Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản
1.4.3. Các cơng trình cơng bố có liên quan trực tiếp đến đề tài trên thế giới:
Mặc dù cơng nghệ khí hóa sinh khối đã phát triển từ khá lâu, tuy nhiên để sản xuất khí sản phẩm sử dụng cho mục đích năng lượng chất lượng cao thì hắc ín sinh ra trong q trình khí hóa vẫn là một trong những tồn tại lớn nhất để thương mại hóa cơng nghệ này và việc nó vẫn đang được rất nhiều nước quan tâm và nhiều tác giả nghiên cứu. Tuy nhiên, với sản xuất năng lượng quy mơ nhỏ, việc xử lý hắc ín chủ yếu tập trung vào phương pháp đốt và phân hủy nhiệt, đã có một số cơng trình cơng bố đáng chú ý như:
Jindrich Sulc và công sự năm 2012 đã nghiên cứu phát triển lị khí hóa sinh khối thành hai buồng riêng biệt dựa trên ý tưởng của Nikolaisen trường đại học kỹ thuật Đan Mạch và đã nghiên cứu thực nghiệm với nhiên liệu là gỗ, kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín chỉ còn khoảng 135 mg/kg gỗ. Tuy nhiên tỷ số ER là 0,71 và nhiệt trị của khí sản phẩm chỉ cịn khoảng 3,15 MJ/m3. - Luisa Burhenne và cộng sự năm 2013 cũng đã xây dựng một hệ thống khí hóa gỗ nhiều cửa cấp gió, khơng có thót, quy mơ phịng thí nghiệm với cơng suất 50 kW, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vùng phân hủy hắc ín, thí nghiệm cho thấy hàm lượng 10 hắc ín bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ vùng phân hủy và chiều cao của vùng này, kết quả cho thấy hàm lượng hắc ín có thể đạt dưới 50 mg/m3 và nhiệt trị dao động từ 4,5 - 5,5 MJ/m3.
Bui Tuyen và cộng sự một trong những người đầu tiên phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối nhiều cấp gió dựa trên ý tưởng của Nikolaisen nhưng đã
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
cải tiến, thiết bị khí hóa chỉ cịn một buồng duy nhất, năm 1994 đã công bố kết cấu buồng khí hóa hai cửa cấp gió, kết quả cho thấy lượng hắc ín giảm 40 lần so với khí hóa một cửa cấp gió và chỉ cịn khoảng 50 mg/m3.
P. Raman và cộng sự năm 2013 cũng đã công bố các kết quả về phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối với hai cửa cấp gió, khơng có thót đồng thời tận dụng nhiệt thải để gia nhiệt khơng khí cấp vào lị để cải thiện hiệu suất lò và kết quả là hàm lượng hắc ín đạt dưới 100 mg/m3, hiệu suất đạt tới 89%.
Bhattacharya và công sự cũng đã công bố những kết quả nghiên cứu phát triển hệ thống khí hóa sinh khối với ba cửa cấp gió và hai vùng cháy chính đồng thời kết nối trực tiếp với động cơ – máy phát, kết quả là hàm lượng hắc ín giảm chỉ cịn 19 - 34 mg/m3 và khí sản phẩm thay thế diesel tỷ lệ cao nhất lên đến 81%.
Zhongqing Ma và công sự năm 2012 đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống khí hóa hai cửa cấp gió vận hành liên tục kết hợp với động cơ – máy phát với những cải tiến ở vùng nhiệt phân (thiết bị phá tảng) và vùng ghi lò kết hợp với hệ thống phụ trợ làm sạch khí, cơng suất lên đến 190 kW điện. Đây được xem là một hệ thống khá hồn thiện có triển vọng thương mại hóa trong tương lai, tuy nhiên trường nhiệt độ và q trình vận hành ổn định là khá khó khăn vì vùng cháy thường bị dịch chuyển lên hoặc xuống rất nhạy cảm với quá trình cấp liệu và thải xỉ.
Nhận xét: Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, các nghiên cứu hướng tới
sản xuất điện năng công suất nhỏ gần đây vẫn chủ yếu tập trung vào việc xử lý và giảm thiểu hắc ín bằng phân hủy nhiệt, đã có những cơng nghệ được minh chứng là có thể giảm thiểu được hắc ín xuống mức cho phép để vận hành trực tiếp cho động cơ đốt trong ở quy mơ phịng thí nghiệm. Tuy nhiên, tính ứng dụng chưa cao như: Hàm lượng hắc ín thấp nhưng chỉ trong điều kiện thí nghiệm, vận hành rất phức tạp, và tính ổn định trong vận hành chưa cao, nên khi đưa vào ứng dụng thực tế còn nhiều tồn tại, chưa sử dụng được đa dạng các loại sinh khối trong thực tế đặt ra.
1.4.4. Một số sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng quy mơ nhỏ điển hình hiện nay:
Với sự phát triển của cơng nghệ hiện nay, khí hóa sinh khối để sản xuất điện năng quy mô vừa và nhỏ hiện nay thường sử dụng kiểu lị khí hóa thuận chiều, tuy nhiên cấu hìnhcủa hệ thống cũng rất đa dạng và ngày càng hoàn thiện với mục đích là:
Có thể nâng cao được chất lượng khí sản phẩm.
Sử dụng đa mục đích (kết hợp sản xuất điện, nhiệt, cơ), đa dạng hóa các loại sinh khối, linh hoạt trong vận hành hoặc cải thiện hiệu suất của hệ thống. Dưới đây là một số sơ đồ ngun lí và hình ảnh của một vài cấu khí hóa sinh khối sản xuất năng lượng đã được xây dựng và lắp đặt trên thế giới:
Nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối Gosaba, Bengal, Ấn Độ
Công suất điện là 500 kW với 5 tổ máy mỗi tổ 100 kW (5x100). Hệ thống được lắp đặt và đưa vào vận hành ở đảo Gosaba, West Bengal, Ấn Độ vào tháng 7 năm 1997 cấp điện 5 làng bao gồm hơn 10.000 người. Sử dụng công nghệ của Ankur, Ấn Độ với nhiên liệu là gỗ mẫu, sản lượng điện trung bình 351,798 kWh. Củi và dầu diesel tiêu thụ trung bình mỗi kWh điện lần lượt là 0,822 và 0,135l kg. Khí sản phẩm thay thế được khoảng 59% nhiên liệu diesel.
Hệ thống này có ưu điểm là vận hành ổn định, chất lượng khí sản phẩm tốt. Tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu lớn.
Chế tạo và thực nghiệm lò khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Nhà máy sản xuất điện từ khí hóa sinh khối TERI, Ấn Độ
TERI sử dụng cơng nghệ khí hóa sinh khối thuận chiều, tuy nhiên họ đã cải tiến buồng lị khơng thót và cấp gió nhiều cấp. Với sơ đồ hệ thống kiểu này công suất điện
trong dải từ 3,5 – 100 kW, sử dụng đa dạng các loại sinh khối. Hiệu suất khí sản phẩm có thể lên đến 70%.
Tuy nhiên hệ thống vận hành phức tạp, chi phí đầu tư và vận hành lớn, phát thải mơi trường qua nước thải cao.
Hệ thống khí hóa sinh khối 2 cấp kết hợp sản xuất điện, Đan Mạc h
Cơng nghệ này dựa trên ngun lí khí hóa sinh khối nhiều cấp, với 2 buồng nhiệt phân và khí hóa tách biệt, giúp giảm hắc ín tới mức thấp nhất, tuy nhiên vận hành phức tạp, không ổn định, hiệu suất thấp.
Hệ thống khí hóa sinh khối nhiều cấp kết hợp sản xuất điện, Thái Lan
Ưu điểm của công nghệ :
Về mặt kinh tế: công nghệ khá đơn giản, dễ chế tạo, nhỏ gọn, chi phí đầu tư linh hoạt phụ thuộc vào mức độ yêu cầu của hộ sử dụng.
Về kỹ thuật: công nghệ này cho phép giảm hắc ín xuống cịn 28 mg/m3, thấp hơn mức yêu cầu để chạy trực tiếp cho động cơ đốt trong, nhưng hiệu suất của hệ thống vẫn tương đối cao (khoảng 70%), có thể sử dụng đa dạng nhiên liệu.
Về mặt môi trường: công nghệ này sử dụng phương pháp khử hắc ín ngay trong q trình khí hóa nên có thể giảm tác động mơi trường.
Nhược điểm của cơng nghệ :
Do chưa được cơ khí hóa nên vận hành khá vất vả và phức tạp, tính ổn định chưa cao địi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm. Cơng nghệ đang trong q trình nghiên cứu và hồn thiện.
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Kết luận chương I:
Trên thực tế, Biomass nói chung và khí Biomass nói riêng tiếp tục là nguồn năng lượng lớn tại các quốc gia đang phát triển, trong đó gỗ vẫn là nguồn năng lượng tạo khí Biomass lớn nhất trên thế giới.
Đồ án này đã cho thấy thực trạng tình hình nghiên cứu ứng dụng khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng trên thế giới và trong nước hiện nay. Nó cho thấy sự quan tâm đặc biệt và xu hướng tất yếu của việc phát triển cơng nghệ khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng của các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững. Kết quả cũng cho thấy, các nghiên cứu về cơng nghệ khí hóa sinh khối ở Việt Nam hiện cịn rất hạn chế và việc nghiên cứu phát triển, ứng dụng trong sản xuất năng lượng là rất cần thiết. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng khí hóa Biomass phục vụ cho hoạt động xã hội nói chung và sử dụng khí hóa Biomass cho phát điện nói riêng là phù hợp với điều kiện tại Việt Nam như hiện nay.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tóm tắt chương II:
Chương này đề cập đến loại ngun liệu sản xuất và các cơng nghệ khí hóa sinh khối mà đề tài hướng đến. Lựa chọn nguyên liệu cho q trình sản xuất khí nhiên liệu. giới thiệu cơng nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất năng lượng quy mô nhỏ, và những đặc thù của công nghệ này. Chọn lựa phương án cơng nghệ khí hóa sinh khối cho lị khí hóa nhằm hồn thiện hệ thống khí hóa sinh khối cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại cỡ nhỏ.
2.1. Cơng nghệ khí hóa:
2.1.1. Ngun liệu sản xuất syngas:
Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất xenlulôzơ. Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị.
Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào xenlulôzơ và chất gỗ thơng qua q trình quang hợp. Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước. Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng, các chất này thường được gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.
Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý. Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đơ thị, khí ở các hố chơn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng. Các giống cây này được gọi là các giống cây năng lượng. Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được gọi là nguyên liệu sinh khối. Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã, giảm mối nguy hại đối với môi trường xung quanh. Dưới đây là các mô tả chi tiết của từng loại sinh khối:
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Chất bã của sinh khối đã qua xử lý: Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra
các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã, các chất bã này có một lượng thế năng nhất định. Khơng phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý.
Bột giấy và các chất bã trong q trình sản xuất giấy: Cây cối có các thành
phần như chất gỗ và sợi xenlulơzơ. Do các tính chất hóa học và vật lý khi sản xuất để tạo ra giấy. Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã,các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ. Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy.
Bã cây rừng: Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa
rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều.
Bã nông nghiệp: Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu
hoạch. Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu ... Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng.
Chất thải từ gia súc Chất thải gia súc, như phân trâu, bị, heo và gà, có thể được
chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Ở những nước đang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu
nướng. Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao. Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất độc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước đang phát triển.... tạo ra một số lượng lớn phân gia súc tạo nên nguồn hữu cơ phức tạp cùng với các vấn đề môi trường. Các trang trại này dùng phân để sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.
Các loại bã thải khác: Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công
trường. Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học. Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo khơng nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tơng, chất thải gỗ là những ví dụ của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.
Cây trồng năng lượng: Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được
xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng.