Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học 65

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt Mã ngành Người hướng dẫn khoa học Đà Nẵng, năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực.

TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 6

1 1 Sinh kh ố i và tình hình s ử dụng năng lượ ng sinh kh ố i

1 1 1 Giới thiệu về sinh khối

Sinh khối (biomass) được phân thành hai loại chính: sinh khối thực vật (phytomass) và sinh khối động vật (zoomass), với tổng lượng ước tính khoảng 560 tỷ tấn carbon Sinh khối thực vật hình thành từ quá trình quang hợp, trong đó ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng hóa học giúp tạo ra các phân tử carbonhydrate Ngược lại, sinh khối động vật là kết quả từ việc động vật ăn thực vật chuyển hóa sinh khối thực vật thành sinh khối của chúng, trong khi động vật ăn thịt chuyển đổi sinh khối con mồi Để sản xuất dầu sinh học, sinh khối thực vật như gỗ, cỏ và cây trồng nông nghiệp được xem là nguồn năng lượng tái tạo Thành phần hóa học chính của sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, với các nguyên tố chủ yếu là hydro, carbon và oxy, trong khi lưu huỳnh và nitơ hiện diện với lượng rất nhỏ.

Bảng 1 1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63]

1 1 2 Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối

1 1 2 1 Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới

Nhiên liệu sinh khối hiện nay chiếm khoảng 10% tổng nguồn cung năng lượng toàn cầu, với hai phần ba lượng nhiên liệu này được sử dụng chủ yếu ở các nước đang phát triển cho mục đích nấu ăn và sưởi ấm Việc ứng dụng nhiên liệu sinh khối trong đời sống, giao thông, công nghiệp và sản xuất điện năng được minh họa rõ ràng trong hình 1.

Dầu sinh học Chất khí

Hình 1 1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15]

Trong các phương pháp chuyển đổi năng lượng từ sinh khối, quá trình đốt cháy và hóa khí có hiệu suất cao hơn so với quá trình nhiệt phân Tuy nhiên, nhược điểm của hai quá trình này là sản phẩm nhiệt năng hoặc điện năng chỉ có thể được sử dụng tại địa điểm có nguồn sinh khối Ngược lại, quá trình nhiệt phân tạo ra dầu sinh học, cho phép dễ dàng vận chuyển đến các khu vực cần nguồn năng lượng này.

Dầu sinh học có nhiều ưu điểm nổi trội, nó có khối lượng riêng từ 1 100 đến

Dầu sinh học có khối lượng riêng 1.200 kg/m³, gấp 6 đến 7 lần khối lượng riêng của sinh khối, giúp giảm chi phí vận chuyển từ 83 đến 85% so với sinh khối thô Sau khi sản xuất, nếu dầu sinh học được xử lý để giảm hàm lượng nước và oxy, nó sẽ có tính chất vật lý và hóa học tương tự như dầu diesel, cho phép sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi, động cơ diesel và tuốc bin khí Các ứng dụng của dầu sinh học được minh họa trong hình 1.

Khí Tuốc bin Động cơ Điện năng

Nhiệt phân Dầu sinh học Đốt hỗn hợp Nhiệt năng

Rắn Lò hơi Ứng dụng

Hình 1 2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18]

Hiện nay, các nhà khoa học trên toàn cầu đang chú trọng vào việc nghiên cứu và hoàn thiện lý thuyết cũng như thực nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối nhằm sản xuất dầu sinh học, nhờ vào những ứng dụng đa dạng của loại dầu này.

1 1 2 2 Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

Việt Nam, với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, sở hữu tiềm năng sinh khối thực vật đa dạng và phong phú Nguồn sinh khối chủ yếu đến từ gỗ và các phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, trấu, và rơm rạ Theo Viện Năng lượng Việt Nam, lượng sinh khối từ gỗ đạt khoảng 25 triệu tấn mỗi năm, tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô Đồng thời, sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp ước tính lên đến 53,5 triệu tấn mỗi năm, tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô.

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng sinh khối tại Việt Nam vẫn còn ở quy mô nhỏ lẻ, chủ yếu được áp dụng trong các lĩnh vực như chất đốt, nhiên liệu cho lò hơi và sản xuất điện cục bộ Trong khi đó, việc phát triển nguồn dầu sinh học từ sinh khối vẫn chỉ dừng lại ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu và chưa đạt được tiến bộ trong việc làm chủ công nghệ này.

Việc nắm bắt xu hướng toàn cầu giúp Việt Nam làm chủ công nghệ tiên tiến, đặc biệt trong bối cảnh chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo, như năng lượng sinh khối Nghiên cứu và sản xuất dầu sinh học từ phế phẩm nông, lâm nghiệp là hướng đi đúng đắn cho Việt Nam Hiện tại, sản xuất dầu sinh học từ sinh khối vẫn còn mới mẻ, thu hút sự quan tâm của nhiều doanh nghiệp muốn tiếp cận và làm chủ công nghệ này.

1 1 3 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối

1 1 3 1 Các nguồn sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau và được phân thành 3 thế hệ [7]:

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được sản xuất từ các loại cây lương thực như mía, sắn và củ cải Tuy nhiên, việc sử dụng những sinh khối này có thể gây ảnh hưởng đến an ninh lương thực, vì chúng chiếm dụng nguồn tài nguyên thực phẩm cần thiết cho con người.

Thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các phế phụ phẩm trong nông nghiệp, công nghiệp và khai thác lâm nghiệp Nguồn sinh khối này không chỉ giúp giải quyết vấn đề an ninh lương thực mà còn thân thiện với môi trường, nhờ vào việc tận dụng hiệu quả các phế phẩm nông nghiệp.

Thế hệ thứ ba của nhiên liệu sinh học (3rd generation) được sản xuất từ các nguồn như tảo (cả nước ngọt và nước biển), cây dầu mè, cỏ switch và cây halophyte Những sinh khối này không chỉ không ảnh hưởng đến an ninh lương thực mà còn có hiệu suất thu hồi dầu cao và vòng tuần hoàn năng lượng ngắn Tuy nhiên, hiện tại, các nghiên cứu về lĩnh vực này vẫn chỉ dừng lại ở giai đoạn thăm dò ban đầu và chưa có kết quả ứng dụng thực tế.

Dựa trên phân tích tiềm năng sinh khối tại Việt Nam, tác giả khẳng định rằng việc phát triển công nghệ sản xuất dầu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp (thế hệ thứ hai) là một hướng đi hợp lý và bền vững cho đất nước.

1 1 3 2 Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối

Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối theo thế hệ thứ hai được thực hiện bằng 3 phương pháp chính [36], [37]:

Phương pháp thủy phân sinh học là quá trình biến đổi sinh khối thành đường tan và tách lignin, sau đó sử dụng quá trình lên men với xúc tác enzim để chuyển hóa thành cồn sinh học, diesel sinh học và xăng sinh học Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là chi phí sản phẩm cao, do yêu cầu tạo ra các giống enzym phù hợp để chuyển hóa đường C6 thành etanol và đường C5 thành butanol và diesel sinh học.

Việc tạo ra những chủng giống enzyme này thường rất khó khăn và phức tạp, nên việc thương mại hóa công nghệ này là rất khó [37]

Phương pháp khí hóa sinh khối là quá trình oxy hóa không hoàn toàn ở nhiệt độ cao từ 600 đến 900 độ C, tạo ra khí tổng hợp chủ yếu là hỗn hợp CO và H2 Để sản xuất nhiên liệu ankan như xăng và diesel qua tổng hợp Fischer-Tropsch, cần bổ sung thêm hàm lượng hydro do hàm lượng H2 trong sản phẩm khí rất thấp, điều này làm tăng giá thành sản phẩm Bên cạnh đó, phương pháp khí hóa thường yêu cầu thiết bị phức tạp và hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao, gây khó khăn cho người vận hành và việc lựa chọn thiết bị.

Phương pháp nhiệt phân là quá trình phân hủy sinh khối trong điều kiện không có ôxy, tạo ra hỗn hợp khí hữu cơ được ngưng tụ thành dầu sinh học Qua công nghệ hydrodeoxy hóa, dầu này có thể chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng sử dụng trong giao thông và công nghiệp Khác với phương pháp khí hóa, nhiệt phân hoạt động ở nhiệt độ thấp (≤ 550°C), cho phép sản phẩm là dầu sinh học dễ dàng lưu trữ và vận chuyển Hiện nay, công nghệ xử lý và nâng cấp chất lượng dầu đã được nghiên cứu thành công để phục vụ cho nhu cầu giao thông vận tải và công nghiệp.