Nam.
a. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu cụng nghệ cacbon húa trờn thế giới
Cụng nghệ cacbon húa ở nhiệt độ thấp
Một trong những vấn đề đƣợc thảo luận nhiều nhất trong lĩnh vực chƣng cất nhiờn liệu đú là nhiệt độ của quỏ trỡnh cacbon húa. Đó hơn một thế kỷ, than đỏ đƣợc luyện thành than cốc để tạo khớ phục vụ chiếu sỏng do đú chủ đề này đƣợc bàn luận rất nhiều cho đến nay. Những kỹ sƣ ban đầu đó cụng nhận một số ý nghĩa, giỏ trị của quỏ trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ thấp nhƣng đối với họ, cỏc khớ sản phẩm là quan trọng hàng đầu. Họ sử dụng đến cỏc thớ nghiệm để đƣa ra cỏc giỏ trị tối ƣu nhất và do đú họ thớch phƣơng phỏp nhiệt độ cao hơn. Nhƣng xột thờm ý nghĩa về mặt kinh tế, phƣơng phỏp cacbon húa ở nhiệt độ thấp lại đƣợc khuyến khớch và cỏc thảo luận về cacbon húa lại đƣợc tổ chức trở lại. Núi đến cụng nghệ cacbon húa ở nhiệt độ thấp thỡ cốc húa là một trong những ứng dụng cơ bản và đầu tiờn.
Ở Mỹ, từ những năm 1890 đó cú nhiều nghiờn cứu về cỏc cụng trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ thấp. Frank M. Gentry cú cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về quỏ trỡnh luyện than cốc và khớ húa than ở nhiệt độ thấp.
Nhiệt độ của quỏ trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ thấp đƣợc tranh cói giữa cỏc nhà nghiờn cứu. Parr và Layng quan niệm nhiệt độ thấp dƣới 750oC hoặc 800o
C, trong khi Bone quan niệm nhiệt độ nằm trong giới hạn 550oC đến 600o
C và Gludd quan niệm nhiệt độ thấp trong giới hạn 500oC đến 600oC. Sự tranh cói này xuất phỏt từ một loại than đỏ mà cỏc thớ nghiệm tiến hành và cỏc loại sản phẩm than cốc riờng của từng nhà nghiờn cứu. Parr và cỏc cộng sự sử dụng than Illinois để đảm bảo khụng cú khúi khi đốt. Bone sử dụng than của Anh và Gludd
Trần Văn Huệ 18 Lớp CHMT K18
sử dụng sản phẩm đầu tiờn của nhựa đƣờng với loại nhựa đƣờng cú tỷ lệ cacbon tự do thấp. Do vậy, khoảng nhiệt độ phụ thuộc vào chất lƣợng sản phẩm tạo ra của cỏc nhà nghiờn cứu và phƣơng phỏp thực hiện cỏc quỏ trỡnh.
Theo định nghĩa của cỏc nhà khoa học, cacbon húa nhiệt độ thấp (cốc húa) là quỏ trỡnh chƣng cất phỏ hủy của than hoặc dƣới nhiệt độ cracking của mạch H-C trong nhựa đƣờng. Nhiệt độ là điều kiện vật lý của khớ húa, do đú chƣng cất trong điều kiện chõn khụng nhiệt độ cú thể khụng quỏ 450o
C và trong điều kiện cú ỏp suất nhiệt độ cú thể lờn tới 1000oC. Trong hầu hết cỏc trƣờng hợp, với ỏp suất khớ quyển và chất lƣợng than trung bỡnh, nhiệt độ của quỏ trỡnh cacbon húa cú thể lấy là 750oC.
Nhỡn từ gúc độ kinh tế, sự thiếu hiểu biết trong những phƣơng phỏp hiện tại về việc tận dụng nhiờn liệu dƣới 2 dạng: khúi lũ - hỡnh thành do đốt chỏy khụng hoàn toàn và việc tận dụng hết nhiờn liệu do thiếu cỏc phƣơng phỏp hoàn chỉnh thớch hợp. Nhƣ vậy cú thể núi rằng, cacbon húa nhiệt độ thấp là phƣơng phỏp vừa giảm đƣợc lƣợng khúi thải, vừa tăng đƣợc hiệu quả sử dụng nhiờn liệu. Nhƣng nú cũng khụng cú nghĩa rằng sẽ gúp phần vào bảo tồn nguồn tài nguyờn thiờn nhiờn, nhƣng nú cũng làm tăng việc tiờu thụ cỏc hàng húa cú ý nghĩa kinh tế để gúp phần duy trỡ tài nguyờn thiờn nhiờn.
Cỏc mụ hỡnh đƣợc nghiờn cứu kỹ khi thành phần H-C trong than đƣợc xỏc định. Cacbon giai đoạn đầu sẽ lắng xuống trong khoang đó đƣợc chia sẵn và tập hợp thành cụm trƣớc khi đốt chỏy. Nếu tỏch H-C với nhiờn liệu ngay ở giai đoạn đầu, khúi sẽ thải ra rất nhiều. Kốm theo đú là cõu hỏi, cỏch bố trớ thế nào để H-C tỏch ra khỏi nhiờn liệu mà vẫn giữ đƣợc giỏ trị. Cõu trả lời đó đƣợc tỡm ra trong quỏ trỡnh chƣng cất phõn đoạn nhựa đƣờng để tỏi sử dụng trong cụng nghiệp. Một số sản phẩm đƣợc sử dụng nhƣ dầu lửa hay phõn bún.
Lịch sử của quỏ trỡnh nghiờn cứu cacbon húa ở nhiệt độ thấp liờn quan chặt chẽ tới khớ than. Một trong những ngƣời đầu tiờn đề cập đến lƣợng dầu lớn nhất thu đƣợc là Perkins, ngƣời đạt bằng sỏng chế năm 1953 về việc chiết xuất dầu khỏi đỏ phiến sột và cỏc vật liệu cacbon khỏc bằng cỏch chƣng cất ở nhiệt độ thấp. Sau năm đú, Sparr đề nghị luyện than để lấy dầu nhờn hơn là lấy khớ trong điều kiện tự nhiờn chõn khụng cao. Mƣời năm sau, Parker ngƣời phỏt minh ra quỏ trỡnh cốc húa, giành đƣợc bằng sỏng chế cho sản phẩm nhiờn liệu khụng
Trần Văn Huệ 19 Lớp CHMT K18
khúi bằng cỏch chƣng cất khớ trơ ở nhiệt độ cao, nhƣ khớ lỏng, khớ than ở 600o C đến 650oC. Sau đú, Parker cũn đạt đƣợc bằng sỏng chế cho việc đốt than trong dũng khớ thổi cú nhiệt độ dƣới 450oC. Đú chớnh là nền tảng để phỏt triển quỏ trỡnh cốc húa.
Tại Mỹ, những thớ nghiệm đƣợc tiến hành từ rất sớm tại đại học Illinois từ năm 1902. Đó cú một bỏo cỏo kết quả vào năm 1908 và một bỏo cỏo nghiờn cứu sõu hơn vào năm 1912 của Parr và cụng sự. Những nghiờn cứu đầu tiờn về lĩnh vực này đƣợc nghiờn cứu tại Mỹ, nhƣng sau đú nú tiếp tục đƣợc nghiờn cứu chủ yếu ở những nƣớc cú nguồn dầu mỏ bị giới hạn và họ coi nguồn than dự trữ nhƣ nguồn nguyờn liệu lỏng quan trọng cho quốc gia. Chiến tranh thế giới đó tạo ra sự thỳc đẩy lớn cho lĩnh vực nghiờn cứu này, đặc biệt là tại Anh và Đức. Những nghiờn cứu cơ bản về nhiờn liệu của Anh xuất bản năm 1917 đẩy mạnh tiết kiệm nhiờn liệu và tiếp tục phỏt triển những nghiờn cứu về nhiờn liệu. Nú đó gúp phần to lớn cho những nghiờn cứu về cacbon húa than.
Sau đõy là một số quy trỡnh cacbon húa nhiệt độ thấp của một số nhà nghiờn cứu và tổ chức:
Quy trỡnh cacbon húa của Mcintire
Quy trỡnh cacbon này dựa theo quy trỡnh của tỏc giả Smith và đƣợc sự ủng hộ của tổ chức The Internatinonal Coal products Company. Năm 1918, chớnh phủ Mỹ đó cung cấp tài chớnh nhằm xõy dựng một nhà mỏy với cụng suất 575 tấn than thụ mỗi ngày tại Clinchfield, VA. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh vận hành của nhà mỏy gặp nhiều khú khăn, thờm vào đú là những trở ngại về kinh tế đó khiến dự ỏn Clinchfield tạm ngừng vào năm 1922. Sau này, mụ hỡnh này đƣợc McIntire ứng dụng và phỏt triển.
Trong mụ hỡnh của dự ỏn Clinchfield bao gồm 24 bỡnh chƣng cất, hợp thành 4 buồng phớa ngoài, và 30 lũ đƣợc sắp xếp theo 10 hàng. Điểm nổi bật của hệ thống này đú là sự kết hợp giữa quỏ trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ thấp và cao nhằm đạt đƣợc một quy mụ sản xuất cao hơn.
Quy trỡnh Coalite
Quy trỡnh này dựa trờn mụ hỡnh của Parker, một trong những ngƣời tiờn phong của quỏ trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ thấp. Một mụ hỡnh đƣợc đƣa ra từ
Trần Văn Huệ 20 Lớp CHMT K18
những năm đầu 1890, nhƣng đến tận năm 1906 thỡ Coaltile mới giới thiệu về nguyờn lý của quỏ trỡnh cacbon húa. Trong mụ hỡnh này, cỏc bỡnh chƣng cất ở trang thỏi tĩnh, nhiệt đƣợc cung cấp từ bờn trong và than đƣợc xếp từng lớp mỏng.
Sau những thớ nghiệm ban đầu của Parker, The Eticoal Syndicate đó dựng lờn một nhà mỏy ở gần Barnsley, nƣớc Anh với cụng suất khoảng 50 tấn than.. Trong quỏ trỡnh chƣng cất, hơi núng đƣợc duy trỡ từ trờn xuống dƣới. Nhiệt độ trong bỡnh chƣng cất đƣợc duy trỡ ở 650oC trong vũng khoảng 4,5 giờ cho đến khi quỏ trỡnh cacbon húa đƣợc hoàn thành.
Năm 1911, The British Coaltile đó đƣa ra một thiết kế khỏc tại Barking, gần London. Trong mụ hỡnh này gồm 20 lũ chƣng cất với cụng suất là 32 tấn thụ/ngày.
Thiết kế gần đõy nhất của Coaltile là một cải tiến trong mụ hỡnh của Davidson. Quỏ trỡnh cacbon húa ở nhiệt độ khoảng 650oC trong vũng 8 giờ với lƣợng than xấp xỉ 36 tấn mỗi ngày. Đặc điểm đỏng chỳ ý trong mụ hỡnh mới của Coalite là cỏc thiết bị cú bộ phận thoỏt khớ trong quỏ trỡnh cacbon húa và thu hồi than. Khoảng 25-35% chất dễ bay hơi chứa trong than sẽ bị húa hơi ở nhiệt độ 550oC ở trong bỡnh chƣng cất.
Quy trỡnh của tổ chức Fuel Research Board
Năm 1917, chớnh phủ nƣớc Anh đó thành lập ra tổ chức Fuel Research Board là một nhỏnh của trung tõm nghiờn cứu khoa học và cụng nghiệp. Tổ chức này đó đƣa ra mụ hỡnh của quy trỡnh cacbon với 9 bỡnh chƣng cất nằm ngang. Than đƣợc nghiền nhỏ, xếp thành cỏc lớp mỏng cho vào cỏc bỡnh chƣng cất nhằm làm giảm quỏ trỡnh mất nhiệt.Trong cỏc bỡnh chƣng cất này, nhiệt độ lớn khụng cho phộp vƣợt quỏ 600o (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C, và quỏ trỡnh cacbon húa đƣợc tiến hành trong 3 - 4 giờ.
Tổ chức The Fuel Research Board đó nỗ lực trong việc đƣa ra mụ hỡnh cacbon húa nhiệt độ thấp với tiờu chuẩn Glover - West vào vận hành nhƣng khụng thu đƣợc kết quả nhƣ mong muốn. Cụng suất 3,5 tấn/ngày, do nhiệt độ cacbon húa hạ dần đến 780oC, nờn đầu vào giảm xuống 1,8 tấn/ngày.
Trần Văn Huệ 21 Lớp CHMT K18
Tổ chức The Fuel Research Board đó tiến hành nhiều thớ nghiệm nhằm đƣa ra một quy trỡnh cú 4 bỡnh chƣng cất thẳng đứng liờn tiếp làm bằng thộp, 2 trong số 4 bỡnh đƣợc thiết kế nhƣ chữ D rộng 4 inch ở trờn và 8 inch ở dƣới, 2 bỡnh cũn lại cú dạng nhý chữ E thỡ thu đƣợc kết quả khả quan và mang lại những thành cụng nhất định. Cơ quan Fuel Production Company, Ltd đó sử dụng mụ hỡnh này với cụng suất 100 tấn/ngày.
Quy trỡnh Fusion
Quy trỡnh cacbon húa này là phỏt minh của Hutchin và đƣợc tập đoàn Fusion quản lý. Theo Tupholme cú hai loại mụ hỡnh đƣợc thiết kế, dạng đơn và dạng kộp.
Trong mụ hỡnh này dạng đơn cú cỏc lũ quay bằng thộp sắp xếp theo chiều ngang. Nguyờn liệu đƣợc nghiền, cho vào cỏc lũ và đƣợc đốt núng. Sản phẩm đƣợc hỡnh thành ở một buồng cố định ở trạng thỏi tĩnh và sau đú đƣợc lấy ra, khớ thải ngƣng lại và cho một khu vực riờng.
Mụ hỡnh lũ kộp cú nguyờn tắc cấu tạo nhƣ ở dạng lũ đơn. Điểm khỏc biệt là 2 lũ quay đƣợc sắp xếp theo kiểu đồng tõm, và cả hai đều cú bộ phận nghiền nguyờn liệu. Cấu tạo này, đem lại hai thuận lợi. Thứ nhất, việc nạp và lấy nguyờn vật liệu chỉ diễn ra một lần, do vậy trỏnh việc thoỏt khớ trong vận hành. Thứ hai, than đƣợc đốt núng trƣớc khi tiến hành quỏ trỡnh cacbon húa.
Kết quả cacbon húa chất thải nụng nghiệp:
Năm 2002, nhúm tỏc giả Kazuhiro Mochidzuki, Lloyd S. Paredes, and Michael J. Antal, Jr, của trƣờng Đại Học năng lƣợng thiờn nhiờn Hawaii, tiến hành nghiờn cứu cụng nghệ cacbon húa với một số chất thải từ nụng nghiệp nhƣ lừi ngụ, trấu… đó thu đƣợc cỏc sản phẩm than cacbon cú nhiệt trị cao nhƣ bảng sau:
Trần Văn Huệ 22 Lớp CHMT K18
Bảng 1.8. Hiệu suất thu hồi cỏc sản phẩm cacbon từ chất thải rắn nụng nghiệp.
Chất thải Tỷ lệ thành phần % Hiệu suất thu hồi sản phẩm Hiệu suất thu hồi Cacbon Nhiệt trị của sản phẩm Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng Hơi nƣớc Cacbon Tro Gỗ thụng tƣơi 24,7 72,5 2,8 40,0 29,7 29,9 66,1 Gỗ thụng khụ 15,8 80,6 3,6 36,8 30,4 31,2 63,6 Gỗ sồi 20,0 79,5 0,5 35,1 28,0 31,6 62,5 Lừi ngụ 13,6 83,7 2,7 33,1 28,0 32,0 60,7 Vỏ trấu 23,8 43,2 33,0 46,1 24 19,4 57,7
Flash Carbonization of Biomass, Kazuhiro Mochidzuki, Lloyd S. Paredes, and Michael J. Antal, Jr, 2002
Ngày nay, cụng nghệ cacbon húa ở nhiệt độ thấp cũn đƣợc nghiờn cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau. Cỏc vật liệu cú tỷ lệ thành phần cacbon cao cú thể đƣợc cacbon húa thành những vật liệu cú ớch trong cỏc hoạt động xử lý chất thải rắn bảo vệ mụi trƣờng. Rỏc thải hữu cơ chỏy đƣợc trong rỏc thải đụ thị hay cỏc chất thải PVC cú thành phần cacbon cao đƣợc cacbon húa ở nhiệt độ thấp tạo ra cỏc hợp chất cú độ xốp lớn, ứng dụng trong ngành cụng nghiệp và cụng nghệ xử lý nƣớc thải… Với trỡnh độ khoa học hiện tại và thành phần chất thải nhƣ hiện nay, việc ỏp dụng cụng nghệ cacbon húa ở nhiệt độ thấp rất cú triển vọng tại Việt Nam.
Cụng nghệ cacbon húa bằng phương phỏp ỏp suất cao
Hiện nay, ngoài phƣơng phỏp cacbon hoỏ ở nhiệt độ thấp thỡ phƣơng phỏp cacbon húa ỏp suất cao cũng đạt đƣợc những thành tớch đỏng kể và là một cụng nghệ cacbon húa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với lƣợng cú thể cõn bằng giới hạn sau vài chục phỳt phản ứng. Cụng nghệ này cần lƣu ý sự chỏy và lƣu ý kiểm soỏt tia lửa trong khoang chứa sinh khối ở ỏp suất cao. Sinh khối cú thể sử dụng là gỗ và cỏc sản phẩm nụng nghiệp nhƣ lừi ngụ, vỏ trấu. Trong cỏc thớ nghiệm tiờu biểu, hệ thống nộn ở 1MPa bằng khụng khớ và
Trần Văn Huệ 23 Lớp CHMT K18
điện đƣợc phỏt cho bộ phận làm núng ở đỏy của lũ phản ứng. Sự chỏy diễn ra sau vài phỳt dƣới ỏp suất cao, và cỏc tia lửa sẽ bắt đầu làm cho sinh khối chuyển thành cacbon sinh học. Nếu sinh khối sử dụng là lừi ngụ, sản lƣợng cacbon đƣợc giữ nguyờn tuõn theo lý thuyết, và phản ứng hoàn thành sau 20 phỳt.
Cacbon sinh học (than củi) đƣợc chế tạo ra sau hơn 38.000 năm và hiện giờ vẫn là nguồn nhiờn liệu cú thể tỏi tạo quan trọng nhất đƣợc sử dụng. Tuy nhiờn, những cụng nghệ cacbon húa cú tớnh thƣơng mại thỡ chậm và kết quả khụng rừ rệt. Sản lƣợng đặc trƣng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lũ Missouri cú chu trỡnh 7 - 12 ngày khoảng 25% trọng lƣợng. Những cụng nghệ cacbon húa kộm hiệu quả hơn đƣợc sử dụng rộng rói ở cỏc nƣớc và nú cũng là nguyờn nhõn hàng đầu cho nạn phỏ rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Ngoài ra, vỡ những vấn đề ụ nhiễm liờn quan đến cụng nghệ cacbon húa kộm hiệu quả, chu trỡnh sản xuất nhiờn liệu than củi phỏt thải khớ nhà kớnh nhiều nhất.
Theo lý thuyết, cacbon húa sinh khối là phƣơng phỏp nhanh và hiệu quả, với sản phẩm phụ là CO2, H2O, CH4 và CO ở dạng vết. Cellulose là thành phần chủ yếu của hầu hết cỏc sinh khối. Ở 1 MPa, sản lƣợng cacbon thu đƣợc từ cellulose là 27% khối lƣợng. Tài liệu khoa học về cacbon húa sinh khối đó cú từ 150 năm trƣớc đõy. Khụng cú ghi nhận nào về sản lƣợng cacbon từ sinh khối vƣợt qua giỏ trị tại thời điểm cõn bằng nhiệt húa học. Hiển nhiờn, sản lƣợng của quỏ trỡnh nhiệt phõn cacbon từ sinh khối gần bằng giỏ trị tại thời điểm cõn bằng, bởi vậy cỏc nhà khoa học thƣờng lấy giỏ trị tại thời điểm cõn bằng nhiệt là giỏ trị của sản lƣợng cacbon. Tại thời điểm cõn bằng năng lƣợng của quỏ trỡnh nhiệt phõn celloluse ở 400o
C và 1MPa, cacbon thu đƣợc chiếm 52,2% giỏ trị nhiệt lƣợng của cellulose (17,4% MJ/kg) và 36,2% là năng lƣợng phỏt sinh từ sản phẩm khớ (chủ yếu là CH4). Cũn lại khoảng 2 MJ/kg là nhiệt tỏa ra do quỏ trỡnh nhiệt phõn. Giỏ trị cao nhất của sự tỏa ra từ quỏ trỡnh nhiệt phõn cellulose ở trong lũ ỏp suất cao là 0,66 MJ/kg.
Hiện nay, gỗ và cỏc sản phẩm nụng nghiệp dƣ thừa đƣợc tận dụng để cacbon húa tạo ra cỏc sản phẩm cú ớch và cú tớnh thƣơng mại. Vớ dụ nhƣ lừi ngụ hay vỏ trấu.
Trong bỏo cỏo Viện Năng lƣợng tự nhiờn Hawai, Đại học Hawai của nhúm tỏc giả Kazuhiro Mochizuki, Lloyd S. Paredes và Michael J. Antal, Jr năm
Trần Văn Huệ 24 Lớp CHMT K18
2002, sinh khối đƣợc đựng trong hộp hỡnh trụ nhỏ và đƣa vào khoang cacbonhúa cú ỏp suất khụng khớ cao lờn tới 1,1 MPa. Hệ thống lũ cú 2 bộ phận làm núng ở đỏy của khoang cacbon húa. Sự chỏy bắt đầu sau vài phỳt và bộ phận làm núng đƣợc tắt đi. Sau đú, khụng khớ đi vào nồi hơi và cỏc tia lửa bắn ra và chuyển sinh