IV. NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL ) CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG
3. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp sản xuất nhiên liệu 4 Sản xuất biofuel
4.5. Dầu sinh học Bio-crude HTU diezel chiết suất tương ứng
Từ những năm 1980, cơ sở nghiên cứu của Công ty Shell ở Hà Lan đã thực hiện nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả nhiệt hydro (Hydro Thermal Upgrading - HTU). Với công nghệ này, sinh khối sẽ được
phân hủy trong nước để thu chất lỏng giống như dầu thô, được gọi là bio-crude - dầu thô sinh học. Mục tiêu của công nghệ này là thu năng lượng từ sinh khối, biến nó thành nhiên liệu (chạy xe cộ) có nhiệt lượng cao hơn. Tuy nhiên, vì điều kiện kinh tế không đáp ứng được nên thực nghiệm phải bỏ dở. Vì nhiên liệu sinh học được quan tâm trở lại vào những năm 1990, nên công nghệ nói trên đã được Công ty Dutch Biofuel sau này do các cựu nhân viên Shell thành lập tiếp tục nghiên cứu phát triển.
4.5.1. Nguyên liệu sinh khối
Công nghệ HTU có thể được sử dụng để chuyển hóa hàng loạt nguyên liệu sinh khối khác nhau. Các nguyên liệu thích hợp, khả thi có thể là cả rác thải rắn đô thị và chất thải nông nghiệp. Thiết bị công nghệ này được thiết kế đặc biệt dành cho các sinh khối ướt như bã củ cải, bùn nhớt, quặng dầu, hoặc rác thải hữu cơ. Sinh khối không cần phải sấy khô, hỗn hợp nước chứa 10 - 30% chất liệu hữu cơ được coi là thích hợp.
4.5.2. Công nghệ chuyển hóa bio-crude
Trong công nghệ HTU, sinh khối khô (hoặc ướt) tham gia phản ứng trong môi trường lỏng là nước ở áp suất cao và nhiệt độ khá thấp. Sản phẩm chính của công nghệ chuyển hóa HTU là bio-crude giống như dầu thô nguồn gốc dầu mỏ. Quá trình chuyển hóa được mô tả trong hình 7 trang sau.
Bước đầu tiên trong quá trình chuyển hóa là tiền xử lý nguyên liệu sinh khối. Vì thiết bị của công nghệ HTU được thiết kế đặc biệt cho nguyên
liệu ướt, nên sinh khối khô trước tiên phải được ngâm trong môi trường nước. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ 200 - 250oC và áp suất 30 bar (30,4 atm). Sự có mặt của nước ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của nguyên liệu sinh khối và sản phẩm cuối cùng thu được.
Khi sinh khối ướt được chuyển liên tục vào vùng phản ứng nóng, quá trình chuyển hóa xảy ra ở áp suất 120 - 180 bar ( 121,6-182,4 atm) và nhiệt độ 300 - 350oC. Trong một thử nghiệm pilot tại Hà Lan, thời gian để phản ứng chuyển hóa HTU thử nghiệm xảy ra hoàn toàn chỉ từ 5 đến 10 phút. Tuy nhiên năng lượng tiêu thụ trong quá trình này rất cao. Ngoài sản phẩm chính là bio-crude (50%), công nghệ HTU còn tạo ra khí (30%); trong đó 70 - 90% lượng khí là CO2 và 20 - 30% là H2. Ngoài ra còn có metan và CO. Sản phẩm phụ thu được là dung dịch nước, chứa 5% hợp chất hữu cơ. Nước thải có thể sử dụng làm môi trường lên men kỵ khí tạo ra biogas. Cả biogas lẫn gas thu được từ quá trình HTU có thể dùng làm nhiên liệu đốt lò.
Bio-crude là chất lỏng hữu cơ nhớt, màu đen, là hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon. Nó không trộn lẫn với nước và vì có hàm lượng oxy thấp (10 - 15% oxy liên kết) nên chúng bền hơn so với bio-oil phân hủy nhiệt. Bio-crude có hàm lượng nitơ và lưu huỳnh rất thấp và giá trị nhiệt năng thấp (30 - 36 MJ/kg).
Bio-crude có thể tách thành 2 thể nặng và nhẹ, đều có thể là nguyên - nhiên liệu phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Phần nặng hơn chứa tất cả chất thành phần của bio -crude và khoáng, có thể sử dụng làm chất trợ cháy trong nhà máy điện chạy than. Chúng cũng có thể được sử
dụng làm xăng dung môi (nafta) để sản xuất các hóa chất. Phần nhẹ và tinh khiết hơn có thể sử dụng để tạo thành phần nhiên liệu diezel. Để chuyển hóa bio-crude thành nhiên liệu diezel đủ chất lượng cho xe vận tải truyền thống, thì cần nâng cao chất lượng của phân đoạn này nhờ kỹ thuật hydro hóa xúc tác. Trong quá trình này, oxy bị khử nhờ bổ sung hydro. Vì phải bổ sung một lượng lớn hydro nên về mặt kinh tế vấn đề này không hấp dẫn.
4.5.3. Tình trạng công nghệ và tính kinh tế
Công nghệ HTU mới chỉ được thực hiện ở quy mô pilot (nhà máy sản xuất thử được xây dựng ở Apeldoorn Hà Lan từ năm 1999). Công nghệ chuyển hóa chưa tiến hành được với tất cả mọi nguồn sinh khối. Sau khi đóng cửa 2 năm, hoạt động của nhà máy này gần đây được phục hồi và hiện đang tiếp tục vận hành. Một nhà máy (công suất 3.000 tấn/ năm) lớn hơn sẽ hoàn thiện vào năm 2006. Vấn đề sản xuất quy mô thương mại sẽ chưa thể thực hiện trước năm 2008-2009.
Các nghiên cứu về công nghệ chuyển hóa HTU đang tập trung vào xác định các tính chất hóa học của sản phẩm phức tạp thu được, đồng thời thử nghiệm với các nguồn sinh khối khác nhau. Các vấn đề kỹ thuật như tinh chế sản phẩm, xử lý nguyên liệu, các điều kiện phản ứng, xử lý nước thải, công nghệ hyđro hóa, v.v… cần phải được nghiên cứu tiếp tục. Chính công nghệ lọc dầu là công nghệ đã biết nhưng khi áp dụng trong điều kiện công nghệ HTU vẫn là chủ đề cần nghiên cứu.
Hiệu suất nhiệt trong công nghệ HTU chuyển hóa sinh khối thành bio- crude đã đạt mức dự tính 80%. Hiệu quả nâng cấp chất lượng bio-crude nhờ kỹ thuật hydro hóa có thể đạt mức 60%.
Theo các chuyên gia, chi phí đầu tư ngắn hạn dự tính cho một nhà máy sản xuất bio-crude bằng công nghệ HTU 400 MW nhiệt có thể vào khoảng 95 euro/ kW nhiệt. Với nhà máy lớn hơn (1000 MW nhiệt) chi phí đầu tư dài hạn có thể giảm 25%. Nếu nhà máy được trang bị áp dụng kỹ thuật hydro hóa, chi phí đầu tư ngắn hạn cho nhà máy 400 MW nhiệt sẽ tăng gấp hơn 5 lần, vào khoảng trên 500 euro/ kW nhiệt và cũng giảm 25% chi phí nếu dài hạn.
Giá thành sản xuất diezel theo công nghệ HTU phụ thuộc vào chi phí đầu tư nhưng hết sức nhạy cảm đối với giá nguyên liệu. Dựa vào loại sinh khối sử dụng, Công ty Dutch Biofuel đưa ra con số giá thành dự tính sản phẩm diezel HTU vào khoảng 5 - 7 euro/GJ (0,16 - 0,24 euro/ lít) đối với nhà máy quy mô lớn.
4.5.4. Sử dụng diezel HTU
Phát triển công nghệ chuyển hóa HTU là để sản xuất được nhiên liệu diezel có đặc tính kỹ thuật giống với nhiên liệu diezel thông thường đang sử dụng. Các đặc tính kỹ thuật nhiên liệu này được xác định bởi tỉ lệ C/H, có thể điều chỉnh nhờ kỹ thuật hyđro hóa. Chất lượng sản phẩm diezel HTU có triển vọng cải thiện rất tốt. Chỉ số xetan của nó sẽ cao hơn của diezel thông thường. Nhiên liệu sẽ sạch và không còn oxy. Diezel HTU được sản xuất để đáp ứng quy cách phẩm chất diezel dầu
nào. Nhiên liệu này cũng có thể đem bán tại mạng lưới phân phối diezel cơ sở đã sẵn có. Diezel HTU có triển vọng sánh ngang với các chất liệu diezel truyền thống.