Nghiên cứu kháo sát một số yếu tổ ảnh hưởng tới quá trìn nhiệt phân nhanh trấu để điều chế dầu sinh học trên thiết bị nhiệt phân quy mô phòng thí nghiệm

Trên thế giới, các nghiên cứu về nhiệt phân trấu để tạo nhiên liệu sinh học khá phổ biến, bao gồm các nghiên cứu cơ bản như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân như nhi

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH TRẤU ĐỂ ĐIỀU CHẾ DẦU SINH HỌC TRÊN THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN QUY MÔ

PHÒNG THÍ NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH TRẤU ĐỂ ĐIỀU CHẾ DẦU SINH HỌC TRÊN THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN QUY MÔ

PHÒNG THÍ NGHIỆM

Ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Lê Thị Hoài Nam

2 TS Nguyễn Anh Dũng

HÀ NỘI - 2014

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu

và kết quả được đưa ra trong luận án là trung thực, được các đồng giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Văn Hiếu

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC, NGUYÊN LIỆU TRẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TRẤU 5

1.1 Tổng quan về dầu sinh học và nhiên liệu sinh học 5

1.2 Tổng quan về nguyên liệu trấu Việt Nam 7

1.2.1 Tiềm năng trấu 7

1.2.2 Đặc trưng hóa lý của nguyên liệu trấu 10

1.3 Tổng quan về nhiệt phân trấu 11

1.3.1 Các giải pháp thu nhận năng lượng từ trấu 11

1.3.2 Công nghệ nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi 12

1.4 Nghiên cứu về quá trình nhiệt phân nhanh 15

1.4.1 Nghiên cứu về thiết bị nhiệt phân nhanh 15

1.4.2 Nghiên cứu về điều kiện của quá trình nhiệt phân nhanh 16

1.4.3 Nghiên cứu xử lý và sử dụng sản phẩm nhiệt phân trấu 17

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN TRẤU VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN TRẤU 21

2.1 Xây dựng hệ thiết bị nhiệt phân trấu 21

2.2 Vận hành thử nghiệm thiết bị - Khảo sát sơ bộ xác định chế độ hoạt động của hệ thiết bị tầng sôi quy mô phòng thí nghiệm 26

2.2.1 Chuẩn nhiệt đồ lò tầng sôi 26

2.2.2 Khảo sát sơ bộ các thông số của quá trình nhiệt phân 28

BỊ TẦNG SÔI 31

3.1 Mô tả thực nghiệm khảo sát các thông số của quá trình nhiệt phân 31

3.1.1 Chuẩn bị thí nghiệm nhiệt phân 35

3.1.2 Tiến hành chạy phản ứng 35

3.1.3 Phân tích, đánh giá sản phẩm 36

3.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ 37

3.2.1 Thực nghiệm 37

3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ lên hiệu suất thu sản phẩm 37

3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên thành phần sản phẩm 39

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc thổi khí 44

3.3.1 Thực nghiệm 44

3.3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng tới hiệu suất thu sản phẩm 45

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng tới thành phần sản phẩm 46

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khí mang 50

3.4.1 Thực nghiệm 50

3.4.2 Ảnh hưởng tới hiệu suất thu sản phẩm 50

3.4.3 Ảnh hưởng tới thành phần sản phẩm 51

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nạp liệu 53

3.5.1 Thực nghiệm 53

3.5.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng tới hiệu suất thu sản phẩm 53

3.5.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng tới thành phần sản phẩm 55

3.6 Quy trình nhiệt phân FP quy mô thí nghiệm và tính chất hóa lý sản phẩm BO 58

3.6.1 Quy trình nhiệt phân FP trên thiết bị tầng sôi quy mô thí nghiệm 58

3.6.2 Đặc trưng hóa lý cơ bản của BO trấu 59

KẾT LUẬN 62

KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Ký hiệu, chữ viết tắt Từ gốc tiếng Việt Từ gốc tiếng Anh

Bảng 1.1: Tương quan giá thành dầu sinh học so với giá thành các sản phẩm cuối 7

Bảng 1.2 Thống kê 20 địa phương có sản lượng thóc lớn nhất Việt Nam [1] 9

Bảng 1.3 Tổng hợp dữ liệu phân tích nguyên liệu trấu 10

Bảng 2.1 Chuẩn nhiệt độ lò (Calibration) 27

Bảng 3.1 Các thông số phản ứng nhiệt phân 37

Bảng 3.2 Số liệu sản phẩm nhiệt phân theo nhiệt độ phản ứng 37

Bảng 3.3 Hiệu suất thu phân đoạn sản phẩm BO sau nhiệt phân theo nhiệt độ 40

Bảng 3.4 Thành phần sản phẩm BO của phản ứng nhiệt phân trấu thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau 41

Bảng 3.5 Các thông số phản ứng nhiệt phân 45

Bảng 3.6 Sự thay đổi hiệu suất thu sản phẩm khi thay đổi tốc độ thổi khí 45

Bảng 3.7 Hiệu suất thu phân đoạn sản phẩm dầu trấu sau nhiệt phân theo tốc độ thổi khí 47

Bảng 3.8 Thành phần sản phẩm lỏng của phản ứng nhiệt phân trấu thực hiện ở các tốc độ thổi khí khác nhau 48

Bảng 3.9 Các thông số phản ứng nhiệt phân 50

Bảng 3.10 Thay đổi hiệu suất thu sản phẩm theo loại khí mang 50

Bảng 3.11 Thành phần sản phẩm bio-oil khi dùng khí mang Heli 52

Bảng 3.12 Thành phần sản phẩm lỏng khi dùng khí mang Nitơ 52

Bảng 3.13 Các thông số phản ứng nhiệt phân 53

Bảng 3.14 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng vận tốc nạp liệu 54

Bảng 3.15 Thành phần sản phẩm bio oil sau khi tách nước tại các vận tốc nạp liệu khác nhau 56

Bảng 3.16 Các đặc trưng cơ bản của BO trấu 61

Hình 1.1: Tương quan giá thành dầu mỏ thô và dầu sinh học thô sản xuất bằng

nhiệt phân [25] 7

Hình1.2 Thống kê tiềm năng lúa của Việt Nam năm 20010 [1] 8

Hình 1.3 Mẫu trấu: A – Trấu thô; B – Trấu xay thô; C – Trấu xay mịn; 11

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị tầng sôi nhiệt phân trấu [3] 15

Hình 1.6 Dầu trấu nhiệt phân nhanh 17

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiệt phân trấu được lựa chọn xây dựng 21

Hình 2.2 Lò phản ứng tầng sôi 22

Hình 2.3 Bảng điện điều khiển hệ thống nhiệt phân trấu 23

Hình 2.4 Thiết bị phản ứng tầng sôi 23

Hình 2.5 Bộ nạp liệu bằng vít tải 24

Hình 2.6 Bơm hút loại piston 24

Hình 2.7 Nhiệt kế, bộ đo lưu lượng khí mang và bộ bẫy dầu 25

Hình 2.8 Hệ nhiệt phân trấu tầng sôi 25

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chuẩn nhiệt độ lò và khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ; Vị trí đặt đồng hồ đo nhiệt T#1 (đáy lò; 0cm) 26

Hình 2.10 Dữ liệu chuẩn nhiệt độ theo chiều cao lò (T-Profile) 27

Hình 2.11 Chuẩn nhiệt độ lò tại vùng sôi (5-10cm) 28

Hình 2.12 Sản phẩm hơi nhiệt phân trước khi nhưng tụ ở T=500oC 29

Hình 2.13 Mẫu trấu với các kích thước khác nhau 29

Hình 1.4 Dữ liệu DTA-TGA-DTG mẫu bột trấu 33

Hình 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng lên tỷ phần các dạng sản phẩm 38

Hình 3.2 Thành phần chính sản phẩm khí theo nhiệt độ 39

Hình 3.3 Đồ thị hiệu suất thu phân đoạn sản phẩm dầu trấu sau nhiệt phân phụ thuộc nhiệt độ 40

Hình 3.4 Sản phẩm tro BC nhận được từ nhiệt phân trấu ở T=450oC 43

Hình 3.5 Ảnh SEM sản phẩm BC nhiệt phân trấu ở T=450oC 44

Hình 3.7 Thành phần chính sản phẩm khí theo nhiệt độ 46

thuộc tốc độ thổi khí 47 Hình 3.9 Hiệu suất sản phẩm nhiệt phân trấu phụ thuộc thành phần khí mang 50 Hình 3.10 Thành phần sản phẩm khí của phản ứng nhiệt phân trấu sử dụng các loại khí mang khác nhau (Nitơ và Heli) 51 Hình 3.11 Hiệu suất thu sản phẩm nhiệt phân trấu phụ thuộc tốc độ nạp liệu 54 Hình 3.12 Thành phần chính sản phẩm khí theo vận tốc nạp liệu 55 Hình 3.1 Sản phẩm dầu sinh học từ nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi quy mô thí nghiệm 60 Hình 3.14 Dữ liệu thực nghiệm GCMS phân tích dầu sinh học từ nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi quy mô thí nghiệm 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đối với nước có ngành nông nghiệp chiếm tỷ lệ cao như Việt Nam thì

vỏ trấu là một loại phế thải nông nghiệp có trữ lượng rất lớn Năm 2010, Việt Nam sản xuất được 37,6 triệu tấn lúa, ước tính lượng trấu thải ra là 7,5 triệu tấn nhưng mới chỉ có khoảng 3 triệu tấn được sử dụng còn lại khoảng 4,5 triệu tấn chưa được sử dụng hoặc được thải trực tiếp ra môi trường Mặc dù trấu đã được dùng cho nhiều mục đích như làm vật liệu cách nhiệt, củi trấu, phân bón, chất hấp phụ kim loại nặng…, nhưng lượng trấu không được sử dụng vẫn rất lớn, khi không có giải pháp xử lý thích hợp sẽ gây ra những tác động xấu về mặt môi trường Để tận dụng lượng trấu phế thải, đã có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để có thể đưa nguồn trấu vào sử dụng trong đó việc sử dụng trấu để sản xuất nhiên liệu sinh học đang được chú ý hơn cả bởi tiềm năng là rất lớn

Lợi ích trước tiên của chuyển hóa sinh khối nói chung, chuyển hóa trấu nói riêng, thành các dạng nhiên liệu sinh học là để chuyển từ dạng nhiên liệu

có mật độ năng lượng thấp, khó vận chuyển, khó lưu giữ sang dạng nhiên liệu

có mật độ năng lượng cao hơn Mật độ năng lượng tăng lên 14 lần khi chuyển hóa trấu (khoảng 1,5GJ/m3) thành dầu sinh học (22GJ/m3) Một xe tải đầy trấu có thể chuyển hóa thành một thùng dầu trấu, dễ dạng vận chuyển hay lưu giữ Các lợi ích quan trọng khác của chuyển hóa trấu thành dầu là góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do thải trấu ra sông hồ đồng thời góp phần giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch

Trên thế giới, các nghiên cứu về nhiệt phân trấu để tạo nhiên liệu sinh học khá phổ biến, bao gồm các nghiên cứu cơ bản như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân như nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ gia nhiệt, tốc độ dòng khí thổi, tốc độ cấp liệu, chiều sâu lớp đệm, hay kích thước nguyên liệu để đưa ra được các điều kiện công nghệ tối ưu nhất cho quá trình

nhiệt phân, mục tiêu là để đạt được hiệu suất thu hồi dầu cao nhất và có chất lượng tốt nhất Dù vậy, từ các kết quả nghiên cứu mang tính cơ bản đến quy trình, thiết bị công nghệ cụ thể vẫn cần nhiều nghiên cứu, thử nghiệm, nhất là

để phù hợp tốt với điều kiện thực tế mọi mặt của Việt Nam

Xuất phát từ những luận chứng trên, trong luận văn này tôi đã thực hiện

đề tài: “Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân

nhanh trấu để điều chế dầu sinh học trên thiết bị nhiệt phân quy mô phòng thí nghiệm”

2 Mục đích của đề tài

Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố tới hiệu suất và chất lượng của sản phẩm dầu sinh học thu được từ quá trình nhiệt phân nhanh trấu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phế thải nông nghiệp vỏ trấu của Việt Nam: vỏ trấu từ xã Hương Canh, Bình Xuyên, Vĩnh Phúc

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nhiệt phân nhanh trấu trên thiết bị nhiệt phân quy mô phòng thí

nghiệm

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Thu thập tài liệu, cập nhật thông tin để viết tổng quan và

chuẩn bị cho công tác nghiên cứu

Nội dung 2: Nghiên cứu khảo sát các thông số công nghệ cho quá trình

nhiệt phân trấu trên thiết bị bị phản ứng tầng sôi: Nhiệt độ nhiệt phân, loại khí mang, tốc độ nạp liệu, tốc độ thổi khí mang

Nội dung 3: Phân tích, đặc trưng sản phẩm dầu sinh học từ quá trình

nhiệt phân trấu trên thiết bị phản ứng tầng sôi

Nội dung 4: Tập hợp số liệu, viết báo cáo luận văn và bảo vệ tại hội đồng

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích nguyên tố nhằm xác định thành phần hóa học của nguyên liệu vỏ trấu

- Phương pháp phân tích nhiệt DSC và TGA nhằm thu được các thông tin liên quan tới các đặc trưng và hành vi nhiệt của các mẫu bột trấu khi nhiệt phân

- Phương pháp SIMDIST cho biết tỷ lệ các phân đoạn của sản phẩm lỏng thu được theo nhiệt độ sôi

- Phương pháp sắc ký khí khối phổ GC-MS để xác định thành phần sản phẩm nhiệt phân trấu

- Phương pháp hiển vi điện tử quét để xác định hình dạng ngoài của sản phẩm rắn của quá trình nhiệt phân trấu

- Phương pháp đo một số tính chất hóa lý cơ bản như: pH, tỷ trọng, độ nhớt, hàm lượng nước…

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Tận dụng nguồn phế thải nông nghiệp gây ô nhiễm môi trường để tạo thành dầu sinh học, làm tiền đề để sản xuất nhiên liệu sinh học

7 Cấu trúc luận văn

Nội dung đề tài luận văn “Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng

tới quá trình nhiệt phân nhanh trấu để điều chế dầu sinh học trên thiết bị nhiệt phân quy mô phòng thí nghiệm” được trình bày trong 68 trang bao gồm

mở đầu 3 trang, chương 1 - Tổng quan về năng lượng sinh học, nguyên liệu trấu và phương pháp nhiệt phân trấu 23 trang, chương 2- Xây dựng hệ thiết bị nhiệt phân trấu và thử nghiệm trên thiết bị nhiệt phân trấu 10 trang, chương 3- Xác định quy trình nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi 30 trang, kết luận và kiến nghị 1 trang

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Lê Thị Hoài Nam,

TS Nguyễn Anh Dũng đã hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện

luận văn này Trong quá trình thực hiện đồ án thầy, cô đã định hướng, góp ý và sửa chữa để giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin gửi tới Quý Thầy, Cô trong bộ môn Lọc – Hóa dầu lời cám ơn sâu sắc nhất, cám ơn Thầy, Cô đã tận tình dạy dỗ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị tại phòng Phòng Hóa học Xanh -Viện Hoá học-Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Và tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, và bạn bè đã khích lệ động viên trong thời gian thực hiện luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC, NGUYÊN LIỆU TRẤU

VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TRẤU 1.1 Tổng quan về dầu sinh học và nhiên liệu sinh học

Ngày nay, bài toán năng lượng và môi trường đã trở thành bài toán quy

mô toàn cầu Giới hạn cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thách (dầu khí và than đá) là không xa và những hệ lụy nặng nề đối với môi trường từ việc sử dụng các dạng năng lượng truyền thống đã buộc con người phải nghĩ đến các giải pháp năng lượng khác, chủ yếu là các dạng năng lượng tái sinh Năng lượng sinh học hay còn gọi là năng lượng xanh, là năng lượng có nguồn gốc sinh khối, là một trong những dạng năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều

Tùy thuộc nguồn sinh khối và công nghệ thu dầu sinh học mà có thể nhận được những dạng NLSH Có thể phân loại dựa trên tính năng và các đặc trưng hóa lý, thành các dạng chính như sau [20, 21]:

- Diesel sinh học (BioDiesel) viết tắt là BD, có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol

- Cồn sinh học (BioAlcohol): khá phong phú, chủ yếu gồm bioethanol, biobutanol, biomethanol, trong đó được quan tâm nhiều là Ethanol sinh học (bioethanol) viết tắt là BE BE được sử dụng như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì BE được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose BE được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

- Nhiên liệu sinh học rắn (solid biofuel), trong đó nổi bật là các dạng nén (mùn cưa nén, trấu nén, ….) Dạng nhiên liệu này đơn giản là sinh khối nén, nhằm tăng mật độ năng lượng, thuận tiện cho chuyên chở, lưu giữ

- Khí sinh học (biogas) là khí hữu cơ gồm Methane và các đồng đẳng khác Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp chứa nhiều cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas

có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu

mỏ

Việc định hướng quá trình công nghệ nhằm thu được sản phẩm cuối NLSH ở dạng nào sau khi qua sản phẩm trung gian dầu sinh học là tùy thuộc yêu cầu kinh tế, khả năng về nguồn sinh khối cũng như trình độ công nghệ, khả năng kinh tế và nhiều yếu tố khác

Giá thành dầu sinh học phụ thuộc nguồn sinh khối (rơm, rạ, mìn cưa, trấu, lõi ngô, …), giá thành sinh khối, điện, nước, công nghệ, quy mô công nghệ và nhiều thông số kỹ thuật và thương mại khác, trong đó có nhiều thông

số phụ thuộc thời gian Thực tế, chỉ có các số liệu giá thành dầu sinh học dựa trên tính toán lý thuyết cũng như dữ liệu thực tế về giá thành sản xuất dầu sinh học đối với các hệ thiết bị công suất vừa và lớn, không có số liệu về giá thành sản phẩm đối với các hệ thiết bị quy mô thí nghiệm Điều này cũng dễ hiểu, vì theo kết quả tính toán cho quy trình nhiệt phân nhanh sinh khối trên thiết bị quy mô công nghiệp [22], giá thành của dầu sinh học so với giá thành tổng thể tính tới sản phẩm NLSH và hydro, tương ứng là: 30/42 và 30/70 Như vậy, phần lớn chi phí là thuộc về phần công nghệ biến đổi, chế biến từ dầu sinh học đến sản phẩm cuối cùng, chiếm khoảng 60 – 70% tổng giá thành, tùy theo sản phẩm cuối và quy mô thiết bị

Bảng 1.1: Tương quan giá thành dầu sinh học so với giá thành các sản phẩm

cuối [2]

Dù không có nhiều dữ liệu về giá thành dầu thô sinh học, nhưng nhận xét chung về giá thành dầu thô sinh học khi so sánh với các dạng dầu thô khác, điển hình nhất là dầu mỏ thô, là dạng dầu thô thông dụng và được xem

là tương đối rẻ thì giá dầu sinh học thu được bằng con đường nhiệt phân vẫn

rẻ hơn khoảng 20-30% [24]

Hình 1.1: Tương quan giá thành dầu mỏ thô và dầu sinh học thô sản xuất

bằng nhiệt phân [25]

1.2 Tổng quan về nguyên liệu trấu Việt Nam

1.2.1 Tiềm năng trấu

Từ xưa đến nay, nông nghiệp là một lợi thế to lớn của nước ta, với trên

9 triệu h.a đất nông nghiệp, trong đó có hai vùng đồng bằng phì nhiêu đó là

vùng đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng Việc tự do hóa sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa gạo, đã giúp Việt Nam là nước thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo Trên Hình 1.2 là phân bố sản lượng lúa theo vùng miền của Việt Nam Dễ dàng nhận thấy, đồng bằng sông Cửu Long

và đồng bằng sông Hồng vẫn được xem là “vựa lúa” của cả nước, chiếm tỷ phần cao nhất

Hình1.2 Thống kê tiềm năng lúa của Việt Nam năm 20010 [1]

Trong 64 tỉnh thành của Việt Nam, 20 tỉnh sản xuất thóc nhiều nhất Việt Nam được đưa ra trong bảng 1.1 Tổng sản lượng thóc của 20 tỉnh là khoảng 25,4 triệu tấn năm 2010, ước tính khoảng 70,9% sản lượng thóc của

cả nước

Trấu là vỏ ngoài của hạt, thóc và được xem là một trong các sản phẩm phụ của thóc lúa, có thể tận thu cho các mục đích phi lương thực hoặc coi như phế thải, bỏ đi Bức tranh về trữ lượng trấu cũng tương tự như của lúa gạo, nhưng với khối lượng bằng khoảng 20-25% so với thóc Số liệu trên Bảng 1.1 cũng cho thấy các địa phương có sản lượng thóc lớn chủ yếu tập trung ở vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long

Bảng 1.2 Thống kê 20 địa phương có sản lượng thóc lớn nhất Việt Nam [1]

2010 (triệu tấn)

12 Hà Tây (bây giờ

Bên cạnh mức tăng trưởng xuất khẩu gạo là vấn đề về các bãi chứa, đầu

ra cho các phế phẩm nông nghiệp đặc biệt là lượng vỏ trấu tương đối lớn được thải ra Năm 2010, Việt Nam sản xuất được 37,6 triệu tấn lúa Ước tính lượng trấu thải ra là 7,5 triệu tấn nhưng mới chỉ có khoảng 3 triệu tấn được sử dụng còn lại khoảng 4,5 triệu tấn chưa được sử dụng hoặc được thải trực tiếp ra môi

trường [2] Đây chính là một trong những nguồn thải gây ô nhiễm môi trường đang được công chúng và các nhà quản lý môi trường quan tâm tìm cách xử lý

1.2.2 Đặc trưng hóa lý của nguyên liệu trấu

Để xây dựng phương án xử lý, tận thu trấu, nhất là cho các ứng dụng năng lượng, cần khảo sát, đánh giá và nắm rõ các đặc trưng hóa lý quan trọng sau đây của nguồn nguyên liệu trấu, làm cơ sở để xây dựng, tính toán giải pháp và quy trình tận thu trấu, sản xuất nhiên liệu:

 Thành phần hóa học của nguyên liệu trấu;

 Một số đặc trưng hóa lý cơ bản khác của nguyên liệu trấu

Phân tích một số dữ liệu phân tích trấu từ các nguồn công bố khác nhau nêu trong Bảng 1.2 cho thấy:

 Dữ liệu phân tích thành phần hóa học của trấu nói chung phụ thuộc không nhiều vào nguồn gốc giống lúa, điều kiện địa lý và mùa vụ

 Dữ liệu phân tích trấu phụ thuộc một cách khách quan vào cách thu nhận

và xử lý mẫu trấu cũng như phương pháp và công cụ phân tích được áp dụng

Bảng 1.3 Tổng hợp dữ liệu phân tích nguyên liệu trấu

Moisture (ẩm) - % 9,45 7,7 9,3

Volatile (chất cháy) - % 70,6 64,3 78,8 66,4 63,0 Ash (Tro) - % 17,09 18,8 11,9 20,0 12,4

Việc phân tích thành phần hóa học nguyên liệu trấu Việt Nam được tiến hành trên 5 mẫu vỏ trấu, ký hiệu A-B-C-D-E, lấy từ 2 xưởng xay xát lúa gạo gia đình, quy mô 1 tấn/ngày tại xã Hương Canh, huyện Bình Xuyên, Vĩnh Phúc (40km về phía tây bắc Hà Nội), ký hiệu tương ứng là mẫu A và B

Đặc điểm chung của các mẫu trấu phân tích (Hình 1.2):

 Trấu thóc tẻ, mới thu hoạch (vụ lúa chiêm 2012),

 Vỏ trấu thô mới tách từ thóc

 Vỏ trấu được xay tiếp thành dạng bột trấu mịn, kích thước trung bình 0,0020,005mm

Hình 1.3 Mẫu trấu: A – Trấu thô; B – Trấu xay thô; C – Trấu xay mịn;

1.3 Tổng quan về nhiệt phân trấu

1.3.1 Các giải pháp thu nhận năng lượng từ trấu

Lợi ích trước tiên của chuyển hóa sinh khối nói chung, chuyển hóa trấu nói riêng, thành các dạng nhiên liệu sinh học mới là để chuyển từ dạng nhiên liệu có mật độ năng lượng thấp, khó vận chuyển, khó lưu giữ sang dạng nhiên liệu có mật độ năng lượng cao hơn Mật độ năng lượng tăng lên 14 lần khi chuyển hóa trấu (khoảng 1,5GJ/m3) thành dầu sinh học (22GJ/m3) Các lợi ích quan trọng khác của chuyển hóa trấu thành dầu là góp phần giải quyết vấn đề

ô nhiễm môi trường do thải trấu ra sông hồ đồng thời góp phần giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch

So với các sinh khối phế thải khác, việc tổ chức sản xuất nhiên liệu từ sinh khối trấu có một thuận tiện là nguồn nguyên liệu trấu lớn thường được tập trung sẵn tại các xưởng hay nhà máy xay, không phân tán, phải mất công thu gom như rơm rạ rải rác trên cánh đồng Khả năng sử dụng các sản phẩm tro trấu xốp và giàu silic cho nhiều mục đích khác nhau cũng là một ưu điểm

Có nhiều giải pháp công nghệ để chuyển hóa trấu thành dầu trấu, trong đó nhiệt phân và thủy phân là hai phương pháp được xem là truyền thống Phần tiếp đây sẽ chỉ giới hạn phân tích về phương pháp nhiệt phân

Có 4 phương pháp thường được áp dụng để nhiệt phân trấu:

- Nhiệt phân chậm (slow pyrolysis)

- Nhiệt phân cháy nhanh (flash pyrolysis);

- Đốt hóa khí (Gasifire)

- Nhiệt phân nhanh (fast pyrolysis)

Mỗi phương pháp có những ưu, nhược điểm nhất định và thích hợp cho một bài toán kỹ thuật - kinh tế nhất định Một trong những sự khác biệt rõ rệt

và quan trọng nhất của 4 công nghệ nhiệt phân nêu trên chính là tỷ lệ các dạng sản phẩm rắn/lỏng/khí thu được Trong khi nhiệt phân chậm thu được cả

3 dạng với tỷ phần khối lượng gần tương đương nhau, thì nhiệt phân flash chủ yếu thu được than (60%), nhiệt phân đốt hóa khí chủ yếu thu được khí, còn nhiệt phân nhanh lại chủ yếu thu được sản phẩm dạng lỏng Vì vậy, tùy theo mục đích mà người ta lựa chọn giải pháp nhiệt phân thích hợp

1.3.2 Công nghệ nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi

Khi mục đích chính của quá trình nhiệt phân là nhằm thu sản phẩm lỏng (dầu trấu) thì công nghệ thích hợp nhất chính là nhiệt phân nhanh, cho phép thu được 50 - 70% sản phẩm ở dạng lỏng

Các đặc điểm quan trọng của công nghệ và thiết bị nhiệt phân nhanh là:

- Nhiệt phân nhanh thường được thực hiện trên thiết bị tầng sôi (boilling fluidised bed) Khác với lò tầng sôi tĩnh (fixed fluidised bed), lò tầng sôi cho nhiệt phân nhanh hoạt động theo nguyên tắc liên tục, không theo mẻ

- Phản ứng nhiệt phân xảy ra với sự trợ giúp của tác nhân tải nhiệt là dòng khí trơ (nitơ) và tác nhân truyền nhiệt là các hạt rắn trơ (cát) để đảm bảo phản ứng nhiệt phân xảy ra rất nhanh (cỡ giây), thời gian lưu của trấu và sản phẩm nhiệt phân trong buồng phản ứng rất ngắn (cỡ giây)

- Sau phản ứng, sản phẩm hơi nhiên liệu được tách nhanh khỏi tro trấu

và được ngưng lạnh, tách tiếp thành dầu trấu và phần khí không ngưng tụ Sản phẩm của quá trình nhiệt phân gồm cả 3 dạng rắn, lỏng và khí

- Hiệu suất năng lượng của nhiệt phân nhanh cao

So với quá trình nhiệt phân sử dụng thiết bị tầng cố định, quá trình nhiệt phân trấu trên thiết bị tầng sôi có các ưu điểm như:

- Hiệu quả quá trình nhiệt phân cao hơn do có tốc độ phản ứng cao và quá trình trao đổi nhiệt vào lớp đệm sôi hiệu quả

- Có thể điều khiển được chất lượng và đặc tính của các sản phẩm thu được như hàm lượng hơi nước trong dầu, lượng than

- Các chất cặn bã có thể dễ dàng xử lý: lượng tro thu được thấp và khô

- Các chất phát thải gây ô nhiễm thấp

- Than thu được có thể sử dụng như một dạng vật liệu giàu Silic, hoặc sử dụng lại làm nhiên liệu

- Có khả năng tái thu hồi năng lượng để tăng hiệu suất

- Cơ chế vận hành dễ dàng, chi phí vận hành thấp

Thiết kế điển hình của thiết bị tầng sôi cho mục đích nhiệt phân trấu hoặc các dạng sinh khối khác được cho trên hình 4, bao gồm các khối chức năng chính như sau:

- Khối xử lý trấu và nạp trấu vào lò nhiệt phân: Tùy theo quy mô và nguồn trấu mà phần xử lý trấu có thể gồm phần nghiền trấu, sấy trấu và 1-2 van điều khiển vận tốc cấp trấu

- Phần cấp nhiệt: Nguồn nhiệt cung cấp cho lò đốt thường là điện năng dưới dạng đốt điện hay vi sóng, nhưng cũng có thể là các dạng nhiệt năng khác như đốt khí gas hay đốt sinh khối Tác nhân tải nhiệt là khí trơ, thường

là nitơ Các thông số chính của quá trình nhiệt phân như nhiệt độ và vận tốc phản ứng được điều khiển bẳng cách thay đổi công suất đốt, vận tốc và dung lượng dòng khí tải nhiệt cũng như vận tốc cấp liệu

- Lò phản ứng: Thường được thiết kế dạng trụ, đứng Kích thước được tính toán sao cho đạt được nhiệt độ đồng đều cao trong lò và nhiều yêu cầu khắt khe khác của phản ứng nhiệt phân nhanh

- Phần tách sản phẩm rắn: Thường sử dụng 1-2 cyclone, nhằm tách tro trấu ra khỏi dòng khí nhiên liệu

- Phần ngưng tụ dầu trấu và thu hồi nhiên liệu khí Tùy theo quy mô và mục đích mà quá trình ngưng tụ có thể thực hiện với tác nhân lạnh là nước hay các tác nhân lạnh sâu khác, có thể gồm một hay nhiều tầng ngưng tụ nối tiếp nhau

- Các thiết bị quan trắc và tự động hóa được thiết kế tùy theo mục đích là nghiên cứu, thử nghiệm, bán sản xuất hay sản xuất và tùy theo quy mô thiết

bị, quy mô đầu tư

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị tầng sôi nhiệt phân trấu [3]

1.4 Nghiên cứu về quá trình nhiệt phân nhanh

1.4.1 Nghiên cứu về thiết bị nhiệt phân nhanh

Nhiệt phân trấu đã được thử nghiệm trên thiết bị tầng sôi theo nhiều hướng cải tiến khác nhau, trên các quy mô khác nhau Một số nghiên cứu về thiết bị nhiệt phân được thực hiện theo các tính toán chặt chẽ, thường sử dụng các phần mềm mô phỏng hóa công, cho ra các thông số thiết kế và hóa công chi tiết [9] Bên cạnh đó, rất nhiều nghiên cứu cải tiến, tối ưu thiết bị được thực hiện bẳng cách cải tiến những khâu hay chi tiết nhất định của thiết kế lò tầng sôi cơ bản trên hình 2.2 Hai hướng cải tiến thường được quan tâm nhiều

là thiết kế thiết bị tầng sôi động (moved fluidised bed) hay còn gọi là tầng sôi quay vòng (circulating fluidized bed – CFB) [10] và các thiết kế rất phong phú theo hướng tận thu nhiệt của sản phẩm [11, 12]

Việc tính toán và lựa chọn thiết bị nhiệt phân cũng phụ thuộc nhiều vào quy mô thiết bị Nói chung các thí nghiệm nghiên cứu có quy mô nhỏ nhằm

mục đích nghiên cứu thường có thiết kế sao cho có thể dễ dàng thay đổi và quan trắc các thông số công nghệ quan trọng, như nhiệt độ các khâu công nghệ, tốc độ dòng khí, áp suất, Tổng quan tương đối đầy đủ và cập nhật về công nghệ và thiết bị nhiệt phân nhanh tầng sôi, từ quy mô nhỏ tới quy mô công nghiệp có trong các tài liệu [11-13]

1.4.2 Nghiên cứu về điều kiện của quá trình nhiệt phân nhanh

Sau khi lựa chọn giải pháp thiết bị, tiến hành tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị nhiệt phân, công việc tiếp theo là khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ tới hiệu suất nhiệt phân và chất lượng nhiên liệu trấu nhiệt phân Các yếu tố công nghệ thường được khảo sát để chọn chế độ công nghệ phù hợp theo mục đích cụ thể là:

- Kích thước, độ ẩm và vận tốc cấp nguyên liệu trấu;

- Chế độ và phương thức cấp nhiệt (khí mang nhiệt, vận tốc và lưu lượng khí mang, kích thước hạt cát đóng vai trò tác nhân trao đổi nhiệt);

- Nhiệt độ và vận tốc phản ứng nhiệt phân;

- Chế độ và cách thức tách và thu hồi sản phẩm

Các nghiên cứu về nguyên liệu trấu cho thấy: Để đảm bảo vận tốc trao đổi theo nguyên lý nhiệt phân nhanh thì nguyên liệu trấu càng mịn càng tốt

Dù vậy, cân bằng giữa giá thành nghiền thô/nghiền mịn với yêu cầu kỹ thuật

về độ mịn của trấu cho thấy kích cỡ hạt trấu cỡ 2mm là thích hợp Độ ẩm của trấu cũng tuân theo quy tắc tương tự: độ ẩm càng thấp càng tốt, nhưng tính tới giá thành sấy thì độ ẩm 5-10% là chấp nhận được [13]

Không có nhiều các nghiên cứu về tác nhân khí trơ tải nhiệt, nhưng có khá nhiều kết quả nghiên cứu công phu về về tác nhân rắn truyền nhiệt Các kết quả đều chỉ ra cát là sự lựa chọn tác nhân truyền nhiệt thích hợp cho công nghệ nhiệt phân nhanh Kích thước hạt cát được chỉ ra là thông số kỹ thuật quan trọng quyết định vận tốc phản ứng và do đó quyết định không những

hiệu suất nhiệt phân mà còn ảnh hưởng đến tỷ lệ các loại sản phẩm và thành phần hóa học của sản phẩm, nhất là sản phẩm rắn [14]

Quan trọng nhất đối với công nghệ nhiệt phân nhanh trấu là nhiệt độ, thời gian phản ứng và vận tốc trao đổi nhiệt Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra vùng giá trị cho 3 đại lượng trên tương ứng nằm trong khoảng 500-550oC; 0.5-2s và 1.000-10.000oC/s Thiết bị lớn thì nhiệt độ thấp hơn, thời gian phản ứng dài hơn Nhiệt độ phản ứng càng cao, càng tăng sản phẩm khí Ngược lại, nhiệt độ nhiệt phân thấp lại tăng sản phẩm tro trấu Vùng nhiệt độ cho sản phẩm dầu trấu cao nhất là vùng 450-480oC [8,10]

1.4.3 Nghiên cứu xử lý và sử dụng sản phẩm nhiệt phân trấu

Sản phẩm dầu trấu nhiệt phân nhanh có màu đen sẫm (hình 7), thường gồm rất nhiều loại hydrocacbon và nước Không chỉ tỷ lệ các thành phần sản phẩm nhiệt phân rắn/lỏng/khí mà ngay cả thành phần hóa học cũng như nhiệt trị của dầu trấu cũng phụ thuộc điều kiện công nghệ Trung bình, sản phẩm dầu trấu nhiệt phân nhanh gồm 20-22% nước, nhiệt trị đạt 17MJ/kg (ướt) hay 22MJ/kg (khô), bằng cỡ 50% nhiệt trị của nhiên liệu dầu mỏ

Hình 1.6 Dầu trấu nhiệt phân nhanh

Các đặc điểm quan trọng của dầu trấu nói riêng, dầu sinh khối nói chung là không tự cháy, cần phải có đốt mồi, có độ axit cao (pH=2), có xu hướng tạo gel, nhất là khi trời lạnh Các đặc điểm hóa lý nêu trên đã hạn chế các ứng dụng của dầu trấu Do vậy, dầu không qua xử lý hoặc xử lý sơ bộ chỉ

có thể dùng cho các ứng dụng công nghiệp (lò đốt công nghiệp), còn để sử dụng làm nhiên liệu động cơ hay nhiều ứng dụng khác thì phải qua nhiều khấu xử lý, trong đó quan trọng nhất là cải thiện độ axit và hạn chế hiện tượng tạo gel và thay đổi độ nhớt theo thời gian

Để cải thiện tính chất của sản phẩm dầu trấu, các nghiên cứu đã và đang tập trung theo cả 2 hướng: Tác động ngay từ khâu nhiệt phân, thường là bằng các giải pháp xúc tác như đã nêu ở phần trên và xử lý sản phẩm dầu nhiệt phân Công nghệ chế biến dầu sinh học hay còn gọi là công nghệ lọc sinh học còn rất non trẻ so với công nghệ lọc hóa dầu Người ta cũng phải tính đến hiệu suất kinh tế của quá trình lọc sinh học khi quyết định mức độ xử lý

Có thể chỉ xử lý sơ bộ để được dầu cho các ứng dụng không đòi hỏi cao mang lại hiệu suất kinh tế cao hơn so với xử lý phức tạp để sử dụng cho các mục đích đòi hỏi khắt khe hơn

Theo tính toán sơ bộ và từ các kết quả triển khai thử nghiệm, giá thành sản xuất trung bình của dầu trấu là 26USD/thùng với quy mô 550tấn/ngày [10, 15] Giá thành sẽ cao hơn đối với các quy mô nhỏ hơn Với giá thành sản xuất nêu trên, việc dùng dầu trấu thay thế than trong các nhà máy nhiệt điện vẫn còn xa mới đáp ứng được yêu cầu kinh tế Nếu tính tới cả các hạn chế về đặc trưng hóa lý nêu ở phần trên thì hiện tại triển vọng nhất đối với dầu trấu vẫn là dùng thay thế cho dầu mỏ trong các lò đốt công nghiệp Các nghiên cứu hiện tại vẫn theo cả 2 hướng: giảm giá thành và cải thiện đặc trưng hóa lý của nhiên liệu Đã có nhiều đánh giá khác nhau về hiệu quả năng lượng và hiệu quả kinh tế của công nghệ nhiệt phân trấu

Khảo sát và đánh giá cân bằng năng lượng của quá trình nhiệt phân nhanh trấu trên hệ thiết bị quy mô … cho thấy: Năng lượng nguyên liệu trấu đầu vào là khoảng 97.8MJ/h; năng lượng đốt 43.2MJ/h; năng lượng cho phần cấp liệu: 3.6MJ/h, cho phần bơm chất lỏng: 3.6MJ/h trong khi năng lượng thu được gồm sản phẩm lỏng: 71.41MJ/h; sản phẩm khí: 8.68MJ/h; sản phẩm rắn: 46.98MJ/h; Như vậy hiệu suất năng lượng tính riêng phần lỏng là: 48.18%; Khi tính tới khả năng tận thu cả 3 dạng sản phẩm thì hiệu suất năng lượng đạt: 87.77% [16]

Nhóm tác giả thuộc phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Mỹ đã phân tích, đánh giá và tổng hợp vấn đề hiệu suất kinh tế [10] Không chỉ công nghệ

và quy mô được lựa chọn mà còn rất nhiều yếu tố khác, như giá thành nguyên liệu, điện, công lao động, khả năng tận dụng các dạng sản phẩm phụ, … ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm Do vậy, rất khó để có được một đánh giá chính xác về hiệu suất kinh tế của công nghệ nhiệt phân trấu nói chung

Tác giả [17] đã đánh giá hiệu suất kinh tế của 2 quy mô 100 kg/hr và 1.000 kg/hr Với giá trấu $20/tấn, hoạt động 3.120 h/năm (10 h/ngày), giá điện $0.04/kWh, giá nhân công lao động (Malaysia) $1.00/h và chưa tính đến giá thành xử lý trấu, với tổng đầu tư là $97.000 và $389.000 tương ứng đối với 2 dây chuyền 100 kg/h và 1.000 kg/h, thì giá thành sản phẩm tương ứng là

$0.38/kg đối với quy trình 100 kg/hr và $0.18/kg cho dây chuyền 1.000 kg/hr, lợi nhuận đạt 10%

Vấn đề tận thu sản phẩm rắn của nhiệt phân nhanh trấu cũng được đặc biệt quan tâm Mặc dù mục đích chính của nhiệt phân nhanh trấu trên thiết bị tầng sôi là thu hồi nhiên liệu lỏng, nhưng vì tro trấu chiếm tới khoảng 30% khối lượng sản phẩm, mà khả năng ứng dụng loại vật liệu xốp và giàu silic này vào các lĩnh vực khác như vật liệu xây dựng, chất cải tạo đất cho thấy nhiều hứa hẹn

Thành phần chính của tro trấu là SiO2,chiếm khoảng 90-97% trọng lượng than trấu Các thành phần khác là các oxit K, Ca, Mg và Na Trên thị trường, tro trấu chứa khoảng 85% silic có giá 500-600USD/tấn Các ứng dụng của tro trấu tương đối phong phú Kết quả nghiên cứu cho thấy than trấu nhiệt phân nhanh có cấu trúc vô định hình và hàm lượng cacbon thấp, vì vậy thường được sử dụng như vật liệu giàu silic cho các mục đích khác nhau, như vật liệu xúc tác, vật liệu xây dựng, phân bón cải tạo đất, …[18]

Trong đề tài “Sử dụng nguồn phế thải nông nghiệp để tổng hợp vật liệu nano silic và nano cacbon làm xúc tác cho quá trình chuyển hoá cặn dầu thực vật thành nhiên liệu sinh học và làm chất hấp phụ để sản xuất ethanol tuyệt đối” thuộc chương trình Nghị định thư Việt Nam – Vương Quốc Bỉ, tro sinh khối phế thải đã được dùng làm nguyên liệu để chế biến xúc tác để cracking xúc tác và nhiệt phân cặn dầu thực vật [19]

Về ứng dụng tro trấu cải tạo đất, báo nông nghiệp số ra ngày

21-12-2009 đã có bài phân tích và giới thiệu khả năng và triển vọng Theo bài báo này than trấu tồn tính (than trấu đốt trong điều kiện thiếu khí để trấu cháy ngún chứ không cháy ngọn) có thể tồn tại nhiều năm trong đất, nhờ đó cải tạo thổ nhưỡng tơi xốp hơn, giữ được nhiều nước cho đất ẩm hơn, tạo môi trường phát triển các tập đoàn sinh vật hoạt động ngang tầm bộ rễ và từ đó tạo ra dưỡng chất tự nhiên cho các cây trồng Kết quả đo đạc mới nhất cho thấy sản lượng cây trồng ở các vùng đất bón biochar ở Canada tăng lên từ 6 đến 17%

so với đối chứng tại chỗ, thân cây cứng hơn và bộ rễ phát triển nhiều hơn đến 68% Hao hụt dưỡng chất phân bón do bị rửa trôi giảm đi rõ rệt, trong đó hiện tượng mất lân giảm đến 44% Trên thực tế, lợi ích của việc bón biochar đã được quan trắc, kiểm nghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, Congo… và nhiều nước đã có chế độ khuyến khích cho các nông gia (Báo nông nghiệp, 21-12-2009)

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN TRẤU VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ NHIỆT PHÂN TRẤU

2.1 Xây dựng hệ thiết bị nhiệt phân trấu

Từ các khảo sát đánh giá các hệ thống nhiệt phân, khí hóa trấu, nguyên

lý hệ thống nhiệt phân trấu trên thiết bị nhiệt phân tầng sôi được xây dựng như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiệt phân trấu được lựa chọn xây dựng

Chú thích:

5- Đường cấp khí Nitơ 6- Bộ cấp liệu trục vít tải

7- Thiết bị phản ứng tầng sôi 8- Xyclon tách khí-rắn

9- Bình chứa sản phẩm lỏng 10- Thiết bị ngưng tụ

13- Bơm hút khí

Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: Thiết bị phản ứng tầng sôi (7) được nâng nhiệt bằng lò gia nhiệt (4) đến nhiệt độ mong muốn Trấu đã

được sấy khô và nghiền mịn để thu được nguyên liệu có kích thước đồng đều được cấp vào thiết bị phản ứng tầng sôi (7) qua hệ thống cấp liệu rắn (6) được điều khiển qua hệ vít tải Khí nhiệt phân (N2) được cấp từ bom khí nén (1) và được gia nhiệt đến nhiệt độ nhiệt phân trước khi được đưa vào tháp nhiệt phân qua đường cấp khí (5) từ dưới đáy lên Hỗn hợp hơi sản phẩm lỏng (bio-oil)

và sản phẩm rắn (than) sau khi nhiệt phân được qua xyclon (8) để tách rắn triệt để Hơi sản phẩm lỏng tiếp tục được đưa sang thiết bị ngưng tụ dạng ống xoắn ruột gà (10) với tác nhân làm lạnh là nước đá Sản phẩm lỏng cuối cùng được thu về bình chứa (9) Nước ngưng tụ được cấp bằng bơm từ bể chứa nước được làm lạnh bằng đá Hỗn hợp hơi sản phẩm và khí mang được dẫn hướng bằng cách sử dụng bơm chân không (13) Tốc độ hơi được điều khiển qua van (12)

Hình 2.3 Bảng điện điều khiển hệ thống nhiệt phân trấu

Xyclon tách khí-rắn và thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 2.4 Thiết bị phản ứng tầng sôi

Đường ống dẫn hơi sản phẩm từ thiết bị phản ứng tầng sôi và xyclon tách khí-rắn được bọc bào ôn để giảm tình trạng ngưng tụ hơi sản phẩm trong đường ống và trong xyclon Thiết bị ngưng tụ kiểu ống xoắn ruột gà sử dụng tác nhân ngưng tụ là nước đá, được bơm tuần hoàn từ thùng chứa nước đá qua thiết bị để ngưng tụ hơi sản phẩm

Các thiết bị phụ trợ

Các thiết bị phụ trợ gồm có bơm chân không, bơm nước tuần hoàn cho thiết bị ngưng tụ, bộ nạp liệu bẳng vít tải, bộ điều khiển tốc độ khí mang, nhiệt kế và bộ bẫy dầu đã chế tạo và chọn lựa được đưa ra trong hình 2.5, 2.6, 2.7, 2.8

Hình 2.5 Bộ nạp liệu bằng vít tải

Hình 2.6 Bơm hút loại piston

Hình 2.7 Nhiệt kế, bộ đo lưu lượng khí mang và bộ bẫy dầu

Hình ảnh đầy đủ của hệ thiết bị nhiệt phân trấu quy mô thí nghiệm được đưa ra trong hình 2.8:

Hình 2.8 Hệ nhiệt phân trấu tầng sôi

2.2 Vận hành thử nghiệm thiết bị - Khảo sát sơ bộ xác định chế độ hoạt

động của hệ thiết bị tầng sôi quy mô phòng thí nghiệm

2.2.1 Chuẩn nhiệt đồ lò tầng sôi

Nhiệt độ thực tế theo chiều cao thân lò (temperature profile) được chuẩn bằng phép đo riêng rẽ dùng can nhiệt Pt để ngoại suy nhiệt độ lò

Thí nghiệm chuẩn nhiệt độ lò được tiến hành sao cho sát nhất với điều kiện phản ứng, bao gồm duy trì thổi khí, cấp liệu, vận hành phần ngưng tụ tương tự như khi tiến hành phản ứng nhiệt phân trấu Ví trí đầu đo nhiệt được thay đổi dọc theo chiều cao lò, với 6 điểm đo, cách nhau những khoảng 5 cm dọc trên chiều cao 35 cm của thân lò

Kết quả chuẩn profile nhiệt của lò cho trên Bảng 2.3 trong dải nhiệt độ

từ 400oC đến 550oC Trên hình 5 là đường chuẩn nhiệt độ lò khi đặt nhiệt độ đáy lò (đồng hồ T#1) là 450oC

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chuẩn nhiệt độ lò và khảo sát ảnh hưởng

nhiệt độ; Vị trí đặt đồng hồ đo nhiệt T#1 (đáy lò; 0cm)

Bảng 2.1 Chuẩn nhiệt độ lò (Calibration)

Hình 2.11 Chuẩn nhiệt độ lò tại vùng sôi (5-10cm)

2.2.2 Khảo sát sơ bộ các thông số của quá trình nhiệt phân

2.2.2.1 Khảo sát nhiệt độ phản ứng

Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên quá trình nhiệt phân, cần sơ bộ lựa chọn các thông số của quá trình dựa theo tính toán, yêu cầu và tài liệu tham khảo Chế độ thực nghiệm khi tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt

 Chế độ ngưng tụ: Tuần hoàn nước lạnh (nước đá)

 Nhiệt độ: Thay đổi trong vùng 400 – 550oC;

Kết quả khảo sát quá trình nhiệt phân trấu trong vùng 400 – 550oC cho thấy: Trong 6 điểm nhiệt độ được khảo sát (400oC, 425oC, 450oC, 475oC,

500oC và 550oC), tại nhiệt độ 450oC, hệ thống làm việc ổn định ở các nhiệt độ khảo sát Hiệu suất thu sản phẩm lỏng đạt giá trị lớn nhất (47,88% khối lượng

400 450 475 500 525 550

trấu nguyên liệu tại 450oC), khối lượng sản phẩm rắn hầu như không đổi khi thay đổi nhiệt độ

2.2.2.2.Khảo sát nguyên liệu trấu (kích thước hạt trấu, vận tốc nạp liệu)

Hình 2.13 Mẫu trấu với các kích thước khác nhau

Trấu nguyên liệu được sấy khô ở 90oC và khảo sát ở 3 kích thước khác nhau với độ mịn của nguyên liệu tăng dần, thời gian khảo sát 30 phút hoặc cho đến khi xảy ra hiện tượng tắc:

 Vỏ trấu chưa nghiền: Khảo sát cho thấy trấu bị tắc ngay từ khi bắt đầu nạp