D. PHƯƠNG PHÁP DÙNG NHIỆT - NHIỆT PHÂN
V. S ẢN PHẨM QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN
Như đã thảo luận, quá trình nhiệt phân có thể chuyển hóa trực tiếp sinh khối thành chất rắn (bio-char), lỏng (bio-oil) và các sản phẩm khí (bio-gas), mỗi loại trong số đó có giá trị thương mại của mình. Tỷ lệ tương đối và thành phần hóa học của các phần này gắn liền với các điều kiện phản ứng, loại thiết bị phản ứng, và nguyên liệu được sử dụng.
Nói chung, để tối đa hóa hiệu suất sản phẩm lỏng, kích thước hạt nhỏ, nhiệt độ thấp, tốc độ gia nhiệt cao, và thời gian lưu khí ngắn được yêu cầu. Ngược lại, sản xuất lượng char lớn nhất đạt được khi nhiệt phân được thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp, tốc độ gia nhiệt thấp, và thời gian lưu trung bình, trong khi khí nhiên liệu (ví dụ, hỗn hợp của metan, axetylen, chuỗi hydrocacbon ngắn, khí tổng hợp, vv) hiệu suất có thể được tối đa hóa khi sử dụng nhiệt độ cao hơn, tốc độ nhiệt thấp, và thời gian lưu khí trung bình.
1. Char
Char là cặn rắn còn lại ở cuối của quá trình nhiệt phân (thường được gọi là bio-char khi có nguồn gốc từ sinh khối), được tạo thành từ các tỷ lệ khác nhau của một loại vật liệu
cao cacbon (đôi khi được gọi là charcoal) và tro, trong đó bao gồm nhiều cặn rắn vô cơ.
Char thường chiếm khoảng 15-25% wt của sản phẩm và tương đương với khoảng 25%
tổng năng lượng từ các nguồn sinh khối đầu vào. Hàm lượng cacbon của char thường là khoảng 50% wt trong tổng hàm lượng carbon được tìm thấy trong nguyên liệu ban đầu.
Các cặn rắn có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau bao gồm:
(i) như một nhiên liệu rắn trong nồi hơi;
(ii) sản xuất than hoạt tính;
(iii) như là một nguồn cung cấp cho các quá trình phản ứng khí hóa hơn nữa để sản xuất khí tổng hợp giàu hydro (CO, CO2, H2) bằng cracking nhiệt;
(iv) chất cải tiến / phân bón cho đất trồng; và gần đây nhất, (v) là nguồn carbon để sản xuất các ống nano carbon.
2. Khí sinh học (bio-gas)
Thành phần chính xác của bio-gas thu được từ nhiệt phân sinh khối có thể phức tạp và gắn liền với các điều kiện phản ứng chính xác được thực hiện, ví dụ như, tốc độ gia nhiệt và thời gian lưu hơi, cũng như các loại nguyên liệu, hình dạng vật lý của nó, và kích thước hạt của vật liệu được sử dụng trong nhiệt phân. Thường nhất, các phần biogas bao gồm tỷ lệ khác nhau của CO, CO2, CH4, H2, ethane, ethene, propane, propylene, và butane. Ngoài ra, bio-gas cũng có thể chứa một lượng nhỏ các dẫn xuất khí hữu cơ có khối lượng phân tử cao hơn (ví dụ, benzenes) và hơi nước.
3. Bio-oil
Sản phẩm thú vị nhất của quá trình nhiệt phân sinh khối là phần chất lỏng, thường được gọi là bio-oil (dầu sinh học). Bio-oil thường có màu tối, là chất lỏng chảy tự do nhưng là chất lỏng nhớt; tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu và các chi tiết chính xác của các cách thức thực hiện nhiệt phân, màu sắc có thể gần như đen qua màu đỏ nâu đến xanh lục đậm. Nói chung, một bio-oil điển hình là hỗn hợp phức tạp được tạo thành từ các hợp chất hữu cơ chứa oxy (với hàm lượng oxy ~30-40% wt) và tars (benzenes, toluenes, naphthalenes), cùng với một lượng đáng kể nước, khoảng 25% wt, có nguồn gốc trực tiếp từ độ ẩm trong sinh khối đầu vào và từ quá trình dehydration (tách nước) của hóa chất khi chúng phân hủy. Đáng chú ý là dầu nhiệt phân bio-oil có thể chứa tới 300 hợp chất hữu cơ khác nhau, tùy thuộc vào bản chất chính xác của quá trình nhiệt phân và nguyên liệu sinh khối cụ thể.
Nói chung, các sản phẩm hữu cơ có thể được chia thành năm loại chính : đường khan , các dẫn xuất vòng furan, các hợp chất có phân tử lượng thấp (ví dụ: axit formic , ethanol , acetone), phenol và các chất thơm khác . Một bản tóm tắt của một số các sản phẩm hữu cơ chính có trong bio-oil nhiệt phân được trình bày trong Bảng 8.2
Sự hiểu biết chính xác thành phần hóa học và tính chất vật lý bio-oil (tóm tắt trong bảng 8.3) là quan trọng để có được hiểu biết sâu sắc về tính ổn định và phù hợp của bio-oil để nâng cấp và ứng dụng tiếp theo. Ví dụ, do hàm lượng oxy cao, bio-oil nói chung là nhớt, thường có thể trộn lẫn với nước, ăn mòn, không ổn định và có khối lượng riêng thường 1150-1300 kg/m3, đó là cao hơn nhiều so với dầu nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Khối lượng riêng bio-oil với hàm lượng nước thấp là cao, khoảng 1200-1300 kg/m3. Khó giải quyết nhất, hàm lượng oxy cao của bio-oil làm cho chúng không tương thích với các quy trình nhà máy lọc dầu dựa trên nhiên liệu hóa thạch ngày nay, chỉ có thể chấp nhận nguồn nguyên liệu đầu vào với hàm lượng oxy ~7%.
Độ nhớt là một cân nhắc quan trọng trong việc áp dụng nhiều nhiên liệu và trong trường hợp bio-oil, thông số này thay đổi từ 25 m2/s tới 1000 m2/s (đo ở 40°C), tuỳ thuộc bản chất hóa học của nguyên liệu, hàm lượng nước, lượng chất dễ bay hơi hiện diện, và mức độ các cấu tử hoạt động trong quá polymer hóa bio-oil theo thời gian (aging). Hơn nữa, bio-oil được sản xuất từ nhiệt phân nhanh sinh khối có nhiệt trị (lượng nhiệt được tạo ra
từ quá trình đốt cháy hoàn toàn của lượng cụ thể bio-oil) chỉ khoảng 16 MJ/kg, so với 43 MJ/kg đối với dầu diesel hóa thạch điển hình. Do sự hiện diện của axit hữu cơ, dầu nhiệt phân bio-oil này có tính axit vừa phải, có độ pH trong khoảng 2,5-3,0. Do đó, loại dầu này có tính ăn mòn đối với vật liệu xây dựng thông thường, chẳng hạn như thép carbon và nhôm và có thể ảnh hưởng đến một số vật liệu hàn kín. Cùng với nhau, những yếu tố này đòi hỏi rõ ràng rằng dầu sinh học cần được nâng cấp trước khi sử dụng trong thay thế nhiên liệu giao thông vận tải. Đưa ra một số các vấn đề với dầu sinh học đã nói ở trên, đó là mong muốn rằng bất kỳ quá trình nâng cấp nào sẽ tạo ra một sản phẩm với hàm lượng nước và oxy thấp, cũng như giảm tính axit, độ nhớt, và tăng nhiệt trị cao (HHV).