Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI VÀ THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN KHÍ HÓA SINH KHỐI TẠI VIỆT NAM BIOMASS ENERGY AND GASIFICATION DEVELOPMENT STATUS IN VIETNAM ThS Nguyễn Văn Lành1a, TS Nguyễn Huy Bích1b, TS Bùi Ngọc Hùng1c Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh a b nvlanh@hcmuaf.edu.vn; nhbich@hcmuaf.edu.vn; chungbuingoc@gmail.com TÓM TẮT Năng lượng sinh khối nguồn lượng tái tạo không thay phần lượng hóa thạch mà xem lượng tương lai Trong nghiên cứu việc tra cứu thông tin tổng hợp phân tích liệu sử dụng, thực trạng tiềm nguồn lượng sinh khối công nghệ khí hóa sinh khối Việt Nam trình bàyvà sử dụng cho nghiên cứu hóa khí sinh khối Việt Nam Từ khóa: sinh khối, lượng hóa thạch, khí hóa ABSTRACT Biomass is considered as a renewable energy which might be not only replaced for a part of fossil energy but also could be promised as energy in the future The synthesis information and analysis data from different sources have been used in this study The present status as well as potential and future of gasification from biomass residues in Viet Nam have been presented which might be referenced for further biomass gasification research in Viet Nam Keywords: biomass, fossil energy, gasification ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, giới đặc biệt quan tâm đến cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch vấn đề nóng lên trái đất Hiện nay, sản lượng khai thác nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu, khí đốt, ) giảm dần theo dự báo đến 2050 nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt Hệ lụy việc thiếu hụt lượng tương lai tất yếu Do vậy, an ninh lượng mười vấn đề phải đối mặt loài người, quốc gia cần phải hoạch định chiến lược phát triển nguồn lượng mới, sạch, bền vững cho tương lai Nhiên liệu sinh khối (biomass) xem dạng tích trữ lượng mặt trời qua trình quang hợp thực vật động vật giai đoạn phát triển Năng lượng sinh khối xem lượng tái tạo chu trình trung lập lượng CO2 hấp thụ sản sinh gần sử dụng Vì vậy, biomass dần lên nguồn lượng thay thế, giảm thiểu áp lực ô nhiễm môi trường, bảo vệ trái đất, giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính Là nước nông nghiệp với 90 triệu dân (trong khoảng 65-70% sống nông thôn), Việt Nam có tiềm sinh khối lớn (khoảng 45 triệu tấn/năm tương đương với 15 triệu dầu/năm) từ phụ phẩm nông nghiệp rơm rạ, trấu, cây, cùi bắp…từ sản phẩm trình khai thác lâm nghiệp hay chế biến thực phẩm củi, cành cây, rau dư thừa từ chế biến v.v Do vậy, khảo sát đánh giá thực trạng tiềm nguồn lượng sinh khối công nghệ khí hóa sinh khối Việt Nam tạo tảng nghiên cứu ứng dụng khí hóa sinh khối hữu ích, thực tiễn cần thiết 659 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI TẠI VIỆT NAM 2.1 Sơ lược lượng sinh khối Sinh khối (Biomass) chia làm loại sinh khối thực vật (Phytomass) sinh khối động vật (Zoomass) Tổng số lượng sinh khối động vật sinh khối thực vật ước tính khoảng 560 tỷ Carbon Hiện quy mô toàn cầu, sinh khối nguồn lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng lượng tiêu thụ giới [1] Các nguồn sinh khối chủ yếu trình bày hình chu trình chuyển hóa trình bày hình Sinh khối thực vật: kết trình quang hợp thực vật nhờ vào ánh sáng mặt trời, phần ánh sáng chuyển đổi thành lượng hóa học thực vật giúp liên kết nguyên tử thành phân tử carbonhydrate Phương trình trình quang hợp: 6CO + 6H C H 12 O + 6O Sinh khối động vật: Những loài động vật ăn thực vật giúp chuyển hóa sinh khối thực vật thành sinh khối nócòn loài động vật ăn động vật chuyển đổi sinh khối mồi thành sinh khối Và đến động vật thực vật chết đi, lượng tích tụ sinh khối chúng chuyển hóa thành lượng chúng bị phân hủy bị thiêu đốt qua phương pháp xử lý khác để tạo lượng cho người Hình Các nguồn lượng sinh khối Hình Chu trình chuyển hóa sinh khối 2.2 Trữ lượng sinh khối Việt Nam Tiềm lượng sinh khối Việt Nam đánh giá đa dạng có trữ lượng lớn [2,3] Theo tính toán Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm quy đổi dầu tương đương 80,7 triệu tấn, gấp lần tổng lượng khai thác dầu khí [1] Nguồn sinh khối chủ yếu nước ta gồm gỗ phụ phẩm trồng, gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, trồng phân tán, công nghiệp ăn quả, phế phẩm gỗ công nghiệp [3, 4] Theo thống kê Viện Năng lượng tiềm sinh khối gỗ lượng lên đến gần 25 triệu tấn, tương đương với 8,8 triệu dầu thô Riêng tiềm năng lượng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp nước ta gồm rơm, rạ, trấu, bã mía loại nông sản khác lên đến gần 53,5 triệu tấn, tương đương với 12,8 triệu dầu thô Ðặc biệt nguồn lượng liên tục tái sinh tăng trưởng đặn vòng 30 năm Tiềm lớn hầu hết nguồn lượng sinh khối chưa thể tận dụng, lãng phí chí nguồn gây ô nhiễm môi trường 660 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN KHÍ HÓA SINH KHỐI TẠI VIỆT NAM 3.1 Sơ lược công nghệ khí hóa sinh khối Theo tài liệu [5], khí hóa trình chuyển hóa chất biomass, chất thải hữu thành khí gas tổng hợp (Synthetic Natural Gas-SNG) nhiệt độ áp suất cao Người ta chia thành loại khí hóa nhiệt độ cao loại khí hóa nhiệt độ thấp - Khí hóa nhiệt độ cao (high-temperature gasification) tiến hành nhiệt độ cao 1200 C, trình tạo khí tổng hợp chứa phần lớn CO H (hơn 85% thể tích) phần nhỏ CO , CH số chất khác o - Khí hóa nhiệt độ thấp (low-temperature gasification) tiến hành nhiệt độ thấp 1000oC ,quá trình tạo khí tổng hợp, CO H có lượng lớn hydrocarbon (chủ yếu CH số hydrocarbon dễ bay khác) Ở điều kiện có phần phản ứng chuyển CO H thành CH Quá trình khí hóa biomass thường xảy theo giai đoạn [5, 6] hình bao gồm vùng sấy khô (Drying), vùng nhiệt phân (Pyrolysis), vùng oxi hóa hay vùng cháy (Oxidation) vùng khử (Reduction) Các sản phẩm đốt từ trình đốt hoàn toàn sinh khối bao gồm nitơ, nước, carbon dioxide lượng dư oxi Tuy nhiên, trình khí hóa sản phẩm đốt cháy không hoàn toàn loại khí dễ cháy carbon monoxide (CO), hydro (H ) khí CH dạng vết sản phẩm sử dụng hắc ín bụi Việc tạo khí phản ứng nước carbon dioxide thông qua lớp than củi cháy sáng Vì vậy, chìa khóa để thiết kế thiết bị khí hóa tạo điều kiện sinh khối giảm xuống thành than, than chuyển đổi thích hợp để tạo CO H Hình Bốn giai đoạn trình khí hóa [5] 3.1.1 Vùng sấy khô (Drying Zone) Nguyên liệu nạp vào lò sấy khô vùng Nhiệt cung cấp cho trình sấy khô nhiệt phân chủ yếu dòng không khí tạo thành chuyển động ngược dòng phần xạ nhiệt từ vùng cháy Tỷ lệ sấy khô phụ thuộc vào nhiệt độ, vận tốc độ ẩm khí sấy khô, diện tích bề mặt nhiên liệu, khuyếch tán nội độ ẩm chất liên kết độ ẩm vật liệu [6],… Khi loại nguyên liệu vào vùng sấy khô, nhiệt độ bên tăng lên đến 100-150oC Không có phản ứng hóa học diễn vùng H O lỏng H O khí 3.1.2 Vùng nhiệt phân (Pyrolysis Zone) Làm cắt mạch liên kết C-C nguyên liệu tạo khí nhiệt phân (pyrolysis gas) cặn carbon Tại vùng nhiệt phân (vùng bán cốc) nguyên liệu bị phân hủy tạo thành hỗn hợp khí 661 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV bay cặn rắn [6] Sản phẩm trình nhiệt phân vùng bán cốc không thoát mà tiếp tục qua vùng cháy Nhiệt độ vùng nhiệt phân tăng lên nhanh chóng chênh lệch nhiệt độ lớn nguyên liệu tương đối lạnh khí nóng Quá trình nhiệt phân thật xảy khoảng nhiệt độ 280-700oC, tạo thành lượng lớn hắc ín, số methyl alcohol hình thành khí gas chứa CO Phản ứng xảy ra: C x H y O z = gas bốc + chất lỏng H + OH = H O khí 3.1.3 Vùng oxi hóa hay vùng cháy (Oxidation Zone) Dùng oxi để oxi hóa hydrocarbon thành CO H O Các phản ứng hóa học trình khí hóa chủ yếu diễn giai đoạn Nguyên liệu rắn có khả cháy cấu thành từ nguyên tố C, H, O; đó, phản ứng cháy hoàn toàn xảy với lượng oxi dư tạo thành CO H O Oxy đốt cháy phần carbon vật liệu nhiên liệu tất carbon sử dụng hết Tuy nhiên, oxy thấm sâu vào bề mặt vật liệu mức độ nhỏ dễ dàng phản ứng bề mặt với carbon monoxide (CO) hình thành khí hydro Khi không khí sử dụng tác nhân khí hóa, hàm lượng oxy không khí giảm 2% đến 0%, lượng khí carbon dioxide (CO ) tăng tỷ lệ phần trăm tương ứng Vùng trình oxy hóa có nhiệt độ cao tính chất tỏa nhiệt phản ứng Phản ứng xảy ra: C + O = CO – 393,8 kJ/mol 3.1.4 Vùng khử (Reduction Zone) Đây giai đoạn khử phần cặn carbon lại sản phẩm cháy CO nước chuyển vùng khử; đây, phản ứng khử xảy ra, kết hình thành CO H Phản ứng xảy ra: C + CO = 2CO + 172,6 kJ/mol C + H O = CO + H + 131,4 kJ/mol CO + H = CO + H O + 41,3 kJ/mol C + 2H = CH – 74,9 kJ/mol Ghi chú: lượng nhiệt kJ/mol: (-): tỏa nhiệt; (+): thu nhiệt Không giống thiết bị khí hóa tầng cố định, khí hóa tầng sôi không tách riêng vùng riêng biệt, vùng sấy khô vùng nhiệt phân mà khí hóa xảy đồng thời suốt trình trộn [6] Trong khí hóa tầng sôi thường chia làm loại là: tầng sôi dạng sủi bọt (BFB-Bubbling Fluidized Bed Gasifier) tầng sôi dạng tuần hoàn (CFB-Circulating Fluidized Bed Gasifier) Công nghệ khí hóa plasma (hay gọi trình khí hoá plasma - PGP) công nghệ dùng lượng điện nhiệt độ cao tạo hồ quang điện khí hoá nhiệt độ 7.000oC nhằm làm bốc chất hữu tan chảy chất vô thành chất giống đá (sau nguội đông cứng) Công nghệ khí hóa plasma ứng dụng để khí hóa rác thải đô thị nhằm giảm ô nhiễm môi trường sử dụng nhiệt để chuyển đổi thành chạy tuabin phát điện 3.2 Các công trình nghiên cứu khí hóa sinh khối Việt Nam Trong năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng khí hóa biomass số Viện, Trường quan tâm [4,7-9] Có hướng mà nhà nghiên cứu cố gắng ứng dụng công nghệ khí hóa: 3.2.1 Ứng dụng vào bếp quy mô hộ gia đình Hiện sinh khối nguồn nhiên liệu đun nấu vùng nông thôn Việt Nam, nhiên việc sử dụng sinh khối cho đun nấu tạo nhiều khói thải, bụi, bồ hóng Để hạn 662 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV chế nhược điểm trình đun nấu sử dụng sinh khối, bếp khí hóa sinh khối quy mô hộ gia đình áp dụng đem lại hiệu thiết thực Đầu tiên phải kể đến nhóm tác giả Trần Bình công biết đến người đầu nghiên cứu bếp khí hóa quy mô hộ gia đình Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam cấp Giải pháp sáng chế Nhóm tác giả đặt tên cho loại bếp khí hóa quy mô hộ gia đình là: “Ngọn lửa thần Việt Nam” Bếp khí hóa nhóm tác giả (hình 4) làm việc theo nguyên lý khí hóa thuận chiều theo mẻ Tùy theo nhu cầu sử dụng mà nông dân lựa chọn kích cỡ bếp cho phù hợp Nhóm tác giả đưa mẫu bếp gas sinh khối, từ bếp gas sinh khối nấu lẩu nhỏ bếp gas sinh khối nấu cho 10 người ăn Những thiết kế đơn giản, dễ sử dụng dùng nhiều nguồn nhiên liệu sinh khối khác Chi phí mua bếp thấp nên phù hợp với mức thu nhập nông dân Hình Bếp khí hóa Trần Bình cộng Hình Bếp khí hóa phục vụ dân sinh dự án SPIN Ngọc Động, Hà Nam Đặc biệt dự án SPIN (Sustainable Product Innovation - Đổi sản phẩm bền vững) tài trợ chương trình Asia Switch Liên minh Châu Âu, thực ba nước Việt Nam, Lào Campuchia từ 1/4/2010 đến hết tháng 3/2014, triển khai nhiều bếp khí hóa sinh khối quy mô hộ gia đình (hình 5) đến nhiều tỉnh phía bắc như: Yên Bái, Sơn La, Hà Nam, Thanh Hóa,… Đây mẫu bếp khí hóa theo nguyên lý thuận chiều, có mẫu mã đẹp hơn, mang kiểu dáng công nghiệp 3.3.2 Ứng dụng quy mô công nghiệp Công ty TNHH thành viên gốm Tân Mai, xã Tân Phú Đông, TX Sa Đéc, tỉnh Đồng Tháp công ty tiên phong áp dụng kỹ thuật lò nung gạch, gốm kết hợp thiết bị hóa khí từ trấu vào sản xuất nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu chất lượng sản phẩm Hệ thống gồm lò nung, nhiệt lượng thoát từ lò đốt trước tận dụng để nung cho lò tuần hoàn Đặc biệt, thông số khí thải sau đốt thải môi trường: CO, NO x , SO , HF, bụi Trung tâm kỹ thuật thí nghiệm ứng dụng KHCN Đồng Tháp đo thấp nhiều so với tiêu chuẩn Việt Nam (QC VN 05:2009/BTNMT) Đây dự án tài trợ Viện Chiến lược Môi trường Tổng thể - Nhật Bản (IGES), Quỹ Môi Trường Toàn cầu (GEF) Dự án Nâng cao Hiệu sử dụng lượng Doanh nghiệp vừa nhỏ (PECSME) thuộc Bộ Khoa học Công nghệ Mô hình triển khai Gốm Tân Mai đoạt giải thưởng “Quả cầu vàng” năm 2009 - Cuộc thi Năng lượng toàn cầu Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc (UNEP) tổ chức Đây lò nung gạch, gốm Việt Nam sử dụng khí hóa trấu 663 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Lò đốt khí hóa trấu Hình Thử nghiệm lò nung gốm công ty gốm Tân Mai khí hóa sinh khối Ngọc Động Ngày 30/11/2013, chuyên gia kỹ thuật Dự án SPIN phối hợp với chuyên gia nồi đến từ Công ty Cổ phần Nồi Việt Nam kỹ sư kỹ thuật Công ty Ngọc Động – Hà Nam triển khai thử nghiệm thành công lò sử dụng công nghệ khí hóa nguồn nhiên liệu sinh khối, sử dụng chất thải từ bịch nấm sau thu hoạch làm nguồn nhiên liệu Với lò khí hóa sử dụng nguyên liệu sinh khối này, Công ty Ngọc Động tiết kiệm hàng trăm triệu đồng năm tiền mua nhiên liệu, mà giải vấn đề chất thải từ trồng nấm, vốn bị coi gánh nặng với ngành nấm Bên cạnh đó, Công ty Ngọc Động sử dụng lượng than sinh học (biochar) sinh từ trình đốt làm chất bổ sung cho bịch nấm giúp gia tăng chất lượng nấm trồng Thử nghiệm phát huy kết tích cực Việc ứng dụng quy trình khí hóa sinh khối quy mô công nghiệp Việt Nam triển khai hạn chế khó khăn công nghệ, kinh phí trình độ kỹ thuật vận hành khai thác, Bên cạnh đó, yếu tố mặt hiệu kinh tế vấn đề trở ngại cho nhà đầu tư, nhà nước cần có sách để hỗ trợ cho doanh nghiệp phát triển mô hình vấn đề môi trường phát triển lượng bền vững KẾT LUẬN Bài báo trình bày lượng sinh khối kỹ thuật khí hóa sinh khối áp dụng Việt Nam Việt Nam có nguồn lượng sinh khối phong phú đa dạng với trữ lượng lớn, khai thác hợp lý mang lại hiệu kinh tế góp phần giảm ô nhiễm môi trường Các nghiên cứu, ứng dụng khí hóa sinh khối Việt Nam theo hai hướng ứng dụng khí hóa sinh khối quy mô hộ gia đình với lò khí hóa theo mẻ ứng dụng khí hóa quy mô công nghiệp để phát điện sử dụng nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thành Công, Năng lượng sinh khối Việt Nam: Vẫn tiềm Tạp chí Năng lượng mới, số 343 1/8/2014 http://www.pv-power.vn/ [2] Chi, N.K., Phát triển công nghệ chuyển hóa tài nguyên sinh khối Biomass Tạp chí Khoa học & Công nghệ, 2013(14): p 30-33 [3] Việt, N.M Đ.A Tuấn, Công nghệ khí hóa sử dụng phụ phẩm nông lâm nghiệp để phát điện công suất nhỏ Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy Lợi, 2012: p 41-49 [4] Quang, N.T., Một số vấn đề sử dụng Biomass Việt Nam Tạp chí Năng Lượng Nhiệt, 2012 107(9): p 13-15 664 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [5] Hào, N T Bích, N H Giáo trình Kỹ thuật nặng lượng tái tạo NXB Đại học Quốc gia TPHCM, 2015 [6] Anil K Rajvanshi Biomass Gasification (Published as a Chapter (No 4) in book “Alternative Energy in Agriculture”, Vol II, Ed D Yogi Goswami, CRC Press, 1986, p 83-102.) [7] Sutar, K.B cộng sự., Biomass cookstoves: A review of technical aspects Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015 41: p 1128-1166 [8] Tùng, N.Đ., Nghiên cứu thực nghiệm lò khí hóa xuôi chiều liên tục vỏ trấu quy mô công nghiệp suất 100 - 110 kg/h Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, 2015 17: p 2-7 [9] Trung tâm sản xuất Viêt Nam, Công nghệ khí hóa nhiên liệu sinh khối dùng cho nhu cầu dân sinh Bếp khí hóa sinh khối cấp nhiệt cho thiết bị công nghiệp vừa nhỏ http://vncpc.org/project/spin/ THÔNG TIN TÁC GIẢ ThS Nguyễn Văn Lành; Email: nvlanh@hcmuaf.edu.vn TS.Nguyễn Huy Bích; Email: nhbich@hcmuaf.edu.vn TS Bùi Ngọc Hùng; Email: hungbuingoc@gmail.com Khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại học Nông lâm TPHCM ĐT: 08-37242529 665 ... chuyển hóa sinh khối 2.2 Trữ lượng sinh khối Việt Nam Tiềm lượng sinh khối Việt Nam đánh giá đa dạng có trữ lượng lớn [2,3] Theo tính toán Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng... quốc khí - Lần thứ IV NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI TẠI VIỆT NAM 2.1 Sơ lược lượng sinh khối Sinh khối (Biomass) chia làm loại sinh khối thực vật (Phytomass) sinh khối động vật (Zoomass) Tổng số lượng sinh. .. quốc khí - Lần thứ IV THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN KHÍ HÓA SINH KHỐI TẠI VIỆT NAM 3.1 Sơ lược công nghệ khí hóa sinh khối Theo tài liệu [5], khí hóa trình chuyển hóa chất biomass, chất thải hữu thành khí