Nghiên cứu nâng cao hiệu quả khí hóa sinh khối bếp đun cải tiến và giảm thiểu

Để sử dụng nhiên liệu sinh khối cho nhu cầu năng lượng của con người việc khai thác nguồn năng lượng này khá đơn giản, cách đơn giản nhất là dùng lửa đốt trực tiếp tạo ra nhiệt để cung c

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Lê Đức Dũng, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Bản luận văn được hoàn thành, một phần lớn chính là nhờ vào những ý kiến, định hướng, gợi ý và sự dẫn dắt chỉ bảo của thầy Em xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Viện Khoa Học và Công Nghệ Nhiệt Lạnh đã truyền thụ cho em những kiến thức quý giá trong suốt thời gian học tập tại Viện Qua đây em cũng mong rằng trong tương lai vẫn luôn nhận được những sự chỉ bảo, những ý kiến và sự dẫn dắt nhiệt tình của thầy cô

để em được trưởng thành hơn trong lĩnh vực chuyên môn

Cuối cùng em cũng xin cảm ơn tới các bạn trong ngành kĩ thuật năng lượng đã có những đóng góp nhận xét quý giá để bản luận văn cao học của em được hoàn thành tốt đẹp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là do tôi tự tính toán thiết kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không được ghi

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Học viên cao học

Vũ Văn Nam

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 3

1.1 Tiềm năng sinh khối 3

1.1.1 Tổng quan về sinh khối 3

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối 4

1.1.3 Việc sử dụng sinh khối ở các nước đang phát triển 6

1.1.4 Giới thiệu về nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam 8

1.2 Hiện trạng năng lượng sinh khối ở Việt Nam 11

1.3 Lợi ích và vai trò của sinh khối 12

1.3.1 Lợi ích 12

a Lợi ích kinh tế 12

b Lợi ích môi trường 14

c Khó khăn 14

1.3.2 Thành phần hóa học của sinh khối 14

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 17

2.1 Khí hóa trong cuộc sống và sử dụng đun nấu 17

2.2 Khái niệm 17

2.3 Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa 18

2.3.1 Cơ chế chung 18

2.3.2 Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa 19

a Cơ chế phản ứng C + H2O 19

b Cơ chế phản ứng của C + CO2 21

2.4 Nguyên liệu cho quá trình khí hóa sinh khối 22

2.5 Sản phẩm của quá trình khí hóa 23

2.6 Ưu điểm nhược điểm của công nghệ khí hóa sinh khối 23

2.6.1 Ưu điểm 23

2.6.2 Nhược điểm 24

2.7 Các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối 24

2.7.1 Ảnh hưởng của áp suất 24

2.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 25

2.7.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang N2 25

2.7.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ hơi H2O/ sinh khối 26

2.7.5 Ảnh hưởng của nguyên liệu 26

2.7.6 Ảnh hưởng của tro xỉ 26

2.7.7 Kích thước nhiên liệu 27

2.7.8 Độ ẩm nhiên liệu 27

2.8 Các công nghệ khí hóa sinh khối 27

2.8.1 Khí hóa lớp chặt 27

a Lò khí hóa ngược chiều 29

b Lò khí hóa thuận chiều 29

c Lò khí hóa dòng cắt ngang 30

d Lò khí hoá có nguồn nhiệt bên trên, khí sản phẩm đi từ dưới lên Top-lit updraft gasifier (TLUD gasifier) 30

e Đặc điểm của khí hoá sinh khối theo lớp chặt 31

2.8.2 Khí hóa sinh khối lớp sôi 32

2.8.3 Thiết bị khí hóa tầng kéo theo 35

CHƯƠNG III TỔNG HỢP CÁC LOẠI BẾP ĐUN GIA ĐÌNH ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 37

3.1 Nhiên liệu 37

3.1.1 Nguyên lý bếp khí sinh khối 37

3.1.2 Ứng dụng 38

3.1.3 Đối tượng sử dụng và chi phí 38

3.2 Giới thiệu chi tiết từng loại bếp 38

3.2.1 Bếp đun trấu truyền thống 38

a Nguyên tắc hoạt động 38

b Ưu và nhược điểm 39

3.2.2 Bếp đun trấu kiểu đứng đơn giản 39

a Nguyên tắc hoạt động 39

b Ưu và nhược điểm 39

3.2.3 Bếp hóa khí theo công nghệ ngược chiều 40

a Nguyên lý hoạt động 40

b Ưu và nhược điểm 40

3.2.4 Bếp hóa khí theo công nghệ đi ngang 41

a Nguyên lý hoạt động 41

b Ưu, nhược điểm 42

3.2.5 Bếp khí hóa ngược chiều 42

a Nguyên lý hoạt động 42

b Ưu, nhược điểm 43

3.2.6 Giới thiệu về bếp hóa khí sinh khối cùng chiều, buồng đốt ngoài 43

a Nguyên lý hoạt động 43

b Ưu, nhược điểm 44

CHƯƠNG IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA CÁC BẾP KHÍ HÓA 46

4.1 Phương pháp thí nghiệm bếp khí hóa 46

4.1.1 Phòng thí nghiệm bếp 46

4.1.2 Công tác an toàn cháy nổ và vê ̣ sinh trước và sau thí nghiê ̣m 47

4.1.3 Các bước để tiến hành mô ̣t bài thí nghiê ̣m 47

a Mục đích thí nghiệm thử 48

b Người làm thí nghiệm 49

4.1.4 Thí nghiê ̣m chính thức 49

a Các bước tiến hành thí nghiê ̣m 52

b Phân tích mẫu 54

4.2 Các loại bếp khí hóa thông dụng 54

4.2.1 Mẫu bếp sinh khối một lớp 54

a Thông số cơ bản của bếp 54

b Nguyên lý hoạt động 55

c Ưu nhược điểm bếp khí hóa một lớp 55

4.2.2 Mẫu bếp sinh khối một lớp có vòi đốt ngoài 56

a Thông số cơ bản của bếp 56

b Nguyên lý hoạt động 57

c Ưu nhược điểm bếp khí hóa một lớp 57

4.2.3 Mẫu bếp sinh khối hai lớp 59

a Thông số cơ bản của bếp 59

b Nguyên lý hoạt động 60

c Ưu nhược điểm bếp khí hóa hai lớp 60

4.2.4 Mẫu bếp sinh khối hai lớp có gió thứ cấp 61

a Thông số cơ bản của bếp 61

b Nguyên lý hoạt động 62

c Ưu nhược điểm bếp khí hóa hai lớp có gió thứ cấp 62

4.3 Thông số kỹ thuật của các loại bếp 63

4.3.1 Thời gian nhóm của các loại bếp 63

4.3.2 Thời gian sôi của các loại bếp 64

4.3.3 Hiệu suất của các loại bếp 65

4.4 Phát thải trong nhà do đun nấu 67

CHƯƠNG V TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MẤU BẾP KHÍ HÓA HIỆU QUẢ CAO 69

5.1 Tính toán bếp khí hóa sinh khối sử dụng cho một hộ gia đình nông thôn Việt Nam 69

5.1.1 Các món chính trong bữa ăn của người nông dân Việt Nam 69

5.1.2 Tính toán bếp khí hóa cho người nông dân dân Việt Nam 69

a Tính toán lượng nhiệt yêu cầu 69

b Lượng nhiên liệu yêu cầu 70

c Đường kính buồng khí hóa 71

d Chiều cao của buồng khí hóa 71

e Thời gian hoạt động của bếp trong một mẻ 72

f Lượng gió sơ cấp 72

g Vận tốc gió sơ cấp 73

5.1.3 Mấu bếp khí hóa BKS1 74

a Thông số cơ bản của bếp BKS1 74

b Nguyên lý hoạt động bếp BKS1 74

c Ưu nhược điểm của bếp BKS1 76

5.1.4 Chế độ vận hành hiệu quả của bếp BKS1 77

a Quy trình thí nghiệm 77

b Chế độ cấp gió hợp lý bếp khí hóa BKS1 77

c Đánh giá hiệu suất và hiệu năng của bếp BKS1 79

d Đánh giá phát thải của bếp BKS1 80

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Qn Lượng nhiệt năng cần thiết tiêu hao trong một giờ kcal/hr

5 FCR Suất tiêu hao nhiên liệu trong một giờ kg/hr

9 SGR Suất tiêu hao nhiên liệu theo diện tích kg/m2.hr

14 α Hệ sô không khí thừa (thiếu)

15 SA Lượng gió sơ cấp lý thuyết, kgkhông khí/ kgnhiên liệu kgkhông khí/

kgnhiên liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1: Số hộ gia đình sử dụng năng lượng sinh khối trên tổng số sinh

khối tiêu thụ ở một số nước châu phi

7

Bảng 1.2: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối 8

Bảng 1.5: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp 10 Bảng 1.6: Năng lượng phát điện tương đương của sinh khối 10

Bảng 1.9 Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng 11 Bảng 1.10: Nguồn năng lượng từ sinh khối so với các nguồn

năng lượng tái sinh khác

13

Bảng 1.11: Thành phần các nguyên tố củ a một số loại sinh khối 16 Bảng 2.1: Ưu nhược điểm của thiết bị khí hóa tầng cố định 32

Bảng 5.1: Nhu cầu năng lượng của các thực phẩm trong quá trình nấu 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 4.3: Bếp khí hóa một lớp có vòi đốt ngoài (bếp Thuận Phú) 59

Hình 4.5: Bếp sinh khối hai lớp có gió thứ cấp (bếp SPIN) 63

Hình 5.2: Bản vẽ và hình ảnh thật của bếp khí hóa BKS1 77 Hình 5.3: Biểu đồ quan hệ giữa hiệu suất và hệ số không khí thừa của bếp

khí hóa cải tiến

78

Hình 5.4: Hiệu suất nhiệt của bếp BKS1 so vơi các loại bếp khác 79 Hình 5.5: Thời gian của bếp BKS1 so vơi các loại bếp khác 79

Hình 5.7: Phát thải khí CO và bụi PM2.5 của các bếp 81

LỜI MỞ ĐẦU

Vào những năm cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, đi đôi với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế và xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng càng tăng nhanh, trong vòng một thế

kỷ qua, năng lượng tiêu thụ trên thế giới tăng gấp khoảng 20 lần

Hiện nay, trên thế giới nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là từ nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, trữ lượng của nguồn nhiên liệu này có hạn và ngày một giảm dần Hơn nữa, việc khai thác và sử dụng dầu mỏ và than đá còn thải ra khí CO2, SOx và NOx gây hiệu ứng nhà kính, làm ô nhiễm môi trường và môi sinh, làm thay đổi nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu Từ đó đặt ra cho nhân loại một nhiệm vụ cấp bách là phải tìm nguồn năng lượng mới có khả năng thay thế năng lượng từ nhiên liệu gốc khoáng, có thể tái tạo và thân thiện với môi trường Nhiều năm qua, các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu và đề nghị nguồn năng lượng mới có thể thay thế dầu mỏ

và đáp ứng được các yêu cầu đã nêu ở trên - đó là năng lượng tái tạo, năng lượng này bao gồm: năng lượng sinh khối, năng lượng hydro, địa nhiệt, sức gió và năng lượng mặt trời, thủy triều

Nền kinh tế thế giới đang trên đà phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi nguồn năng lượng trong nước như than, dầu khí… đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Vì vậy phát triển năng lượng sạch, năng lượng tái tạo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đồng thời góp phần bảo đảm an ninh năng lượng, tạo điều kiện cho phát triển kinh tế …

Việt Nam là một đất nước với nền nông nghiệp rất phát triển Bên cạnh mức tăng trưởng xuất khẩu nông sản còn đọng lại vấn đề về các bãi chứa, đầu ra cho các phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch như rơm rạ, vỏ trấu, thân cây chuối, vỏ dừa, bã mía, … Số liệu hàng trăm ngàn tấn nông sản xuất khẩu hàng năm, tương ứng với con số gấp nhiều lần như thế về phế phẩm nông nghiệp thải ra môi trường sẽ là vấn nạn đe dọa ô nhiễm môi trường cho các tỉnh đang có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp Năm 2007, Việt Nam sản xuất được 36 triệu tấn lúa, 17,4 triệu tấn mía, 4,1 triệu tấn ngô Ước tính tổng

số sản phẩm trong nông nghiệp tạo ra là trên 50 triệu tấn trong đó phế phẩm nông nghiệp

chiếm khoảng 10 triệu tấn Vỏ trấu, vỏ lạc, cây ngô, vỏ cà phê… là những chất đốt rẻ tiền và tiềm năng cần được nghiên cứu sâu hơn

Trong những năm qua, đã có nhiều nhà khoa học của các trường đại học, viện nghiên cứu, trung tâm công nghệ sinh học và doanh nghiệp của nhiều bộ, ngành đã tham gia đầu tư, nghiên cứu, ứng dụng các tiến bộ khoa học vào việc tận thu vỏ trấu để tạo ra khí đốt Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn mang tính nhỏ lẻ, phân tán, mạnh ai nấy làm, nên việc thu gom, phân loại phụ, phế thải rất khó khăn Các đề tài nghiên cứu đều mang tính chất quy mô lớn khó áp dụng nhỏ lẻ cho từng

hộ gia đình Trên cơ sở này dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng, em đã thực hiện

đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả khí hóa sinh khối bếp đun cải tiến và giảm

thiểu ô nhiễm khí, bụi”

Trong đề tài này em thực hiện bao gồm các phần chính sau:

Tìm hiểu tình hình sinh khối của thế giới và Việt Nam Giới thiệu về công nghệ khí hóa sinh khối Nghiên cứu tính năng các loại bếp khí hóa đang sử dụng ở nước ngoài và Việt Nam Sự phát thải của bếp khí hóa và bếp đun thông thường Tiến hành đo sự phát thải và đánh giá hiệu suất các mẫu bếp khí hóa Nghiên cứu so sánh các ưu nhược điểm của các mẫu bếp khí hóa đang sử dụng ở các vùng quê Việt Nam Đưa ra một quy trình thí nghiệm đo sự phát thải và đánh giá hiệu suất bếp khí hóa chuẩn Xác định thông số phát thải trong quá trình đun nấu bếp Tính toán và chế tạo một mẫu bếp khí hóa mới hiệu quả cao, giảm phát thải, đưa ra chế độ vận hành tối ưu của bếp khí hóa mới

CHƯƠNG I: NHIÊN LIỆU SINH KHỐI 1.1 Tiềm năng sinh khối

1.1.1 Tổng quan về sinh khối

Sinh khối là thuật ngữ dùng để chỉ các chất hữu cơ, sản phẩm của sự quang hợp trên bề mặt trái đất Để sử dụng nhiên liệu sinh khối cho nhu cầu năng lượng của con người việc khai thác nguồn năng lượng này khá đơn giản, cách đơn giản nhất là dùng lửa đốt trực tiếp tạo ra nhiệt để cung cấp nhiệt để nấu ăn, sưởi ấm hoặc làm nóng không khí phục vụ nhu cầu của con người Một công nghệ tốt nhất hơn để sử dụng nguồn năng lượng này là chuyển hóa hóa năng tồn tại trong sinh khối thành dạng nhiệt hữu ích bằng một cách thật hiệu quả Việc khai thác và sử dụng năng lượng sinh khối đã đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của nhân loại Cho đến nay năng lượng sinh khối là dạng năng lượng chính của hơn một nửa dân số thế giới

Hiện nay năng lượng sinh khối đang được khai thác tồn tại dưới 3 dạng sau:

Sinh khối rắn: bao gồm thân cây, cành cây, động vật và chất thải của sinh vật (mặc

dù không hoàn toàn là một nguồn sinh khối bền vững) thường thì sinh khối sẽ chịu các quá trình vật lý như cắt, dập, đóng bánh nhưng vẫn giữ được trạng thái rắn

Sinh khối dạng khí: được thu lại từ chất thải của động vật (trong một môi trường không khí tự do) Phân hủy các vật chất hữu cơ để tạo ra khí mê tan Phân động vật và rác thải hữu cơ là hai nguyên liệu phổ biến cho các quá trình kỵ khí

Sinh khối dạng lỏng: thu được từ vật chất hữu cơ bằng các quá trình hóa học hoặc vật lý tạo ra những sản phẩm hữu dụng, nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng như dầu thực vật hoặc xăng sinh học (ethanol) thường được xử lý từ các phế phẩm công nghiệp như

bã mía hoặc những loại cây đặc biệt dùng sử dụng cho mục đích này Nhiên liệu sinh học thường được sử dụng thay cho xăng dầu ở một số trường hợp như chạy xe gắn máy, ôtô, phục vụ nhu cầu công nghiệp…

Sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ và thay thế dầu mỏ

1.1.2 Nguồn năng lượng từ sinh khối

Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người đến tận thế kỷ 19 Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu và than đá,

xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử Câu trả lời cho lý do hiện nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối: sinh khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ và thay thế năng lượng hóa thạch

Trong những năm gần đây, sự chú ý tới các công nghệ năng lượng sinh khối hiện đại nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung đã tăng mạnh trên toàn cầu để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch vì hai lý do: Một là, do các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần (dự trữ dầu như đã được khảo sát vào cuối năm 2002 còn khoảng 40 năm tiêu thụ nếu với mức độ tiêu thụ như hiện nay) Hai là, các nguồn này gây ô nhiễm nghiêm trọng Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà nhiều khi còn góp phần xử lý chất thải vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng lượng Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lượng Vì vậy nhiên liệu sinh khối giữ một vai trò quan trọng trong các kịch bản năng lượng soạn thảo bởi nhiều tổ chức quốc tế và có khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai

Các tổ chức liên minh phi lợi nhuận của các nhà khoa học (UCS) cho rằng sinh khối như là một loại pin tự nhiên để lưu trữ năng lượng mặt trời Khi nguồn nhiên liệu này được sản xuất bền vững thì nguồn năng lượng dự trữ này được xem là vô hạn Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ, sinh khối) có thể sản xuất tại chỗ,

có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo Năng lượng sinh khối có thể biến chất thải, phế phẩm ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và điện năng, các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học sử dụng cho các phương tiện vận tải (etanol và diesel sinh học)

Năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn Ngoài ra các loại sinh khối

có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định

Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:

- Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và dự trữ trong nhiều nguồn rất sẵn có (đặc biệt ở các nước nông nghiệp), nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế

- Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch ), và có thể được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém, có khả năng dự trữ, thay thế dầu và có thể kiểm soát được

- Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập

- Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất

- Sản phẩm còn lại sau quá trình khí hóa được gọi là than sinh học (biochar), có tác dụng giữ lại chất dinh dưỡng nhằm cải tạo đất, không chỉ làm giảm nhu cầu phân bón mà còn làm giảm tác động của khí hậu và môi trường lên đất canh tác

Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA) Tuy nhiên, các nước đang phát triển hiện nay vẫn có tỷ lệ sử dụng năng lượng sinh khối "cơ bản" đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa Tỷ lệ này vẫn luôn khá cao đối với những quốc gia nghèo nhất thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt sinh khối để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu Mặc dù sinh khối sử dụng trong công nghiệp thì có tác động tích cực đối với môi trường, tình trạng thoát khí kém và việc sử dụng các lò đốt (lò nấu) có hiệu suất kém làm tăng độ ô nhiễm không khí trong nhà ở (indoor air pollution – IAP) và gây ra hiểm họa về sức khỏe rất lớn đối với người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém

phát triển Như vậy, sử dụng sinh khối một cách hiệu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá trình cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người Năng lượng sinh khối khác các dạng năng lượng khác:

- Không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được

- Cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng Năng lượng sinh khối có hai dạng chính là:

- Các loại phế thải nông nghiệp dạng hạt nhỏ như trấu, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm rạ, bã mía, lõi ngô…

- Sinh khối gỗ có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, rừng, hoặc mùn cưa, mùn bào…

Năng lượng sinh khối có thể biến chất thải, phế phẩm ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và điện năng Ngoài ra năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu huỳnh, chu trình cố định CO2 ngắn Ngoài ra các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định

Khi biến đổi sinh khối thành khí (gas) thì quá trình có hiệu suất cao, có thể ứng dụng với một dãy công suất rộng (một vài trăm kW), có thể sử dụng cho các thiết bị nhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp Đồng thời quá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển qui trình tốt hơn, đốt sạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan đến sử dụng sinh khối Từ năng lượng sinh khối còn có thể biến đổi trực tiếp thành các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học sử dụng cho các phương tiện vận tải (ô tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hỏa) Có hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất là etanol và điêzen sinh học

1.1.3 Việc sử dụng sinh khối ở các nước đang phát triển

Theo thống kê thì 60% tổng trữ lượng nhiên liệu sinh khối chủ yếu tập trung ở các nước đang phát triển, nhưng ở các nước đang phát triển còn thiếu cơ sở vật chất cũng như đội ngũ các nhà khoa học công nghệ cho việc nghiên cứu công nghệ kỹ thuật sử

dụng hiệu quả nguồn năng lượng dồi dào này Thời gian gần đây một số nước đã tập trung đầu tư, nghiên cứu, phát triển và chế tạo các thiết bị sử dụng năng lượng hiệu quả cho công nghiệp và hộ gia đình như: Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan…

Trên thế giớ hiện nay có khoảng hơn 2 tỷ người ở các nước đang phát triển sử dụng sinh khối là năng lượng chính cho nhu cầu năng lượng của gia đình Năng lượng sinh khối chủ yếu dùng để nấu ăn, đun nước, sưởi ấm Bảng 1.1 cho ta thấy tỷ lệ số gia đình

sử dụng sinh khối làm năng lượng chính ở một số nước châu phi

Bảng 1.1: Số hộ gia đình sử dụng năng lượng sinh khối trên tổng số sinh khối tiêu thụ ở một số nước châu phi [1]

Quốc gia

Tiêu thụ năng lượng sinh khối(% trên tổng số tiêu thụ năng lượng)

Phần trăm hộ gia đình sử dụng sinh khối (%)

kỉ qua người ta đã đưa ra nhiều công nghệ để giảm thiểu hạn chế việc khai phá rừng bừa bãi dùng làm củi đun Trong đó có việc tìm công nghệ sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối cũng như củi gỗ

Phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp hiện nay đang được nhiều quốc gia sử dụng làm nhiên liệu cho việc sản xuất điện năng cỡ vừa và nhỏ cho tự dùng hoặc cho thương mại Các nhà máy này chủ yếu là sản xuất điện năng tự dùng và sẽ bán ra ngoài nếu như

thừa Ở Việt Nam hiện nay ở các nhà máy đường người ta đang làm tốt vấn đề sử dụng sinh khối này, bã mía sau khi ép lấy nước sẽ được dùng làm nhiên liệu cho lò hơi

1.1.4 Giới thiệu về nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam

Việt nam là một nước nhiệt đới gió mùa, nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển nhanh Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn, hơn nữa Việt Nam là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú và và với trữ lượng rất nhiều nguồn này ngày càng tăng cùng với việc phát triển nông lâm nghiệp

Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối Các loại sinh khối chính ở nước ta là: Củi gỗ, phế thải từ cây nông nghiệp, chất thải chăn nuôi, rác thải ở đô thị và chất thải hữu cơ khác Theo tính toán thì tổng tiềm năng, khả năng khai thác nguồn năng lượng sinh khối cho năng lượng và điện từ các nguồn trên đạt khoảng 134 triệu tấn, và có thể khai thác được từ 698-781 MW điện

Bảng 1.2: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối [2]

Loại sinh khối

Tiềm năng (triệu tấn)

Khả năng khai thác cho năng lượng (triệu tấn)

Khả năng khai thác cho sản xuất điện (MW)

1 Củi gỗ và các phế thải gỗ 27 -31 25

2 Phế thải từ cây nông

nghiệp

4 Rác thải phát sinh tại các

Ta có thể giới thiệu sơ lược về các loại sinh khối cơ bản ở Việt Nam như sau:

Trữ lượng trấu, rơm rạ, cây lạc, đậu, ngô… lớn nhất ở Việt Nam chủ yếu phân bố ở các vùng đồng bằng lớn như đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng, đồng

bằng duyên hải miền trung Gỗ mới, lấy từ rừng, các hoạt động trồng rừng hoặc từ các

quá trình chế biến gỗ Chất thải nông nghiệp: chất thải sinh ra từ quá trình thu hoạch hoặc xử lý nông nghiệp (bã mía, vỏ trấu, rơm…) Thức ăn thừa từ các hoạt động sản xuất, chuẩn bị và xử lý thức ăn và thức uống hoặc từ rác thải sinh hoạt Chất thải nông nghiệp và thứ phẩm, phụ phẩm từ quá trình sản xuất và các quy trình công nghiệp Nó

không bao gồm các chất hữu cơ đã được chuyển hóa bởi các quá trình địa chất thành các chất như than đá hoặc dầu mỏ Sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề được thế giới quan tâm nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên liệu truyền thống Sinh khối ở nước ta có rất nhiều tồn tại dưới dạng phế phẩm nông nghiệp như: trấu, rơm

rạ, vỏ lạc, than cây lạc, ngô, đâu, vỏ dừa, mùn cưa, bã mía…

Ngoại trừ bã mía làm nhiên liệu cho việc đốt lò hơi thì các loại phế phẩm khác cũng chưa được khai thác sử dụng hiệu quả

Bảng 1.3: Trữ lượng một vài thành phần sinh khối [2]

Theo một nghiên cứu thống kê năm 1987 người ta có trữ lượng phụ phẩm nông nghiệp

ở Việt Nam như bảng sau:

Bảng 1.4: Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng [3]

(triệu tấn)

Quy dầu tương đương, (triệu TOE)

Tỷ lệ (%)

Bảng 1.5: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [3]

Ở một số tỉnh ở đồng bằng sông cửu long như Cần Thơ, An Giang người ta đang tính đến việc sử dụng trấu, mùn cưa để sản xuất điện vì theo nghiên cứu để sản xuất 1kW điện cần đến 2 kg trấu tiết kiệm chi phí được 3 lần so với sử dụng dầu FO Trong khi đó giá mùn cưa rất rẻ khoảng 100 - 300 vnd/kg so với than đá là 2.500 vnd/kg Công suất phát điện của một số nhiên liệu sinh khối được tính toán như sau:

Bảng 1.6: Năng lượng phát điện tương đương của sinh khối [2]

Nhiên liệu Trấu Bã mía Vỏ điều Mùn cưa Rơm Than cám

Phátđiện tương đương

b (kg/kWh)

Nếu tập trung trấu, mùn cưa thay thế cho than:

+ Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn thay thế cho mục đích phát điện liên tục

+ Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống

+ Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để sử dụng nhiệt của nó

Nguồn cung cấp Tiềm năng, triệu tấn Quy dầu tương đương,

1.2 Hiện trạng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

Hiện tại, chính sách phát triển sinh khối vẫn đang trong giai đoạn chuẩn bị, vẫn còn thiếu sự hợp tác giữa các bộ và cơ quan chức năng trong vấn đề này Thực tế, những chính sách về sinh khối được nhiều chính sách khác nhau phác thảo, dẫn đến việc thiếu nhất quán trong chính sách quốc gia nhằm thúc đẩy việc sử dụng năng lượng sinh khối

về lâu dài Thêm vào đó, chính phủ chưa có chính sách trợ giúp cho việc ứng dụng công nghệ sinh khối ở nông thôn, nơi mà đời sống đa số người dân còn khó khăn, nghèo khổ

Bảng 1.8: Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [5]

(KTOE)

Tỷ lệ (%)

Bảng 1.9: Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng [5]

Nói chung, hiện tại của công nghệ sinh khối ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế Từ trước đến giờ, người dân sống ở nông thôn thường dùng sinh khối, vốn khá dồi dào, như nguồn nhiên liệu chính nhưng với hiệu suất sử dụng năng lượng khá thấp Trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc năng lượng sinh khối vẫn chiếm tỉ lệ lớn tới trên một nửa Mặc dù giá trị tuyệt đối vẫn không ngừng tăng nhưng tỉ lệ giảm dần do năng lượng thương mại tăng nhanh hơn

Trên 3/4 sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp Bếp cải tiến tuy đã được nghiên cứu thành công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ, lẻ tẻ ở vài địa phương, 1/4 sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất:

- Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo kinh nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu chủ yếu ở phía nam

- Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43 nhà máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài Mới đây viện cơ điện nông nghiệp đã nghiên cứu thành công dây chuyền sử dụng phụ phẩm sinh khối đồng phát nhiệt và điện để sấy Viện đã lắp đặt và hiện đang triển khai ứng dụng ở các tỉnh

- Sấy lúa và sấy nông sản: máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và có thể dùng trấu làm nhiên liệu

Công nghệ các bon hóa sinh khối sản xuất than củi: theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hóa trấu hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm

1.3 Lợi ích và vai trò của sinh khối

1.3.1 Lợi ích

a Lợi ích kinh tế

Việt Nam là một nước nhiệt đới nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển nhanh

Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn, là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú Theo ước tính các sản phẩm của năng

lượng sinh khối có từ nông nghiệp có thể đạt đến 200 triệu tấn vào năm 2025 Với mức giá 40USD/tấn thì tổng thu nhập sẽ là 5,1 tỷ USD/năm Tuy nhiên sản lượng này chỉ bằng 1/6 so với tổng sản lượng năng lượng sinh khối mà nông dân tạo ra vào năm 2025 Khi đó thị trường năng lượng sinh khối sẽ mang lại nhiều lợi nhuận cho người nông dân

vì ngoài nguồn thu từ nông sản họ còn thu được lợi nhuận từ các chất thải của nông sản như: vỏ, thân cây…

Mặt khác, nhu cầu tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hoá thạch đang ngày càng trở nên cấp thiết, nhiều công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế đã đạt được những kết quả bước đầu về nhiên liệu từ sinh khối, hứa hẹn triển vọng về một nguồn nhiên liệu dồi dào

Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển năng lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất, thu hoạch…) Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng….Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu Ta có thể nhận thấy lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông qua bảng dưới:

Bảng 1.10: Nguồn năng lượng từ sinh khối so với các nguồn

năng lượng tái sinh khác

Công suất điện phát hàng năm, Mkw/h 1,100 17,500 61,300

b Lợi ích môi trường

Đây là một nguồn năng lượng có tiềm năng to lớn với nhiều ích lợi to lớn cho môi trường

Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được

Năng lượng sinh khối tận dụng phế phẩm làm nhiên liệu, do đó nó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích Đốt sinh khối cũng thải ra CO2 nhưng lượng lưu huỳnh và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than Ta cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ chúng Vì vậy năng lượng sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển

Như vậy, phát triển năng lượng sinh khối làm giảm sự biến đổi khí hậu, giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp…

c Khó khăn

So với nhiên liêu hóa thạch thì mật độ năng lượng trên đơn vị sinh khối là thấp Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi trường, phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác Có thể thấy so sánh về hiệu quả đầu tư cũng như hiệu suất năng lượng thì nguồn năng lượng sinh khối

là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao Năng lượng sinh khối có nhiều dạng, và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối có thể tái sinh được, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh khối

ở nước ta hiện nay vẫn chưa được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà nước…

1.3.2 Thành phần hóa học của sinh khối

Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ, trấu, ngô, vỏ lạc, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinh hoạt… Thành phần hóa học của sinh khối gồm các thành phần sau:

- Ẩm: Hàm ẩm của sinh khối phụ thuộc vào bản chất của sinh khối và phụ thuộc vào độ

ẩm của môi trường Lượng ẩm trong mẫu chủ yếu được cho là tồn tại ở 2 dạng:

+ Ẩm trên bề mặt mẫu

+ Ẩm trong mao quản

- Chất bốc: Chất bốc được hiểu là các hợp chất dễ bay hơi tiêu biểu là các hợp chất sau: + Lignin: chiếm 15%-25% Công thức hóa học (C10H12O4)n Nó có cấu trúc phức của các chất thơm, nó chống lại được các quá trình chuyển hóa hóa học sinh khối, để chuyển hóa nó cần nhiệt độ cao

Hình 1.1: Các monomer của Lignin

+ Hemicellulose: chiếm 23%-32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là polyme của cácphân tử đường 5 các bon, 6 các bon Nó là thành phần dễ bị depolyme hóa, đường 5 các bon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó lớn hơn đường 6 các bon Các hợp chất trích ly

- Tro: Tro của các mẫu sinh khối là phần vô cơ không cháy được Thành phần chính của tro gồm các oxit kim loại như: SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, CaO, MgO, Na2O, và tro là thành phần không có ích đối với quá trình cháy

- Hàm lượng các bon cố định: Hàm lượng các bon cố định là lượng các bon rắn cố định

có trong mẫu, tham số này được dùng để đánh giá nhiên liệu sinh khối, nó đặc biệt quan trọng với quá trình cháy và quá trình khí hóa

Sinh khối có một vài tính chất hóa học thuận lợi cho các quá trình chuyển hóa so với các dạng nhiên liệu nền tảng là các bon khác Tuy nhiên, độ ẩm cao luôn có xu hướng

tạo nhựa và hàm lượng tro dẫn đến điểm nóng chảy chất rắn thấp khi mà hiện tại nhiệt

là thách thức đối với một số phương pháp chuyển hóa Một số sinh khối có hàm lượng nitơ và clo cao Sự kết hợp của kiềm và clo có thể tạo hợp chất gây ăn mòn thiết bị chuyển hóa Hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng hình thành oxit nitơ nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn nhiều loại nhiên liệu khác như than thì làm giảm khả năng tạo lưu huỳnh trong quá trình chuyển đổi

Sinh khối có chứa năng lượng trong các liên kết hóa học của các thành phần của nó giống như các bon hydrat Thành phần oxy trong sinh khối cao hơn trong nhiên liệu hóa thạch nên về cơ bản nhiệt trị của nó thấp hơn nhiên liệu hóa thạch Với một dạng nhiên liệu phức tạp, đa dạng và nhiều cấu trúc liên kết như sinh khối thì năng lượng của nó có thể được đặc trưng qua thành phần nguyên tố có trong nó

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 2.1 Khí hóa trong cuộc sống và sử dụng đun nấu

Phần lớn sinh khối được sử dụng để đun nấu ở các nước Châu Á và Châu Phi, nói chung là các nước đang phát triển Tuy nhiên, việc sử dụng bếp đun sinh khôi truyền thống có hiệu quả thấp và phát thải nhiều gây ô nhiễm môi trường Một trong những nỗ lực để giải quyết các vấn đề này, một số nước ở Châu Á đã thúc đẩy nghiên cứu cải tiến các loại bếp đun gia đình Mặc dù có những kết quả đã được báo cáo ở một số nước nhưng khả năng nâng cao hiệu quả vẫn còn rất lớn Một nghiên cứu gần đây cho biết 7 quốc gia : Trung quốc, Ấn độ, Pakistan, Nepal, Philippines, Sri Lanka và Việt Nam có khoảng 152 triệu tấn củi gỗ và 101 triệu tân phế phẩm của nông nghiệp Lượng sinh khối này chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ mà nếu biết cách sử dụng hiệu quả thì có thể bổ sung và thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai

Ứng dụng bếp khí hóa sinh khối trong nấu ăn

Khí hóa là quá trình chuyển đổi nhiên liệu rắn như than, củi gỗ và phế phẩm nông nghiệp thành khí cháy Hiện tượng khí hóa sinh khối xảy ra trong một lò kín và nhiên liệu được đốt cháy trong môi trường thiếu oxy Nhiệt sinh ra do đốt cháy một phần nhiên liệu cấp vào, và bẻ gãy các liên kết hóa học của nhiên liệu sinh ra khí đốt Nhiệt trị của khí đốt thu được cỡ 4-6 MJ/Nm3, khoảng 10-15 % nhiệt trị của khí đốt tự nhiên Khí đốt thu được là hỗn hợp của các chất khí dễ cháy như: hydro (H2), carbon monoxide (CO), methane (CH4) và sản phẩm của quá trình cháy là carbon dioxide (CO2) và nitơ (N2) Tỉ

lệ các loại khí trong hỗn hợp này phụ thuộc vào nhiên liệu và cách thiết kế từng loại bếp

Ở những bếp quy mô nhỏ, nhiên liệu đốt được chứa trên một lớp cố định Trong đó có những loại lò như: Khí hóa kiểu từ trên xuống (updraft), khí hóa từ dưới lên (dowdraft), khí hóa kiểu ngang qua (cross-draft)

2.2 Khái niệm

Khí hoá là quá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liêu sinh khối ở nhiệt độ cao (khoảng từ 600-1300oC) thành nhiên liệu khí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế ôxy nguyên chất, ôxy trong không khí hoặc hơi nước Khí hoá nhiên liệu sinh khối bằng không khí

sẽ tạo ra nhiên liệu khí có nhiệt trị thấp, chứa khoảng 50% Nitơ Khí hoá sinh khối bằng ôxy nguyên chất hoặc hơi nước sẽ tạo ra khí sản phẩm có nhiệt trị trung bình

Thành phần chính của nhiên liệu khí bao gồm CO, H2 và CH4, ngoài ra còn có CO2, hơi nước, N2 và hắc ín (hydro các bon cao phân tử) Nhiên liệu khí từ quá trình khí hóa sinh khối được sử dụng trong nhiều trường hợp tại đó nhiên liệu sinh khối dạng rắn không thể hoặc khó sử dụng Ví dụ: làm nhiên liệu cho động cơ phục vụ vận tải, phát điện, cấp nhiệt …

2.3 Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa

2.3.1 Cơ chế chung

Khí hóa sinh khối là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy, hoặc oxy đơn thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với sinh khối ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Nhiên liệu này được gọi chung là khí sinh khối với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2,

CH4… dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH…

Quá trình khí hóa diễn ra ở nhiệt độ cao với sự hiện diện của chất oxy hóa, nhiệt được cung cấp để khí hóa hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp làm tăng nhiệt độ trong buồng khí hóa đến 600°C ÷1000°C Với sự hiện diện của chất oxy hóa ở nhiệt độ cao, các hợp chất cao phân tử lớn trong nhiên liệu sinh khối bị phân hủy thành các phân tử nhẹ hơn và cuối cùng tạo thành các khí CO, H2, CH4, N2 (nếu sử dụng không khí làm tác nhân oxy hóa)

và có thể là các hydro các bon nhẹ, tro, than, hắc ín và các chất gây ô nhiễm như SOx, NOx Than và hắc ín là kết quả của việc chuyển đổi không hoàn toàn của sinh khối Phương trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối như sau:

CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí) + H2O (hơi nước có thể có) CH4 + CO + CO2 + N2 + H2 + H2O (hơi nước trong nhiên liệu và hơi nước không phản ứng) + C (char) + tar

Dưới đây là các phản ứng hoá học chủ yếu xảy ra trong quá trình khí hoá

Trong vùng nhiệt phân:

CxHyOzNt (sinh khối) than + hắc ín + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm)

Phản ứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy (oxy hóa) giữa oxy trong không khí cấp với cácbon ở nhiệt độ cao:

C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.1) 2C + O2 = 2CO + 246 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.2) Không khí đưa vào có chứa ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và agon Các khí trơ nói chung có thể coi như không phản ứng với các thành phần của nhiên liệu Tuy nhiên, hơi nước có thể phản ứng với các bon ở nhiệt độ cao dưới dạng phản ứng dị thể:

C + H2O = H2 + CO – 131,40 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.3) Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ trên 900oC:

C + CO2 = 2CO – 172,60 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.4) Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.5)

Và khi nhiệt độ khoảng 500 oC-600oC trong vùng suy giảm còn xảy ra phản ứng tạo

H2 như sau:

C + 2H2O = 2H2 + CO2 – 88 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.6) Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng 5000C:

C + 2H2 = CH4 + 75,00 MJ/kg mol (ở 25oC, 1 at) (2.7)

2.3.2 Cơ chế phản ứng của các phản ứng chính trong quá trình khí hóa

a Cơ chế phản ứng C + H 2 O

Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng C +

CO2 đều đúng với phản ứng C + H2O Phản ứng chỉ có thể tiến hành với vận tốc tương đối lớn nên T > 800oC Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức tạp hơn phản ứng C + CO2 vì phản ứng C + H2O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng khác nhau sinh ra CO và

CO2:

C +H2O=CO+ H2– Q1 (2.8)

C + 2H2O=CO2+2H2– Q2 (2.9) Nếu trong gió có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO2 ra còn có khả năng tiến hành phản ứng sau:

CO + H2O = CO2+H2 + Q (2.10) Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H2O là xem xét CO là sản phẩm bậc nhất,

CO2 là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO2 đều là sản phẩm bậc nhất tạo thành đồng thời cùng 1 lúc

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:

- Giả thiết 1: Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C và hơi nước tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:

C + 2H2O = CO2 + 2 H2– Q (2.11) Còn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng bậc 2 như sau:

đi vào các giai đoạn trung gian của chúng

- Giả thiết 3: Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩm bậc nhất, còn CO2 là sản phẩm bậc 2 Giả thiết này giải thích được khá nhiều trường hợp thực nghiệm chứng minh nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

+ Giai đoạn 1: Hấp phụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

C + H2O ↔ C + (H2O)hấp phụ (2.13) + Giai đoạn 2: Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:

C + (H2O)hấp phụ ↔ CxOy + (H2)hấp phụ (2.14) + Giai đoạn 3: Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt CxOy với sự tham gia của hơi nước từ không khí:

CxOy + H2O = (CO)hấp phụ + H2 (2.15) Đây là phản ứng bậc 1 đối với hơi nước và sự phân hủy phức chất có sự tham gia của phân tử hơi nước Phản ứng tiến hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và nồng độ của hơi nước tương đối cao

Sự phân hủy của phức chất còn có thể tiến hành theo 1 sơ đồ khác:

CxOy ↔ (CO)hấp phụ + C (2.16) Đây là phản ứng bậc 0 đối với hơi nước Nó thực hiện được hoặc trong điều kiện nhiệt

độ cao (phức chất không bền nhiệt), hoặc phản ứng tiến hành trong chân không, vì lúc

đó nồng độ của nước không đáng kể, sự va chạm của phân tử nước vào bề mặt phức chất rất ít

Do đó cơ chế vừa trình bày ở trên có thể đúng được ở điều kiện nhiệt độ cao hay thấp

và nồng độ hơi nước trong gió cao hay thấp hoặc trong cả trường hợp phản ứng tiến hành trong chân không

+ Giai đoạn 4: Nhả (CO)hấp phụ và (H2)hấp phụ trên bề mặt sinh khối ra ngoài dòng khí theo phản ứng:

(CO) hấp phụ ↔ CO (2.14) (H2) hấp phụ↔ H2 (2.15)

b Cơ chế phản ứng của C + CO 2

Phản ứng C + CO2 và C + H2O trong vùng khử là 2 phản ứng quan trọng nhất để tạo

ra các cấu tử có ích trong khí hóa sinh khối là CO và H2 Khi nghiên cứu cơ chế phản ứng này ta cũng sẽ gặp một số khó khăn vì đây cũng là phản ứng dị thể tiến hành qua nhiều giai đoạn trung gian, và phản ứng thu nhiệt nhiều nên rất khó giữ cho nhiệt độ phản ứng không đổi, nghĩa là khó giữ được sự đẳng nhiệt của phản ứng

Vì phản ứng thu nhiệt mạnh nên đặc điểm của nó là phản ứng chỉ tiến hành ở nhiệt độ cao T > 800oC, nếu ở nhiệt độ T < 800oC tốc độ phản ứng rất bé, không đáng kể

Giữ cho nhiệt độ phản ứng C + CO2 không đổi khó hơn là trường hợp đối với phản ứng C + O2 vì trong trường hợp phản ứng cháy, muốn lấy nhiệt ra ngoài người ta có thể dùng nitơ thổi qua Còn đối với phản ứng thu nhiệt C + CO2 trong phòng thí nghiệm thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằng phương pháp điện và nhiệt được truyền

từ thành ngoài của lò vào tâm của ống đựng sinh khối Nhưng vì sinh khối là một chất dẫn nhiệt kém nên lượng nhiệt truyền từ thành vào bao giờ cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng Kết quả là gây ra sự trễ nhiệt từ thành ống vào tâm của lớp sinh khối

Theo Tru-kha-nop, cơ chế phản ứng C + CO2 tiến hành qua các giai đoạn sau:

+ Giai đoạn 1: Hấp phụ CO2 trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:

C + CO2 ↔ (CO2) hấp phụ+ C (2.16) + Giai đoạn 2: Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:

(CO2) hấp phụ+ C ↔ CxOy (2.18) Trong đó: CxOy – là hợp chất trung gian hoạt động bề mặt

+ Giai đoạn 3: Phân hủy hợp chất bề mặt dưới tác dụng của nhiệt độ:

Ở nhiệt độ cao chúng sẽ tự phân hủy theo phản ứng sau:

CxOy → n (CO) hấp phụ + pC (2.19)

Đó là phản ứng bậc 0 đối với CO2 vì khi phân hủy không cần có sự tham gia của CO2

vào phản ứng Ở nhiệt độ thấp thì sự phân hủy hợp chất bề mặt có thể tiến hành theo sơ

đồ sau với sự tham gia của CO2 của dòng khí

ứng

2.4 Nguyên liệu cho quá trình khí hóa sinh khối

Nguyên liệu cho quá trình khí hóa sinh khối là toàn bộ các phụ phẩm, phế phẩm nông, lâm nghiệp như: mùn cưa, vỏ trấu, vỏ lạc, rơm rạ, lõi ngô…Đối tượng nghiên cứu của

đề tài là các thứ phẩm, phụ phẩm nông nghiệp, đây là một quá trình quan trọng đòi hỏi phải được tiến hành cẩn thận để đảm bảo kết quả thực nghiệm có độ chính xác cao nhất Sau khi lựa chọn, nguyên liệu được thu mua có kích thước và cấu trúc hóa học khác nhau nên được xử lý sơ bộ theo từng quy trình riêng

Nguyên liệu sau khi sơ chế được đem đi nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 1 giờ đồng hồ Sản phẩm nhiệt phân để nguội rồi đem nghiền nhỏ, tiến hành rây 0,5÷1 mm, lựa chọn các hạt có kích thước đồng đều

Sản phẩm cuối cùng sẽ được đưa vào khí hóa trong lò ở các nhiệt độ 800oC, 850oC,

900oC và 1000oC

Các nguyên liệu thô ban đầu được xác định hàm lượng tro, chất bốc, ẩm để đánh giá đặc tính của nguyên liệu đầu vào Sản phẩm khí sau quá trình khí hóa được đem đi phân tích để xác định hàm lượng khí tổng hợp tạo thành

2.5 Sản phẩm của quá trình khí hóa

Sản phẩm của quá trình khí hóa là hỗn hợp khí không có khả năng ngưng tụ bao gồm:

CO, H2, CO2, CxHy, SOx, Các khí này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như:

sử dụng trực tiếp như khí nhiên liệu, tổng hợp nhiên liệu xăng và điêzen từ hỗn hợp khí

CO và H2 Ngoài ra hỗn hợp khí này còn được ứng dụng để sản xuất hóa chất như metanol

2.6 Ưu điểm nhược điểm của công nghệ khí hóa sinh khối

2.6.1 Ưu điểm

Ưu điểm của khí hóa sinh khối so với đốt trực tiếp: Nó có thể sử dụng nguyên liệu có giá trị thấp và chuyển đổi chúng không chỉ thành điện, mà còn là nhiên liệu cho các phương tiện vận tải Trong những năm sắp tới, nó sẽ phục vụ như là một công nghệ chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sử dụng công nghệ tiên tiến như tua bin khí và pin nhiên liệu với khí tổng hợp được tạo ra từ kết quả của quá trình khí hóa hiệu suất cao Để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu rắn, không khí dư thừa là cần thiết, và

nhiệt độ đốt cháy cao tạo ra NOx và phát thải khác, so với quá trình đốt cháy các sản phẩm khí hóa Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt - điện, các chất gây ô nhiễm trong khói như SOx, NOx được loại bỏ hiệu quả, kết quả lượng khí thải ô nhiễm thấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ ràng cho quá trình xử lý, vận chuyển, và

sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải

So với các công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh khối khác thì khí hóa sinh khối còn có những ưu điểm sau:

- Khí hoá sinh khối có tính linh hoạt cao về sử dụng nguyên liệu sinh khối làm nhiên liệu

- Khí hoá có hiệu quả chuyển đổi nhiệt-hóa trong phạm vi 70% đến 90% là cao nhất trong số các công nghệ sử dụng sinh khối

- Có thể thực hiện ở quy mô lớn

- Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn trên một đơn vị năng lượng

- Việc điều khiển và thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng hơn so với công nghệ khác

- Sản phẩm khí đầu ra phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết các loại động cơ đốt trong và thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng khác

2.7 Các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối

2.7.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình khí hóa xảy ra thì áp suất tối thiểu phải là 10 bar và thậm chí là đạt tới 100 bar Ở áp suất cao cực độ,

như việc tổng hợp ammoniac là 70-100 bar, hay như quá trình hóa khí ở áp suất 50-70 bar trở lên thì không có tính thực tế cho yêu cầu thiết bị sử dụng Ở áp suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lò khí hóa trở lên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao

Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho quá trình hóa khí là tùy thuộc vào yêu cầu của quá trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu tư là thấp nhất Mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhật định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ hóa khí sinh khối thích hợp

2.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của quá trình khí hóa nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ) Đối với sinh khối thì điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí hóa vào sinh khối để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ làm giảm toàn diện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí chúng ta phải luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò không được vượt quá giá trị cho phép

Các quá trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30 bar và nhiệt độ trên 1300oC

Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần mêtan giảm xuống Trong trường hợp này thì nhiệt độ cao là cần thiết, đồng thời để quá trình khí hóa diễn ra được thuận lợi hơn người ta còn sử dụng thêm chất xúc tác trong quá trình phản ứng

2.7.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang N 2

Khí N2 có vai trò tạo ra môi trường trơ trong phản ứng khí hóa đồng thời là tác nhân

có tác dụng lôi cuốn hơi nước cung cấp cho phản ứng và lối kéo sản phẩm khí ra ngoài Nếu lưu lượng N2 quá nhỏ thì không đủ áp để lôi cuốn toàn bộ hơi nước vào thiết bị phản ứng đồng thời thời gian lưu cũng kéo dài thì khí sinh ra trong quá trình khí hóa sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của hơi nước và các bon dẫn đến hiệu suất chuyển hóa các bon thấp hơn nữa lượng khí CO2 sinh ra nhiều hơn, đây là khí không mong muốn có mặt trong

sản phẩm khí Nếu lưu lượng khí lớn quá thì lượng hơi nước đưa vào sẽ không kịp phản ứng đã bị kéo ra ngoài dẫn đến hiệu suất phản ứng thấp đồng thời nếu muốn toàn bộ các bon chuyển hóa thành khí sản phẩm thì phải cần thời gian lâu hơn, điều này dẫn đến tiêu tốn năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế

2.7.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ hơi H 2 O/ sinh khối

Hơi nước là tác nhân chính tham gia trực tiếp vào quá trình khí hóa, lượng hơi nước đưa vào với lưu lượng bao nhiêu sao cho phù hợp với các tác nhân phản ứng khác sẽ được nghiên cứu cụ thể trên lý thuyết và thực nghiệm Nếu lượng hơi nước đưa vào quá nhiều dẫn đến dư thừa hơi nước trong thiết bị phản ứng, làm tiêu tốn năng lượng dùng

để hóa hơi nước đồng thời lượng hơi nước nhiều sẽ phản ứng với CO sinh ra tạo thành

CO2 dẫn đến hiệu suất tạo sản phẩm khí CO giảm đồng thời lượng H2 tăng lên Nếu lượng hơi nươc đưa vào ít thì hiệu suất tạo H2 nhỏ Như vậy dù lượng nước nhiều hay đều không hiệu quả, vừa tốn kém về mặt năng lượng nếu lượng nước nhiều đồng thời sản phẩm khí thu được không giàu H2 và CO vì thế nghiên cứu để điều chỉnh lượng nước phù hợp là rất cần thiết

2.7.5 Ảnh hưởng của nguyên liệu

Các loại nguyên liệu có độ ẩm cao như: củi gỗ, mía, ngô,… muốn chuyển thành nhiên liệu khí bằng quá trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ tách ẩm Nếu độ ẩm của nguyên liệu tăng cao thì không những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà còn 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 hoặc thay đổi chế

độ khí hóa Đó cũng là nguyên nhân làm tăng giá thành cho một đơn vị nhiên liệu chuẩn

2.7.6 Ảnh hưởng của tro xỉ

Tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của bếp Tại đây tro có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao Nếu như nhiệt độ nóng chảy của tro thấp thì tro sẽ nóng chảy và đóng tảng sẽ ngăn cản quá trình khí hóa Khi hiện tượng kết tảng xảy ra thì gió sẽ tập trung thổi vào những chỗ thông thoáng và tạo ra sự khí hóa không đồng đều, tác nhân khí hóa tập trung quá nhiều ở một vài chỗ và sẽ sinh

ra hàm lượng CO2 và N2 tăng lên Mặt khác nếu quá trình khí hóa diễn ra ở đây xảy ra quá lâu, nhiệt độ tiếp tục tăng lên, tro xỉ tiếp tục xảy ra và nhiều quá dẫn đến tắc và bếp không hoạt động được nữa, ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng khí thu được

Để tránh hiện tượng đóng tảng tro xỉ cách tốt nhất là thường xuyên vệ sinh bếp và thải tro xỉ dưới đáy bếp

2.7.7 Kích thước nhiên liệu

Quan sát thấy rằng các hạt nhiên liệu nhỏ hơn dẫn đến sản phẩm khí có thành phần

CH4, CO, C2H4 cao hơn và ít CO2, nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa carbon cao hơn

2.7.8 Độ ẩm nhiên liệu

Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp vì vậy sấy sinh khối thu thập từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa

2.8 Các công nghệ khí hóa sinh khối

Có nhiều cách phân loại công nghệ khí hóa sinh khối khác nhau:

- Phân loại theo cách thức vận hành: khí hóa liên tục, khí hóa theo mẻ

- Phân loại theo các cấp khí hóa: lò khí hóa một cấp, hai cấp, nhiều cấp

- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng: khí hóa than, khí hóa sinh khối

- Phân loại theo tác nhân khí hóa: lò khí hóa dùng không khí, lò khí hóa dùng oxi,

lò khí hóa dùng hơi nước, lò khí hóa dùng hydro

- Phân loại theo nguồn nhiệt cấp cho quá trình khí hóa: lò khí hóa nguồn nhiệt từ quá trình cháy, lò khí hóa plasma

- Phân loại theo trạng thái nhiên liệu trong lò khí hóa: Lò khí hóa lớp chặt (Fixed bed), lò khí hóa lớp sôi (Fluidized bed), lò khí hóa dòng cuốn (entrain flow)

Tuy nhiên, cách phân loại thường đề cập đến nhiều nhất là phân loại theo trạng thái lớp nhiên liệu trong lò

2.8.1 Khí hóa lớp chặt

Đây là loại thiết bị phù hợp nhất với công nghệ khí hóa sinh khối Thiết bị này bao

gồm một lò phản ứng mà trong đó nguyên liệu được nạp cố định ở trong hoặc được cho vào chậm qua van với dòng khí đi theo giữa lớp nguyên liệu Thiết bị khí hóa tầng cố định thường được nạp liệu từ phía trên cùng của lò phản ứng và được thiết kế dưới dạng thổi lên, thổi xuống hoặc thổi ngang

Với thiết bị khí hóa tầng cố định dạng thổi lên, không khí hoặc oxy đi từ dưới lên qua một vùng phản ứng nóng ở gần cuối của thiết bị theo chiều ngược với chiều của nguyên liệu rắn Trong bộ hóa khí thổi lên, các sản phẩm khí hóa thường tương đối nguội và không xảy ra các phản ứng phân ly các hydro các bon nặng Tuy nhiên, cần phải lọc sạch các khí sản phẩm Khí sản xuất ra có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong

Trong bộ khí hóa thổi xuống, tác nhân khí hóa và nguyên liệu được đưa vào phần trên của lò phản ứng, các sản phẩm khí hóa được đi qua vùng nóng nhất, tạo thành liên kết các hydro các bon nặng và sản phẩm khí đi ra ở phần đáy của lò phản ứng Vì khí rất nóng nên sau khi đi ra khỏi bộ khí hoá nó cần được làm nguội trong một hệ thống thu hồi nhiệt Thiết bị dạng thổi xuống bị hạn chế bởi quy mô và yêu cầu về nhiên liệu Thiết

bị loại này thiết lập trên quy mô nhỏ (công suất 150 kWe-1MWe) có thể được sử dụng

để chuyển đổi sinh khối thành nhiệt hoặc điện

Đối với thiết bị dạng thổi ngang, đây là thiết bị khí hóa đơn giản nhất Dòng không khí có vận tốc lớn đi qua vòi phun tạo ra sự tuần hoàn lớn và đi ngang qua lớp nguyên liệu Điều này tạo ra một vùng nhỏ có nhiệt độ cao dẫn đến hàm lượng nhựa thấp, cho phép điều chỉnh tốc độ nạp liệu Nhiên liệu và tro có lợi cho việc tránh thất thoát nhiệt

ra khỏi thiết bị khí hóa Thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao nên nguyên liệu vào phải có hàm lượng tro thấp để tránh tạo xỉ

Hầu hết việc cải tiến của thiết bị khí hóa tầng cố định đều dựa trên các loại thiết bị này Sự lựa chọn một trong các thiết bị khí hóa khác nhau dựa vào nguyên liệu, mục đích tạo sản phẩm, kích thước, độ ẩm và hàm lượng tro của nguyên liệu Lò khí hóa sinh khối công nghệ khí hóa lớp chặt được chia làm ba loại theo chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra:

- Lò khí hóa ngược chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm đầu ra ngược với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa thuận chiều: chiều di chuyển của khí sản phẩm đầu ra cùng với chiều

di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa dòng cắt nhau: chiều di chuyển của khí sản phẩm đầu ra cắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu

a Lò khí hóa ngược chiều

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối ngược chiều được trình bày trên hình 2.1 Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dưới trong khi đó không khí cho quá trình khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên của thiết

bị Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng khí sản phẩm đầu ra chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa

Hình 2.1: Khí hóa ngược chiều

b Lò khí hóa thuận chiều

Nguyên lí lò khí hóa sinh khối thuận chiều được trình bày trên hình 2.2 Cả nhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống Khí sản phẩm được tạo ra sẽ chuyển động xuống phía dưới và thoát ra ngoài ở gần đáy của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầuvào và dòng khí sản phẩm đầu ra chuyển động cùng chiều trong thiết bị khí hóa