Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ CÁC VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.6 Tổng quan về tình hình nghiên cứu cơng nghệ cacbon hóa trên thế giới và Việt
1.6.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ cacbon hóa trên thế giới
Phƣơng pháp cacbon hóa đã đƣợc thế giới nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trên thế giới nhằm thu hồi đƣợc những sản phẩm nhiên liệu có giá trị cao hơn.
a. Cơng nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp.
Ở Mỹ, từ những năm 1990 đã có rất nhiều nghiên cứu về cơng trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Fank M. Gentry có các cơng trình nghiên cứu về q trình luyện than cốc và khí hóa than ở nhiệt độ thấp [21,31].
Nhiệt độ của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp đƣợc tranh cãi giữa các nhà
nghiên cứu. Parr và Layng quan niệm nhiệt độ thấp dƣới 750oC hoặc 800oC trong
khi Bone quan niệm nhiệt độ nằm trong giới hạn 550oC và 600oC và Gludd quan
từ một loại than đá mà các thí nghiệm tiến hành và các loại sản phẩm than cốc riêng của từng nhà nghiên cứu. Par và các cộng sự sử dụng than Illinois để đảm bảo khơng có khói khí đốt. Bone sử dụng than của Anh và Gludd sử dụng sản phẩm đầu tiên của nhựa đƣờng với loại nhựa đƣờng có tỷ lệ cacbon tự do thấp. Do vậy khoảng nhiệt độ phụ thuộc vào chất lƣợng sản phẩm tạo ra của các nhà nghiên cứu và phƣơng pháp thực hiện các quá trình.
Lịch sử quá trình nghiên cứu cacbon hóa ở nhiệt độ thấp liên quan chặt chẽ tới khí than. Một trong những ngƣời đầu tiên đề cập đến lƣợng dầu lớn nhất thu đƣợc là Perkins, ngƣời đạt bằng sáng chế năm 1953 về việc chiết xuất dầu khỏi đá phiến sét và các vật liệu cacbon khác bằng cách chƣng cất ở nhiệt độ thấp. Sau năm đó, Sparr đề nghị luyện than để lấy dầu nhờn hơn là lấy khí trong điều tự nhiên chân không cao. Mƣời năm sau, Parker ngƣời phát minh q trình cốc hóa giành đƣợc bằng sáng chế cho sản phẩm nhiên liệu khơng khói bằng cách chƣng cất khí trơ ở nhiệt
độ cao, nhƣ khí lỏng, khí than ở 600oC đến 650oC. Sau đó Parker đạt đƣợc bằng
snags chế cho việc đốt than trong dòng khí thổi ở nhiệt độ dƣới 450oC. Đó chính là
nền tảng của q trình cốc hóa [21].
Tại Mỹ những thí nghiệm đƣợc tiến hành từ rất sớm tại đại học Illinois từ 1902. Đã có một báo cáo kết quả vào năm 1908 và một báo cáo nghiên cứu sâu hơn vào năm 1912 của Parr và công sự. Những nghiên cứu đầu tiên về lĩnh vực này đƣợc nghiên cứu tại Mỹ, nhƣng sau đó nó tiếp tục đƣợc nghiên cứu chủ yếu ở những nƣớc có nguồn dầu mỏ bị giới hạn và họ coi nguồn than dự trữ nhƣ nguồn nguyên liệu lỏng quan trọng cho quốc gia. Chiến tranh thế giới đã tạo ra sự thúc đẩy lớn cho lĩnh vực nghiên cứu này, đặc việt là tại Anh và Đức. Những nghiên cứu cơ bản về nhiên liệu của Anh xuất bản năm 1917 đẩy mạnh tiết kiệm nhiên liệu và tiếp tục phát triển những nghiên cứu về nhiên liệu. Nó góp phần to lớn cho những nghiên cứu về cacbon hóa than [31].
Sau đây là một só nghiên cứu về quy trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp
Quy trình cacbon này dựa theo quy trình của tác giả Smith và đƣợc sự ủng hộ của tổ chức The International Coal Products Company. Năm 1918 chính phủ Mỹ đã cung cấp tài chính nhằm xây dựng một nhà máy với cơng suất 575 tấn than thô mỗi ngày tại Clinchfield, VA. Tuy nhiên quy trình vận hành của nhà máy gặp nhiều khó khăn, thêm vào đó những trờ ngại về kinh tế đã khiến dự án Clinchfield tạm ngừng vào năm 1922. Sau này mơ hình này đƣợc McIntire ứng dụng và phát triển. Điểm nổi bật của hệ thống này là sự kết hợp giữa q trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp và cao nhằm đạt dƣợc một số quy mô sản xuất cao hơn [15, 15].
Quy trình Coalite
Quy trình dựa trên mơ hình của Parker, một trong những ngƣời tiên phong của q trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Mơ hình đƣa ra từ những năm dầu 1890 nhƣng đến tận năm 1906 thì Coaltile mới giới thiệu về nguyên lý của q trình cacbon hóa [29]. Trong mơ hình này, các bình chứng cất ở trạng thái tĩnh, nhiệt đƣợc cung cấp từ bên trong và than đƣợc xếp từng lớp mỏng. Sau đó The Eticoal Syndicate đã dựng lên một nhà máy gần Barnsley, nƣớc Anh với công suất khoảng 50 tấn than. Trong q trình chƣng chất hơi nóng dƣợc duy trì từ trên xuống dƣới.
nhiệt độ trong bình chƣng cất đƣợc duy trì ở 650oC trong vịng 4,5 giờ cho đến khi
q trình cacbon hóa đƣợc hồn thành.
Thiết kế gần đây nhất của Coaltile là một cải tiến trong mơ hình của Davidson. Q
trình cacbon hóa ở nhiệt độ khoảng 650oC trong vòng 8 giờ với lƣợng than xấp xỉ
36 tấn mỗi ngày. Đặc điểm của mơ hình này là các thiết bị có bộ phận thốt khí trong q trình cacbon hóa và thu hồi than. Khoảng 25-35% chất dễ bay hơi chứa
trong than sẽ bị hóa hơi ở nhiệt độ 550oC ở trong bình chƣng cất [32].
Quy trình Fussion
Đây là phát minh của Hutchin và đƣợc tập đồn Fusion quản lý, mơ hình đƣợc thiết kế dạng đơn và kép. Trong mơ hình dạng đơn có lị quay bằng thép sắp xếp theo chiều ngang. Nguyên liệu đƣợc nghiền cho vào các lò đƣợc đốt nóng. Sản pahamr đƣợc hình thành ở buồng cố định ở trạng thái tĩnh và sau đó đƣợc lấy ra, khí thải ngƣng lại và cho một khu vực riêng.
Mơ hình lị kép ngun tắc cấu tạo nhƣ ở dạng lò đơn. Điểm khác biệt là 2 lò quay đƣợc sắp xếp theo kiểu đồng tâm, và cả hai có bộ phận nghiền nguyên liệu chỉ diễn ra một lần, do vậy tránh đƣợc việc thốt khí trong vận hành. Thứ hai, than đƣợc đốt nóng trƣớc khi tiến hành q trình cacbon hóa [17].
Quy trình Cacbon hóa chất thải nơng nghiệp
Các thành phần chất hữu cơ trong chất thải đơ thị có tốc độ phân hủy chậm trong bãi chôn lấp nhƣ xƣơng động vật, hải sản, gỗ, cao su… có thành phần cacbon tƣơng đối cao [32]. Ngoài ra đối tƣợng áp dụng khác có thể là các chất thải nơng nghiệp. Đã có rất nhiều nghiên cứu thu hồi cacbon từ sinh khối chất thải nông nghiệp bằng phƣơng pháp cacbon hóa của trƣờng Đại học năng lƣợng thiên nhiên Hawaii (2002) cho thấy sản phẩm thu đƣợc có giá trị nhiệt cao, thu hồi đƣợc các sản phẩm cacbon có nhiệt trị cao nhƣ bảng sau:
Bảng 1.4 Hiệu suất thu hồi sản phẩm cacbon từ chất thải rắn nông nghiệp [34]
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 thông tƣơi 24,7 72,5 2,8 40,0 29,7 29,9 66,1 Gỗ thông khô 15,8 80,6 3,6 36,8 30,4 31,2 63,6 Gỗ sồi 20,2 79,5 0,5 35,1 28,0 31,6 62,5 Lõi ngô 13,6 83,7 2,7 33,1 28,0 32 60,7 Vỏ trâu 23,8 43,2 33,0 46,1 24 19,4 57,7
Ngày nay, cơng nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp đƣợc nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhua. Các vật liệu có tỷ lệ thành phần cacbon cao có thể đƣợc cacbon hóa thành những vật liệu có ích trong các hoạt động xử lý chất thải rắn bảo vệ môi trƣờng. Rác thải hữu cơ chát đƣợc trong rác thải đô thị hay các chất thải
PVC có thành phần cacbon cao đƣợc cacbon hóa ở nhiệt độ thấp tạo ra các hợp chất có độ xốp lớn, ứng dụng trong ngành công nghiệp và công nghệ xử lý nƣớc thải.
b. Cơng nghệ cacbon hóa bằng phương pháp áp suất cao.
Hiện nay, ngoài phƣơng pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp thì phƣơng pháp cacbon hóa áp suất cao cũng đạt đƣợc những thành tích đáng kể và một cơng nghệ cacbon hóa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với lƣợng có thể cân bằng giới hạn sau vài chục phút phản ứng. Công nghệ này cần lƣu ý sự chát và kiểm soát tia lửa trong khoang chứa sinh khối. Trong các thí nghiệm tiêu biểu, hệ thống nén ở 1 MPa bằng khơng khí và điện đƣợc phát cho bộ phận làm nóng ở đáy lị phản ứng. Sự cháy diễn ra sau vài phút dƣới áp suất cao và các tia lửa sẽ bắt đầu làm cho sinh khối chuyển thành cacbon sinh học. Nếu sinh khối sử dụng là lõi ngô,sản lƣợng cacbon đƣợc giữ nguyên tuân theo lý thuyết và phản ứng hoàn thành sau 20 phút [21].
Cacbon sinh học (than củi) đƣợc chế tạo ra sau hơn 38.000 năm và hiện giờ vẫn là nguồn nhiên liên có thể tái tạo quan trọng nhất đƣợc sử dụng. Tuy nhiên những cơng nghệ cacbon hóa có tính thƣơng mại thì chậm và kết quả không rõ rệt. Sản lƣợng đặc trƣng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lị Missouri có chu trình 7-12 ngày khoảng 25% trọng lƣợng [21]. Những cơng nghệ cacbon hóa kém hiệu quả hơn đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc và nó cũng là nguyên nhân hàng đầu cho nạn phá rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Ngồi ra chu trình sản xuất nhiên liệu than củi phát thải khí nhà kính nhiều nhất.
Theo báo cáo Viện năng lƣợng tự nhiên Hawai, Đại học Hawai của nhóm tác giả Kazuhiro Mochizuki, LloydS. Paredes và Michael J. Antal, Jr năm 2002 [34], sinh khối đƣợc đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đƣa vào khoang cacbon hóa có áp suất khơng khí cao lên tới 1,1 MPa. Hệ thống lị có 2 bộ phận làm nóng ở đáy của khoang cacbon hóa. Sự cháy bắt đầu sau vài phút và bộ phận làm nóng đƣợc tắt đi. Sau đó, khơng khí đi vào nồi hơi và các tia lửa bắn ra và chuyển sinh khối thành cacbon. Khi khơng khí đã cung cấp đủ cho q trình cacbon hóa thì sẽ tạm ngừng dịng khí, khoang cacbon hóa sẽ giảm áp suất và để nguội.
Lõi ngô là nhiên liệu tốt cho q trình cacbon hóa, tại áp suất 1,2 MPa sự cháy xảy ra sau 2 phút làm nóng và dịng khí thổi dừng lại sau 18 phút. Với công nghệ này sản lƣợng cacbon cố định đạt 100% sản lƣợng tại giới hạn cân bằng nhiệt hóa học. Kết quả đạt đƣợc sự cải tiến to lớn so với công nghệ cũ. Giống nhƣ lõi ngô, vỏ trấu cháy dễ dàng trong khơng khí ở áp suất cao nhƣng sự lƣu thơng nhiệt và khí thì bị hạn chế. Với đặc tính đó, sản lƣợng cacbon hóa cố định (24%) chỉ đạt đƣợc 82% giá trị tại giới hạn thành phần cacbon hóa cố định của than thì ít thay đổi [21].