Nghiên cứu quá trình nhiệt phân biomass sản xuất nhiên liệu sinh học

Trong khi đó, ưu điểm của quá trình nhiệt phân là làm việc ở nhiệt độ thấp hơn, sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh là chất lỏng được gọi là dầu sinh học bio-oil có hiệu quả thu hồi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM DUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS

SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM DUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN BIOMASS

SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

Mã ngành: 62.52.01.15

Người hướng dẫn khoa học PGS.TS HOÀNG DƯƠNG HÙNG PGS.TS TRẦN VĂN VANG

Đà Nẵng, năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Duy Vũ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung nghiên cứu 4

6 Những đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 6

1.1 Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối 6

1.1.1 Giới thiệu về sinh khối 6

1.1.2 Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối 7

1.1.3 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối 9

1.2 Tổng quan về nhiệt phân sinh khối 11

1.2.1 Khái niệm 11

1.2.2 Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối 12

1.3 Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học 13

1.3.1 Lò côn quay 14

1.3.2 Lò chân không 15

1.3.3 Lò ma sát 16

1.3.4 Lò tầng sôi 16

1.3.5 Lò tầng sôi tuần hoàn 17

1.3.6 So sánh và lựa chọn kiểu lò thực hiện nhiệt phân nhanh sinh khối 18

1.4 Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh 20

1.4.1 Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối 20

1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học 21

1.4.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu lượng khí cấp

nhiệt 23

1.4.4 Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối 24

1.4.5 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt 26

1.4.6 Ảnh hưởng của môi chất truyền nhiệt 27

1.4.7 Ảnh hưởng của độ ẩm sinh khối 28

1.5 Thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh 29

1.6 Đặc tính các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh và phương pháp

nhiệt phân có xúc tác 31

1.6.1 Dầu sinh học 31

1.6.2 Chất rắn 33

1.6.3 Hỗn hợp khí không ngưng tụ 34

1.6.4 Nhiệt phân có chất xúc tác 34

1.7 Kết luận và định hướng nghiên cứu 35

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH

NHIỆT PHÂN NHANH CHO BỘT GỖ, BÃ MÍA 37

2.1 Xác định trường nhiệt độ t(r,) trong sinh khối khi nhiệt phân nhanh 37

2.1.1 Phát biểu bài toán tìm t(r,) 37

2.1.2 Xác định phân bố (, Foq) và t(r, ) trong thể tích hạt sinh khối (V) 40

2.1.3 Xác định công thức tính thời gian nhiệt phân sinh khối bán kính R 43

2.1.4 Xác định nhiệt độ trên bề mặt vỏ hạt sinh khối sau khoảng thời gian nhiệt phân p cho trước 44

2.2 Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và xác định kích cỡ hạt phù hợp cho

quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía 44

2.2.1 Mô phỏng trường nhiệt độ khi nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía 44

2.2.2 Xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho nhiệt phân nhanh 49

2.2.3 Xác định nhiệt độ bề mặt lớp vỏ sinh khối có bán kính R và nhiệt độ

lớp biên phần sinh khối chưa phản ứng theo thời gian p 51

2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  trong lớp sôi đến thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh 52

2.3 Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI TRONG LÒ TẦNG SÔI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 55

3.1 Mô hình thực nghiệm 55

3.2 Xác định loại nguyên liệu và các thông số sử dụng cho việc mô phỏng, tính

toán thiết kế 57

3.2.1 Phân tích lựa chọn loại nguyên liệu sinh khối cho tính toán thiết kế 57

3.2.2 Các thông số sử dụng mô phỏng khí động lực học và tính toán thiết kế hệ thống nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi 58

3.3 Mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi nhiệt phân nhanh sinh khối

sản xuất nhiên liệu sinh học 59

3.3.1 Sự hình thành lớp sôi 59

3.3.2 Mục đích của việc mô phỏng khí động lực học trong lò tầng sôi 60

3.3.3 Mô tả mô hình 61

3.3.4 Mô hình toán và thiết lập mô hình mô phỏng 62

3.3.5 Kết quả mô phỏng và bình luận 66

3.4 Các bước tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất dầu sinh học 69

3.4.1 Xác định nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân 69

3.4.2 Tính thiết kế lò phản ứng 70

3.4.3 Tính toán thiết kế xyclone thu hồi sản phẩm rắn 70

3.4.4 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ 72

3.5 Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học năng suất 500 g/h 73

3.6 Kết luận chương 3 73

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NHIỆT PHÂN NHANH SINH

KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 75

4.1 Dụng cụ, nguyên liệu và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 75

4.1.1 Các dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm 75

4.1.2 Nguyên liệu sinh khối sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm 76

4.1.3 Các phương pháp phân tích xác định các thành phần của sinh khối và sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh 77

4.2 Mô tả quá trình vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản suất dầu sinh học 79

4.3 Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, xác định giá trị thông số vận hành

và đánh giá độ ổn định hệ thống thí nghiệm 80

4.3.1 Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm 80

4.3.2 Xác định các thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học 81

4.3.3 Đánh giá độ ổn định của hệ thống thí nghiệm 82

4.4 Kết quả xác định thành phần hóa học, nguyên tố và phân tích nhiệt khối

lượng TGA của bột gỗ và bã mía 83

4.4.1 Kết quả xác định thành phần hóa học và nguyên tố của bột gỗ và bã mía 83

4.4.2 Kết quả phân tích nhiệt khối lượng TGA bột gỗ và bã mía 83

4.5 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm một số yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm nhiệt phân nhanh 86

4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng các sản phẩm 86

4.5.2 Ảnh hưởng của kích cỡ đến khối lượng các sản phẩm 88

4.5.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí nitơ đến khối lượng các sản phẩm 89

4.6 Đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của sản phẩm dầu sinh học 91

4.6.1 Đánh giá tính chất vật lý của sản phẩm dầu sinh học 91

4.6.2 Phân tích thành phần hóa học của dầu sinh học 93

4.7 Kết luận chương 4 95

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHANH 97

5.1 Đặt vấn đề 97

5.2 Phương pháp nghiên cứu 98

5.2.1 Xác định mô hình động học và khối lượng các thành phần sản phẩm

của quá trình nhiệt phân 98

5.2.2 Xác định hằng số tốc độ phản ứng của quá trình nhiệt phân nhanh 100

5.3 Kết quả nghiên cứu xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ

và bã mía trong lò tầng sôi 102

5.3.1 Các điều kiện đơn trị 102

5.3.2 Xác định hằng số tốc độ phản ứng k1, k2, k3 103

5.3.3 Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi 103

5.3.4 Xác định thông số động học nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi 105

5.4 Kết luận chương 5 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

1 Kết luận 108

2 Kiến nghị 109

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 PHỤ LỤC LUẬN ÁN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63] 6

Bảng 1.2: Sản phẩm nhiệt phân của gỗ phụ thuộc vào công nghệ nhiệt phân 13

Bảng 1.3: Tổng quan so sánh các loại lò nhiệt phân nhanh [109] 19

Bảng 1.4: Một số thông số động học thường được sử dụng cho quá trình nhiệt phân nhanh [19], [25], [38], [81] 31

Bảng 1.5: Đặc tính điển hình của dầu sinh học từ gỗ và dầu khoáng [6], [26] 31

Bảng 2.1: Thông số vật lý của gỗ, bã mía, khí nitơ [54], [84] 45

Bảng 2.2: Kết quả tính toán các đại lượng Bi, ni, ci theo R của gỗ và bã mía 45

Bảng 3.1: Các thông số vật lý của gỗ và cát [54] 59

Bảng 4.1: Các thiết bị đo lường và điều khiển sử dụng trong hệ thống thí nghiệm 75

Bảng 4.2: Các tiêu chuẩn phân tích thành phần nguyên tố sinh khối 77

Bảng 4.3: Tiêu chuẩn và thiết bị phân tích thành phần nguyên tố, tính chất của dầu 78

Bảng 4.4: Lượng sinh khối cấp vào lò phụ thuộc vào tần số của biến tần 81

Bảng 4.5: Kết quả các thông số vận hành của hệ thống thí nghiệm 82

Bảng 4.6: Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của sinh khối 83

Bảng 4.7: Tính chất vật lý và thành phần nguyên tố của dầu sinh học 92

Bảng 4.8: Thành phần diện tích (%) các hợp chất trong dầu sinh học từ bột gỗ 93

Bảng 5.1: Các dữ liệu sử dụng xác định thông số thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh của bột gỗ và bã mía 102

Bảng 5.2: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bột gỗ 103

Bảng 5.3: Giá trị hằng số tốc độ phản ứng ki của bã mía 103

Bảng 5.4: Kết quả tính lnki và 1/T của bột gỗ 103

Bảng 5.5: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ trong lò tầng sôi 104

Bảng 5.6: Kết quả tính lnki và 1/T của bã mía 105

Bảng 5.7: Giá trị Ea, i và Ai của quá trình nhiệt phân nhanh bã mía trong lò tầng sôi 105

Bảng 5.8: Thông số động học nhiệt phân nhanh gỗ và bã mía trong lò tầng sôi 107

Bảng PL6.1: Số liệu ban đầu tính toán thiết kế bình ngưng [14], [53], [63], [106] 19

Bảng PL6.2: Kết quả tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15] 7

Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18] 8

Hình 1.3: Lò côn quay [1] 14

Hình 1.4: Lò chân không [101] 15

Hình 1.5: Lò nhiệt phân kiểu ma sát [1] 16

Hình 1.6: Lò tầng sôi [1] 17

Hình 1.7: Lò tầng sôi tuần hoàn [1] 18

Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của sinh khối [46] 20

Hình 1.9: Sơ đồ chuyển hóa thành phần sinh khối từ quá trình nhiệt phân 21

Hình 1.10: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứngđến hiệu quả dầu thu hồi của một số sinh

khối [90] 22

Hình 1.11: Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí 24

Hình 1.12: Ảnh hưởng kích thước hạt bã mía và gỗ CTT đến lượng dầu thu hồi [44] 25

Hình 1.13: Hàm lượng cốc phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt [103] 26

Hình 1.14: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt đến 27

Hình 1.15: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] 29

Hình 1.16: Các phương pháp nâng cấp dầu sinh học bằng xác tác zeolit [13] 34

Hình 2.1: Sự phân bố nhiệt độ trong quả cầu t(r,) 38

Hình 2.2: Các nghiệm ni tgn = n/(1-Bi) 41

Hình 2.3: Sơ đồ lặp giải phương trình tgn = n/(1-Bi) 42

Hình 2.4: Mô hình nhiệt phân sinh khối 43

Hình 2.5: Trường nhiệt độ t(r,) của gỗ 46

Hình 2.6: Trường nhiệt độ t(r,) của bã mía 47

Hình 2.7: Trường nhiệt độ t(r,) của bột gỗ có R = 0,25 mm, Tf = 748 K 48

Hình 2.8: Kết quả phân tích TGA của gỗ và bã mía 49

Hình 2.9: Mối quan hệ giữa bán kính và thời gian nhiệt phân nhanh 50

Hình 2.10: Nhiệt độ bề mặt lớp vỏ và nhiệt độ lớp biên chưa tham gia phản ứng của gỗ và bã mía tại nhiệt độ phản ứng tf = 500C 51

Hình 2.11: Thời gian nhiệt phân phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  52

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản suất dầu sinh học 56

Hình 3.2: Nguyên lý hình thành lớp sôi 59

Hình 3.3: Mô hình lò nhiệt phân 62

Hình 3.4: Mô hình mô phỏng và chia lưới lò nhiệt phân 64

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô phỏng khí động học trong lò tầng sôi 65

Hình 3.6: Trở lực lớp sôi phụ thuộc vào vận tốc khí 66

Hình 3.7: Mật độ thể tích cát trong lò nhiệt phân 67

Hình 3.8: Mật độ thể tích bột gỗ trong lò nhiệt phân 67

Hình 3.9: Lò nhiệt phân nhanh 69

Hình 3.10: Mô hình sản phẩm quá trình nhiệt phân vào cyclone [63] 70

Hình 3.11: Quan hệ các kích thước của cyclone 71

Hình 3.12: Bình ngưng tụ dầu nhiệt phân 72

Hình 4.1: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu sinh khối 79

Hình 4.2: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bột gỗ 84

Hình 4.3: Độ chuyển hóa và vi phân độ chuyển hóa bã mía 84

Hình 4.4: Dầu sinh học 86

Hình 4.5: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ 87

Hình 4.6: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào nhiệt độ 87

Hình 4.7: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào kích cỡ 88

Hình 4.8: Khối lượng sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào kích cỡ 88

Hình 4.9: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bột gỗ phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ 90

Hình 4.10: Sản phẩm nhiệt phân nhanh bã mía phụ thuộc vào lưu lượng khí nitơ 90

Hình 4.11: Kết quả phân tích sắc ký khối phổ (GC/MS) dầu sinh học tạo ra từ gỗ 93

Hình 4.12: Thành phần các khí trong hỗn hợp khí không ngưng 95

Hình 5.1: Mô hình phản ứng hai giai đoạn nhiệt phân sinh khối [51], [54] 98

Hình 5.2: Mô hình phản ứng nhiệt phân nhanh sinh khối 101

Hình 5.3: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bột gỗ 104

Hình 5.4: Quan hệ giữa lnki và 1/T của bã mía 105

Hình PL6.2: Cấu tạo lò nhiệt phân năng suất 500 g/h 17

Hình PL6.2: Cấu tạo và cách bố trí ống phun 18

Hình PL6.3: Cấu tạo cyclone 18

Hình PL6.4: Cấu tạo bình ngưng kiểu bề mặt 19

Hình PL6.5: Bình ngưng kiểu ma sát 21

Hình PL6.7: Mô hình thiết bị thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học năng suất 500 g/h 22

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH

0 Trạng thái ban đầu

dtb [mm] Đường kính trung bình của hạt sinh khối

Ea,i [J.mol-1] Năng lượng hoạt hóa

hcl [m] Chiều cao vị trí cấp liệu

hfu [m] Chiều cao xảy ra phản ứng nhiệt phân

hlò [m] Chiều cao lò nhiệt phân

hs [m] Chiều cao lớp sinh khối tĩnh

bão hòa của khí không ngưng

Qnp [W] Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân

Qr [W] Nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng nhiệt phân

Qs [W] Nhiệt lượng cung cấp cho sinh khối đạt đến nhiệt độ bắt

đầu phản ứng nhiệt phân

R [m] Bán kính tương đương

r [kJ/kg] Nhiệt ẩn ngưng tụ

s Sinh khối

t [C] Nhiệt độ bách phân

T [K] Nhiệt độ tuyệt đối

t0 [C] Nhiệt độ ban đầu của khí nitơ

t1 [C] Nhiệt độ phản ứng

t2 [C] Nhiệt độ sản phẩm khí từ quá trình nhiệt phân ra khỏi lò

tf [C] Nhiệt độ môi trường phản ứng

tp [C] Nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân

tp0 [C] Nhiệt độ ban đầu của sinh khối

tp1 [C] Nhiệt độ bắt đầu nhiệt phân của sinh khối

tr Đạo hàm bậc nhất của nhiệt độ theo bán kính r

trr Đạo hàm bậc hai của nhiệt độ theo bán kính r

U [kJ] Nội năng

VN2 [m3/s] Lưu lượng khí nitơ

y Tỉ số khối lượng sinh khối không phản ứng / khối lượng

α [W/m2K] Hệ số trao đổi nhiệt phức hợp

 [kg/m3] Khối lượng riêng

ghh [kg/m3] Khối lượng riêng của hỗn hợp khí nhiệt phân

min Tối thiểu

max Tối đa

Trung bình Cấp liệu Phản ứng Tối ưu Không phát hiện

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Theo dự báo của Tổ chức năng lượng quốc tế IEA từ năm 1999 đến năm 2020 nhu cầu năng lượng của thế giới sẽ tăng khoảng 60 % [111] Trong khi đó, nguồn năng lượng chính hiện nay vẫn là năng lượng hóa thạch Trữ lượng nguồn năng lượng này ngày cảng giảm, gây nên mất an ninh năng lượng trên toàn cầu Đặc biệt, khi sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch sẽ thải ra môi trường một lượng lớn các khí SO2,

CO2, NOx gây nên hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường và tác động xấu đến đời sống và sức khỏe con người Vì vậy, ngày nay con người tập trung nghiên cứu, khai thác, ứng dụng các nguồn năng lượng thay thế như năng lượng gió, năng lượng hydro,

năng lượng nước, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối

Các nguồn năng lượng này được coi là năng lượng sạch, có thể tái tạo được và chúng không gây ô nhiễm môi trường Trong các nguồn năng lượng này, nguồn năng lượng sinh khối (biomass) đóng vai trò quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học dần thay thế cho các nhiên liệu truyền thống

Hiện nay, trên thế giới nguồn năng lượng sinh khối chiếm khoảng 63 % tổng

số năng lượng tái tạo, chiếm khoảng 10 % tổng các nguồn năng lượng [105] Ước tính đến năm 2050, sinh khối dùng làm nhiên liệu sẽ đáp ứng khoảng 38 % lượng nhiên liệu toàn cầu và 17 % lượng điện sử dụng trên thế giới Ở các nước đang phát triển năng lượng sinh khối đóng góp khoảng 35 % tổng nhu cầu năng lượng [107] Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo của nhiều tổ chức quốc tế và có khả năng sẽ giữ vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai

Việt Nam là nước đang phát triển chủ yếu dựa vào nền nông nghiệp, nên tiềm năng về năng lượng từ sinh khối rất đa dạng với trữ lượng khá lớn, khoảng 45 triệu tấn/năm (tương đương với 15 triệu tấn dầu) [68] Trong đó, nguồn sinh khối chủ yếu được tạo ra từ quá trình khai thác lâm nghiệp và sản xuất nông nghiệp như các loại bột gỗ, bã mía, rơm rạ, trấu [68] Vì vậy, ở Việt Nam việc nghiên cứu sử dụng nguồn

năng lượng từ sinh khối dần thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang được các

cơ quan Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm

Nguồn năng lượng từ sinh khối được sử dụng chủ yếu từ quá trình đốt cháy, khí hóa và nhiệt phân Trong đó, quá trình đốt cháy có hiệu suất cao nhất, quá trình khí hóa làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Nhược điểm của hai quá trình này là năng lượng sinh ra được sử dụng tại chỗ, không thể tồn trữ và vận chuyển Trong khi

đó, ưu điểm của quá trình nhiệt phân là làm việc ở nhiệt độ thấp hơn, sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh là chất lỏng được gọi là dầu sinh học (bio-oil) có hiệu quả thu hồi cao, rất thuận tiện cho vấn đề bảo quản và vận chuyển, được sử dụng nhiều trong ngành giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện Nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình nhiệt phân sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng như bã mía,

gỗ, trấu, rơm, đây là nguồn sinh khối phổ biến ở các nước phát triển nông lâm nghiệp Ngoài ra, các sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân nhanh như các loại khí H2, CO,

CO2, CH4, H2, C2H4, C2H2 được tái sử dụng lại một phần để cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân Chất rắn là cốc được sử dụng làm than hoạt tính phục vụ trong công nghiệp, đời sống hoặc cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân [14]

Hiện nay, dầu sinh học đang được nghiên cứu nâng cấp để trở thành nguồn nhiên liệu cho quá trình đốt cháy và dần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống trong nhu cầu phát điện [13] Ngoài ra, sau khi được tinh chế, nó còn được sử dụng làm nguyên liệu trong các ngành hóa chất, hóa dược Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối thu hồi dầu sinh học sẽ góp phần định hướng việc

sử dụng năng lượng từ sinh khối cũng như hạn chế ô nhiễm do xả thải sinh khối ra ngoài môi trường

Với những phân tích trên, việc nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết cũng như nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối ở Việt Nam sản xuất

nhiên liệu sinh học là nhu cấp cấp thiết Do vậy “Nghiên cứu quá trình nhiệt phân

biomass sản xuất nhiên liệu sinh học” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nhằm góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết quá

trình nhiệt phân nhanh, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh một số loại sinh khối phổ biến ở Việt Nam trong lò tầng sôi để sản xuất nhiên liệu sinh học, bao gồm:

- Xây dựng được cơ sở lý thuyết để xác định kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh và khảo sát ảnh hưởng hệ số trao đổi nhiệt phức hợp trong lò tầng sôi đến thời gian phản ứng;

- Đánh giá được các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học cũng như phân tích đánh giá tính chất vật lý và thành phần hóa học của dầu sinh học;

- Xây dựng được phương pháp xác định thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Sinh khối nghiên cứu là bột gỗ từ cây cao su PB260 trồng tại huyện Hiệp Đức, tỉnh Quảng Nam và bã mía từ giống mía QĐ93-159 trồng tại xã Hòa Sơn, huyện Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng Cả hai loại sinh khối này đều có độ ẩm nhỏ hơn 10%

- Nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Hoàn thiện cơ sở lý thuyết về nhiệt phân nhanh sinh khối và nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống thiết bị nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học với năng suất 500 g/h

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết với phương pháp mô phỏng số và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:

- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số: Sử dụng phương pháp giải tích để giải phương trình vi phân dẫn nhiệt hạt sinh khối trong môi trường nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi để xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối Đồng thời sử dụng phần mềm Fluent 14 mô phỏng khí động lực học nhiệt phân nhanh sinh khối

trong lò tầng sôi

- Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng các kết quả tính toán từ nghiên cứu lý thuyết và

mô phỏng xây dựng được mô hình thực nghiệm hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi với năng suất 500 g/h Trên hệ thống này thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học

- Kết hợp kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định được thông số động học cho quá trình nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi

5 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu chính trong luận án này là:

 Nghiên cứu tổng quan về nhiệt phân sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học;

 Xây dựng mô hình toán quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối;

 Xây dựng mô hình thí nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi sản xuất nhiên liệu sinh học;

 Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học trong lò tầng sôi;

 Nghiên cứu phương pháp xác định thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh Qua đó xác định được thông số động học quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ

và bã mía trong lò tầng sôi

6 Những đóng góp mới của luận án

 Đưa ra cơ sở lý thuyết nhằm tính toán được thời gian và kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh; đồng thời khảo sát được sự phụ thuộc thời gian phản ứng nhiệt phân nhanh vào hệ số trao đổi nhiệt phức hợp  Kết quả này góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về nhiệt phân nhanh sinh khối, hỗ trợ cho công việc thiết kế và vận hành để nâng cao hiệu quảdầu sinh học thu hồi

 Mô phỏng khí động lực học nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi, đồng thời thiết lập các bước thiết kế các thiết bị trong hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học Qua đó, thiết kế chế tạo thành công hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi với năng suất 500 g/h

 Đánh giá các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học Xác định được thông số vận hành thích hợp để khối lượng dầu sinh học thu hồi đạt

giá trị cao nhất Đồng thời phân tích được tính chất vật lý và thành phần hóa học các sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh bột gỗ và bã mía; đây là cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu nâng cấp chất lượng dầu sinh học trở thành nhiên liệu dần thay thế cho các nhiên liệu truyền thống

 Đưa ra phương pháp xác định thông số động học khi nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi Kết quả này tạo cơ sở cho việc xác định tốc độ phản ứng và điều khiển quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1 Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối

1.1.1 Giới thiệu về sinh khối

Sinh khối (biomass) được chia làm 2 loại, đó là sinh khối thực vật (phytomass)

và sinh khối động vật (zoomass) Tổng số lượng sinh khối động vật và sinh khối thực vật được ước tính là khoảng 560 tỷ tấn carbon [68] Sinh khối thực vật là kết quả từ quá trình quang hợp của thực vật nhờ vào ánh sáng mặt trời, một phần của ánh sáng

sẽ chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong thực vật giúp liên kết các nguyên tử thành phân tử carbonhydrate Sinh khối động vật là những loài động vật ăn thực vật giúp chuyển hóa sinh khối thực vật thành sinh khối của chính nó, còn những loài động vật ăn động vật thì chuyển đổi sinh khối của con mồi thành sinh khối của chính nó Sinh khối sử dụng sản xuất dầu sinh học là sinh khối thực vật, bao gồm: gỗ, cỏ

và các loại cây trồng nông nghiệp, được xác định như là một nguồn năng lượng tái tạo Thành phần hóa học chính của sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin Tỷ lệ phần trăm các thành phần này của một số sinh khối được liệt kê trong bảng 1.1 Các thành phần nguyên tố chủ yếu của sinh khối là hydro, carbon, oxy; trong khi đó các nguyên tố lưu huỳnh và nitơ có thể có mặt với số lượng rất ít

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63]

1.1.2 Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối

1.1.2.1 Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới

Hiện nay, nhiên liệu sinh khối chiếm khoảng 10 % các nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu, trong đó hai phần ba được sử dụng ở các nước đang phát triển để nấu

ăn và sưởi ấm [105] Việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối phục vụ đời sống, giao thông, công nghiệp và sản xuất điện năng được tóm tắt trênhình 1.1

Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15]

Trong các quá trình biến đổi năng lượng từ sinh khối, quá trình đốt cháy và hóa khí có hiệu suất cao hơn quá trình nhiệt phân Tuy nhiên, cả hai quá trình này đều

có nhược điểm là sản phẩm nhiệt năng hoặc điện năng tạo ra chỉ thực hiện được tại địa điểm có nguồn sinh khối Ngược lại, quá trình nhiệt phân cho sản phẩm là dầu sinh học nên có thể dễ dàng vận chuyển đến nơi cần sử dụng nguồn năng lượng này

Dầu sinh học có nhiều ưu điểm nổi trội, nó có khối lượng riêng từ 1.100 đến 1.200 kg/m3, gấp từ 6 đến 7 lần khối lượng riêng sinh khối Do đó, chi phí vận chuyển của dầu sinh học giảm từ 83 đến 85 % so với sinh khối thô Hơn nữa, dầu sinh học sau khi sản xuất từ sinh khối nếu được xử lý (giảm hàm lượng nước và oxy) thì sẽ có tính chất vật lý và hóa học tương tự như dầu diesel nên có thể được sử dụng như là nhiên liệu cho lò hơi, động cơ diesel và tuốc bin khí [14], các ứng dụng của dầu sinh học được thể hiện trên hình 1.2

Hóa lỏng

Hóa khí

Đốt cháy

Dầu sinh học

Amoniac Sinh

khối

Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18]

Với các ứng dụng đa dạng của dầu sinh học, ngày nay các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất dầu sinh học

1.1.2.2 Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên tiềm năng sinh khối thực vật được đánh giá rất đa dạng và phong phú Nguồn sinh khối chủ yếu từ các loại gỗ và phụ phẩm cây trồng (bã mía, trấu, rơm rạ …) Theo thống kê của Viện Năng lượng Việt Nam, lượng sinh khối từ gỗ chiếm khoảng 25 triệu tấn / năm tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô Sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, trấu lên đến 53,5 triệu tấn / năm tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô [68]

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng nguồn năng lượng từ sinh khối còn qui mô nhỏ lẻ, chủ yếu sử dụng sinh khối làm chất đốt, làm nhiên liệu đốt trong

lò hơi và sản xuất điện cục bộ Trong khi đó, việc tạo ra nguồn dầu sinh học từ sinh khối chỉ mới dừng lại việc nghiên cứu ban đầu và chưa làm chủ được công nghệ này

Có thể nói rằng, việc nắm bắt xu hướng của thế giới sẽ giúp Việt Nam chúng

ta từng bước làm chủ các công nghệ tiên tiến Trong bối cảnh các nhà khoa học cũng như các công ty đang từng bước chuyển từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng sinh khối, thì hướng nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ phế phẩm nông và lâm nghiệp là một hướng đi đúng đắn

cho Việt Nam Ở Việt Nam chúng ta hiện nay, sản xuất dầu sinh học từ sinh khối đang còn là một chủ đề mới mẻ, nhiều doanh nghiệp đang muốn tiếp cận và làm chủ các công nghệ về sản xuất dầu sinh học từ sinh khối

1.1.3 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối

1.1.3.1 Các nguồn sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau và được phân thành 3 thế hệ [7]:

- Thế hệ thứ nhất (1stgeneration): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các loại cây lương thực, thực phẩm như mía, sắn, củ cải v.v… Tuy nhiên, các sinh khối này

là cây lương thực nên ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực

- Thế hế thứ hai (2stgeneration): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các sinh khối là các phế phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và khai thác lâm nghiệp Nguồn sinh khối này có ưu điểm là giải quyết được vấn đề an ninh lương thực đồng thời thân thiện hơn với môi trường do tận dụng được phế phẩm từ nông nghiệp

- Thế hệ thứ ba (3stgeneration): Nhiên liệu sinh học tạo ra từ các loại tảo (nước ngọt và nước biển), cây dầu mè, cỏ switch, cây halophyte Các sinh khối này ngoài

ưu điểm là không ảnh hưởng đến an ninh lương thực, nó còn có ưu điểm là hiệu quả thu hồi dầu cao, vòng tuần hoàn năng lượng ngắn Tuy nhiên, đây mới chỉ là định hướng nghiên cứu trong tương lai, hiện nay các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở giai đoạn thăm dò ban đầu

Trên cơ sở phân tích và đánh giá tiềm năng sinh khối ở Việt Nam, tác giả nhận thấy rằng, phát triển và xây dựng các công nghệ sản xuất dầu sinh học từ các phế phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp (thế hệ thứ hai) là hướng đi phù hợp trong điều kiện Việt Nam chúng ta

1.1.3.2 Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối

Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối theo thế hệ thứ hai được thực hiện bằng 3 phương pháp chính [36], [37]:

- Phương pháp thủy phân sinh học: là quá trình sinh khối tạo đường tan và

tách lignin, sau đó thông qua quá trình lên men dùng xúc tác enzim chuyển hóa thành

cồn sinh học, diesel sinh học và xăng sinh học Phương pháp này có nhược điểm là giá thành sản phẩm rất cao vì nó đòi hỏi phải tạo những giống chủng enzym phù hợp

để chuyển hóa đường C6 thành etanol, đường C5 thành butanol và diesel sinh học Việc tạo ra những chủng giống enzyme này thường rất khó khăn và phức tạp, nên việc thương mại hóa công nghệ này là rất khó [37]

- Phương pháp khí hóa sinh khối: là quá trình oxy hóa không hoàn toàn ở nhiệt

độ cao (600  900 C), sản phẩm chủ yếu là khí tổng hợp có thành phần chính là hỗn hợp khí CO và H2 và qua tổng hợp Fischer-Tropsch tạo nhiên liệu ankan: xăng và diesel Tuy nhiên, hàm lượng H2 trong hỗn hợp sản phẩm khí rất thấp nên để thực hiện tổng hợp Fischer-Tropsch cần phải bổ sung thêm hàm lượng hydrô [49], dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Ngoài ra, phương pháp khí hóa thường có thiết bị phức tạp, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao [59], [75] nên khó khăn cho người người vận hành và lựa chọn thiết bị

- Phương pháp nhiệt phân: là quá trình phân hủy sinh khối trong điều kiện

không có ôxy Hỗn hợp khí hữu cơ tạo thành từ quá trình nhiệt phân được ngưng tụ thành dầu sinh học và bằng công nghệ hydrodeoxy hóa tạo thành nhiên liệu lỏng sử dụng được trong giao thông và công nghiệp Không giống với phương pháp khí hóa, phương pháp nhiệt phân làm việc trong khoảng nhiệt độ thấp ( 550 C), sản phẩm quá trình nhiệt phân là dầu sinh học dễ dàng lưu trữ và vận chuyển Đến nay, công nghệ xử lý và nâng cấp chất lượng dầu để sử dụng được trong giao thông vận tải, công nghiệp đã được nghiên cứu thành công

Như vậy, trong ba phương pháp trên, phương pháp nhiệt phân là phương pháp

có những ưu điểm nổi trội để sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối

1.1.3.3 Tình hình nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ở Việt Nam

Nghiên cứu quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam là lĩnh vực còn mới mẻ Đến nay mới có vài đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này

Năm 2009, PGS.TS Đặng Tuyết Phương và các cộng sự ở Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu tạo nhiên liệu lỏng và khí từ nguồn nguyên liệu rơm rạ bằng phương pháp nhiệt phân chậm có xúc tác và hiệu suất thu hồi dầu sinh học đạt 25,5 % [36] Ngoài ra, cũng tại Viện này, năm 2015 TS Phạm

Thu Giang đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác hiệu quả cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ” Kết quả nghiên cứu đã chế tạo được chất xúc tác sử dụng cho quá trình nhiệt phân rơm rạ tạo ra dầu sinh học với hiệu suất đạt 42,55 %, đồng thời tác giả đã tổng hợp hệ xúc tác Ni-Cu trên chất mang (SiO, SBA-15) sử dụng cho quá trình hydrodeoxy hóa (HDO) nhằm nâng cấp dầu sinh học

Năm 2014, TS Phan Minh Quốc Bình cùng các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu và phát triển chế biến dầu khí – Viện Dầu khí Việt Nam (PV Pro) đã nghiên cứu

về khả năng tạo nhiên liệu sinh học từ các nguồn sinh khối ở Việt Nam bằng công nghệ nhiệt phân nhanh [9] Kết quả nghiên cứu bước đầu giới thiệu một số thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học và thành phần hóa học trong dầu sinh học từ một vài loại sinh khối ở Việt Nam khi nhiệt phân trong lò tầng sôi Các nghiên cứu này được thực hiện trên thiết bị nhập ngoại Ngoài ra, tác giả đã nghiên cứu quá trình HDO nhằm nâng cấp dầu sinh học tạo ra từ quá trình nhiệt phân rơm trên cơ sở xúc tác molipden bổ sung thêm các kim loại Ni, Pt trên chất mang SBA-15 ở điều kiện nhiệt độ 300 C, áp suất 120 at trong 1 giờ và loại được 55 % oxy trong dầu sinh học

Như vậy, hiện nay ở Việt Nam bước đầu đã nghiên cứu thành công các chất xúc tác hỗ trợ trong quá trình nâng cấp dầu sinh học tạo ra từ quá trình nhiệt phân Kết quả cho thấy triển vọng ứng dụng dầu sinh học để dần thay thế nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam vẫn chưa làm chủ công nghệ nhiệt phân nhanh sản xuất dầu sinh học từ sinh khối, có rất ít nghiên cứu cũng như tài liệu đề cập đến quá trình nhiệt phân nhanh, đây là một giai đoạn quan trọng để chuyển sinh khối thành dầu sinh học và được nâng cấp để sử dụng trong lò hơi, giao thông vận tải, tuốc bin khí Chính vì thế, trong đề tài này tác giả sẽ nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhanh để sản xuất dầu sinh học từ sinh khối

1.2 Tổng quan về nhiệt phân sinh khối

1.2.1 Khái niệm

Nhiệt phân sinh khối là quá trình phân hủy sinh khối dưới tác động nhiệt trong môi trường không có ôxy Sản phẩm của quá trình nhiệt phân là khí không ngưng, chất rắn và dầu sinh học Tỷ lệ các loại sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố vận

hành như: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ lò phản ứng, thời gian lưu sản phẩm phản ứng, thành phần hóa học của sinh khối

1.2.2 Phân loại quá trình nhiệt phân sinh khối

Tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt mà quá trình nhiệt phân được phân ra thành các loại nhiệt phân chậm, nhiệt phân trung bình và nhiệt phân nhanh [1], [14]

1.2.2.1 Nhiệt phân chậm

Quá trình nhiệt phân chậm đã được sử dụng hàng trăm năm để sản xuất than Gần đây, phương pháp này chủ yếu được sử dụng để sản xuất methanol và hắc ín Các đặc trưng chính của quá trình nhiệt phân chậm là:

- Tốc độ gia nhiệt thấp: 0  2 ºC/phút;

- Tốc độ phát ra các chất dễ bay hơi từ các hạt sinh khối thấp;

- Thời gian lưu sản phẩm quá trình nhiệt phân rất lâu, từ vài phút tới vài ngày;

- Nhiệt độ phản ứng: 200  400 ºC

1.2.2.2 Nhiệt phân trung bình

Nhiệt phân trung bình được sử dụng chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học dạng lỏng Các sản phẩm của quá trình bao gồm: khoảng 50 % chất lỏng, 25 % chất rắn và 25 % chất khí Trong thành phần sản phẩm chất lỏng, chất lỏng hữu cơ chiếm khoảng 50 %, phần còn lại là nước Các đặc trưng chính của quá trình nhiệt phân trung bình là:

- Tốc độ gia nhiệt: 10  50C/s;

- Nhiệt độ phản ứng: 400  500 ºC;

- Thời gian lưu sản phẩm quá trình nhiệt phân trung bình, từ 10 đến 30 s

1.2.2.3 Nhiệt phân nhanh

Nhiệt phân nhanh được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học dạng lỏng, khối lượng sản phẩm chất lỏng tạo ra chiếm đến 70 % [1] Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh là:

- Tốc độ gia nhiệt cao: 10  1.000 C/s;

- Nhiệt độ phản ứng: 400 600 oC;

- Thời gian lưu sản phẩm trong lò phản ứng: nhỏ hơn 2 s;

- Sau khi ra khỏi lò phản ứng, sản phẩm khí từ quá trình nhiệt phân phải được làm lạnh nhanh để tránh quá trình cracking thứ cấp làm giảm hiệu suất thu hồi dầu sinh học

Trong các quá trình nhiệt phân nêu trên, quá trình nhiệt phân nhanh có tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ phản ứng và hệ số trao đổi nhiệt phức hợp giữa môi chất tải nhiệt với sinh khối lớn nhất nên khả năng phân hủy sinh khối đạt hiệu quả cao nhất và lượng dầu sinh học thu hồi cao nhất Điều này được chứng minh bởi các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả D Meier (1999) [27], Scott (1999) [85], Bridgwater A.V cùng các cộng sự (2012) [1] và được tổng hợp trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Sản phẩm nhiệt phân của gỗ phụ thuộc vào công nghệ nhiệt phân

Công nghệ nhiệt

Nhiệt phân nhanh t ~ 500

C, thời gian lưu sản phẩm khí từ 1  2 s 75 % 12 % 13 % Nhiệt phân trung

sẽ khác nhau Với mục tiêu sản xuất dầu sinh học từ sinh khối đạt hiệu quả cao nhất, tác giả lựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh để thực hiện công việc này Sự lựa chọn này cũng phù hợp với xu hướng sản xuất dầu sinh học từ sinh khối ở các nước trên thế giới

1.3 Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học

Quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học diễn ra rất phức tạp, bao gồm nhiều phản ứng đồng nhất và không đồng nhất xảy ra đồng thời và liên tục Các phản ứng này được điều khiển bởi các thông số vận hành như nhiệt độ phản ứng, kích cỡ nhiên liệu, tốc độ gia nhiệt, thời gian phản ứng

Công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản suất dầu sinh học bao gồm các giai đoạn liên tục: nghiền nguyên liệu  sấy khô nguyên liệu  cấp nguyên liệu vào lò phản ứng  thực hiện quá trình nhiệt phân nhanh  tách sản phẩm rắn  thu hồi dầu sinh học

Nhiệt phân nhanh sinh khối được phát triển hơn 25 năm qua, đến nay đã có nhiều kiểu lò khác nhau được sử dụng để nghiên cứu thực nghiệm và chuyển giao công nghệ như: côn quay, chân không, trục vít, ma sát, tầng sôi, tầng sôi tuần hoàn, [17], [26]

1.3.1 Lò côn quay

Hình 1.3: Lò côn quay [1]

Lò côn quay (Rotary cone reactor - RCR)đã được thiết kế chế tạo tại trường Đại học Twente và phát triển bởi Biomass Technology Group (hình 1.3) Trong lò phản ứng côn quay, sinh khối cùng với các hạt cát nóng được đưa vào gần đáy của côn quay Dưới tác dụng của lực ly tâm, hỗn hợp được vận chuyển đi lên, dẫn khí và các chất rắn thoát ra từ các đỉnh của côn quay Khí được ngưng tụ một phần thành lỏng, trong khi đó các chất rắn được đốt cháy trong một buồng đốt tách riêng và cát nóng được tái tuần hoàn về lò phản ứng

Đặc điểm chính của lò côn quay:

- Tỷ lệ thành phần chất lỏng trong sản phẩm đạt đến 75 %;

Sinh khối

Khí Khí

Dầu

Cốc

Cát nóng

Không khí

Nón quay

Sinh khối Cát

Khí thải

Bình ngưng

RCR

- Thiết bị này đòi hỏi kích thước các hạt sinh khối < 6 mm, độ ẩm < 10 %;

- Lượng khí cấp vào lò phản ứng ít hơn nhiều so với kiểu lò tầng sôi;

- Vì cát được gia nhiệt trong buồng đốt bên ngoài lò nên quá trình vận chuyển cát và gia nhiệt cát khá phức tạp

1.3.2 Lò chân không

Ý tưởng đầu tiên của công nghệ này được thực hiện tại trường Đại học Laval

ở Canada (hình 1.4) Nguyên liệu sinh khối được đưa vào lò chân không, dưới tác dụng của nhiệt trong môi trường chân không, quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra Khí sinh

ra trong quá trình nhiệt phân sẽ được thu hồi và ngưng tụ lại thành dầu sinh học thông qua hệ thống thiết bị ngưng tụ Trong khi đó, chất rắn sẽ được tái sử dụng để cấp nhiệt trở lại cho quá trình nhiệt phân Để đảm bảo độ chân không trong lò và đồng thời tăng cường trao đổi nhiệt thì muối nóng chảy được sử dụng như một chất tải nhiệt

Một số đặc điểm chính của lò chân không:

- Kích cỡ hạt sinh khối yêu cầu lớn hơn các loại lò khác;

- Thành phần chất lỏng trong sản phẩm đạt từ 35  50 %, vận hành phức tạp;

- Vận tốc hỗn hợp khí thoát ra khỏi lò thấp nên khả năng tách sản phẩm là chất rắn ra khỏi hỗn hợp sản phẩm còn nhiều hạn chế nên lượng chất rắn còn ở trong dầu sinh học càng cao;

- Lượng khí trơ (khí nitơ) được sử dụng rất ít;

- Khả năng trao đổi nhiệt trong lò phản ứng thấp hơn các kiểu lò khác

Không khí

Dầu

RắnMuối

Sinh khối

Khí

Hình 1.4: Lò chân không [101]

1.3.3 Lò ma sát

Hình 1.5: Lò nhiệt phân kiểu ma sát [1]

Khác với các loại lò đã giới giới thiệu ở trên, loại lò ma sát không sử dụng khí nitơ làm môi chất truyền nhiệt (hình 1.5) Nhiệt lượng cung cấp cho sinh khối chủ yếu từ quá trình truyền nhiệt của bề mặt tấm gia nhiệt thông qua sự chênh lệch nhiệt

độ và lực ma sát giữa sinh khối với bề mặt tấm gia nhiệt Do đó, kích cỡ hạt sinh khối yêu cầu cho quá trình nhiệt phân nhanh theo công nghệ ma sát này thường lớn hơn

so với những loại công nghệ trên Đối với loại lò này, quá trình truyền nhiệt phụ thuộc lớn vào áp suất bên trong lò để tạo lực ép sinh khối lên bề mặt tấm trao đổi nhiệt, thông thường lực ép này được thực hiện bằng phương pháp cơ học hoặc ly tâm Khi sinh khối đạt đến khoảng nhiệt độ 400  600 C, chúng sẽ bị phân hủy tạo thành cốc

và hỗn hợp khí Hỗn hợp khí này sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ thành dầu sinh học

Hiện nay, loại lò này đang được nghiên cứu ứng dụng tại The National Renewable Energy Laboratory (NREL) và Aston University (USA), đồng thời Công

ty Pytec đã xây dựng ở Đức nhà máy có năng suất 6 tấn / ngày nhằm sản xuất dầu sinh học để phát điện [1], [93] Tuy nhiên, nhược điểm của loại lò này là có cấu tạo phức tạp, chi phí vận hành cao, khó khăn trong vấn đề điều chỉnh nhiệt độ lò phản ứng

Lò làm việc theo nguyên lý lực ly tâm nên rất khó khăn trong chế tạo và vận hành

đơn giản, dễ dàng vận hành, hiệu quả trao đổi nhiệt giữa môi chất truyền nhiệt và sinh khối khá cao nên sử dụng công nghệ này cho nhiệt phân nhanh bột gỗ hiệu suất dầu thu hồi đạt đến 70 % [32], [33]

Hình 1.6: Lò tầng sôi [1]

Đặc điểm của kiểu lò này là sử dụng lớp cát làm vật liệu sôi nhằm phân bố nhiệt độ trong lò đồng đều Quá trình vận hành phụ thuộc vào thời gian lưu sản phẩm phản ứng trong lò và lưu lượng khí cấp vào lò Sản phẩm rắn được tách ra khỏi hỗn hợp sản phẩm từ quá trình nhiệt phân bằng thiết bị cyclone Hỗn hợp khí hữu cơ ngưng tụ thành dầu sinh học khi được dẫn qua các thiết bị làm lạnh

Công nghệ này đã được nghiên cứu đầu tiên tại trường đại học Waterloo ở Canada [1] và hiện nay đã được ứng dụng qui mô công nghiệp Trong đó, Công ty Dynamotive đã xây dựng 2 nhà máy lớn ở Canada với công suất 100 tấn/ngày và 200 tấn/ngày [17] hay các công ty Biomass Engineering Ltd, Union Fenosa, Fortum và Metso đã vận hành thí điểm các nhà máy với công suất 75 – 400 kg/h [69]

1.3.5 Lò tầng sôi tuần hoàn

Lò tầng sôi tuần hoàn (Circulating fluidized bed reactors - CFB) có nhiều đặc điểm giống với lò tầng sôi (hình 1.7) Sinh khối được cấp vào lò phản ứng, nơi xảy

ra sự truyền nhiệt giữa các hạt cát nóng và các hạt sinh khối Cát, sản phẩm rắn và

Sinh khối Cyclone

Rắn

Dầu

Khí Thiết bị

ngưng tụ

hỗn hợp khí thoát ra khỏi lò phản ứng Trong đó, sản phẩm rắn và cát được thu lại từ cyclone và được đưa về đốt trong buồng đốt, hỗn hợp khí được dẫn vào thiết bị ngưng

tụ và ngưng thành dầu sinh học Để duy trì nhiệt độ trong lò phản ứng ổn định và giảm tổn thất năng lượng, một phần nhiệt lượng tạo ra trong lò phản ứng được tận dụng bằng cách tuần hoàn các hạt cát nóng về lại lò phản ứng

Hình 1.7: Lò tầng sôi tuần hoàn [1]

Đặc điểm lò tầng sôi tuần hoàn là lưu lượng dòng khí lớn, dẫn đến thành phần chất rắn trong dầu tăng lên, vì thế công nghệ này thích hợp với những quá trình nhiệt phân sử dụng lượng nguyên liệu sinh khối có kích cỡ lớn

Lò tầng sôi tuần hoàn đầu tiên được phát triển tại trường đại học Western Ontario vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 Cho đến nay, tại Ensyn (Canada) nhiều nhà máy đã sử dụng kiểu lò này với có công suất lên đến 400 tấn/ngày, tại Malaysia đã xây dựng và đi vào hoạt động 9 nhà máy, tại Phần Lan có vài nhà máy với công suất vài tấn/ngày [17]

1.3.6 So sánh và lựa chọn kiểu lò thực hiện nhiệt phân nhanh sinh khối

Các ưu nhược điểm của mỗi kiểu lò thực hiện quá trình nhiệt phân nhanh đã giới thiệu ở trên và được tổng hợp trong bảng 1.3 Theo đó, hàm lượng dầu sinh học

Tro

Cát nóng

Khí

Không khí

thu hồi từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong các kiểu lò tầng sôi, tầng sôi tuần hoàn

và ma sát là cao nhất với hiệu quả thu hồi dầu có thể đạt tới 75 % Tuy nhiên, trong

3 kiểu lò này thì kiểu lò ma sát có nhược điểm là cấu tạo lò khá phức tạp, khó khăn trong vấn đề chế tạo và vận hành đồng thời bị giới hạn về mặt phát triển công suất, nên đến nay chỉ mới dừng lại trong việc sử dụng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Khác với kiểu lò ma sát, lò tầng sôi không bị giới hạn về công suất và cấu tạo cũng không quá phức tạp nên đến nay kiểu lò này đã được nghiên cứu để thương mại hóa ở qui mô công nghiệp với công suất lò có thể đạt đến 20 tấn/h [1]

Tóm lại, qua phân tích các ưu nhược điểm và các đặc điểm về yếu tố kinh tế cũng như kỹ thuật, tác giả lựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh sử dụng kiểu lò tầng sôi để sản xuất dầu sinh học Sự lựa chọn này cũng phù hợp với xu hướng nghiên cứu

và chuyển giao công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học hiện nay trên thế giới

Bảng 1.3: Tổng quan so sánh các loại lò nhiệt phân nhanh [109]

Kiểu lò nhiệt

phân nhanh

Hiện trạng

Hiệu quả thu hồi dầu

Độ phức tạp

Kích thước sinh khối

Yêu cầu khí trơ

Kích thước

lò phản ứng

Khả năng tăng công suất

Chất lượng khí

Trung bình

Trung

Trung

Ghi chú: Các ký hiệu màu:

Thuận lợi Trung bình Bất lợi

1.4 Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh

Nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi là quá trình phức tạp, hiệu quả dầu sinh học thu hồi phụ thuộc nhiều vào các yếu tố vận hành Do đó, việc nghiên cứu tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình nhiệt phân nhanh là hết sức cần thiết Đến nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình nhiệt phân và đã được ứng dụng vào việc phát triển công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học [3], [14], [18], [79], [80], [99]

1.4.1 Ảnh hưởng của thành phần hóa học trong sinh khối

Thành phần hóa học

chính của sinh khối bao gồm:

hemicellulose, cellulose và

lignin Tính chất của mỗi loại

sinh khối phụ thuộc chủ yếu

vào tỉ lệ phần trăm khối lượng

của 3 thành phần này Trong

khi đó, nhiệt phân sinh khối

chính là sự phân hủy nhiệt hay quá trình bẻ gãy các liên kết cao phân tử dưới tác dụng nhiệt tới hemicellulose, cellulose và lignin Do đó, tỉ lệ phần trăm của các thành phần hóa học này có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học và chất lượng các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh

Cellulose là một polyme mạch thẳng được cấu tạo từ các liên kết mắt xích  – D–glucose, có khối lượng mol khoảng 106 g/mol [93] Cấu trúc phân tử của cellulose

là chuỗi liên kết của 2 đơn vị anhydride glucose với 1 đơn vị cellobiose được thể hiện trên hình 1.8 Trong khi đó, hemicellulose là một polyme có mạch nhánh của nhiều loại monosaccharides khác nhau Sự phân hủy cellulose trong suốt quá trình nhiệt phân diễn ra ở dải nhiệt độ từ 240 đến 335 C [64], [96] Đối với hemicelluloses, điều kiện để xảy ra quá trình phân hủy nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ 200 đến 260 °C [64], [96]

Khác với cellulose, lignin là một chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình

Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của sinh khối [46]

Bột gỗ

Trong phân tử của chúng có chứa các nhóm chức –OH & - OCH3 cùng với các nhóm benzen Do đó, lignin là thành phần khó bị phân hủy hơn so với celluloses và hemicelluloses dẫn đến trong quá trình nhiệt phân, hàm lượng lignin tăng sẽ làm tăng hàm lượng cốc Sự phân hủy nhiệt của lignin diễn ra trong khoảng nhiệt độ từ 280 đến

500 °C [64], [96]

Ngoài ra, hàm lượng dầu sinh học thu được từ quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối còn chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng tro Sinh khối có hàm lượng tro càng cao thì khả năng thu hồi dầu sinh học càng thấp [14] Điều này được giải thích là do khi hàm lượng tro trong sinh khối tăng lên sẽ làm tăng hàm lượng cốc, dẫn đến giảm hàm lượng dầu

Các sản phẩm chuyển hóa từ các thành phần trong sinh khối qua quá trình nhiệt phân được Brown (2009) thể hiện trong hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ chuyển hóa thành phần sinh khối từ quá trình nhiệt phân

Từ sơ đồ chuyển hóa trên hình 1.9 cho thấy tùy thuộc vào tỷ lệ các thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong mỗi loại sinh khối, hiệu quả thu hồi dầu sinh học và thành phần các sản phẩm từ quá trình nhiệt phân sẽ khác nhau

1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi dầu sinh học

Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm từ quá trình nhiệt phân nhanh [79], [80], [99] Các nghiên cứu cho thấy rằng, nhiệt độ phản ứng càng tăng thì dầu sinh học thu hồi càng tăng, còn

Khí không ngưng:

CO, CO2,

H2, CH4, C-2

Nước Dầu sinh học

Cốc Tro

Nhiệt phân Cellulose

32  45 % Hemicellulose

19  25%

Lignin

14  26%

Tro Khác

hàm lượng chất rắn và khí không

ngưng càng giảm Tuy nhiên, nếu

tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên

quá cao (lớn hơn 510 °C) thì sẽ

xuất hiện các phản ứng thứ cấp

làm phân hủy các hợp chất hữu cơ

ở thể khí, dẫn đến sự giảm hàm

lượng dầu sinh học Cụ thể, ảnh

hưởng của nhiệt độ phản ứng đến

hiệu quả thu hồi dầu sinh học từ

quá trình nhiệt phân một số loại

sinh khối phổ biến như bã mía, gỗ

phong, gỗ bạch dương, 100%

cenllulose và vỏ cây thông đã

được Toft tổng hợp thể hiện trên hình 1.10 [90]

Ngoài ra, Xiong và các cộng sự (2013) [80] đã nghiên cứu mô phỏng kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối trong lò tầng sôi, kết quả cho thấy hàm lượng dầu giảm đáng kể khi nhiệt độ phản ứng lớn hơn 550 °C Hoặc

là, trong nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi, B M Phan cùng các cộng sự (2014) [9] chỉ ra rằng khoảng nhiệt độ tối ưu để hàm lượng dầu sinh học thu hồi dầu cao nhất là 450 đến 510 °C

Như vậy, có thể kết luận rằng trong quá trình nhiệt phân nhanh nhiệt độ phản ứng đóng vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thu hồi dầu sinh học

Do đó, trong quá trình tính toán thiết kế và vận hành, kiểm soát chặt chẽ thông số nhiệt độ phản ứng là một trong các yếu tố được quan tâm hàng đầu

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn cho thấy nhiệt độ phản ứng còn ảnh hưởng đến thành phần các hợp chất có trong dầu sinh học Khi nhiệt độ phản ứng từ 400 đến

600 C thì hàm lượng nước trong dầu sinh học có xu hướng tăng từ 23,33 đến 27,17% dẫn đến giảm chất lượng của dầu sinh học [57], [72]

bagasse: bã mía, pine bark: gỗ thông

1.4.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu sản phẩm phản ứng và lưu lượng khí cấp nhiệt

Đối với quá trình nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi, thời gian lưu sản phẩm phản ứng trong lò đóng vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao hàm lượng dầu thu hồi cũng như chất lượng của dầu Các nghiên cứu chỉ ra rằng nếu thời gian lưu sản phẩm phản ứng càng lâu thì hiệu quả thu hồi dầu càng giảm [9], [14], [79], [80] Các sản phẩm tạo ra từ quá trình nhiệt phân nếu như chưa được thoát ra khỏi lò phản ứng

sẽ tiếp tục bị phân hủy dẫn đến tăng hàm lượng khí không ngưng và giảm hàm lượng dầu Tuy nhiên, đến nay việc xác định thời gian lưu sản phẩm phản ứng trong lò chủ yếu bằng nghiên cứu thực nghiệm Các tác giả B M Phan (2014) [9], Trung Ngoc Trinh (2013) [93], Q Xue (2012) [79], Qingang Xiong (2013) [80] đã nghiên cứu thực nghiệm và kết luận rằng khả năng thu hồi dầu sinh học đạt tối đa với điều kiện thời gian lưu sản phẩm phản ứng của các hạt sinh khối trong lò không được vượt quá

2 s Scott (1999) [34] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu đối với quá trình nhiệt phân bã mía trong lò tầng sôi và kết quả chỉ ra rằng hàm lượng dầu giảm từ 75% xuống 60 % khi thời gian lưu tăng từ 0,2 đến 0,9 s tại nhiệt độ 525 °C

Ngoài ra, bằng nghiên cứu mô phỏng số của các tác giả Andrés Anca-Couce

& Nico Zobel (2012) [3], Di Blasi (2000) [18], A.V Bridgwater (1999) [14] đều cho rằng thời gian lưu sản phẩm phản ứng của các hạt sinh khối trong lò phản ứng nhiệt phân nhanh không được quá 2s, đồng thời kết quả cũng cho thấy thời gian lưu phụ thuộc vào kích cỡ hạt sinh khối

Trong thực tế, chiều cao lò phản ứng không thay đổi nên việc điều khiển thời gian lưu sản phẩm phản ứng bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí cấp vào lò Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng (vận tốc) khí nitơ được thể hiện trên hình 1.11

Từ kết quả nghiên cứu trên hình 1.11 cho thấy trong quá trình nhiệt phân nhanh, nếu tăng lưu lượng khí thì khối lượng dầu thu hồi tăng dần và đạt giá trị cực đại Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nữa thì khối lượng dầu thu được giảm dần, đồng thời khối lượng chất rắn có xu hướng tăng dần Điều này có thể được giải thích khi lưu

lượng khí tăng thì thời gian lưu khí trong lò phản ứng càng giảm nên một lượng sinh khối chưa kịp tham gia phản ứng nhiệt phân đã thoát ra khỏi lò và hàm lượng sản phẩm chất rắn thu hồi có xu hướng tăng dần, vì vậy hàm lượng dầu có xu hướng giảm dần Như vậy, trong mỗi điều kiện phản ứng (nhiệt độ, kích cỡ hạt sinh khối, loại sinh khối, thể tích lò) lưu lượng khí có một khoảng giá trị thích hợp để hàm lượng dầu thu hồi cao nhất Do đó, trong quá trình tính toán thiết kế cũng như vận hành hệ thống nhiệt phân nhanh sinh khối trong lò tầng sôi, không thể không cân nhắc đến thời gian lưu sản phẩm phản ứng bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí cấp để lượng dầu thu hồi được lớn nhất

Tuy nhiên, đến nay việc xác định thời gian lưu sản phẩm phản ứng cho mỗi loại sinh khối tương ứng với mỗi kích cỡ chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm; chưa có cơ sở lý thuyết để tính toán lựa chọn kích cỡ hạt sinh khối phù hợp cho mỗi điều kiện nhiệt phân nhanh

1.4.4 Ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối

Trong quá trình nhiệt phân nhanh, tốc độ truyền nhiệt giữa khí nitơ nóng và vật liệu lớp sôi với hạt sinh khối ảnh hưởng rất lớn đến sự phân hủy các cao phân tử

để tạo thành dầu sinh học Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến tốc

độ truyền nhiệt là kích cỡ hạt sinh khối Tuy nhiên, đến nay việc xác định kích cỡ phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh của từng loại sinh khối chủ yếu được nghiên cứu

Hình 1.11: Hàm lượng dầu sinh học thu hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí

a) Kết quả nghiên cứu của Qingang Xiong (2013) [80]

b) Kết quả nghiên cứu của B M Phan (2014) [9]

bằng thực nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ hạt sinh khối đến hàm lượng dầu thu hồi, Gustavo Aguilar cùng các cộng sự (2015) [44] đã nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh bã mía và gỗ CTT với các khoảng kích cỡ khác nhau ở nhiệt

độ phản ứng là 550 oC, thể hiện trên hình 1.12 Kết quả cho thấy rằng, lượng dầu sinh học thu được cao nhất khi bã mía có kích cỡ từ 0,5  1,4 mm và gỗ CTT có kích cỡ

từ 1,4  2,4 mm

Hình 1.12: Ảnh hưởng kích thước hạt bã mía và gỗ CTT đến lượng dầu thu hồi [44]

Q.Xue (2012) [79] nghiên cứu thực nghiệm nhiệt phân nhanh mẫu cỏ Switch

và Qingang Xiong (2013)[80]nghiên cứu thực nghiệm sinh khối có khối lượng riêng

ρ = 400 kg/m3 đều có cùng kết luận là đường kính hạt sinh khối tối ưu khi nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi là 0,9 mm

Ngoài ra, Binh M.Q Phan (2014) [9] đã nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân nhanh rơm trong lò tầng sôi, kết quả cho thấy kích cỡ hạt rơm từ 0,18 đến 0,5 mm thì lượng dầu thu hồi cao nhất Kết quả này cũng trùng hợp với kết quả nghiên cứu của Zhongyang Luo (2005) [104] Hoặc là, theo kết quả nghiên cứu của K.Papadikis (2009) [54], bột gỗ sử dụng trong các hệ thống nhiệt phân nhanh qui mô công nghiệp có kích cỡ hạt từ 2 đến 5 mm

Như vậy, trong mỗi điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt phân nhanh, mỗi loại sinh khối có một khoảng kích cỡ tối ưu để hàm lượng dầu sinh học thu hồi đạt giá trị lớn nhất Việc chọn kích thước tối ưu cho quá trình nhiệt phân nhanh phụ thuộc rất lớn vào các tính chất vật lý của hạt sinh khối (độ ẩm, khối lượng riêng, hệ số dẫn

Lỏng Cốc Khí

nhiệt…) và các thông số vận hành của thiết bị nhiệt phân Tuy nhiên, đến nay việc xác định kích cỡ phù hợp của mỗi loại sinh khối phần lớn từ nghiên cứu thực nghiệm, chưa có cơ sở lý thuyết để thực hiện công việc này

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nóng ẩm, nên tính chất vật lý của sinh khối

có những đặc trưng riêng biệt Do đó, cần có những nghiên cứu để xác định kích thước hạt sinh khối phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhanh sản xuất dầu sinh học

1.4.5 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt

Theo kết quả thí nghiệm của Zhezi Zhang cùng các cộng sự (2013) [103] về quá trình nhiệt phân gỗ thông cho thấy tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến hàm lượng chất rắn tạo ra, từ đó ảnh hưởng đến hàm lượng dầu Thí nghiệm được thực hiện ở áp suất khí quyển tại nhiệt độ 823, 973 và 1123 K trong 2 thiết bị là TGA và WMR (wire mesh reactor) Theo đó, thiết bị TGA được dùng để phân tích quá trình nhiệt phân chậm với tốc độ gia nhiệt khoảng 1 độ/s, còn WMR được dùng để phân tích quá trình nhiệt phân nhanh với độ gia nhiệt khoảng 4360 độ/s Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 1.13

Qua đồ thị trên hình 1.13 cho thấy hàm lượng chất rắn tạo ra từ quá trình nhiệt phân WMR ít hơn từ quá trình nhiệt phân TGA Đồng nghĩa với lượng khí và dầu tạo

ra từ quá trình nhiệt phân WMR nhiều

hơn từ nhiệt phân TGA

Ngoài ra, trong quá trình nhiệt

phân đậu nành, Uzun (2006) [95] chỉ

ra rằng hàm lượng dầu sinh học thu

hồi càng tăng khi tăng tốc độ gia nhiệt

(hình 1.14) Họ đã thí nghiệm với tốc

độ gia nhiệt tăng từ 5 đến 700 độ/phút

và thấy rằng khối lượng đậu nành

được nhiệt phân tăng lên 5,8 %; hàm

lượng dầu tăng từ 35 đến 42,8 % và

hàm lượng khí cũng gia tăng

Như vậy, bằng các kết quả

nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tốc

độ gia nhiệt ảnh hưởng đến khối lượng dầu sinh học thu hồi Tốc độ gia nhiệt càng cao thì hàm lượng dầu sinh học thu được càng tăng Kết quả nghiên cứu này làm cơ

sở cho việc lựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh sinh khối cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học

1.4.6 Ảnh hưởng của môi chất truyền nhiệt

Môi chất truyền nhiệt cho quá trình nhiệt phân thường được sử dụng là các loại khí trơ như nitơ, heli, argon, cacbon dioxit và hơi nước

Đến nay, đã có một vài nghiên cứu về việc sử dụng môi chất truyền nhiệt ảnh hưởng đến các thành phần trong sản phẩm từ quá trình nhiệt phân Putin (2004) [78], Minkova (2001) [62] đã nghiên cứu nhiệt phân sinh khối với môi chất truyền nhiệt là khí nitơ và hơi nước Kết quả nghiên cứu đều cho thấy sử dụng hơi nước thì hàm lượng dầu sinh học thu được lớn hơn so với sử dụng khí nitơ Tuy nhiên, hàm lượng nước trong dầu sinh học khi sử dụng môi chất là hơi nước cao hơn khi dùng khí nitơ

Ngoài ra trong các loại khí trơ, khí nitơ là khí khá phổ biến, giá thành rẻ và ở nhiệt độ 525 oC không tham gia phản ứng nên khí nitơ không ảnh hưởng đến các

Hình 1.14: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt đến quá trình nhiệt phân đậu nành [95]