Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến chất lượng khí hóa và thành phần khí syngas

Nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và quản lý chất thải không đúngcách là những thách thức lớn trong bối cảnh gia tăng dân số và quá trình công nghiệphóa, kêu gọi các nhà nghi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHÍ HÓA VÀ THÀNH PHẦN KHÍ SYNGAS

Mã sinh viên : 1911504210103a

1911504210124b

1911504210134c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHÍ HÓA VÀ THÀNH PHẦN KHÍ SYNGAS

Đà Nẵng, 06/2023

Người hướng dẫn : ThS Phùng Minh Tùng

Sinh viên thực hiện : Võ Văn Cườnga

Thân Thị Ngọc LiênbNguyễn Văn Phúc c

Mã sinh viên : 1911504210103a

1911504210124b

1911504210134c

Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến chất lượng khí hóa và thành phần khí syngas.

- Tìm hiểu về RDF và công nghệ syngas

- Xác định các thiết bị liên quan đến lò khí hóa

- Tiến hành thí nghiệm

- Phân tích đánh giá kết quả

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phùng Minh Tùng

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Cường Mã SV: 1911404210103

Thân Thị Ngọc Liên Mã SV: 1911504210124Nguyễn Văn Phúc Mã SV: 1911504210134

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến chất lượng khí hóa và thành phầnkhí syngas

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

PGS.TS Trần Thanh Sơn “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò khí hóa phục vụ nghiêncứu”, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng

“Ảnh hưởng của vị trí cấp khí trên lò khí hóa đến thành phần và nhiệt trị của khí tổnghợp” Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng

Luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu sử dụng khí tổng hợp từ sinh khối cho động cơ dieselphát điện cỡ nhỏ” - Bùi Văn Chinh

Phần mềm: Solidworks, Autocad

3 Nội dung chính của đồ án:

Tìm hiểu về RDF và công nghệ syngas

Xác định các thiết bị liên quan đến lò khí hóa

Nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và quản lý chất thải không đúngcách là những thách thức lớn trong bối cảnh gia tăng dân số và quá trình công nghiệphóa, kêu gọi các nhà nghiên cứu biến chất thải thành năng lượng mới Ví dụ, nhiên liệu

có nguồn gốc từ rác thải có thể được sản xuất từ quá trình chuyển hóa chất thải rắn đôthị, được dự báo sẽ đạt 2,6 tỷ tấn vào năm 2030 Khí hóa là một phản ứng hóa học donhiệt tạo ra nhiên liệu dạng khí như hydro và khí tổng hợp Ở đây, các nhà nghiên cứu

đã xem xét quá trình khí hóa nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải Cụ thể như là phụphế phẩm của quá trình sản xuất nông lâm nghiệp, tập trung vào thực tiễn ở các quốcgia khác nhau, những tiến bộ gần đây trong quá trình khí hóa, mô hình hóa khí hóa vàphân tích kinh tế Nhận thấy rằng một số quốc gia thay thế than bằng nhiên liệu cónguồn gốc từ rác thải làm giảm CO2 phát thải 40%, và giảm hơn 50% lượng chất thảirắn đô thị được đưa đến bãi chôn lấp Chi phí sản xuất năng lượng thông qua khí hóanhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải được ước tính là 0,05 USD/kWh [1]

Cung cấp năng lượng liên tục và xử lý chất thải thích hợp luôn là những tháchthức toàn cầu đòi hỏi phải liên tục nghiên cứu và phát triển Việc xử lý chất thải đúngcách và đảm bảo an sinh công cộng cần được tăng cường và kết hợp khi hỗ trợ các giátrị kinh tế chung Tuy nhiên, nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu chủ yếu tập trungvào việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch dẫn đến việc khai thác và sử dụng quá mức, dẫnđến tác động có hại đến môi trường, chẳng hạn như sản sinh ra khí nhà kính ở dạng

CO2 và N2O Trên thực tế, theo cho Cơ quan Bảo vệ Môi trường của Hoa Kỳ, việc phátthải CO2 và N2O kết quả của quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch đã lần lượt đạtđược khoảng 4300 triệu tấn và 57 triệu tấn vào năm 2018 Hơn nữa, tần suất tái sảnxuất của con người tăng lên, chất lượng cuộc sống được nâng cấp và quá trình côngnghiệp hóa sâu rộng đã làm tăng khối lượng chất thải phát sinh và nhu cầu năng lượngmột cách rõ ràng

Xử lý chất thải rắn trong sinh hoạt đang là vấn đề mang tính thời sự ở nhiều địaphương hiện nay tại Việt Nam Các giải pháp chôn lấp rác, đốt rác truyền thống ngàycàng bộc lộ những bất cập, khiến cho hệ thống xử lý rác lâu nay quá tải và ô nhiễmmôi trường ngày càng trở nên trầm trọng Ở nhiều địa phương, nhân dân rất bức xúc

và cản trở hoạt động của các bãi xử lý rác thải Hiện nay, nước ta có 29% chất thải rắnđược xử lý đốt hoặc sản xuất phân hữu cơ; 71% chôn lấp trực tiếp và 6% chôn sau khiđốt [2]

gồm các chất khí thải gây ô nhiễm môi trường, khống chế phát sinh dioxin và furan.Nhận thấy vấn đề phân loại rác thải sinh hoạt chưa cao nên thành phần rác thải chứarất nhiều chất khó phân hủy như nylon, nhựa Khi đưa vào sản xuất phân compost sẽlàm trơ đất canh tác Do đó việc tiêu thụ phân compost rất khó khăn, không đạt nhưmong muốn Giải pháp chôn lấp hiện nay không còn là giải pháp được lựa chọn Vìquỹ đất ngày càng giảm cộng với việc xử lý nước thải xung quanh khu vực chôn lấprất phức tạp Phương pháp thu hồi năng lượng từ rác thải là giải pháp đang được nhiềuquốc gia sản xuất và sử dụng.

Việc chuyển hóa rác thành điện cũng đã được bắt đầu ứng dụng ở nước ta Hiệnnay có ba phương pháp sản xuất điện từ rác thải Bao gồm: đốt rác trực tiếp tạo hơinước làm quay tuabin máy phát điện; Ủ rác để lấy khí biogas chạy máy phát điện, đây

là những phương pháp truyền thống đã được sử dụng phổ biến; Và cuối cùng là sảnxuất viên nén RDF để tạo syngas chạy máy phát điện Đối với hai phương án đầu cócác nhược điểm như tỉ lệ rác thải rắn cần phải xử lý lớn, tốn kém nhiều chi phí, vàchưa được giải quyết triệt để Phương pháp cuối cùng là tạo ra viên nén RDF, khí hóathành syngas để chạy máy phát điện đang là phương án có nhiều ưu điểm vượt trội.Phương pháp này tăng khối lượng và giảm thể tích, dễ dàng lưu trữ vận chuyển tăngtính đồng nhất; giảm phát thải khí nhà kính; tiết kiệm đất bãi chôn lấp

Vì vậy nhóm chúng em đã được hướng dẫn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng củalưu lượng không khí đến chất lượng khí hoá và thành phần khí syngas”

Chúng em xin trân trọng cảm ơn tập thể Quý thầy giáo, cô giáo của Khoa Cơkhí Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại học Đà Nẵng đã tận tình giúp đỡ và tạođiều kiện cho bọn em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án

Cuối cùng nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy ThS Phùng Minh Tùng người đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

chúng em hoàn thành tốt đồ án này

Chúng em xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp kỹ sư động lực với đề tài

“Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến chất lượng khí hoá và thànhphần khí syngas” là công trình nghiên cứu của nhóm chúng em Những phần có sửdụng tài liệu tham khảo có trong đồ án đã được liệt kê và nêu rõ ra tại phần tài liệutham khảo Đồng thời những số liệu hay kết quả trình bày trong đồ án đều mang tínhchất trung thực, không sao chép, không đạo nhái

Nếu như những lời nói trên sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu tất cảcác kỷ luật của bộ môn cũng như nhà trường đưa ra

Thay mặt thành viên nhóm

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Y

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ix

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Tình hình chung toàn cầu 4

1.1.1 Viễn cảnh ô nhiễm môi trường trong tương lai 4

1.1.2 Chất thải rắn 5

1.1.3 Sản xuất nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải ở một số quốc gia 6

1.1.4 Mô hình khí hóa 7

1.2 Thực trạng rác thải hiện nay tại Việt Nam 9

1.2.1 Tình trạng hiện nay 9

1.2.2 Chủ trương của nhà nước 11

1.3 Biện pháp xử lý rác thải 13

1.3.1 Đốt rác trực tiếp 13

1.3.2 Ủ rác thu hồi khí biogas 14

1.3.3 Các công nghệ khí hóa ở nước ta 15

1.4 Phát thải ưu điểm của khí hóa 17

1.5 Kết luận thực tiễn 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản 20

2.1.2 Phản ứng và biến đổi 21

2.1.3 Nhiệt động lực học và động học 23

2.2 Nguyên liệu rắn RDF sản xuất syngas 24

2.3 Công nghệ syngas 26

2.3.1 Khái quát về syngas 26

2.3.2 Ứng dụng syngas 27

2.3.3 Thành phần syngas 27

2.3.4 Ưu điểm của khí syngas 29

2.3.5 Nhược điểm của khí syngas 30

2.4 Nguyên lý cơ bản của lò khí hóa 31

2.4.1 Lò có dòng khí đi từ dưới lên 31

2.4.2 Lò có dòng khí đi từ trên xuống 32

2.4.3 Lò có hai vùng cháy, dòng khí đi ngang 33

2.4.4 Lò khí hóa tầng sôi 33

2.5 Lựa chọn phương án sản xuất khí 35

2.5.1 Thông số lò khí hóa lựa chọn 36

2.5.2 Chi tiết lò khí hoá thực nghiệm 37

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối 39

2.6.1 Kích thước nhiên liệu 39

2.6.2 Độ ẩm nhiên liệu 39

2.6.3 Chủng loại và đặc tính nhiên liệu 39

2.6.4 Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí (ER) 39

2.6.5 Ảnh hưởng của giản đồ nhiệt độ trong lò 40

2.7 Yêu cầu của hệ thống tạo khí 40

CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 42

3.1 Cảm biến nhiệt độ 42

3.1.1 Mô hình cảm biến nhiệt độ 42

3.1.2 Phần mềm lưu data (PLX-DAQ) 42

3.1.3 Quy trình đo đạc và xử lý số liệu 43

3.2 Bơm thổi khí 44

3.3 Thiết bị đo lưu lượng không khí 45

3.4.1 Khái quát về máy 46

3.4.2 Các bước thực hiện phân tích khí 47

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 50

4.1 Chuẩn bị 50

4.2 Lắp đặt thiết bị 50

4.3 Tiến hành thí nghiệm 52

4.4 Vệ sinh lò sau thí nghiệm 57

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 59

5.1 Thông số ban đầu 59

5.2 Kết quả 60

5.2.1 Nhiệt độ thân lò thí nghiệm 60

5.2.2 Tốc độ tiêu thụ viên nén 61

5.2.3 Thành phần khí syngas 62

5.3 Đánh giá kết quả 67

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

Bảng 2.1: Thành phần khí syngas 28

Bảng 2.2: So sánh giá trị kinh tế trên đơn vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu syngas ở Việt Nam 30

Bảng 2.3 Chú thích hình vẽ lò khí hóa 38

Bảng 2.4: Tổng hợp các phản ứng hóa học trong giai đoạn khí hóa [18][19] 41

Y Bảng 5.1 Thông số thí nghiệm lưu lượng 80L/MIN 59

Bảng 5.2 Thông số thí nghiệm lưu lượng 90L/MIN 59

Bảng 5.3 Thông số thí nghiệm lưu lượng 185L/MIN 59

Bảng 5.4 Thông số thí nghiệm lưu lượng 300L/MIN 60

Bảng 5.5 Nhiệt độ thân lò theo từng lưu lượng không khí 60

Bảng 5.6 Tốc độ tiêu thụ theo lưu lượng không khí 61

Bảng 5.7 Thành phần khí sinh ra ở mức lưu lượng 80L/MIN 62

Bảng 5.8 Thành phần khí sinh ra ở mức lưu lượng 90L/MIN 63

Bảng 5.9 Thành phần khí sinh ra ở mức lưu lượng 185 L/MIN 64

Bảng 5.10 Thành phần khí sinh ra ở mức lưu lượng 300L/MIN 65

Bảng 5.11 Thành phần khí sinh ra ở mức ổn định qua các lưu lượng 66

Biểu đồ 1: Biểu đồ sản xuất nhiên liệu có nguồn gốc chất thải rắn ở các quốc gia 7Biểu đồ 2: Biểu đồ nhiệt độ thân lò theo từng lưu lượng không khí 61Biểu đồ 3: Biểu đồ tốc độ tiêu thụ theo lưu lượng không khí 62Biểu đồ 4: Biểu đồ thành phần syngas theo % ở mức lưu lượng 80L/MIN (1.72 g/s) 63Biểu đồ 5: Biểu đồ thành phần syngas theo % ở mức lưu lượng 90L/MIN (2g/s) 64Biểu đồ 6: Biểu đồ thành phần syngas theo % ở mức lưu lượng 185L/MIN (4g/s) 65Biểu đồ 7: Biểu đồ thành phần syngas theo % ở mức lưu lượng 300L/MIN (6g/s) 66Biểu đồ 8: Biểu đồ thành phần syngas theo % ở mức ổn định ở các mức lưu lượng .67

Hình 1.1 Chất thải rắn ở đô thị được tính theo triệu tấn 6

Hình 1.2 Mô hình khí hoá BEEL – Beltran để xử lý chất thải sinh khối 8

Hình 1.3 Nhà máy khí hóa sinh khối của Vaskiluodon Voima Oy 9

Hình 1.4 Nhìn từ trên không của nhà máy Vaskiluodon Voima Vaasa 9

Hình 1.5 Người dân hằng ngày phải chịu đựng nguồn rác thải ô nhiễm tại một tuyến đường nằm trong khu Liên hợp thể thao Mỹ Đình 11

Hình 1.6 Thủ tướng Phạm Minh Chính phát biểu tại Hội nghị Thượng đỉnh khí hậu trong khuôn khổ Hội nghị lần thứ 26 (COP26) 13

Hình 1.7 Đốt rác trực tiếp bằng lò 13

Hình 1.8 Ủ rác thu hồi khí biogas tại Bình Dương 14

Hình 1.9 Những mô hình khí hoá ứng dụng với quy mô nhỏ 15

Hình 1.10 Thiết bị khí hóa sinh khối theo mẻ quy mô trung bình 16

Hình 1.11 Bếp khí hóa Tinh Tế 16

Y Hình 2.1 Mô tả quá trình khí hóa than 21

Hình 2.2 Các phản ứng biến đổi trong quá trình khí hóa 23

Hình 2.3 Một số hình ảnh viên nén RDF 26

Hình 2.4 Quy trình sản xuất Syngas 26

Hình 2.5 Ứng dụng của Syngas 28

Hình 2.6 Buồng đốt hóa khí có dòng khí từ dưới lên 32

Hình 2.7 Buồng đốt hóa khí có dòng khí từ trên xuống 33

Hình 2.8 Buồng đốt hóa khí có dòng chéo nhau 34

Hình 2.9 Buồng đốt hóa khí tầng sôi 35

Hình 3.1 Cảm biến và bộ đọc ghi nhiệt độ 41

Hình 3.2 Phần mềm PLX-DAQ 41

Hình 3.3 Excel lưu dữ liệu 42

Hình 3.4 Vị trí gắn cảm biến nhiệt độ 43

Hình 3.5 Máy bơm thổi khí Resun 43

Hình 3.6 Vị trí gắn bơm thổi khí trong thí nghiệm 44

Hình 3.7 Lưu lượng kế 44

Hình 3.8 Vị trí gắn lưu lượng kế trong thí nghiệm 44

Hình 3.9 Máy phân tích khí thành phần khí than Gasboard-3100P 45

Hình 3.10 Khởi động máy Gasboard – 3100P 46

Hình 3.11 Màn hình máy sẵn sàng làm việc 46

Hình 3.12 Bộ lọc 47

Hình 3 14 Lắp đặt đường ống với đầu vào máy phân tích 48

Hình 3 15 Tắt máy 48

Hình 4.1 Các dụng cụ chuẩn bị thí nghiệm 49

Hình 4.2 Sơ đồ lắp đặt và bố trí hệ thống khí hóa thực tế 49

Hình 4.3 Lắp đặt hệ thống cấp khí 50

Hình 4.4 Đường khí ra 50

Hình 4.5 Lắp đặt cảm biến nhiệt độ thân lò 50

Hình 4.6 Bộ thu nhiệt độ và máy tính lưu giữ liệu 51

Hình 4.7 Hệ thống lọc và phân tích thành phần khí 51

Hình 4.8 Chạy phần mềm thu dữ liệu nhiệt độ 51

Hình 4.9 Khởi động máy phân tích khí 52

Hình 4.10 Cho viên nén mồi vào lò 52

Hình 4.11 Mồi viên nén 52

Hình 4.12 Bơm thổi 53

Hình 4.13 Cho viên nén đã mồi vào lò 53

Hình 4.14 Ngọn lửa mồi trong lò 53

Hình 4.15 Cho lượng viên nén còn lại vào lò 54

Hình 4.16 Đóng nắp lò 54

Hình 4.17 Kiểm tra lưu lượng khí 54

Hình 4.18 Theo dõi nhiệt độ 55

Hình 4.19 Kiểm tra syngas sinh ra 55

Hình 4.20 Đo khí và lấy kết quả 55

Hình 4.21 Vệ sinh than và hắc ín bám vào nắp lò 56

Hình 4.22 Viên nén còn xót lại trong lò sau thí nghiệm 56

Hình 4.23 Cân lại viên nén còn thừa 57

Hình 4 24 Viên nén còn xót lại ứng với từng vùng cháy 57

Hình 4.25 Xỉ than 57

MỞ ĐẦU

Vấn đề ô nhiễm môi trường và sự khan hiếm nguồn năng lượng đang là tháchthức chung của thế giới và Việt Nam Tình trạng ô nhiễm không khí trên toàn cầu rấtđáng lo ngại, tuy đã tồn tại từ lâu nhưng chưa có giải pháp cụ thể để khắc phục Việcphải đối mặt với khủng hoảng năng lượng tại nhiều quốc gia càng gia tăng áp lực vềcung và cầu năng lượng toàn cầu WHO đã đặt tên cho tình trạng này là “kẻ giết ngườithầm lặng” Việt Nam là một trong 10 nước ô nhiễm môi trường không khí hàng đầuChâu Á, với thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh là những nơi bị ảnh hưởngnặng nhất.[1]

Các phương tiện giao thông như ô tô và xe máy đang là nguyên nhân chính gây

ra ô nhiễm không khí tại Việt Nam, với nồng độ bụi PM2.5 luôn có xu hướng tăngmạnh trong những năm qua Trong khi đó, nguồn nhiên liệu truyền thống đang cạnkiệt dần và là nguồn phát thải cao gây ảnh hưởng đến môi trường, sức khỏe con người

và biến đổi khí hậu Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch và thân thiện với môitrường để thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống là rất cần thiết.[2]

Trong việc khai thác các nguồn năng lượng thay thế, Việt Nam có thế mạnh vớikhí hậu thích hợp để phát triển nhiều loại cây làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học

và danh sách các nguyên liệu sinh khối phát triển Các nguồn năng lượng này mang lạigiải pháp mới cho sản xuất nhiên liệu thân thiện với môi trường, đồng thời giảm thiểuviệc chôn lấp hoặc xử lý rác thải gây ô nhiễm

Hội nghị COP26 đã đưa ra mục tiêu phát thải ròng bằng 0 của Việt Nam vàonăm 2050 để đảm bảo nhiệt độ Trái Đất không tăng quá 1,5oC vào cuối thế kỷ Đồ ánnày nhằm đóng góp vào việc sử dụng nguồn năng lượng thay thế cho nguồn nănglượng từ các nhiên liệu hóa thạch và có tính lâu dài, bền vững Sử dụng nguồn nănglượng này trong nhiều mục đích khác nhau, bao gồm động cơ đốt trong, là rất cần thiết

để giảm thiểu tác động đến môi trường và biến đổi khí hậu

Các nghiên cứu sử dụng một nguồn nhiên liệu mới cho động cơ đốt trong, tring

đó có nghiên cứu syngas được sản xuất từ quá trình khí hóa viên nén sinh khối RDFứng dụng cho động cơ Diesel máy phát điện cỡ nhỏ có thể góp phần khắc phục tìnhtrạng nêu trên Dưới sự hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp của thầy ThS Phùng Minh

Tùng đã giúp chúng em xây dựng và hoàn thiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến chất lượng khí hóa và thành phần khí syngas”.

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng mô hình, đo đạc nhiệt độ thân lò khí hóa, đo thành phần khí đầu ra để

so sánh và đưa ra nhận xét cơ bản về sự khác nhau của lưu lượng khí đầu vào đếnthành phần của khí syngas sau mỗi lần thí nghiệm

Phần lý thuyết thực hiện nghiên cứu quy trình đốt của lò khí hóa, quá trình hìnhkhí syngas

Phần thực nghiêm tiến hành xây dựng mô hình, đánh giá hiệu quả các loại RDFkhác nhau, đo đạc nhiệt độ thân lò trong quá trình thí nghiệm, đo thành phần khí đầu ra

để so sánh và đưa ra nhận xét cơ bản về sự khác nhau của lưu lượng không khí đầu vàođến thành phần của khí syngas sau mỗi lần thí nghiệm Trong đó, quá trình thí nghiệmđược tiến hành tại xưởng ô tô – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng

ii Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích nêu trên, đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợpkết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Tiến hành tìm kiếm tài liệu, thu hoạch thôngtin, dựa trên các công trình đã công bố về hệ thống tạo khí Biomass cho động cơ đốttrong

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Sử dụng nguồn phế phẩm nông – lâm nghiệp, RDF để phát triển nguồn nhiên liệusyngas thay thế là một phần nho nhỏ cho nhiên liệu hóa thạch phù hợp với điều kiệnViệt Nam hiện nay

Khi áp dụng kết quả của đồ án vào thực tiễn sẽ góp phần giải quyết các vấn đềđang cấp thiết hiện nay về nguồn nhiên liệu thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệuhóa thạch, khai thác dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sinh khối dồi dào có từ phế thảitrong ngành nông, lâm nghiệp cũng như góp phần bảo vệ môi trường, giúp giảm thiệuhiệu ứng nhà kính và tăng thu nhập cho người dân khi bán các loại phế phẩm này

iv Cấu trúc của đồ án

Để thực hiện nội dung nghiên cứu, đồ án được trình bày gồm các phần như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Hệ thống cảm biến nhiệt độ, kiểm soát lưu lượng và máy phân tích thànhphần khí

- Chương 4: Quy trình thực hiện thí nghiệm

- Chương 5: Kết quả và đánh giá

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tình hình chung toàn cầu

1.1.1 Viễn cảnh ô nhiễm môi trường trong tương lai

Xã hội chúng ta đang ngày càng hiện đại, ở các nước đang phát triển, sự có mặtcủa xe máy cũng như ô tô ngày càng nhiều, điều này dẫn đến một vấn đề nhức nhối là

sự ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ xe ô tô, xe máy thải ra bầukhông khí Nguồn khí thải này trở thành mối đe dọa cho môi trường sống hàng ngàycủa con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn với mật độ dân cư đông đúc, kéo theo

đó là lượng xe cơ giới được sử dụng nhiều, ô nhiễm môi trường càng được thể hiện rõrệt

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ô nhiễm không khí làm cho mọi ngườiphải tiếp xúc với các hạt mịn trong không khí bị ô nhiễm Các hạt mịn này thâm nhậpsâu vào phổi và hệ thống tim mạch, gây ra các bệnh đột quỵ, bệnh tim, ung thư phổi,bệnh phổi tắc nghẽ mãn tính và các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp Ô nhiễm khôngkhí vẫn đang tiếp tục gia tăng với tốc độ đáng báo động và ảnh hưởng trực tiếp đến cácnền kinh tế và chất lượng cuộc sống của con người trên toàn thế giới

Ước tính của WHO vào năm 2018 cho thấy rằng 9/10 người dân phải hít thởkhông khí chức các chất gây ô nhiễm cao tại các thành phố lớn đang phát triển Chỉriêng khu vực Tây Thái Bình Dương, khoảng 2,2 triệu người tử vong mỗi năm Ở ViệtNam thì khoảng 60.000 người chết mỗi năm có liên quan đến ô nhiễm không khí [5]

Theo báo cáo thường niên The Envỉonmental Performance Index (EPI) của Mỹthực hiện, Việt Nam hiện đang đứng Top10 trong các nước ô nhiễm không khí ở Châu

Á Đáng chú ý, tổng lượng bụi ở Hà Nội và TP Hồ Chí minh đang liên tục tăng caokhiến chỉ số chất lượng không khí (AQI) luôn ở mức báo động [6]

Năm 2016, GreenID công bố báo cáo sơ lược tình trạng môi trường Hà Nội và

TP Hồ Chí Minh Nồng độ bụi trung bình trong không khí ở 2 thành phố này vượtmức cho phép từ hai đến ba lần và duy trì ở ngưỡng cao Trong khi đó, theo thống kecủa Tổ chức Thông tin về chất lượng không khí toàn cầu IQAirVisual dựa trên mức đo

về lượng bụi siêu mịn PM2.5/m3, Việt Nam đứng thứ 17, trong đó Hà Nội và TP HồChí Minh nằm trong Top những thành phố ô nhiễm không khí cao trên thế giới

Nước ta là quốc gia xếp thứ 36 trong số 177 quốc gia có mức độ ô nhiễm khôngkhí cao nhất trên toàn thế giới Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB), ô nhiễmkhông khí gây thiệt hại về kinh tế cho Việt Nam ở khoảng 10 tỷ USD mỗi năm (chiếm

từ 5 – 7% GDP) Chỉ tính riêng Hà Nội, ước tính chi phí khám, chữa bệnh về hô hấp,thiệt hại kinh tế do nghi ốm với người dân nội thành là 1.500 đồng/người/ngày Vớikhoảng 3,5 triệu dân nội thành, quy đổi tổng thiệt hại kinh tế do mắc các bệnh vềđường hô hấp khoảng 2.000 tỷ đồng/năm [7].

1.1.2 Chất thải rắn

Cùng với sự gia tăng dân số, quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đang diễn

ra mạnh mẽ, chất thải rắn (CTR) đang gia tăng cả về khối lượng và chủng loại

Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, tỷ lệ phát sinh chất thải rắn sinh hoạttrung bình toàn cầu khoảng 0,74 kg/người/ngày, trong đó thấp nhất là 0,11kg/người/ngày Tổng khối lượn CTR đô thị phát sinh trên toàn vào khoảng 2 tỷ tấnnăm 2016, trong đó nhiều nhất là ở khu vực Đông Á – Thái Bình Dương với 468 triệutấn (~23%) và thấp nhất là Trung Đông và Bắc Phi với 129 triệu tấn (~6%) Ước tínhtổng khối lượng các chất thải rắn có thể vào khoảng 7-10 tỷ tấn/năm 2016 Dự báochất thải rắn đô thị sẽ tăng lên 2,59 tỷ tấn năm 2030 và 3,4 tỷ tấn năm 2050 [8]

Ngoài ra, do sự bùng phát của dịch bệnh coronavirus mới 2019, sau đó là chínhsách đóng cửa khẩn cấp và ở nhà được thực thi ở hầu hết các quốc gia, sự gia tăngchưa từng có trong chất thải rắn đô thị, chẳng hạn như việc sử dụng bao bì nhựa ngàycàng tăng với khoảng hơn 6000 tấn mỗi ngày ở các nước Đông Nam Á [9] có thể cònnhiều thách thức hơn nữa, đặc biệt là đối với những nước có quản lý chất thải rắn đôthị không đạt yêu cầu

Về thành phần CTR sinh hoạt, thành phần chất thải rắn khác nhau ở các nhómnước Theo đó các nước có thu nhập cao có hàm lượng chất thải hữu cơ thấp hơn, vớikhoảng 32%, trong khi các nước có thu nhập thấp và trung bình có hàm lượng hữu cơcao hơn, khoảng 53-56% Ngược lại, các thành phần CTR có thể tái chế (như giấy,nhựa, kim loại, thủy tinh…) là cao hơn ở các nước có thu nhập cao, khoảng 50% vàthấp hơn, chỉ khoảng 16% ở các nước thu nhập thấp (Silpa K et al, 2018)

Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, lượng chất thải rắn sinh hoạt ở nước ta phátsinh trung bình khoảng 25,5 triệu tấn/năm Trong đó, khu vực đô thị phát sinh khoảng

38 nghìn tấn/ngày, khu vực nông thôn phát sinh khoảng 32 nghìn tấn/ngày [10] Ướctính lượng chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị phát sinh trên toàn quốc tăng trung bình10÷16 % mỗi năm Năm 2019, tổng khối lượng CTR sinh hoạt phát sinh trên phạm vi

cả nước khoảng 64.658 tấn/ngày (số liệu của 63 tỉnh/tp), trong đó khu vực đô thị phátsinh khoảng 35.623 tấn/ngày (số liệu của 60 tỉnh/tp), khu vực nông thôn khoảng28.394 tấn/ngày (số liệu của 59 tỉnh/tp) Có hơn ¼ địa phương có khối lượng phát sinh

trên 1000 tấn/ngày Rác thải phát sinh từ hoạt động du lịch, lễ hội trung bình 1,8kg/ngày đêm/người (tăng 0,4 kg so với năm 2018), tổng lượng rác thải phát sinh từkhách du lịch khoảng 474.000 tấn (tăng 151.400 tấn so với năm 2018) Ước tính lượngrác thải rắn sinh hoạt ở đô thị phát sinh trên toàn quốc tăng trung bình từ 10-16% mỗinăm.

Trong năm 2019, ước tính lượng CTR phát sinh từ hoạt động chăn nuôi trâu, bò, lợn,gia cầm của các trang trại và nông hộ trên cả nước khoảng 86,92 triệu tấn (tăng 2,62triệu tấn so với năm 2018); phụ phẩm từ một số loại cây trồng chính phát sinh khoảng94.715 nghìn tấn, trong đó cây lúa có lượng phụ phẩm lớn nhất là 52.140 nghìn tấn,cây mía là 16.914 nghìn tấn, các loại khác như sắn, ngô, cà phê, đậu tương khoảng25.661 nghìn tấn Chất thải phát sinh từ hoạt động trồng rừng là 676,8 tấn (tăng 21,7tấn so với năm 2018), trong đó từ rừng phòng hộ, đặc dụng là 33,5 tấn và rừng sảnxuất là 643,3 tấn [11]

Hình 1.1 Chất thải rắn ở đô thị được tính theo triệu tấn

1.1.3 Sản xuất nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải ở một số quốc gia

Việc phát triển năng lượng tái tạo là một nỗ lực không ngừng ở Hoa Kỳ kể từkhi thực thi Đạo luật An ninh và Năng lượng Sạch Hoa Kỳ năm 2009 Hơn mười cơ sởchuyển hóa chất thải thành năng lượng đã được xây dựng để xử lý chất thải rắn đô thị

để lấy nhiên liệu từ rác thải làm nhiên liệu cho lò hơi Trên thực tế, các cơ sở này theođuổi quá trình xử lý khá toàn diện chất thải rắn đô thị và thu được nhiên liệu có chất

lượng tốt hơn so với việc khai thác năng lượng trực tiếp từ chất thải rắn đô thị trongcác cơ sở chuyển hóa chất thải thành năng lượng khác Hình 1.1 minh họa lượng nănglượng thu hồi từ chất thải rắn đô thị ở các quốc gia khác nhau Ngoài việc đạt đượcmục tiêu đầy tham vọng của họ là đáp ứng một phần mười nhu cầu điện thông quanăng lượng tái tạo [0], chất thải rắn đô thị thường được sử dụng để chất đống tại cácbãi chôn lấp sẽ được chuyển hướng làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu có nguồngốc từ rác thải Do đó, nhu cầu về nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải được ước tính sẽtăng lên đáng kể, ví dụ, khoảng 115 triệu tấn nếu nó được dự định thay thế 5% lượngthan sử dụng cho phát điện [0].

Sản xuất nhiên liệu có nguồn gốc chất thải rắn ở các quốc gia

Biểu đồ 1: Biểu đồ sản xuất nhiên liệu có nguồn gốc chất thải rắn ở các quốc giaLượng năng lượng thu hồi từ chất thải rắn đô thị thông qua các nhà máy chuyểnhóa chất thải thành năng lượng ở quốc gia được chọn Nhật Bản, Scandinavia và Thụy

Sĩ đã thu hồi hầu hết năng lượng từ chất thải rắn đô thị do ít không gian mở cho bãichôn lấp Điều này cũng có thể chỉ ra rằng Nhật Bản, Scandinavia và Thụy Sĩ có nhiềunhà máy chuyển chất thải thành năng lượng tiên tiến và hiệu quả hơn để thu hồi nănglượng từ chất thải rắn đô thị

1.1.4 Mô hình khí hóa

Các mô hình số đã được thiết lập để ước tính các tham số và kết quả quá trình tối

ưu vì việc thử và sai sẽ không hiệu quả về chi phí và tốn nhiều thời gian [0] Songsong với những tiến bộ trong lập trình kết hợp với phần cứng tính toán công nghệ cao,các mô phỏng số phức tạp và các phép tính phức tạp dễ dàng được thực hiện trong

những thập kỷ qua Mặc dù vậy, nhiều bài báo đã được xuất bản về mô hình khí hóasinh khối [0] và khí hóa nhiên liệu có nguồn gốc từ rác [0], các nỗ lực phối hợp vẫnđược yêu cầu để đóng góp những phát hiện mới vào cơ sở dữ liệu hiện có vì có vô sốloại sinh khối với các thành phần hóa học khác nhau để nâng cao độ chính xác của môhình.

Hình 1.2 Mô hình khí hoá BEEL – Beltran để xử lý chất thải sinh khối

Công nghệ chế biến của Beltran [0] để xử lý chất thải sinh khối bằng nhiệt vàtạo khí tổng hợp, bao gồm cả điện và nhiệt năng được áp dụng cho nhiều loại chất thảisinh khối, bao gồm:

- Nguyên liệu gỗ và gỗ

- Chất thải nông nghiệp như gáo dừa, vỏ cọ, v.v

- Chất cháy được thu hồi từ chất thải đô thị và chất thải công nghiệp (RDF)

- Bùn thải khô của các nhà máy xử lý nước thải

- Chất thải cao su và nhựa bao gồm chất thải lốp xe

- Chất thải hóa học và dầu

- Các vật liệu rắn không nguy hại dễ cháy khác

Hình 1.3 Nhà máy khí hóa sinh khối của Vaskiluodon Voima Oy.

Hình 1.4 Nhìn từ trên không của nhà máy Vaskiluodon Voima Vaasa

1.2 Thực trạng rác thải hiện nay tại Việt Nam

1.1.5 Tình trạng hiện nay

Có thể nói rằng, chưa bao giờ rác thải lại trở thành mối quan tâm hàng đầu của tất

cả các quốc gia trên thế giới như hiện nay Không chỉ riêng Việt Nam mà tại rất nhiềuđất nước khác, đâu đâu cũng có thể bắt gặp được hình ảnh của rác Chúng không chỉlàm ảnh hưởng đến cảnh quan tự nhiên, sức khỏe con người mà còn gây ra những thiệthại không hề nhỏ cho nền kinh tế nói chung và ngành du lịch nói riêng Có thể thấy

rằng con số về rác thải chỉ riêng tại Việt Nam đã đủ khiến chúng ta phải hoa mắt.Trong khi đó, toàn thế giới có đến 204 quốc gia và nhiều khu tự trị, vùng lãnh thổkhác Tuy không thể thống kê một cách chính xác lượng rác thải trên toàn cầu nhưngtheo ước tính, con số này có thể ở mức 4 tỷ - 5 tỷ tấn mỗi năm Trong đó, 50% là từcác nước phát triển Cụ thể, với một quốc gia chiếm 4% dân số thế giới như nước Mỹthì lượng rác thải xả ra là khoảng 246 triệu tấn.

Theo số liệu thống kê mới nhất, tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ởnước ta hiện nay khoảng 24,5 triệu tấn và chất thải rắn công nghiệp là 8,1 triệu tấn.Trong đó, rác thải nhựa, nilon hiện đang là một vấn đề khiến Chính phủ phải đau đầu.Ước tính, mỗi ngày nước ta xả ra khoảng 2.500 tấn rác thải nhựa và có từ 0,28 đến0,73 triệu tấn được xả ra đại dương Đại diện Chương trình Môi trường Liên HợpQuốc cho biết, lượng rác thải nhựa trên biển của nước ta nhiều thứ 4 thế giới, chỉ sauTrung Quốc, Indonesia và Philippines Việt Nam có tổng cộng 112 cửa biển và 80%rác thải trên biển đều trôi ra từ đây Trong đó, phần lớn đều là rác thải sinh hoạt [12]Quá trình đô thị hóa, cùng với việc tăng trưởng kinh tế và dân số một cách nhanhchóng đang tạo ra lượng chất thải ngày càng tăng cao, với khối lượng phát sinh chấtthải ở Việt Nam tăng gấp đôi trong vòng chưa đầy 15 năm Tổng lượng chất thải phátsinh trong năm 2015 ước đạt trên 27 triệu tấn Với tốc độ tăng trưởng dự báo về phátsinh chất thải rắn sinh hoạt là 8,4%/năm đối với khu vực đô thị và tổng mức độ tăng

dự báo khoảng 5% mỗi năm, tổng lượng chất thải ước trên cả nước tính tăng lên 54triệu tấn vào năm 2030 Đối với ba khu vực thuộc: tại Hà Nội, tổng lượng chất thảiước tính tăng 4,75% hàng năm lên 5,6 triệu tấn/năm vào năm 2030; tại Phú Thọ, tổnglượng chất thải dự kiến tăng hàng năm là 5,10% và đạt gần 1 triệu tấn vào năm 2030;

và tại Hải Phòng, nơi có dân số nông thôn cao hơn, tổng lượng chất thải được ước tínhgia tăng hàng năm 3,2% và đạt 1,15 triệu tấn vào năm 2030 Theo báo cáo môi trườngquốc gia năm 2011, khối lượng rác thải tại đô thị trên toàn quốc tăng trung bình 10-16

°% mỗi năm, trong đó 60-70% tổng số lượng rác thải đô thị và tại một số đô thị hoạtđộng sinh ra Khối lượng rác thải sinh hoạt phát sinh toàn quốc năm 2014 khoảng 23triệu tấn tương ứng với khoảng 63.000 tấn/ngày, trong đó rác thải hoạt động đô thịphát sinh khoảng 32.000 tấn/ngày Chỉ riêng tính tại thành phố Hà Nội và thành phố

Hồ Chí Minh, khối lượng rác thải sinh hoạt là: 6.420 tấn/ngày và 6.739 tấn/ ngày.Trong khi đó nếu tính theo địa chỉ (hay vùng phát triển kinh tế - xã hội) thì các đô thịĐông Nam Bộ có lượng rác thải sinh hoạt lớn nhất tới 6.713 tấn/ngày hoặc 2.450.245tấn/năm (chiếm 37,94 °% tổng lượng phát chất rắn sinh hoạt các đô thị loại III trở lêncủa cả nước), tiếp theo là các khu đô thị Đồng bằng sông Hồng có lượng phát rác thải

đô thị là 4.441 tấn/ngày hay 1.622.060 tấn/năm (chiếm 25,12%) Các đô thị khu vựcmiền núi Tây Bắc Bộ có lượng phát rác thải sinh hoạt đô thị thấp nhất chỉ có 69.350tấn/năm (chiếm 1,07%), tiếp theo là các đô thị thuộc các vùng Tây Nguyên, tổng lượngphát rác thải sinh hoạt đô thị là 237.350 tấn năm (chiếm 3,68%) [13]

Hình 1.5 Người dân hằng ngày phải chịu đựng nguồn rác thải ô nhiễm tại một tuyến

đường nằm trong khu Liên hợp thể thao Mỹ ĐìnhNgoài khu vực đô thị thì ở nhiều vùng nông thôn trong cả nước, không khó đểbắt

gặp những bãi rác tự phát cạnh con đường liên thôn, liên xã Thậm chí, rác thải sinhhoạt còn được người dân thiếu ý thức đóng thành bao ném xuống sông, trên các kênh,rạch, sông suối… Các loại rác này đang được thải ra môi trường nông thôn mỗi ngày

mà phần lớn là chưa qua xử lý, hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn, gây ô nhiễm môitrường Thực trạng đó đang gióng lên hồi chuông cảnh báo tình trạng ô nhiễm môitrường nghiêm trọng ở nhiều vùng nông thôn trong cả nước

Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho thấy, lượng chất thải sinhhoạt nông thôn trong cả nước khoảng 32.000 tấn/ngày Tỷ lệ thu gom còn thấp, trungbình đạt khoảng 40 - 50% so với lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh Tỷ lệ thu gomchất thải rắn sinh hoạt tại các vùng nông thôn ven đô hoặc các thị trấn, thị tứ cao hơn

tỷ lệ thu gom chất thải rắn sinh hoạt tại các vùng sâu, vùng xa Hiện có khoảng 71%chất thải rắn sinh hoạt vẫn chủ yếu được xử lý theo hình thức chôn lấp, chỉ 16% được

xử lý tại các nhà máy chế biến sản xuất phân và 13% được xử lý bằng phương phápđốt [14]

1.1.6 Chủ trương của nhà nước

Ngày 7/5/2018, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 491/QĐ-TTg về việc phêduyệt điều chỉnh Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025,tầm nhìn đến năm 2050, trong đó, có yêu cầu rõ việc đầu tư xây dựng mới cơ sở xử lýchất thải rắn sinh hoạt ở nông thôn phải bảo đảm tỷ lệ chôn lấp sau xử lý không quá20% Các địa phương áp dụng công nghệ tốt, hiện đại, thân thiện với môi trường để xử

lý chất thải nông thôn

Việt Nam có điều kiện khí hậu để phát triển nhiều loại cây làm nguyên liệu chonhiên liệu sinh học, có nhiều loại sinh khối, thế mạnh để phát triển nguồn nhiêu liệunày Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp), phế phẩmlâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ), giấy vụn, metan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải,chất thải từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm Nguyên liệu sinh khối có thểđược sử dụng ở dạng rắn, lỏng hoặc khí Trong đó gỗ là một dạng sinh khối phổ biến,hiện vẫn đang là loại chất đốt chính, được sử dụng cho đun nấu trong hộ gia đình ởnhiều nước trên thế giới Sinh khối là một dạng năng lượng - nhiên liệu có sẵn tại chỗvới tiềm năng lớn nhưng còn nhiều bất tiện trong việc sử dụng như: nhiệt trị (kJ/kg)thấp, khối lượng riêng (kg/m) nhỏ, độ ẩm cao, khi đun phát thải nhiều khói, bụi Vìvậy, để thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối hiệu quả hơn, sạchhơn, nhiều nước trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu cải tiến công nghệ đốt Từcách đốt truyền thống “đốt trực tiếp” đang được xem xét nghiên cứu để có thể dầnchuyển sang đốt gián tiếp thông qua công nghệ khi hoa Công nghệ này được xem như

là phương pháp hữu hiệu để chuyển nhiên liệu rắn sang nhiên liệu khí và được tích trữvào bình chứa để vận chuyển dễ dàng hơn, đồng thời điều chỉnh quá trình cháy để tănghiệu quả và giảm ô nhiễm với nhiên liệu khí cũng thuận lợi hơn Việc sử dụng nguyênliệu sinh khối để làm nhiên liệu thay thế được coi là tiện lợi, sạch sẽ và phù hợp hơncho các mục đích sử dụng nhiệt khác nhau, kể cả cho phát điện [15]

Tại COP26, Thủ tướng Phạm Minh Chính đã đưa ra cam kết Việt Nam phấn đấuđạt phát thải ròng bằng "0" vào năm 2050 và 2 cam kết khác có liên quan chặt chẽ đếnngành nông nghiệp là: cam kết tham gia sáng kiến “Giảm phát thải khí methan toàncầu” và cam kết thực hiện “Tuyên bố Glasgow về rừng và sử dụng đất” [16]

Hình 1.6 Thủ tướng Phạm Minh Chính phát biểu tại Hội nghị Thượng đỉnh khí hậu

trong khuôn khổ Hội nghị lần thứ 26 (COP26)

1.3 Biện pháp xử lý rác thải

1.1.7 Đốt rác trực tiếp

Hình 1.7 Đốt rác trực tiếp bằng lòĐốt rác là quá trình phản ứng hoá học do nhiệt tạo thành trong đó Carbon,Hydrogen và các nguyên tố khác có trong rác kết hợp với oxi không khí để tạo ra sảnphẩm Oxi hóa hoàn toàn và tạo ra nhiệt Quá trình xử lý chất thải nhiệt độ cao cònđược gọi là "xử lý nhiệt" Việc đốt các vật liệu thải sẽ biến đổi chất thải thành tro, khí

lò và nhiệt Tro phần lớn được hình thành bởi các thành phần vô cơ của chất thải, và

có thể dưới dạng khối rắn hoặc hạt mang theo khí lò Khí thải phải được làm sạch cácchất ô nhiễm và các tạp chất trước khi chúng được phân tán vào khí quyển Trong một

số trường hợp, nhiệt phát sinh từ quá trình đốt có thể được sử dụng để tạo ra điện năng.[16]

Xử lý chất thải bằng phương pháp thiêu đốt mang lại ý nghĩa quan trọng trongviệc giúp làm giảm bớt chất thải cho khâu xử lý cuối cùng là chôn lấp tro, xỉ Mặtkhác, năng lượng phát sinh trong quá trình thiêu đốt có thể tận dụng cho các lò hơi, lòsưởi hoặc các ngành công nghiệp cần nhiệt và phát điện Mỗi lò đốt cần phải đượctrang bị một hệ thống xử lý khí thải nhằm khống chế ô nhiễm không khí do quá trìnhđốt có thể gây ra

- Ưu điểm

 Dễ vận hành

 Dễ thi công lắp đặt

 Tận dụng được lượng tro thải

 Không tốn thời gian xử lý phân loại chất thải trước khi đốt

 Giảm diện tích chôn lấp sau khi đốt

 Giảm 90 – 95% thể tích và khối lượng chất thải

- Nhược điểm

 Gây ô nhiễm môi trường

 Tạo khí thải nhà kính

 Hiệu suất sử lý chưa cao

1.1.8 Ủ rác thu hồi khí biogas

Hình 1.8 Ủ rác thu hồi khí biogas tại Bình Dương

Khí biogas là một hỗn hợp các chất khí được sản sinh trong môi trường kín khí(môi trường trong hầm biogas phải tuyệt đối đảm bảo độ kín).

Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130, nên nó có khả năng chống kích nổ tốt

Vì thế nó có thể dùng trên động cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt Tuynhiên biogas có chứa CO2, một tạp chất làm giảm tốc độ lan tràn màn lửa và giảmnhiệt trị nhiên liệu, ảnh hưởng đến tính năng của động cơ Trong khi đó hydrogen lànhiên liệu có tốc độ cháy cao Tốc độ lan tràn màn lửa của hydrogen đạt 230 cm/s, lớngần gấp 6 lần tốc độ lan tràn màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) nên khi phối hợp vớibiogas nó sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy của động cơ biogas [17]

- Ưu điểm

 Không gây ô nhiễm môi trường

 Đơn giản, dễ dàng thực hiện

- Nhược điểm

 Giá thành cao

 Tốn diện tích đất

 Chất lượng biogas không tốt

 Khó khăn trong việc lưu trữ

1.1.9 Các công nghệ khí hóa ở nước ta

- Công nghệ khí hóa sinh khối dân sinh CCS

- Công nghệ khí hóa sinh khối dự án BEST

- Công nghệ khí hóa sinh khối liên tục theo thể tích Volumetric Continuous BiomassGasification - VCBG

Hình 1.9 Những mô hình khí hoá ứng dụng với quy mô nhỏ

Hình 1.10 Thiết bị khí hóa sinh khối theo mẻ quy mô trung bình

Hình 1.11 Bếp khí hóa Tinh TếNhìn chung tại Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về nhiên liệu khíhoá nhưng thực chất chưa được áp dụng rộng rãi và phổ biến đi kèm theo đó là giáthành khá cao Dường như mọi người đều chưa hiểu biết và sẵn sàng sử dụng côngnghệ khí hoá

1.4 Phát thải ưu điểm của khí hóa

Đặc trưng, các quy trình dựa trên khí hóa để sản xuất điện dẫn đến phát thải cácchất ô nhiễm thấp hơn nhiều so với đốt than thông thường Điều này có thể bắt nguồn

từ sự khác biệt cơ bản giữa khí hóa và đốt cháy: trong quá trình đốt, không khí vànhiên liệu được trộn lẫn, đốt cháy và sau đó cạn kiệt ở gần áp suất khí quyển, trong khitrong quá trình khí hóa oxy thường được cung cấp cho bộ khí hóa và chỉ đủ nhiên liệuđược đốt cháy để cung cấp đun nóng để khí hóa phần còn lại Vì không khí chứa mộtlượng lớn nito cùng với một lượng nhỏ các khí khác không cần thiết trong phản ứngcháy, nên khí cháy ít đậm đặc hơn khí tổng hợp được tạo ra từ cùng một loại nhiênliệu Do đó, các chất ô nhiễm trong khí thải đốt cháy có nồng độ thấp hơn nhiều so vớikhí tổng hợp, nên khó loại bỏ chúng Hơn thế nữa, khí hóa thường được vận hành ở ápsuất cao (so với quá trình đốt cháy ở gần môi trường xung quanh) Những lợi thế vốn

có trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm khí tổng hợp trước khi sử dụng khí tổnghợp xuất hiện như sau:

Nồng độ tương đối cao của các loài ô nhiễm và tiền chất của các loài ô nhiễm(đáng chú ý nhất là hydro sulfua (H2S) trong khí tổng hợp sẽ tạo thành ôxít lưu huỳnh(SOx) khi đốt khí tổng hợp), so với nồng độ thấp hơn nhiều sẽ được tìm thấy trong khíthải đốt cháy, cải thiện gỡ bỏ;

- Vận hành bộ khí hóa áp suất cao làm giảm đáng kể thể tích khí cần xử lý;

- Việc chuyển hóa H2S thành lưu huỳnh nguyên tố (hoặc axit sunfuric) về mặt kỹ thuật

dễ dàng và kinh tế hơn nhiều so với việc thu giữ và chuyển đổi SO2 thành các sảnphẩm phụ bán được;

- Các dòng quá trình nhiệt độ và áp suất cao hơn liên quan đến quá trình khí hóa chophép loại bỏ carbon dioxide (CO2) dễ dàng hơn để lưu trữ địa chất hoặc để bán nhưmột sản phẩm phụ;

- Các ngành công nghiệp dầu khí đã có kinh nghiệm thương mại đáng kể trong việcloại bỏ hiệu quả các khí axit (H2S và CO2) và các hạt từ khí tự nhiên

- Loại bỏ các chất ăn mòn và mài mòn ngăn ngừa thiệt hại tiềm ẩn đối với các thiết bịchuyển đổi như tua-bin khí, do nhiễm bẩn, ăn mòn hoặc xói mòn vật liệu

1.5 Kết luận thực tiễn

Tương lai của ứng dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải trên quy mô toàncầu dường như là một triển vọng đầy hứa hẹn khi xét đến độ chính xác và độ tin cậycủa thiết kế mô hình và sản lượng công nghiệp/ thử nghiệm thời gian thực, được bổsung thêm bởi tính cấp thiết trong việc giải quyết một trong những cuộc khủng hoảngmôi trường sắp xảy ra của nhân loại Tuy nhiên, có một số thách thức cần được giảiquyết để đảm bảo việc áp dụng công nghệ này trên toàn thế giới một cách hợp lý vàcông bằng Hiện nay, việc phát triển các cơ sở nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải tậptrung ở các nước lớn như Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản và Ấn Độ Sự chuyểnđổi kinh tế và xã hội xảy ra ở các quốc gia khác cũng làm gia tăng các vấn đề về chấtthải rắn đô thị đối với các quốc gia tương ứng [0] Các quốc gia châu Phi cận Saharađược dự đoán sẽ đạt được số lượng dân số cao hơn đáng kể so với phần còn lại của thếgiới, đặt họ vào vị trí độc nhất để tận dụng triệt để việc thiết lập các cơ sở nhiên liệu cónguồn gốc từ rác thải để giải quyết cơn ác mộng quản lý chất thải rắn đô thị sắp tới.Hơn nữa, sự phát triển của công nghệ nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải và thươngmại hóa công nghệ sau đó đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập khái niệmkinh tế tuần hoàn trong các khía cạnh quản lý chất thải Nền kinh tế tuần hoàn đượcđịnh nghĩa là sự biến đổi hàng hóa có tuổi thọ đã hoàn thành thành tài nguyên để tái sửdụng, do đó khép lại vòng lặp trong hệ sinh thái công nghiệp đồng thời giảm thiểu chất

thải [0] Do đó, việc phát triển các cơ sở nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải ở các quốcgia phát triển và đang phát triển cũng như giữa các khu vực thành thị và nông thôn đặt

ra những thách thức đặc biệt

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.6 Giới thiệu khí hóa

Khí hóa là một quá trình công nghệ có thể chuyển đổi bất kỳ nguyên liệu thô(gốc cacbon) nào như than đá thành khí nhiên liệu, còn được gọi là khí tổng hợp Quátrình khí hóa xảy ra trong thiết bị khí hóa, nói chung là một bình có nhiệt độ/ áp suấtcao, nơi oxy (hoặc không khí) và hơi nước tiếp xúc trực tiếp với than hoặc nguyên liệucung cấp khác, gây ra một loạt phản ứng hóa học xảy ra chuyển đổi thành phần nguyênliệu thành khí tổng hợp và tro/ xỉ (cặn khoáng) Syngas được gọi như vậy vì lịch sửcủa nó là chất trung gian trong sản xuất khí tự nhiên tổng hợp Được cấu tạo chủ yếu

từ các khí không màu, không mùi, rất dễ cháy carbon monoxide (CO) và hydro (H2),khí tổng hợp có nhiều cách sử dụng Khí tổng hợp có thể được chuyển đổi (hoặcchuyển dịch) thành không gì khác ngoài hydro và carbon dioxide (CO2) bằng cáchthêm hơi nước và phản ứng trên chất xúc tác trong lò phản ứng chuyển hóa nước-khí.Khi hydro bị đốt cháy, nó không tạo ra gì ngoài nhiệt và nước, dẫn đến khả năng tạo rađiện mà không có carbon dioxide trong khí thải Hơn nữa, hydro được tạo ra từ than đáhoặc các nhiên liệu rắn khác có thể được sử dụng để lọc dầu hoặc tạo ra các sản phẩmnhư amoniac và phân bón Quan trọng hơn, khí tổng hợp được làm giàu hydro có thểđược sử dụng để sản xuất xăng và nhiên liệu diesel Các nhà máy đa năng tạo ra nhiềusản phẩm có thể duy nhất với các công nghệ khí hóa Carbon dioxide có thể được thugiữ một cách hiệu quả từ khí tổng hợp, ngăn chặn sự phát thải khí nhà kính của nó vàokhí quyển và cho phép sử dụng nó (chẳng hạn như để thu hồi dầu tăng cường) hoặclưu trữ an toàn

Khí hóa cung cấp một giải pháp thay thế cho các cách thức chuyển đổi nguyênliệu thô như than đá, sinh khối và một số dòng thải thành điện năng và các sản phẩmhữu ích khác Những lợi thế của khí hóa trong các ứng dụng và điều kiện cụ thể, đặcbiệt là trong sản xuất điện sạch từ than, có thể khiến nó ngày càng trở thành một phầnquan trọng của thị trường năng lượng và công nghiệp thế giới Giá cả ổn định vànguồn cung cấp than dồi dào trên khắp thế giới khiến nó trở thành lựa chọn nguyênliệu chính cho các công nghệ khí hóa trong tương lai Thị trường vị trí của công nghệliên quan đến nhiều yếu tố kinh tế - công nghệ và chính trị, bao gồm chi phí, độ tincậy, tính khả dụng và khả năng bảo trì, cân nhắc về môi trường, hiệu quả, nguồn cungcấp và tính linh hoạt của sản phẩm, an ninh năng lượng quốc gia, nhận thức và chínhsách của chính phủ và cộng đồng, và cơ sở hạ tầng sẽ quyết định liệu quá trình khí hóa

có phát huy hết tiềm năng thị trường của nó hay không

Hình bên dưới là một mô tả của quá trình khí hóa than, mô tả cả tính linh hoạtcủa nguyên liệu đầu vào vốn có trong quá trình khí hóa, cũng như nhiều loại sản phẩm

và tính hữu dụng của công nghệ khí hóa

Hình 2.1 Mô tả quá trình khí hóa thanKhí hóa là một quá trình oxy hóa từng phần Thuật ngữ oxy hóa từng phần làmột thuật ngữ tương đối có nghĩa đơn giản là lượng oxy được sử dụng trong quá trìnhkhí hóa ít hơn mức cần thiết cho quá trình đốt cháy (tức là đốt cháy hoặc oxy hóa hoàntoàn) cùng một lượng nhiên liệu Quá trình khí hóa thường chỉ sử dụng 25 đến 40%chất ôxy hóa lý thuyết (ôxy nguyên chất hoặc không khí) để tạo ra đủ nhiệt để khí hóaphần nhiên liệu chứa ôxy hóa còn lại, tạo ra khí tổng hợp Các sản phẩm dễ cháy chínhcủa quá trình khí hóa là carbon monoxide (CO) và hydro (H2), chỉ một lượng nhỏcarbon bị oxy hóa hoàn toàn thành carbon dioxide (CO2) và nước Nhiệt giải phóng doquá trình oxy hóa một phần cung cấp hầu hết năng lượng cần thiết để phá vỡ các liênkết hóa học trong nguyên liệu, để thúc đẩy các phản ứng khí hóa thu nhiệt khác và tăngnhiệt độ của các sản phẩm khí hóa cuối cùng

2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản

Khí hóa là một quá trình oxy hóa từng phần Thuật ngữ oxy hóa từng phần là mộtthuật ngữ tương đối có nghĩa đơn giản là lượng oxy được sử dụng trong quá trình khíhóa ít hơn mức cần thiết cho quá trình đốt cháy (tức là đốt cháy hoặc oxy hóa hoàntoàn) cùng một lượng nhiên liệu Quá trình khí hóa thường chỉ sử dụng 25 đến 40%chất ôxy hóa lý thuyết (ôxy nguyên chất hoặc không khí) để tạo ra đủ nhiệt để khí hóa

phần nhiên liệu chứa ôxy hóa còn lại, tạo ra khí tổng hợp Các sản phẩm dễ cháy chínhcủa quá trình khí hóa là carbon monoxide (CO) và hydro (H2), chỉ một lượng nhỏcarbon bị oxy hóa hoàn toàn thành carbon dioxide (CO2) và nước Nhiệt giải phóng doquá trình oxy hóa một phần cung cấp hầu hết năng lượng cần thiết để phá vỡ các liênkết hóa học trong nguyên liệu, để thúc đẩy các phản ứng khí hóa thu nhiệt khác và tăngnhiệt độ của các sản phẩm khí hóa cuối cùng.

2.1.2 Phản ứng và biến đổi

Hóa học của khí hóa khá phức tạp và được thực hiện thông qua một loạt các biếnđổi vật lý và phản ứng hóa học trong khí hóa Một số phản ứng hóa học chính được thểhiện trong sơ đồ dưới đây Trong thiết bị khí hóa, nguyên liệu nạp cacbon trải qua một

số quá trình và/ hoặc phản ứng khác nhau:

Mất nước - Bất kỳ hàm lượng nước tự do nào trong nguyên liệu nạp sẽ bay hơi,

để lại vật liệu khô và hơi nước hình thành có thể tham gia vào các phản ứng hóa họcsau này

Nhiệt phân - Điều này xảy ra khi nguyên liệu nạp tiếp xúc với nhiệt độ tăng trong

bộ khí hóa Quá trình phân hủy và phá vỡ các liên kết hóa học yếu hơn xảy ra, giảiphóng các khí dễ bay hơi như hơi hắc ín, mêtan và hydro, cùng với việc tạo ra than cótrọng lượng phân tử cao sẽ trải qua các phản ứng khí hóa

Đốt cháy - Các sản phẩm dễ bay hơi và một số than phản ứng với lượng oxy hạnchế để tạo thành carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), và làm như vậy, cungcấp nhiệt cần thiết cho các phản ứng khí hóa tiếp theo

Khí hóa - Các than còn lại phản ứng với CO2 và hơi nước để tạo ra CO và hydro

Sự chuyển dịch nước-khí và quá trình metan hóa - Đây là những phản ứng phakhí thuận nghịch riêng biệt diễn ra đồng thời dựa trên các điều kiện khí hóa Đây lànhững phản ứng nhỏ đóng một vai trò nhỏ trong thiết bị khí hóa Tùy thuộc vào sảnphẩm mong muốn, khí tổng hợp có thể trải qua quá trình chuyển đổi nướckhí và quátrình methanat hóa ở hạ nguồn từ các thiết bị khí hóa

Hình 2.2 Các phản ứng biến đổi trong quá trình khí hóaCác phản ứng hóa học của quá trình khí hóa có thể tiến triển đến các mức độkhác nhau tùy thuộc vào các điều kiện khí hóa (như nhiệt độ và áp suất) và nguyên liệuđầu vào được sử dụng Phản ứng đốt cháy diễn ra trong một quá trình khí hóa, nhưng

so với quá trình đốt cháy thông thường sử dụng lượng chất oxy hóa dư đo phân tử, quátrình khí hóa thường sử dụng một phần năm đến một phần ba chất oxy hóa lý thuyết.Điều này chỉ làm oxy hóa một phần nguyên liệu cacbon Là một quá trình "oxy hóatừng phần", các sản phẩm dễ cháy chính của quá trình khí hóa là carbon monoxide(CO) và hydro, chỉ một phần nhỏ carbon bị oxy hóa hoàn toàn thành carbon dioxide(CO2) Nhiệt tạo ra bởi quá trình oxy hóa một phần cung cấp hầu hết năng lượng cầnthiết để thúc đẩy các phản ứng khí hóa thu nhiệt

Trong quá trình khí hóa, các phản ứng hóa học chính là những phản ứng liênquan đến cacbon, CO, CO2, hydro (H2), nước (hơi nước) và metan (CH4), như sau:

Các phản ứng đốt cháy:

2 CO + ½ O2 → CO2 (-283 MJ/kmol) (1.2)

3 H2 + ½ O2 → H2O (-242 MJ/kmol) (1.3)Các phản ứng khí hóa quan trọng khác bao gồm:

4 C + H2O ↔ CO + H2 “Phản ứng nước – khí” (+131 MJ/kmol) (1.4)

5 C + CO2 ↔ 2CO “Phản ứng Boudouard” (+172 MJ/kmol) (1.5)

6 C + 2H2 ↔ CH4 “Phản ứng Methanation” (-75 MJ/kmol) (1.6)