tìm hiểu về công nghệ sản xuất etanol từ khí thải nhà máy thép của công ty lanzatech ltd

Quá trình tiên phong này được gọi là "gas fermentation",trong đó các vi khuẩn đặc biệt được sử dụng để lên men các khí thải thành các sản phẩmcó giá trị.Với sứ mệnh xây dựng một nền công

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC

Học phần Điều khiển quá trình

Tìm hiểu về Công nghệ sản xuấtetanol từ khí thải nhà máy thép

của công ty LanzaTech Ltd.

Hà Nội, tháng 6 năm 2023

Mục lục

1 Tổng quan công nghệ và giới thiệu về nhà máy 2

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ sản xuất 2

1.2 Về tập đoàn LanzaTech Global 2

1.3 Tổng quan về quy trình và thiết kế 3

1.3.1 Thu thập khí thải từ nhà máy thép 4

1.3.7 Sơ đồ khối tổng quan 5

2 Quy trình sản xuất etanol từ khí thải nhà máy thép 62.1 Lưu đồ P&ID 6

2.2 Khuấy trộn nguyên liệu, nuôi vi khuẩn 6

2.3 Quá trình lên men và tạo etanol 6

3 Thiết bị phần cứng - Reactor 93.1 Tổng quan về Airlift reactor 9

3.2 Vai trò của OKTOP®9000 airlift reactor 9

3.3 Cấu tạo 10

Chương 1

Tổng quan công nghệ và giới thiệu vềnhà máy

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ sản xuất

Đến năm 2017, hầu hết khí thải công nghiệp đều được đốt cháy hoặc thải ra không khí Tuynhiên, các khí thải này được tạo ra bởi nhà máy lọc dầu, nhà máy giấy, nhà máy điện vànhà máy sản xuất thép có tiềm năng để chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị Lên menkhí là một phương pháp mới trong việc thu hồi và tái sử dụng carbon, giải quyết vấn đề này.Nó sử dụng các dòng vi khuẩn cụ thể có thể sinh sống trên các khí giàu carbon monoxidevà chuyển đổi chúng thành các hợp chất và nhiên liệu hữu ích Quá trình này cho phép sảnxuất liên tục các nhiên liệu sinh học bền vững ở quy mô lớn, đưa ra một lựa chọn hấp dẫnthay thế cho việc chưa tận dụng đầy đủ các nguồn carbon này.

Một số công ty/ tập đoàn đã áp dụng công nghệ trên

1.2 Về tập đoàn LanzaTech Global

LanzaTech Global là một công ty công nghệ tiên phong và định hướng bền vững có trụ sởtại Chicago, Illinois, là một công ty công nghệ tiên phong trong lĩnh vực tái chế và sử dụnglại khí thải công nghiệp Thành lập vào năm 2005, với mục tiêu giảm thiểu tác động củangành công nghiệp lên môi trường, LanzaTech đã phát triển các giải pháp đột phá nhằmbiến đổi các khí thải độc hại thành nguồn tài nguyên có giá trị.

Công nghệ độc quyền của LanzaTech cho phép chuyển đổi các khí thải như khí CO, CO2 vàhơi nước từ các nguồn như nhà máy lọc dầu, nhà máy thép và nhà máy giấy thành nhiên liệuvà sản phẩm hóa học bền vững Quá trình tiên phong này được gọi là "gas fermentation",trong đó các vi khuẩn đặc biệt được sử dụng để lên men các khí thải thành các sản phẩmcó giá trị.

Với sứ mệnh xây dựng một nền công nghiệp sạch hơn và bền vững, LanzaTech đã tạo ra mộtmô hình kinh doanh thành công, kết hợp giữa tiên phong công nghệ và bền vững kinh tế.Công ty đã thiết lập các đối tác chiến lược và dự án trên toàn cầu, góp phần tạo ra nhữngthay đổi tích cực đối với cả môi trường và ngành công nghiệp LanzaTech Global đang dẫnđầu trong việc xây dựng một tương lai tươi sáng, nơi các khí thải công nghiệp không còn làvấn đề mà trở thành nguồn tài nguyên tái tạo.

Hình 1.1: Minh họa công nghệ trên trang chủ của LanzaTech

Công nghệ của LanzaTech đã được triển khai tại năm cơ sở công nghiệp với hơn 40.000giờ hoạt động sử dụng khí thải từ nhà máy thép (BlueScope Steel, New Zealand; ShougangSteel, Trung Quốc; BaoSteel, Trung Quốc; China Steel, Đài Loan) và khoảng 30.000 giờ sửdụng khí tổng hợp từ quá trình khí hóa chất thải công nghiệp (Sekisui, Nhật Bản).

1.3 Tổng quan về quy trình và thiết kế

Quá trình chuyển đổi khí thải của nhà máy thép thành etanol là một quá trình mới mẻ vàcó khá ít thông tin được công bố Tuy nhiên, sử dụng lên men khí để thu được etanol và cácsản phẩm khác từ sinh khối là một kỹ thuật đã được phát triển và được sử dụng rộng rãiở Brazil và Hoa Kỳ Sự khác biệt duy nhất cần xem xét là quá trình chuyển đổi sinh khốithành etanol đòi hỏi một bước tiền xử lý bổ sung để chuyển đổi nguyên liệu thô thành khítổng hợp, một quá trình được biết đến là khí hóa Hình dưới đây mô tả một cái nhìn kháiniệm về quá trình chuyển đổi này, theo các nhà máy lọc sinh học tích hợp của Coskata.

Hình 1.2: Quá trình chuyển đối khí thải thành etanol

Chu trình làm việc của quá trình sản xuất khí etanol từ khí thải của nhà máy thép có thểđược mô tả như sau:

Công nghệ sản xuất etanol từ khí thải nhà máy thép của công ty LanzaTech Ltd

1.3.1 Thu thập khí thải từ nhà máy thép

Khí thải, chứa các thành phần như CO (carbon monoxide), CO2 (carbon dioxide), H2(hydrogen), và các chất hữu cơ khác, được thu thập từ quá trình sản xuất thép.

1.3.2 Xử lý tiền xử lý khí thải

Khí thải được xử lý tiền xử lý để loại bỏ các tạp chất, hợp chất không mong muốn và cácchất gây ô nhiễm khác Quá trình này có thể bao gồm các bước như làm sạch, loại bỏ bụi,và xử lý hóa học.

Trước khi khí thải từ lò có thể được chuyển đổi thành ethanol, một số công đoạn chuẩn bịtrước cần được thực hiện Quy trình này bao gồm hai hoạt động chính được thực hiện theothứ tự sau:

• Rửa khí: giảm mật độ hạt bụi để tránh các vấn đề cơ học trong thiết bị

• Tiền xử lý khí: đạt được nhiệt độ và áp suất cần thiết để quá trình lên men diễn rahiệu quả Áp suất được tăng bằng một máy nén để cải thiện tốc độ truyền khối khí- chất lỏng, trong khi nhiệt độ được giảm bằng cách sử dụng một bộ trao đổi nhiệtđến giá trị tối ưu cho vi khuẩn hoạt động Áp suất tối ưu cho dòng khí vào bioreactorsẽ được nghiên cứu bằng cách sử dụng công cụ phân tích cảm biến từ Aspen Plus ®Trong khi đó, nhiệt độ được thiết lập theo yêu cầu của vi khuẩn.

1.3.3 Lên men khí

Khí thải tiền xử lý được đưa vào quá trình lên men khí, trong đó các vi sinh vật như vikhuẩn hoặc nấm men được sử dụng để chuyển đổi các thành phần chính trong khí thải thànhetanol Quá trình lên men khí xảy ra trong các bể lên men hoặc trong các bioreactor đặcbiệt.

1.3.4 Quá trình lên men và tạo etanol

Trong quá trình lên men, vi sinh vật sử dụng các thành phần trong khí thải, như CO vàH2, để tiến hành quá trình lên men và sản xuất etanol Các sản phẩm phụ khác cũng có thểđược tạo ra trong quá trình này.

Quá trình lên men là bước quan trọng nhất trong quá trình Nó diễn ra trong một bioreactor,nơi môi trường lỏng chứa vi khuẩn tiếp xúc với syngas nén Hiệu quả của sự tiếp xúc giữacác pha là điều quyết định sự sinh lợi của dự án và việc mở rộng quy mô để đáp ứng nhucầu công nghiệp Điều này xuất phát từ tính kém hòa tan của CO và H2 (28 và 1,6 mg/L ở1 atm và 293 K), dẫn đến sự kháng cự truyền khối cao giữa pha lỏng và pha khí Do đó, rấtquan trọng để chú ý đặc biệt đến thiết kế bioreactor và các thông số xử lý khí, nhằm đạtđược tốc độ truyền khối hiệu quả để đảm bảo quá trình sinh lợi kinh doanh ở quy mô côngnghiệp Các thông số này bao gồm: sự xao lạc, phân mảnh bọt, áp suất riêng của CO và H2và thời gian lưu khí

1.3.5 Tách sản phẩm

Sau quá trình lên men, etanol và các chất còn lại trong hỗn hợp khí được tách ra Cácphương pháp như cô lập, cô đặc và chưng cất có thể được sử dụng để tách etanol khỏi cácthành phần khác và thu được etanol tinh khiết.

Quá trình chưng cất thông thường được sử dụng để tách các hỗn hợp chứa etanol, nước vàcác sản phẩm lên men khác Nhược điểm chính của công nghệ này là nó là một hoạt độngtốn năng lượng, và do đó có thể tốn kém Tuy nhiên, chi phí tách sản phẩm dự kiến sẽ nhỏhơn chi phí lên men, do đó các công nghệ khác chưa được nghiên cứu kỹ như khử khí, chiếtly, công nghệ pervaporation và chưng cất chân không bị bỏ qua Hơn nữa, năng lượng đượctạo ra trong quá trình lên men (lưu ý rằng tất cả các phản ứng đều là exothermic) có thểtiềm năng được sử dụng trong cột chưng cất như một phần của quy trình tích hợp nhiệt,giảm chi phí hoạt động.

Sản phẩm chân đáy chứa chủ yếu nước, axit axetic và vi khuẩn được tái chế trở lại bể phảnứng sau khi loại bỏ vi khuẩn và thải bỏ Đối với việc loại bỏ vi khuẩn,sử dụng các màng lọctiêu chuẩn như màng lọc vi mô

1.3.6 Thu sản phẩm etanol

Cuối cùng, sau quá trình tách, etanol tinh khiết được thu được như sản phẩm cuối cùng.Etanol này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như nhiên liệu, công nghiệp hóa chấthoặc sản xuất các sản phẩm tiếp theo.

1.3.7 Sơ đồ khối tổng quan

Sơ đồ đã được xây dựng dựa trên việc đánh giá tài liệu và mục tiêu thiết kế một quy trìnhlên men khí hiệu quả và ổn định, khả thi ở quy mô công nghiệp Việc mục tiêu này được đạtđược hay không sẽ được xác minh dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích kinh tế.

Hình 1.3: Sơ đồ khối chu trình sản xuất etanol

Chương 2

Quy trình sản xuất etanol từ khí thảinhà máy thép

2.1 Lưu đồ P&ID

Lưu đồ P&ID của quá trình được thể hiện như hình 2.1

2.2 Khuấy trộn nguyên liệu, nuôi vi khuẩn

• Đầu tiên, các nguyên liệu gồm: vi khuẩn, chất dinh dưỡng và nước được đổ vào bểkhuấy V-101 và khuấy trộn Lượng vi khuẩn và dinh dưỡng được cấp vào bể khuấyđược điều khiển bằng các van tuyến tính thông qua tín hiệu được gửi từ thiết bị chỉthị và kiểm soát số lượng (QIC/1,2) mạch vòng 1,2 đặt tại trung tâm điều khiển.• Đồng thời, bộ biến đổi mức (LT) vòng 1 đạt tại trung tâm sẽ gửi một tín hiệu điện

đến thiết bị hiển thị chia sẻ chỉ thị và kiểm soát mức hỗn hợp mạch vòng 1 (LIC/1)đặt tại trung tâm điều khiển được nối nội bộ hệ thống với thiết bị chia sẻ chỉ thị vàđiều khiển lưu lượng mạch vòng 1 đặt tại trung tâm điều khiển (FIC/1) Từ đó, hệthống điều khiển lưu lượng nước cấp vào bằng van tuyến tính thông qua tín hiệu điềukhiển từ thiết bị FIC/1.

• Trong quá trình khuấy trộn, bể khuấy sẽ sinh ra một nhiệt lượng khá lớn nên bộ biếnđổi nhiệt độ mạch vòng 1 đặt tại điều khiển trung tâm (TT/1) sẽ gửi tín hiệu điệnđến thiết bị chia sẻ chỉ thị và và kiểm soát nhiệt độ mạch vòng 1 đặt tại trung tâmđiều khiển (TIC/1) để từ đó điều khiển lượng nước làm mát đi qua thành bể và sauđó được thải ra ngoài để tái chế.

2.3 Quá trình lên men và tạo etanol

• Sau khi khuấy trộn xong, hỗn hợp từ bể khuấy sẽ được đưa ra vào lò phản ứng ALR(R-101) bằng bơm P-102 Lưu lượng của hỗn hợp đó được đo bởi thiết bị biến đổi lưulượng mạch 1 đặt tại trung tâm điều khiển (FT/1) và FT/1 sẽ gửi tín hiệu điện đếnthiết bị chia sẻ chỉ thị và và kiểm soát lưu lượng mạch vòng 2 đặt tại trung tâm điềukhiển để điều khiển van tuyến tính điều khiển lưu lượng hỗn hợp.

Hình 2.1: Lưu đồ P&ID quá trình sản xuất etanol

Công nghệ sản xuất etanol từ khí thải nhà máy thép của công ty LanzaTech Ltd• Nước sau khi được làm mát sẽ được tái chế bằng việc bơm P-101 bơm nước tái chế

vào ALR Lưu lượng nước tái chế đươc đo bằng thiết bị biến đổi lưu lượng mạch vòng2 đặt tại trung tâm điều khiển (FT/2) Lúc này có hai trường hợp xảy ra:

– Lưu lượng nước tái chế không đủ để bơm vào cột chưng cất: Lúc này, tín hiệuđiện từ FT/2 sẽ gửi đồng thời cho thiết bị chia sẻ chỉ thị và điều khiển lưu lượngmạch 3 và 4 đặt tại trung tâm điều khiển (FIC/3,4) -> điều khiển van đóngvà mở van để cấp nước bên ngoài vào.

– Lưu lượng nước tái chế thừa so với tính toán hệ thống: tín hiệu điện từ FT/2 sẽgửi đồng thời cho thiết bị FIC/3,4 -> điều khiển van đóng và mở van đểthải bớt một phần nước ra ngoài.

• Khí tổng hợp được đưa vào máy nén (C-101), áp suất khí hỗn hợp đi ra từ máy nénđược đo bằng thiết bị biến đổi áp suất mạch vòng 1 đặt tại trung tâm điều khiển(PT-1) Tín hiệu điện từ PT/1 sẽ gửi về thiết bị chia sẻ chỉ thị và và kiểm soát áp suấtmạch vòng 1 đặt tại trung tâm điều khiển ( PIC/1) và từ đó gửi tín hiệu đến thiết bịtự chọn (M) đặt tại hiện trường để điều khiển máy nén.

• Sau khi ra khỏi máy nén, khí tổng hợp sẽ đc đưa vào máy làm mát E-101 do sau khinén thì nhiệt độ của khí nén sẽ tăng lên Để làm mát được khí nén, nhiệt độ của khínén qua máy làm mát được đo bằng thiết bị biến đổi nhiệt độ mạch vòng 2 đặt tạitrung tâm điều khiển (TT/2) và sẽ gửi tí hiệu điện đến thiết bị chia se chỉ thị và vàkiểm soát nhiệt độ mạch vòng 2 đặt tại trung tâm điều khiển (TIC/2) -> điều khiểnvan tuyến tính cấp nước làm mát cho máy làm mát Khí sau khi được làm mát sẽ đượcđưa vào ALR.

• Tại ALR khi lò ALR hoạt động, bộ ba biến đổi nhiệt độ mạch vòng 3,4,5 đặt tại trungtâm điều khiển (TT/3,4,5) gửi tín hiệu điện đến thiết bị tính toán nhiệt độ mạch vòng1 đặt tại trung tâm điều khiển (TY/1) với chức năng tính toánP Tín hiệu điện từTY/1 được truyền đến thiết bị chia sẻ chỉ thị và điều khiển nhiệt độ mạch vòng 3 đặttại trung tâm điều khiển (TIC/3) -> điều khiển van cấp nước làm mát cho lò ALR.• Sau khi phản ứng trong lò đạt mức tiêu chuẩn, thiết bị biến đổi áp suất vòng mạch

3 đặt tại trung tâm điều khiển (PT/3) gửi tín hiệu về thiết bị chia sẻ chỉ thị và điềukhiển áp suất vòng mạch 3 đặt tại trung tâm điều khiển (PIC/3) -> điều khiển vantuyến tính xả khí vào ống thông hơi để đi vào quá trình chưng cất.

• Đồng thời, thiết bị biến đổi áp suất mạch vòng 2 đặt tại trung tâm điều khiển (PT/2)sẽ gửi tín hiệu điện về thiết bị chia sẻ chỉ thị và điều khiển áp suất mạch vòng 2 đặttại trung tâm điều khiển (PIC/2) PIC/2 nối đồng bộ dữ liệu với thiết bị chia sẻ chỉthị và điều khiển lưu lượng vòng mạch 5 đặt tại trung tâm điều khiển (FIC/5) -> điềukhiển van tuyến tính xả nước lên men.

Chương 3

Thiết bị phần cứng - Reactor

3.1 Tổng quan về Airlift reactor

Airlift reactor (ALR) là các lò phản ứng sinh học được khuấy bằng khí nén, trong đó việcbơm một dòng khí vào một ngăn lò phản ứng cụ thể, ống đứng, làm cho môi trường phảnứng lưu thông giữa ống đứng và ngăn ống đi xuống được kết nối với nhau có chứa pha khínhỏ hơn (hoặc không đáng kể) Thiết kế cụ thể này cung cấp khả năng truyền khối hiệuquả năng lượng để phân phối chất nền và loại bỏ sản phẩm mà không tạo ra độ dốc cắt caotrong môi trường canh tác Do đó, việc sử dụng ALR đặc biệt mang lại lợi nhuận trong cácứng dụng mà việc chuyển giao hiệu quả về chi phí là hết sức quan trọng (ví dụ: xử lý nướcthải và khí) Lò phản ứng sinh học Airlift ngày nay thường được sử dụng trong nhiều ứngdụng công nghiệp và môi trường

Minh họa các cấu hình airlift reactor phổ biến

Hình 3.1: Các cấu hình airlift reactor phổ biến

3.2 Vai trò của OKTOP®9000 airlift reactor

Lò phản ứng OKTOP®9000 ban đầu được phát triển để lọc trực tiếp tinh quặng kẽm trongnhững năm 1990 Ngày nay, chúng đang được sử dụng tại một số nhà máy sản xuất kẽm lớnnhất trên thế giới với thể tích lò phản ứng khoảng 1000 m3 Chuyển khối từ khí sang lỏng

Công nghệ sản xuất etanol từ khí thải nhà máy thép của công ty LanzaTech Ltdcũng là một vấn đề quan trọng trong thủy luyện do khả năng hòa tan oxy thấp và nhu cầuoxy cao Một số hoạt động thủy luyện được kiểm soát bởi tốc độ truyền oxy từ pha khí sangpha nước Do đó, lò phản ứng OKTOP®9000 được thiết kế để có khả năng truyền khối khísang chất lỏng cao và hiệu quả sử dụng oxy tốt với chi phí điện năng khuấy trộn tương đốithấp Do đó, loại lò phản ứng này cũng phù hợp cho các quá trình lên men đòi hỏi khả năngtruyền khối khí-lỏng cao.

Hình 3.2: Lò phản ứng OKTOP 9000®

Lò phản ứng OKTOP®9000 áp dụng trong ngành công nghiệp trên toàn cầu mang lại cáctính năng tích cực sau: khả năng truyền khối lượng oxy cao và hiệu quả sử dụng oxy, yêucầu công suất trộn vừa phải và thời gian trộn thấp.

Phản ứng lên men chủ yếu được điều khiển bởi bộ chuyển khối lượng xen kẽ khí-lỏng, nơi khíđược cung cấp từ đáy lò phản ứng với vận tốc phóng điện 30m/s Khí bắn vào cánh quạtvà bị phân tán bởi các lưỡi dao quay, vỡ thành các bong bóng nhỏ hơn Bản thân ống giótăng cường lưu thông trong lò phản ứng vì có dòng điện xuống được tạo ra bên trong ốngdự thảo bởi cánh quạt Vi khuẩn sử dụng khí (ví dụ như carbon dioxide) để tạo ra ethanol.Bản thân quá trình này liên tục với mức chất lỏng cố định.

3.3 Cấu tạo

Ba vách ngăn được gắn vào thành bình ở phần dưới của lò phản ứng để ngăn dòng chảy lưuthông và thúc đẩy quá trình trộn Được thiết kế bởi Outotec, máy khuấy là sự kết hợp giữacánh quạt cánh ngầm và tuabin hướng tâm Phần trên của các cánh được làm tròn để tạora dòng chảy cao và lưu thông chất lỏng bên trong lò phản ứng trong khi các phần bên dướiđược làm thẳng để phân tán và phân phối khí một cách triệt để Các góc bên ngoài của cánhquạt được cắt bớt để phù hợp với ống hút và giảm công suất của bánh công tác Độ hở củamáy khuấy là 0,33T Một vòng phun được gắn bên dưới bánh công tác Chiếc nhẫn có hìnhvuông với nắp trên có thể thay thế được đục lỗ khi cần thiết Bề mặt nắp (≈ 0,9 m2) củavòng quay được đục lỗ đều các lỗ có đường kính 1 mm.