Tiểu luận TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI LÀ GỖ VỤN, PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP THÀNH DIESEL

Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phương, mỗi quốc gia.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG BÀI TIỂU LUẬN Môn học: Nhiên liệu sinh học – EV 5217 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI LÀ GỖ VỤN, PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP THÀNH DIESEL Giảng viên : PGS TS Đoàn Thị Thái Yên Học viên : Nguyễn Phan Thùy Linh – CB160132 Lớp : 16BQLMT.KH Hà Nội, tháng năm 2017 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Phần MỞ ĐẦU Năng lượng đóng vai trò thiết yếu phát triển kinh tế xã hội Hiện nay, vấn đề lượng giới nói chung Việt Nam nói riêng mối quan ngại đặt lên hàng đầu; việc đảm bảo nguồn lượng thay lượng hoá thạch ngày trở nên cấp thiết, nhu cầu lượng lớn dẫn đến suy giảm nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than, khí…) lên cao gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu Do đó, nghiên cứu giải pháp sử dụng lượng tiết kiệm hiệu nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nhằm phát triển, tạo nguồn lượng thay thế, bổ sung cho nguồn lượng hoá thạch cần quan tâm Nguồn lượng biomass từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp (rơm, trấu, phoi bào, gỗ, xơ dừa, vỏ cà phê, bã mía, thân lõi ngô, lạc…) nguồn lượng mới, lượng tái tạo cần quan tâm nghiên cứu khai thác Trên giới, công nghệ gasification (công nghệ khí hoá) sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp để tạo gas cho đun nấu, hệ thống lò sưởi, chạy máy phát điện, chiết suất thành nhiên liệu khí hoá lỏng ứng dụng nhiều Ở Việt Nam, công nghệ số sở nghiên cứu ứng dụng để chế tạo bếp khí hoá đun nấu cho hộ gia đình tạo nhiệt cho hệ thống sấy nông sản Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ gasification sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp để phát điện, nguồn nguyên liệu nước ta lớn Việc chuyển đổi sinh khối thành lượng (hay gọi lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương pháp khác phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, hình thức ứng dụng lượng sinh khối điều kiện kinh tế địa phương, quốc gia Nguồn nguyên liệu sinh khối sản xuất từ loại trồng lượng chuyên dụng, trồng làm chất đốt ngắn ngày, sản phẩm từ rừng dư lượng nông nghiệp như: thân cây, củi, rơm rạ … hay từ nguồn chất thải công nghiệp, chất thải hữu phân động vật Trong trường hợp nguyên liệu sinh khối phải thu thập, vận chuyển lưu trữ trước chế biến thành dạng nguyên liệu thích hợp cho trình xử lý Theo đó, lượng sinh khối dạng lượng tái tạo sử dụng giúp giảm tác động có hại việc khai thác sử dụng nhiên liệu hoá thạch Tuy nhiên, với nguồn lượng khác, lượng sinh khối có hạn chế định phải cạnh tranh không với nhiên liệu hóa thạch mà với nguồn lượng tái tạo khác từ gió, lượng mặt trời thủy triều Phần NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I Tổng quan diesel sinh học nguồn nguyên liệu sinh khối sản xuất I.1 Diesel sinh học – Biodiesel Khái niệm  Diesel sinh học hay biodiesel loại nhiên liệu lỏng có nguồn gốc hữu cơ, có tính tương tự dùng thay cho dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ Loại nhiên liệu thuộc nhóm nguyên liệu sin học – loại lượng tái tạo (hoàn nguyên) hoàn toàn khác với loại lượng khác hóa thạch, hạt nhân Xét phương diện hóa học, biodiesel methyl ester axit béo dầu hay mỡ ester hoá ancol methanol ethanol Đặc tính  Theo tiêu chuẩn Hiệp hội Vật liệu Thử nghiệm Hoa Kỳ - ASTM (American Society of Testing and Materials), tính chất nhiên liệu diesel sinh học thể bảng 1như sau: Bảng Đặc tính diesel sinh học TT Đặc tính Các giới hạn Nhiệt độ chớp cháy nhỏ 130 oC Tỷ lệ nước tạp chất lớn 0,05% thể tích Độ nhớt động học (400C) 1,9 – 6,0 mm2 /s Lượng sunfur lớn 0,05% khối lượng Chỉ số xetan nhỏ 47 Lượng cacbon lại lớn (thử mẫu 0,05% khối lượng với 100% cacbon) Lượng glyxerin tự lớn 0,02% khối lượng Tổng lượng glyxerin lớn 0,24% khối lượng Hàm lượng photpho lớn 0,001% khối lượng 10 Nhiệt độ chưng cất lớn 360 oC Các thành phần nguồn gốc khác FAME tạo nên tính chất khác nhiên liệu Cũng theo ASTM, khác tính chất diesel sinh học diesel dầu mỏ so sánh bảng sau: Bảng So sánh tiêu diesel sinh học diesel khoáng Đặc tính nhiên liệu Diesel sinh học Diesel dầu mỏ C10 - C21 HC C12 - C22 FAME Lượng nhiệt thấp (Btu/gal) 131,295 117,093 Độ nhớt động học 40 oC (cSt) 1,3 – 4,1 1,9 – 6,0 Trọng lượng riêng 60 oF (kg/l) 0,85 0,88 Khối lượng riêng 15 oC (lb/gal) 7,079 7,328 Hàm lượng nước (ppm theo % khối lượng) 161 0,05% (lớn nhất) Lượng cacbon (% khối lượng – wt %) 87 77 Lượng hydro (% khối lượng - wt %) 13 12 Lượng oxy (% khối lượng - wt %) 11 Lượng sunfur (% khối lượng - wt %) 0,05 (lớn nhất) – 0,0024 188 – 343 182 – 338 60 – 80 100 – 170 -15 đến -3 đến 12 Nhiệt lượng tỏa cháy (cal/g) 37.000 43.800 Nhiệt độ chảy loãng nhỏ (oC) -35 đến -15 -15 đến 10 40 – 55 48 – 65 15 13,8 60÷135 8,6 Cấu trúc nhiên liệu Nhiệt độ sôi (oC) Nhiệt độ chớp cháy Nhiệt độ kết tinh (oC) Chỉ số xetan Tỷ số lượng không khí cần thiết lượng nhiên liệu (wt./wt.) Chỉ số iot Từ đặc tính biodiesel nêu trên, thấy loại nhiên liệu sinh học có số ưu điểm sau: - Về mặt môi trường: + Giảm lượng phát thải khí CO2, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính; + Không có chứa hợp chất lưu huỷnh; + Hàm lượng hợp chất khói thải như: CO, SO x, hợp chất hữu chưa cháy, bồ hóng giảm đáng kể nên có lợi lớn cho môi trường sức khỏe người; + Không chứa hợp chất hữu thơm nên không gây ung thư; + Có khả tự phân hủy không độc; + Giảm tiêu dùng việc khai thác sử dụng nhiên liệu hóa thạch - Về mặt kỹ thuật: + Do có số cetan cao nên biodiesel linh động, trộn với diesel theo tỉ lệ nào; + Có độ chớp cháy cao nên biodiesel đốt cháy hoàn toàn, an toàn lưu giữ sử dụng; + Có tính bôi trơn tốt Để hạn chế lượng SO x thải môi trường, người ta hạn chế tối đa lượng lưu huỳnh dầu Diesel, hợp chất lưu huỳnh tác nhân gây giảm ma sát dầu Diesel, để tăng độ ma sát,một số phụ gia trộn thêm vào dầu Diesel; + Do có tính tương tự dầu Diesel nên sử dụng không cần cải tiến động nhiều để sử dụng nhiên liệu dầu sinh học - Về mặt kinh tế: + Ngoài việc giảm chi phí xử lý ô nhiễm, bảo vệ môi trường, việc sử dụng nhiên liệu biodiesel thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm sẵn có ngành nông nghiệp phụ phẩm dư thừa, dầu phế thải…; + Góp phần đa dạng hóa nông nghiệp tăng thu nhập vùng miền nông thôn; + Hạn chế đầu tư vào việc khai thác, chế biến dầu diesel Tuy nhiên, lợi thế, dầu biodiesel số nhược điểm sau: - Có nhiệt độ đông đặc cao diesel nên gây khó sử dụng khu vực có nhiệt độ thấp (các nước ôn đới); - Có nhiệt trị thấp diesel; - Trở ngại lớn việc thương mại hóa biodiesel chi phí sản xuất cao; - Hiện nay, biodiesel thường sản xuất theo mẻ, điểm hạn ché suất thấp, khó ổn định chất lượng sản phẩm điều kiện trình phản ứng I.2 Sinh khối sản xuất biodiesel có thành phần cellulose Sinh khối chứa lượng hóa học, nguồn lượng tử mặt trời tích lũy thực vật qua trình quang hợp Sinh khối phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v v ), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v ), giấy vụn, mêtan từ bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ trại chăn nuôi gia súc gia cầm Theo yêu cầu đặt ra, báo cáo đề cập đến đặc tính sinh khối phế phẩm lâm nghiệp - gỗ vụn phụ phẩm nông nghiệp - rơm rạ, cành lá, nguyên liệu sinh học lignocellulose  Đặc tính sinh khối phế phẩm lâm – nông nghiệp Phụ phẩm nông – lâm nghiệp có thành phần chung bao gồm: nước, polime, hợp chất trích ly hợp chất vô Hình Cấu trúc cấu tạo sinh khối phụ phẩm nông – lâm nghiệp * Hơi ẩm nước tự có phụ phẩm nông – lâm nghiệp thay đổi điều kiện lưu chứa, môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí….) Trong điều kiện khô tương đối, hàm lượng ẩm nhóm sinh khối chiếm khoảng từ vài đến 10% khối lượng * Các polime phụ phẩm nông – lâm nghiệp bao gồm: Cellulose, Lignin Hemicellulose liên kết với thành Hemicellulose Ngoài ra, Hemicellulose có lượng nhỏ pectin, protein, chất diệp lục loại sáp, khoáng chất vô + Cellulose: chiếm 38%-50%, công thức hóa học [C6(H2O)5]n, cấu tạo thành chuỗi dài gồm 500 phân tử Glucose, có cấu trúc bền khó bị thủy phân thành phần chủ yếu thành tế bào thực vật; Hình Công thức hóa học cellulose + Lignin: chiếm 15%-25%, công thức hóa học (C10H12O4)n, polyphenol có cấu trúc mở, đóng vai trò chất liên kết thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose hemicellulose; khó để tách lignin hoàn toàn, để chuyển hóa lignin cần nhiệt độ cao; + Hemicellulose: chiếm 23%-32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là loại polymer phức tạp phân nhánh gồm phân tử đường cacbon, cacbon, với cellulose lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững thực vật thành phần dễ bị depolyme hóa * Các hợp chất trích ly hợp chất hữu cấu trúc mạch chất béo, sáp, ankaloit, protein, phenolic, đường đơn giản, pectin, chất nhầy, chất gôm, nhựa thông, tepen, glicozite, tinh bột, saponin, dầu Thành phần tách nhờ số dung môi phân cực dung môi không phân cực * Ngoài thành phần trên, phụ phẩm nông – lâm nghiệp phần nhỏ chất khoáng, hợp chất vô Si, Na, K, Mg… Bảng Thành phần lignocellulose số phế phụ liệu lâm nông nghiệp phổ biến Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose Lignin (%) 10 (%) Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25 Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35 Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40 Lõi ngô 45 35 15 Giấy 85-99 0-15 Vỏ trấu 32.1 24 18 30 50 15 Lá 15-20 80-85 Hạt 80-95 5-20 Cỏ mềm 45 31.4 12.0 25-40 25-50 10-30 Vỏ trấu lúa mì Các loại cỏ (trị số trung bình cho loại) Bảng số liệu có thấy, sinh khối gỗ cứng chứa nhiều cellulose, phụ phẩm nông nghiệp lúa, rơm, có hàm lượng hemicellulose lớn; thân thảo có lignin thấp nhất, thân gỗ mềm có nhiều lignin nên cấu trúc ổn định, thấm nước, kháng hóa chất, giảm phân hủy sinh học Với đặc tính thành phần chứa chủ yếu cacbon oxy (hai nguyên tố chiếm khoảng 35% cho nguyên tố), hidro chiếm từ 5-7%, nguyên tố N, S, Cl chiếm nhỏ 1% đặc biệt lưu huỳnh, nhóm dầu sinh học sản xuất từ nhóm nhiên liệu không phát sinh SO x gây ô nhiễm môi trường II Quy trình sản xuất bidiesl đường khí hóa  Bước - Tiền xử lý: Phụ phẩm nông – lâm nghiệp nghiền nát sấy khô  Được dẫn sang bước với nạp xử lý mẫu hydrocacbon  Bước - Khí hóa: Hỗn hợp sản phẩm trộn với oxi (oxi lấy từ phận tách không khí) dẫn vào bình đun sôi làm nguội  Hỗn hợp sản phẩm chuyển sang bước  Bước - Điều khiển trình tổng hợp khí: 11 Hỗn hợp sản phẩm dẫn qua hệ thống điều chỉnh tỉ lệ hidro/cacbon oxide Tại bình tiếp theo, trình tổng hợp xảy ra, với thải loại acid khí (CO2) Cuối cùng, làm hỗn hợp thu chuyển sang bước  Bước - Quá trình tổng hợp Fisher-Tropsch trình nâng cấp: Tại phản ứng tổng hợp Fisher-Tropsch xảy ra, tiếp sau tình xử lý hydrocacbon ( sảy cát mạch hidrocacbon) để tạo thành dầu sinh học III Các công nghệ khí hóa III.1 Nguyên lý trình khí hóa Sinh khối chuyển hóa nhờ sử dụng công nghệ khí hóa Bất kỳ loại sinh khối sử dụng làm nguyên liệu khí hóa, kể từ hỗn hợp cellulose đến phụ phẩm chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), cỏ, phế phẩm công nghiệp gỗ, chất thải rắn đô thị Khí hóa trình dùng oxy (hoặc không khí, không khí giàu oxy, oxy thuần, nước hydro, nói chung gọi chất khí hóa) phản ứng với sinh khối nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Quá trình khí hóa sinh khối cho sản phẩm hỗn hợp loại khí, gọi khí tổng hợp – syngas Hàng loạt biofuel dạng lỏng sản xuất nhờ trình tổng hợp loại khí tùy theo điều kiện công nghệ Syngas sản phẩm trình khí hóa chủ yếu hỗn hợp CO, CO 2, H2, CH4 , nước nitơ Thành phần khí tổng hợp thay đổi thùy thuộc vào thành phần nguyên liệu sinh khối điều kiện hoạt động Các tạp chất syngas thu bụi than nhỏ, xỉ lò chứa clorua, lưu huỳnh, kim loại kiềm, hợp chất nitơ hắc ín Sau làm sạch, syngas trải qua bước khử CO2 reforming Tùy theo mục đích sử dụng mà khí tổng hợp điều chỉnh cho phù hợp Quá trình khí hóa xảy oxy tác dụng với sinh khối nhiệt độ cao, khoảng 900oC Trong trường hợp khí hóa trực tiếp, nhiệt cần thiết cho trình tạo nhờ đốt phần sinh khối nạp vào lò khí hóa Cả không khí (có thể lẫn oxy) thổi vào lò khí hóa trực tiếp người ta dùng lượng nhiệt phần vật liệu khí hóa cho trình khí hóa Nếu sử dụng ôxy syngas sinh không chứa nitơ Tuy nhiên, việc tạo oxy cho trình làm tăng lượng cần sử dụng, tăng chi phí đầu tư Quá trình khí hóa gián tiếp sử dụng phần nhiệt từ sinh khối cháy nhiệt từ bên lò cung cấp Một ưu điểm 12 trình khí hóa gián tiếp sinh syngas không chứa nitơ mà không cần sử dụng oxy trình khí hóa trực tiếp Tuy nhiên, trình khí hóa gián tiếp phải trải qua nhiều bước phức tạp Ngoài ra, tạo hai dòng khí cần phải khử, làm Các trình diễn khí hóa (Gasifer) gồm giai đoạn: Làm khô, nhiệt phân, đốt cháy sinh khí Hình Các trình khí hóa Quá trình làm khô – Drying: Đây trình làm khô nguyên liệu biomass thô tác dụng nhiệt Nhiệt cung cấp thực chu trình nhiệt động học khép kín hệ thống lò khí hóa diễn quy trình đốt khí hóa Tầng làm khô đặt tầng nhiệt phân (Pyrolysis) Thành phần hóa học tổng quát nguyên liệu biomass CxHy Oz: CxHy Oz.nH2O  CxHy Oz + n H2O Quá trình nhiệt phân – Pyrolysis: Đây trình oxi hóa ôxi không khí tác dụng nhiệt độ cao Nhiệt cung cấp tầng đốt cháy lò khí hóa Tầng nhiệt phân đặt tầng đốt cháy (Combustion) tầng làm khô: CxHy Oz.nH2O  C + CO+ H2 + CO2 + H2O + tạp chất Sau trình nhiệt phân thành phần chủ yếu than (C) hệ thống khí (CO+ H2 + CO2 + H2O) tạp chất với thành phần nguyên tố hóa học khác H2S Quá trình đốt cháy – Combustion: Quá trình đốt cháy thực tầng đốt có đường ống dẫn không khí chứa ôxy vào đốt cháy hỗn hợp C + CO+ H2 + CO2 + H2O Sản phẩm khí sau đốt lại CO + H2O 13 phần khí N2 không khí coi khí tạp chất (sẽ làm hệ thống làm nguội lọc sau hệ thống lò khí hóa Gasifer): C + CO+ H2 + CO2 + H2O  CO2 + H2O Một phần C rắn nóng không cháy hết chuyển sang tầng nén phía Quá trình sinh khí – Reduction: Đây trình thực tầng sinh khí lò khí hóa Các khí CO2 + H2O sau trình đốt dẫn qua than nóng (của trình nhiệt phân lắng xuống) để thực quy trình phản ứng hóa học tạo khí đốt cháy CO H2: CO2 + H2O + 2C  3CO + H2 Như sau qua lò khí hóa, hệ thống khí thu gồm khí đốt CO + H2và phần khí tạp chất Hỗn hợp khí sau qua hệ thống lọc làm nguội khí CO + H2 chuyển tới máy phát điện tuabin khí đốt sinh điện Quá trình sinh khí hoàn toàn tự động III Các công nghệ khí hóa Các công nghệ khí hóa áp dụng rộng rãi công nghiệp, nhiên công nghệ có đặc điểm riêng mặt yêu cầu nguyên liệu Phần này, giới thiệu công nghệ khí hóa sinh khối III.2.1 Công nghệ khí hóa tầng cố định Công nghệ nguyên liệu nạp vào từ đỉnh lò xuống phía dưới, gió (không khí, nước ) vào lò từ đáy lò sản phẩm khí cửa lò phía Như gió nguyên liệu ngược chiều Quá trình có số đặc điểm sau: - Phân chia chiều cao lò thành vùng phản ứng, vùng vùng Dưới vùng xỉ  tiếp vùng cháy  vùng khử (vùng tạo sản phẩm khí hóa)  vùng bán cốc  vùng sấy  tầng không đỉnh lò - Do có phân bố vùng phản ứng nên từ lên vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp vùng khử có nhiệt độ thấp có phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp tiếp vùng sấy có nhiệt độ thấp phải tiêu tốn nhiệt vào trình bốc nước - Như nhiệt lượng vùng cháy phân phối cho vùng khác để thực trình khí hóa Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ 14 thấp chủ yếu đường đối lưu, đường khác (như xạ dẫn nhiệt) - Khi từ xuống dưới, trọng lượng kích thước hạt sinh khối giảm dần sinh khối tham gia vào phản ứng phân huỷ nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy Hàm lượng cacbon lại xỉ lại tương đối Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O H2O lại cao gió vào từ đáy lò chuyển động ngược chiều với sinh khối - Khi xem xét trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy gió từ ghi lò (đáy lò đồng thời vùng xỉ lò), vùng cháy, vùng khử cuối đến tầng không đỉnh lò Vùng xỉ: Vùng chủ yếu chứa xỉ để chuẩn bị đưa khỏi lò, nhiệt độ tương đối thấp, nhiên oxy có phản ứng với phần sinh khố lại xỉ nóng nên hàm lượng oxy giảm chút Ở vùng chủ yếu không khí gia nhiệt để tiếp vào vùng cháy Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy phản ứng C + O2 ↔ CO + CO2; CO vừa tạo lại phản ứng tiếp với oxy tự gió để tạo CO (2CO + O2 ↔ 2CO2) Trong vùng nhiệt toả mạnh, lượng nhiệt dùng để cung cấp cho phản ứng vùng khử vùng khác Vùng khử: Trong vùng CO2 nước từ vùng cháy vào tạo phản ứng quan trọng vùng khử phản ứng tạo khí dùng làm khí đốt dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO H2) sản xuất phân đạm hóa chất khác phản ứng sau: C + CO2 ↔ 2CO - Q1 C + H2 O ↔ CO + H2 - Q2 C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2 - Q3 -Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp vùng khử nhiệt phải cấp cho phản ứng khử Nhiệt khí (nhiệt độ khoảng 500-700 oC) cung cấp cho sinh khối vùng bán cốc Nếu nguyên liệu dùng cho khí hóa loại sinh khối, than biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) bị bán cốc hóa, sản phẩm phân huỷ chứa nhiều hydrocacbon khí CO2 Kết khí sản phẩm không chứa CO, H2, CO2 mà có hợp chất hữu khác sản phẩm khí thuận lợi dùng làm nhiên liệu 15 không thuận lợi cho trình tổng hợp hóa học Nếu nguyên liệu dùng cho trình khí hóa than antraxit cho sản phẩm khí CO, H có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho trình tổng hợp hóa học  Đánh giá công nghệ - Ưu điểm: + Có thể sử dụng tất loại nguyên liệu ban đầu khác (về độ ẩm độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí; + Cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon, khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, có lợi dùng vào mục đích làm khí đốt - Nhược điểm: Nhược điểm phương pháp mát nhiệt theo xỉ nhiều vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, vùng có nhiệt độ cao, hiệu suất nhiệt trình không cao III.2.2 Công nghệ khí hóa tầng sôi Công nghệ áp dụng cho kích thước hạt 0,5 - 3mm Các lò phản ứng tầng sôi cho phép chứa hỗn hợp sinh khối với chất liệu nóng, ví dụ cát nóng chẳng hạn, phản ứng xảy toàn dung tích lò Nhiệt độ đồng lò điều khiển thông qua việc thay đổi tỉ lệ không khí/ sinh khối Lò tầng sôi thích hợp sinh khối lò cố định, syngas sản phẩm có hắc ín kèm (nhiều so với lò khí hóa cố định chiều) cần phải khử bỏ * Phương pháp khí hóa tầng sôi bọt - Một lớp chất phụ gia đặt phía buồng khí hóa với không khí, nước thổi lên với tốc độ đủ nhanh (1-3 m/s); - Sinh khối đưa vào từ phía bên, tạo thành hỗn hợp với phụ gia đốt cháy tạo thành khí tổng hợp; - Thời gian sinh khí nhanh, hàm lượng bụi, keo nhựa thấp; nhiệt độ sản phẩm khí thấp (800 – 850 oC) phải sử dụng chất phụ gia để tạo lớp sôi; phù hợp với vật liệu có kích thước nhỏ * Phương pháp khí hóa tầng sôi tuần hoàn - Lớp chất phụ gia đặt phía buồng khí hóa với không khí, nước thổi lên với tốc độ đủ nhanh (5-10 m/s) để thổi lớp nguyên liệu khắp buồng khí hóa; 16 - Sinh khối đưa vào từ phía bên, tạo thành hỗn hợp với chất phụ gia đốt cháy tạo thành khí tổng hợp; - Hỗn hợp khí tổng hợp hạt tách nhờ hệ thống tuần hoàn Đánh giá công nghệ - Ưu điểm: + Nguyên liệu liên tục chuyển vào lò khí hóa đảo trộn lớp sôi nên trình truyền nhiệt cao, điều làm cho phân bố nhiệt độ đồng theo chiều cao lò + Khí sản phẩm khỏi đỉnh lò sản phẩm lỏng, loại hyđrocacbon nên khí sạch, dùng cho tổng hợp hóa học có lợi - Nhược điểm: + Để nâng cao nhiệt độ lò, dùng thêm oxy nước vào gió, nhiên nâng nhiệt độ phản ứng cao 1150 oC, nhiệt độ làm chẩy xỉ; + Các hạt sinh khối chuyển động mạnh, làm ma sát thành thiết bị, làm hao mòn thiết bị III.2.3 Công nghệ khí hóa dòng Lò khí hóa dòng hoạt động nhiệt độ cao (1500 oC) tạo syngas tạp hắc ín Công nghệ áp dụng cho hạt sinh khối có kích thước từ 0-2 mmm Tỷ lệ oxy, sinh khối nước cho nhiệt độ lò cao nhiệt chảy lỏng tro (từ 1500- 1600 oC) Khí hóa điều kiện đạt mức chuyển hóa cacbon cao Khí sản phẩm tạo tahfnh có hàm lượng CO cao Sinh khối lò tác dụng với aoxy trước để tạo nhiệt độ cao cho phảu ứng khử khác Lượng nước cho vào phụ thuộc vào hàm lượng cacbon nguyên liệu III.2.4 Phương pháp khí hóa plasma - Sinh khối vào buồng khí hóa, tương tác với plasma tạo điện, áp suất khí nhiệt độ 1.500-5.000°C - Chất hữu chuyển đổi thành khí tổng hợp chất lượng cao, chất vô chuyển thành xỉ IV Quy trình Fischer - Tropsch Công nghệ Fischer - Tropsch đưa Đức từ năm 1920 áp dụng để sản xuất nhiên liệu tổng hợp vào năm 1930 Về 17 bản, công nghệ Fischer - Tropsch bắt đầu khí hóa sinh khối lấy sản phẩm để tổng hợp tiếp tục Phản ứng tổng hợp Fischer – Tropsch định nghĩa phản ứng chuyển hóa hỗn hợp khí CO H (khí tổng hợp) tác dụng chất xúc tác thành nhiên liệu lỏng; phản ứng tổng quát sau: (2n + 1) H2 + nCO  CnH2n+1 + nH2O Để thực trình tổng hợp Fischer - Tropsch với quy mô công nghiệp, công nghệ gồm trình chính: (1) Quá trình khí hóa sản xuất khí tổng hợp, (2) trình tổng hợp Fischer - Tropsch (3) trình nâng cấp sản phẩm thành sản phẩm mong muốn * Các công nghệ tổng hợp Fischer - Tropsch Hiện dựa vào xúc tác điều kiện phản ứng, trình tổng hợp Fischer - Tropsch chia thành loại: (1) phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ thấp (2) phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ cao Với trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ cao, phản ứng tiến hành nhiệt độ từ 300-3300C, sử dụng xác tác sắt tỷ lệ H2/CO nhỏ Tỷ lệ H2/CO thông thường thu tiến hành quà trình khí hóa than sinh khối Còn trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ thấp thực nhiệt độ từ 200-2500C, sử dụng xúc tác sẳ, coban tỷ lệ H2/CO 1.7 – 2.15 Tỷ lệ H2/CO thu tiến hành trình reforming nước khí tự nhiên Mỗi trình đưa kết độ chuyển hóa khí nguyên liệu, độ chọn lọc sản phẩm khác Nếu trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ cao ưu tiên tạo sản phẩm thuộc phân đoạn xăng, nhiều hợp chất olefin, hợp chất hydrocacbon trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ thấp ưu tiên tạo sản phẩm diesel hợp chất phi hydrocacbon Sản phẩm trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ cao xử dụng làm nhiên liệu xăng, sản phẩm trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ thấp sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu, sản phẩm đa dạng xăng, diesel, nhiên liệu phản lực (jetfuel) Bảng Phân bố sản phẩm trình Fischer - Tropsch thực theo phương pháp Sản phẩm Quá trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ thấp (%) trình phản ứng Fischer - Tropsch nhiệt độ cao (%) 18 CH4 C2-4 Olefin C2-4 Parafin Xăng Phân đoạn trung bình Diesel Hợp chất chứa oxy 4 18 19 48 24 36 12 Biodiesel sản xuất qua trình sử dụng lò phản ứng có pha tạo vữa lò cố định làm lò tổng hợp để sản xuất diezel Fischer - Tropsch dạng lỏng Dùng chất xúc tác sắt coban: xúc tác coban cho tốc độ chuyển hóa cao, bền dễ tái sinh, xúc tác sắt có độ chịu tải cao tạp chất rẻ Hơn xúc tác chứa sắt góp phần làm tăng khả chuyển pha nước - khí dễ điều chỉnh tỉ lệ H 2/CO lò phản ứng Trong lò tổng hợp, syngas chuyển hóa thành nhiều phân đoạn hydrocacbon: hydrocacbon (C1 - C2); nafta (C5 - C11); diezel (C9 - C20) sáp (> C20) Thành phần sản phẩm thu phụ thuộc vào điều kiện trình xử lý: nhiệt độ, áp suất, chất xúc tác kiểu lò phản ứng Điều kiện để trình tổng hợp Fischer - Tropsch thu sản phẩm mạch dài (sáp) nhiệt độ thấp (200 - 250oC áp suất 25 - 60 bar) Nếu trình phản ứng xảy nhiệt độ cao sản phẩm chủ yếu thu hydrocacbon nhẹ, lọc để thu xăng diezel, dung môi olefin Tiến hành hydrocraking có chọn lọc sản phẩm sáp thu cho suất cao so với sản xuất diezel phân đoạn trực tiếp từ syngas Bảng So sánh xúc tác sắt coban phản ứng tổng hợp Fischer Tropsch Các tiêu Xúc tác Coban Giá thành Đắt Tuổi thọ Dài Độ hoạt động Cao Hàm lượng S cho phép < 0.1 ppm nguyên liệu Xúc tác cho phản ứng Không xúc tác CO + H20  CO2 + H2 Tính linh động theo điều kiện Cao, độ chọn lọc sản phản ứng phẩm phụ thuộc nhiều vào điều kiện Xúc tác Sắt Rẻ Ngắn Thấp 0.2 ppm Có xúc tác Thấp, điều kiện cao 613K độ chọn lịc tạo CH4 19 Tỷ lệ H2/CO áp suất nhiệt độ thấp 0.5 – 2.5 Khí thừa không chuyển hóa hết sau phản ứng tổng hợp đưa trở lại lò phản ứng để tăng suất sản phẩm nhiên liệu thu Khí sản phẩm phụ đưa vào chạy tổ hợp phát điện để tận dụng lượng Dầu Diezel Fischer - Tropsch nhiên liệu phù hợp để chạy xe dành cho nhiều mục đích khác Xăng Fischer - Tropsch sử dụng cho động ô tô khác với xăng nguồn gốc dầu mỏ chứa chất thơm, chủ yếu chứa hydrocacbon mạch thẳng, với số octan thấp Vì dầu sinh học từ trình Fischer - Tropsch sử dụng với tỉ lệ pha trộn nhỏ 15% với xăng nguồn gốc dầu mỏ V Các yếu tố ảnh hưởng tới trình khí hóa sinh khối  Ảnh hưởng áp suất Quá trình khí hóa xảy áp suất định Thực tế để trình hóa khí hoạt động áp suất tối thiểu phải 10bar đạt đến 100bar Ở áp suất cao cực độ, việc tổng hợp amoniăc ( 130 – 150 bar ) hay trình hóa khí áp suất 70 – 100 bar trở lên không thực tế cho yêu cầu thiết bị Ở áp suất cao kích thước thiết bị lớn việc lựa chọn vật liệu làm lò hóa khí trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế cao Vì việc lựa chọn áp suất cho trình hóa khí tùy thuộc vào yêu cầu trình hay thiết bị mục đích sử dụng cuối cho chi phí đầu tư thấp Mỗi giá trị áp suất định thành phần khí tổng hợp thay đổi khác Như tùy thuộc vào sản phẩm khí theo yêu cầu cần sử dụng mà lựa chọn giá trị áp suất định tương ứng với kiểu công nghệ hóa khí sinh khối thích hợp  Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ trình hóa khí nhìn chung lựa chọn sở trạng thái tro(trạng thái điểm mềm tro điểm nóng chảy xỉ) Đối với sinh khối điểm nóng chảy tro cao, thuận lợi để thêm chất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy tro xuống Hóa khí nhiệt độ cao làm tăng lượng oxy tiêu thụ trình giảm toàn diện 20 hiệu suất trình hóa khí Vì trình hóa khí ta đảm bảo nhiệt độ lò không vượt giá trị cho phép Các trình hóa khí đại hoạt động áp suất 30bar nhiệt độ 1300 0C Ở điều kiện có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần CH giảm xuống Trong trường hợp nhiệt độ cao cần thiết, đồng thời để hóa khí thuận lợi người ta sử dụng thêm chất xúc tác quá trình trình phản ứng  Ảnh hưởng nguyên liệu Các loại nguyên liệu có độ ẩm cao củi gỗ, mía, ngô, than bùn muốn chuyển chúng thành nhiên liệu khí trình khí hóa thường phải thực sấy sơ tách ẩm Nếu độ ẩm nguyên liệu tăng cao tiêu tốn nhiệt vào trình bốc ẩm đốt nóng ẩm đến nhiệt độ khí mà làm giảm chất lượng khí Về mặt công nghệ khí hóa người ta lại phải tổ chức lớp nguyên liệu có chiều cao thích hợp thay đổi chế độ khí hóa Đó nguyên nhân làm tăng giá thành cho đơn vị nhiên liệu chuẩn  Ảnh hưởng nhựa Nhựa đạt tới ÷ 8% ta khí hóa củi gỗ, bạch đàn, than non, than bùn…Với nhiên liệu rắn khác nhựa có hàm lượng thấp Nhựa tồn dạng lỏng ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác Nhiệt sinh nhựa cao (tới 31400kj/kg), nằm dạng chất lượng khí tăng lên nhiều Tuy nhiên, điều kiện (độ ẩm nguyên liệu chiều cao lớp nguyên liệu tổ chức không hợp lý) nhựa tách dạng lỏng Trong trường hợp chất lượng khí giảm xuống trình khí hóa gặp khó khăn nhựa tách lò làm dính kết lớp nguyên liệu, cản trở lưu thông khí dịch chuyển nguyên liệu Nếu nhựa tách đường dẫn khí vị trí van đường dẫn gây tắc tai vị trí đường dẫn Để khắc phục điều bố trí vận chuyển khí tới nơi sử dụng két chứa, người ta phải dùng thiết bị đặc biệt để tách khỏi khí biomass (gọi thiết bị làm khí)  Ảnh hưởng tro Tro tách trình khí hóa chuyển xuống phần lò Tại vùng tro nóng lên nhiệt độ mà tiếp xúc cao Nếu nhiêt độ chảy tro xỉ thấp, kết thành tảng xỉ lớn cản trở trình khí hóa lò bị bịt kín phần hay hầu hết Khi tượng kết tảng xỉ xẩy ra, gió 21 tập trung vào vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa phân bố gió hay tác nhân khí hóa tập trung vào vùng này, kết làm cho tác nhân khí hóa vượt mức bình thường, hàm lượng CO N2 khí tăng lên Mặt khác trình tiếp diễn lâu vị trí đó, nhiệt độ tai tăng nhanh nhiệt tỏa phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp tục bị dính kết lại dẫn tới tắc lò làm ngừng trình khí hóa làm chất lượng khí giảm xuống nghiêm trọng  Ảnh hưởng kích thước hạt sinh khối Kích thước nguyên liệu biomass có vai trò đáng kể trình khí hóa Ta biết kích thước hạt nhỏ tổng diện tích tiếp xúc hạt với tác nhân khí hóa tăng lên độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trình khí hóa tăng Tuy nhiên kích thước hạt nhỏ sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở trình khí hóa Vì vậy, việc tạo kích thước hợp lý trình khí hóa tiến hành thuận lợi có ý nghĩa định Chính cần xử lý nguyên liệu đầu vào trình ép viên nguyên liệu 22 Phần KẾT LUẬN An ninh lượng vấn đề cấp thiết với tất nước giới nói chung Việt Nam nói riêng nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt trở nên đắt đỏ Việc tìm kiếm nguồn lượng sử dụng nguồn lượng tái tạo nhiều quốc gia giới quan tâm Việt Nam nước nông nghiệp tiềm phụ phẩm nông nghiệp lớn, nguồn nhiên liệu quan trọng để cung cấp lượng thay cho dầu mỏ than, nhiên nguồn nhiên liệu chưa khai thác sử dụng phục vụ cho hoạt động công nghiệp Nhiên liệu sinh học hệ thứ hai chủ yếu sản xuất từ “nguyên liệu bền vững” nguyên liệu dễ kiếm, (hoặc không) cạnh tranh với lương thực, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học đất canh tác Hiện phụ phẩm nông – lâm nghiệp như rơm rạ,cành cây, gỗ vụn … 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 chế nhược điểm trình đun nấu sử dụng sinh khối, việc khí hóa nhóm sinh khối bước đầu đạt kết định Tuy nhiên, việc ứng dụng quy trình khí hóa sinh khối quy mô công nghiệp chưa triển khai rộng rãi khó khăn công nghệ, nguồn cung cấp thiếu vốn./ 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Triệu Quang Tiến, “Sản xuất Biodiesel sở phản ứng HDO”, 9/2011; Lê Xuân Thịnh, “Ứng dụng công nghệ khí hóa trấu để khắc phụ ô nhiễm môi trường”, 12/2012; Lâm Bích Thảo, “Nhiên liệu vật liệu từ sinh khối - Một hướng tất yếu”, 11/2011; PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ, “Nhiên liệu vật liệu từ sinh khối - Một hướng tất yếu” 6/2011; ThS Nguyễn Minh Việt, ThS Đỗ Anh Tuấn, “Công nghệ khí hóa sử dụng phụ phẩm nông – lâm nghiệp để phát điện công suất nhỏ”, 12/2012; National Biodiesel Board, “Specification for Biodiesel (B100)”, December 2001 Tyson, K Shaine, “Biodiesel Handling and Use Guidlines” Report No NREL/TP-580-30004, National Renewable Energy Laboratory, Golden [CO]: September, 2001 24 ... để tạo thành dầu sinh học III Các công nghệ khí hóa III.1 Nguyên lý trình khí hóa Sinh khối chuyển hóa nhờ sử dụng công nghệ khí hóa Bất kỳ loại sinh khối sử dụng làm nguyên liệu khí hóa, kể... công nghệ khí hóa Các công nghệ khí hóa áp dụng rộng rãi công nghiệp, nhiên công nghệ có đặc điểm riêng mặt yêu cầu nguyên liệu Phần này, giới thiệu công nghệ khí hóa sinh khối III.2.1 Công nghệ. .. tính sinh khối phế phẩm lâm nghiệp - gỗ vụn phụ phẩm nông nghiệp - rơm rạ, cành lá, nguyên liệu sinh học lignocellulose  Đặc tính sinh khối phế phẩm lâm – nông nghiệp Phụ phẩm nông – lâm nghiệp