rượu 5

c Enzyme 5

d Hóa chất 5

2 Tiền xử lý 5

a Mục đích 5

b Cắt rơm 5

c Nổ hơi 5

3 Xử lý bằng NaOH 6

4 Lọc ép 7

5 Trung hòa 7

6 Thủy phân và lên men đồng thời 7

7 Chưng cất 8

THIẾT BỊ SỬ DỤNG 9

1 Thiết bị nổ hơi 9

a Cấu tạo 10

b Cơ chế hoạt động 10

c Công dụng của máy 11

d Nơi sản xuất 11

e Ưu điểm 11

f Nhược điểm 12

2 Bình thủy phân và lên men đồng thời 12

a Cấu tạo 12

b Nguyên lý hoạt động 12

3 Tháp chưng cất thô 14

a Chủng loại 14

b Nơi sản xuất 14

c Cấu tạo 14

d Nguyên lý hoạt động 15

e Các thông số kỹ thuật 15

f Ưu điểm 15

g Nhược điểm 15

4 Tháp chưng cất tinh 16

a Cấu tạo 16

b Các thông số 16

MỘT SỐ SỰ CỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH 17

VẤN ĐỀ XỬ LÝ PHẾ THẢI 18

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ

Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu Phần đông ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và công nghiệp Tổng cộng năng suất là 25 triệu Lit/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất

15000 – 30000 Lit/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 Lit/ngày

Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm rạ, trấu, bã mía,… Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn

bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay

TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM

1 Lịch sử hình thành và phát triển

Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo Dự án hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh học quy mô nhỏ tại khu vực Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu sinh học Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập

Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án, triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị

Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014 Từ năm 2009 tới cuối năm

2010 là gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt động

Hình 1 Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

2 Các thiết bị chính trong xưởng

1/ Máy nổ hơi rơm (công suất 350 kg/h)

2/ Bồn lên men (thể tích 800 L)

3/ Tháp chưng cất thô (tháp mâm xuyên lỗ, công suất 100 L/mẻ)

4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, công suất 100 L/mẻ)

5/ Máy lọc ép

6/ Lò hơi (thu nhiệt từ quá trình than hóa trấu)

Hình 2 Xưởng thí nghiệm biomass QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quy trình chính của phòng thí nghiệm là sản xuất ethanol từ rơm rạ Để đáp ứng tối đa mục đích của dự án là tận dụng phế thải nông nghiệp nên hệ thống pilot có ứng dụng đồng thời quy trình khí hóa trấu tạo syngas để cung cấp năng lượng cho việc sản xuất ethanol

1 Nguyên liệu

a Rơm lúa: (giống Trâu Năm Mới) được thu mua từ xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi, Tp.HCM) trong 2 tuần sau khi gặt và phơi dưới nắng Rơm được đựng trong các túi 25 kg và giữ ở nơi khô ráo

Rơm rạ

Cắt rơm

Nổ hơi

Xử lý bằng NaOH

Bã rắn Nước + HCl

Syngas

Oxy hóa

Nồi hơi

Than trấu

Hình 3 Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ

b Vi sinh lên men đường thành rượu: chủng S Cerevisiae là một sản phẩm của hãng Ethanol RedTM, Pháp

c Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật)

d Hóa chất: NaOH (pellet, 99.9 %), acid HCl (37 wt %), H2SO4 đậm đặc (72

wt %), cồn tuyệt đối (99+ %), L-lactic acid (99%), khí helium (99.999 %) là những sản phẩm được mua từ Công ty Hóa chất Công nghiệp Việt Nam Nước cất khử ion được mua từ khu Công nghệ cao (Thủ Đức)

Tóm gọn thì quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ gồ 3 bước: tiền xử lí, thủy phân và lên men, cuối cùng là chưng cất

2 Tiền xử lý

a Mục đích

 Tăng vùng vô định hình của cellulose

 Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

 Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose

Hình 4 Cơ chế quá trình nổ hơi

Phương pháp này có ưu điểm lớn là không thêmđưa hợp chất vào hệ, do đó, không gây khó khăn cho quá trình thủy phân bằng enzyme và lên men bằng vi sinh vật sau đó Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là thực hiện quá trình ở áp suất và nhiệt độ cao, gây tốn kém về năng lượng và chi phí đầu tư chế tạo thiết bị cao, kỹ thuật vận hành phức tạp, năng suất thấp do phải tiến hành nhiều công đoạn

Hình 5 Rơm sau khi xử lý qua quá trình nổ hơi

3 Xử lý bằng NaOH

Rơm sau khi được cắt và nổ hơi sẽ được ngâm trong dung dịch NaOH 0.1N trong vòng

24 giờ Mục đích quá trình này để NaOH thủy phân lignin bao bọc cenluloso, giúp cho việc tiếp cận cenluloso của em zim thuận lợi hơn

4 Lọc ép

Rơm sau khi ngâm qua đêm bằng dung dịch kiềm sẽ được mang đi lọc ép bằng máy ép pittong, nhằm loại bỏ dịch chứa lignin

5 Trung hòa

Rơm sau khi lọc ép sẽ được chỉnh pH tới 5-6 bằng acid HCl

6 Thủy phân và lên men đồng thời

Rơm qua giai đoạn tiền xử lí sẽ được cho vào thiết bị phản ứng SSF (bình phản ứng khuấy liên tục, có bọc vỏ áo) Thời gian thủy phân và lên men khoảng 5 ngày, cấp nhiệt bằng hơi nước để duy trì nhiệt độ bình phản ứng ở 350C đến 400C Lưu ý khi nhập liệu không nên nhập một lần mà nên chia ra.Trong bình phản ứng xảy ra đồng thời 2 quá trình thủy phân và lên men

Ưu điểm của phương pháp này là quá trình lên men và chuyển hóa glucose thành ethanol sẽ tạo điều kiện cho quá trình thủy phân xảy ra triệt để hơn Mặt khác, quá trình thủy phân cung cấp glucose cho nấm men giúp quá trình lên men diễn ra thuận lợi hơn

Hình 6 Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời

7 Chưng cất

Sản phẩm sau khi lên men được đưa qua lưu trữ ở bồn chứa và được đem đi chưng cất

để thu được ethanol tinh khiết Việc chưng cất được thông qua 2 tháp chưng cất: chưng cất thô (50 – 60%) và chưng cất tinh (97% )

Tháp chưng thô gồm có 8 bậc chưng cất, mỗi bậc chưng cất sẽ có một mâm chóp nằm dưới và mâm xuyên lỗ nằm trên, nhờ đó hiệu quả chưng cất tốt hơn Tháp chưng thô có nhiệm vụ chính là tách hệ lỏng – rắn, thu hồi triệt để lượng ethanol bị hấp thu vào pha rắn Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng thô khoảng 50 – 65 %

Tháp chưng cất tinh là tháp đệm Nhiệm vụ chính của tháp này là làm tăng nồng độ ethanol thu hồi Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng cất tinh là 97% Nếu khối lượng rơm khô nạp liệu vào bồn lên men 100kg thì sau quá trình chưng thô sẽ thu được trung bình khoảng 30kg ethanol 65%, và qua quá trình chưng cất tinh sẽ thu được khoảng gần 20kg ethanol 97%

Hình 7 Cửa nạp liệu tháp chưng cất

THIẾT BỊ SỬ DỤNG

1 Thiết bị nổ hơi

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa)

Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu

và nhiệt độ Nhiệt độ có liên quan đến áp suất hơi trong thiết bị phản ứng Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao, do đó càng làm gia tăng sự khác nhau giữa áp suất trong thiết bị phản ứng so với áp suất khí quyển Sự chênh lệch về áp suất tỷ lệ với lực cắt của ẩm hóa hơi.Thời gian càng dài càng thúc đẩy sự phân hủy cellulose và tạo thành các chất gây ức chế cho việc lên men

Hình 8 Bảng điều khiển thiết bị nổ hơi

Hình 9 Sơ đồ thiết bị nổ hơi

a Cấu tạo

1 Weight feeder : trục vít nhập liệu

2 Main screw: trục vít chính, cấp rơm rạ cho quá trình nổ hơi

3 Inclination CV: trục vít tháo liệu

5 Detector of blocking: đầu dò phân phối nguyên liệu, kiểm tra mức độ đồng đều

6 Detector of water pressure: đầu dò áp suất hơi nước

7 Water service control valve: thiết bị điều khiển áp suất hơi nước

9 Sequencer: bảng điều khiển

10 Input container: thùng nhập liệu rơm

11 Detector of material : đầu dò mức nhập liệu

12 Water supply: cung cấp nước

Vật liệu chế tạo: thép CT3

b Cơ chế hoạt động

Rơm rạ sau khi cắt nhỏ được đưa đến thiết bị puffing Rơm được cho vào thùng nạp liệu, được vận chuyển bằng vít tải đến bộ phận puffing Bộ phận puffing có cấu tạo là một trục vít với đường kính cánh vít giảm dần, nhờ vậy rơm sẽ được nén và chà xát với

Trong bộ phận này, nước được cho vào phối trộn với rơm rạ nhằm mục đích tránh cho rơm rạ bị cháy trong quá trình nén ép và chà xát

Mặc khác, do lực nén của trục vít làm áp suất tăng nhẹ và sự chà xát với thiết bị làm nhiệt độ rơm trong bộ phận này lên đến khoảng 150oC, nước lúc này ở trạng thái hơi Khi rơm được đẩy ra ngoài, áp suất giảm đột ngột, hơi nước có năng lượng cao nhanh chóng thoát ra khỏi khối rơm gây phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ Qúa trình này thực

hiện bởi thiết bị thay đổi áp suất tạo hơi nước.Áp suất thay đổi tạo ra quá trình nổ

hơi,biến thiên trong khoảng 40-50 atm Rơm sau khi qua bộ phận puffing sẽ được vận chuyển lên trên bằng một vít tải và rơi vào thùng chứa đặt bên dưới

Nhìn chung, qua thiết bị puffing, cấu trúc rơm trở nên xốp hơn nhờ 2 tác động: sự chà xát và nổ hơi nhẹ Cuối quá trình puffing, rơm trở nên mềm và tăng khả năng thấm nước Tốc độ puffing là 200 – 450 kg rơm/h, 15 – 17% nước.Độ ẩm rơm sau khi puffing là 37 % (w/w)

Mục đích của quá trình nổ hơi là tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ để quá trình thủy phân sau này diễn ra thuận lợi hơn.Năng suất, hiệu suất phụ thuộc vào quá trình tiến hành thí nghiệm

Nhập liệu: Detector of material

Tháo liệu: Inclination CV

c Công dụng của máy: phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ, tăng độ xốp của rơm,phá vỡ cấu trúc lignin trong bó mạch cellulose

d Nơi sản xuất: Nhật Bản

e Ưu điểm : Hệ thống trục vit nhập liệu giúp vận chuyển rơm dễ dàng đồng

bộ vào bộ phận nổ hơi Áp suất hơi nước được điều khiển tự động tạo áp suất thích hợp kích thích quá trình nổ hơi tạo sản phẩm tơi xốp

f Nhược điểm: Thiết bị to, cồng kềnh, tạo nhiều bụi, tiêu tốn nhiều năng lượng do sử dụng nhiều mô tơ cho quá trình tải nhập liệu và tháo liệu, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm vận hành trong quá trình điều khiển

2 Bình thủy phân và lên men đồng thời

a Cấu tạo

Là thiết bị hình trụ, vỏ áo được làm từ inox SUS304 Thân đặt trên 3 chân đỡ cao khoảng 1.2m, bên trong thiết bị có 1 tấm chắn và 1 cánh khuấy mái chèo 2 tầng gắn với động cơ quay cánh khuấy đặt trên nắp thiết bị Thân hình trụ đứng đường kính d=900mm, chiều cao h=1388.8mm, dung tích 800L Nắp thiết bị có 1 cửa nhập liệu và

1 kính quan sát, thân có gắn 1 kính quan sát và cửa tháo sản phẩm ở đáy thết bị Vỏ áo

có đường kính d=1010mm cánh khuấy có đường kính d=450mm Động cơ điện quay cánh khuấy có công suất 2.2KW, tốc độ quay 150 vòng/phút

b Nguyên lý hoạt động

Thiết bị hoạt động gián đoạn, nhập liệu nhiều lần Nguyên liệu sau khi được xử lý sơ

bộ được nhập và thiết bị bằng thủ công Cấp nhiệt bằng hơi nước vào vỏ áo 2 giai đoạn: giai đoạn đầu để tiệt trùng, giai đoạn sau duy trì nhiệt độ bình thích hợp cho phản ứng Sau khoảng thời gian thủy phân và lên men cần thiết, sản phẩm được bơm trực tiếp vào bể chứa

Hình 10 Bình thủy phân và lên men đồng thời

3 Tháp chưng cất thô

Là loại tháp chưng cất gián đoạn, dùng để cất sản phẩm lên men (hỗn hơp ethanol 5%

và cặn rơm) thành ethanol với nồng độ dao động từ 30 – 60 độ

a Chủng loại: là loại tháp mâm xuyên lỗ

b Nơi sản xuất: tại Tokyo, Nhật Bản

c Cấu tạo: thiết bị hoạt động gián đoạn gồm phần đế và tháp chưng cất

 Phần đế: dùng để nâng đỡ toàn bộ thiết bị, thuận tiện trong việc vận hành, vệ sinh, bảo dưỡng

 Phần tháp chưng: gồm nồi đun đáy tháp, các mâm xuyên lỗ, và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

 Toàn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt

 Phần nồi đun đáy tháp: Cấp nhiệt bằng hơi nước qua ống ruột gà Có 1 lỗ nhập liệu ở phía trên nồi đun (có đường kính 72.3mm), bên hông nồi đun là 2 cửa đối diện nhau (cửa lớn có đường kính 267.4mm, cửa nhỏ có đường kính 150mm) để

ta quan sát mực chất lỏng trong nồi và vệ sinh nồi Phía dưới đáy nồi có ống tháo sản phẩm đáy (đường kính 72.3mm) Ngoài ra còn có đồng hồ áp đo áp suất trong nồi, và đầu đo nhiệt độ của dung dịch

 Phần các mâm xuyên lỗ: tháp gồm 8 mâm Mỗi mâm đều có lỗ gắn kính để ta quan sát bên trong Mâm có 17 lổ, đường kính mỗi lỗ 25.4mm được bố trí theo kiểu tam giác đều Ống chảy tràn có đường kính là 38.1mm Chiều cao mỗi mâm là 250mm

 Thiết bị ngưng tự đỉnh tháp: hình ống trụ, có chiều dài 0.67m, truyền nhiệt ống lồng ống ngược chiều, nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên, hơi từ tháp chưng đi từ trên xuống Ngoài ra còn bố trí thêm thiết bị ngưng tụ phụ