Hình 1.8: Sơ đồ ngun lý cơng nghệ một hệ thống khí hóa phát điện cỡ nhỏ
Ngun lý cơng nghệ khí hóa: Các q trình diễn ra trong bộ khí hóa gồm 4 giai đoạn: Làm khơ, nhiệt phân, đốt cháy và sinh khí.
Hình 1.9: Bốn giai đoạn khí hóa sinh khối
Q trình làm khơ (Drying): Đây là q trình làm khơ ngun liệu sinh khối
thơ dƣới tác dụng của nhiệt. Nhiệt cung cấp ở đây đƣợc thực hiện trong một chu trình nhiệt động học khép kín của hệ thống lị khí hóa diễn ra trong quy trình đốt khí hóa. Tầng làm khơ đặt trên tầng nhiệt phân (Pyrolysis). Thành phần hóa học tổng quát của nguyên liệu sinh khối là CxHyOz:
CxHyOz.nH2O CxHyOz + nH2O
Quá trình nhiệt phân - Pyrolysis: Đây là quá trinh oxi hóa khơng có ơxi
khơng khí dƣới tác dụng của nhiệt độ cao. Nhiệt đƣợc cung cấp ở tầng đốt cháy trong lị khí hóa. Tầng nhiệt phân đặt giữa tầng đốt cháy (Combustion) và tầng làm khô:
CxHyOz C + CO+ H + CO + H2O + Tạp chất
Sau quá trình nhiệt phân thành phần chủ yếu là than (C), khí và hơi (CO + H2 + CO2 + H2O) và những tạp chất với thành phần nguyên tố hóa học khác nhƣ H2S.
Q trình đốt cháy - Combustion: Quá trình đốt cháy đƣợc thực hiện ở tầng
đốt có đƣờng ống dẫn khơng khí chứa ơxy vào và đốt cháy hỗn hợp C + CO + H2 + CO2 + H2O. Sản phẩm khí sau khi đốt sẽ chỉ còn lại là CO2 + H2O và một phần khí N2 trong khơng khí có thể đƣợc coi là khí tạp chất (sẽ đƣợc làm sạch trong hệ thống làm nguội và lọc sau hệ thống lị khí hóa Gasifer):
to
C +CO + CO2 + H2 + H2O CO + H2
Một phần C rắn, nóng khơng cháy hết đƣợc chuyển sang tầng nén ở dƣới. Q trình sinh khí - Reduction: Đây là quá trinh thực hiện trong tầng sinh khí của lị khí hóa. Các khí CO2 + H2O sau q trình đốt đƣợc dẫn qua than nóng (của q trình nhiệt phân lắng xuống) để thực hiện quy trình phản ứng hóa học tạo ra khí đốt cháy CO và H2:
2C + CO2 + H2O 3CO + H2
Nhƣ vậy sau khi qua lị khí hóa, hệ thống khí thu đƣợc gồm các khí đốt CO + H2 và một phần khí tạp chất. Hỗn hợp khí này sau khi qua hệ thống lọc và làm nguội sẽ chỉ cịn khí CO + H2 và đƣợc chuyển tới máy phát điện tuabin khí đốt và sinh điện. Q trình sinh khí này là hồn tồn tự động [8].
Bảng 1.2: So sánh giữa q trình cacbon hóa và khí hóa
Cacbon hóa Khí hóa
Nhiệt độ 200-760°C 480-1,650°C
Các q trình Làm khơ, nhiệt phân Làm khô, nhiệt phân, đốt cháy và sinh khí.
Hiệu suất 30-35% 10-28%
Nhiệt trị 5000-7000 kcal/kg 3000-5000 kcal/kg
Ứng dụng Nhiệt Nhiệt, điện, động cơ
Tính khả thi Sử dụng đơn giản Vận hành dễ dàng
Dễ dàng áp dụng tại khu vực làng nghề. Việc chế tạo than mùn cƣa có thể linh động nguồn đầu vào và đầu ra của sản phẩm.
Cần có tính đồng bộ hóa cao Vận hành phức tạp
Khó áp dụng tại khu vực làng nghề
Trong điều kiện Việt Nam, điện dƣ thừa khó nối lƣới chỉ có thể áp dụng cục bộ tại khu vực sản xuất.
O2
* Đánh giá chất lƣợng than [15]
Chất lƣợng than đƣợc xác định bởi thuộc tính khác nhau và mặc dù tất cả đều liên quan đến một mức độ nhất định, chúng đƣợc đo lƣờng và đánh giá một cách riêng biệt.
- Độ ẩm:
Than mới đốt từ một lị mở ra có độ ẩm thấp, thƣờng là dƣới 1%. Chúng hấp thụ độ ẩm từ độ ẩm của khơng khí nhanh chóng, thậm chí khơng cần tiếp xúc với nƣớc độ ẩm cũng có thể tăng lên 5-10%.
Chỉ tiêu chất lƣợng cho than thƣờng hạn chế độ ẩm khoảng 5-15% trọng lƣợng cả bì của than củi. Độ ẩm đƣợc xác định bằng cách làm khơ mẫu than. Nó đƣợc thể hiện nhƣ là một tỷ lệ phần trăm trọng lƣợng ƣớt ban đầu.
- Các chất dễ bay hơi:
Các chất dễ bay hơi trong than bao gồm tất cả những dƣ lƣợng chất lỏng và hắc ín khơng giảm hồn tồn trong q trình cacbon hóa. Q trình cacbon hóa kéo dài và ở nhiệt độ cao, các chất bay hơi thấp. Khi nhiệt độ cacbon hóa thấp và thời gian ngắn, các chất bay hơi cao.
- Hàm lƣợng carbon cố định:
Hàm lƣợng cacbon cố định của các dãy than từ mức thấp khoảng 50% đến cao nhất là khoảng 95%. Nhƣ vậy than chủ yếu là cacbon. Cacbon thƣờng đƣợc ƣớc tính nhƣ là một "sự khác biệt", tất cả các thành phần khác đƣợc khấu trừ từ 100 nhƣ tỷ lệ phần trăm và số còn lại đƣợc giả định là tỷ lệ phần trăm của "cacbon tinh khiết" hay “cacbon cố định". Hàm lƣợng cacbon cố định là thành phần quan trọng nhất trong luyện kim vì nó là cacbon cố định có tác động cho việc giảm oxit sắt trong quặng sắt để sản xuất kim loại. Nhƣng trong việc sử dụng công nghiệp cần phải có sự cân bằng giữa tính chất dễ vỡ vụn của than và hàm lƣợng cacbon: than có độ cứng cao; hàm lƣợng cacbon thấp và một cacbon cố định thấp hơn; hàm lƣợng chất dễ bay hơi cao hơn để có đƣợc tối ƣu hoạt động của lị.
- Hàm lƣợng tro:
Tro đƣợc xác định bằng cách nung nóng một mẫu đến nóng đỏ với sự có mặt của khơng khí để đốt tất cả vật chất dễ cháy. Phần dƣ lƣợng cịn lại chính là tro. Đó là khóang sản, nhƣ đất sét, silica và canxi và magiê oxit… đều hiện diện trong gỗ ban đầu, chúng chính là chất ơ nhiễm từ đất trong q trình chế tạo than.
Hàm lƣợng tro than có giá trị từ 0,5% đến 5% tùy thuộc vào loài gỗ, lƣợng vỏ bao gồm gỗ trong lò và lƣợng ô nhiễm đất và cát. Than chất lƣợng tốt thƣờng có hàm lƣợng tro khoảng 3%.
- Nhiệt lƣợng:
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của một nhiên liệu là giá trị năng lƣợng của nó, đó là lƣợng năng lƣợng trên mỗi kg than cho ra khi bị đốt. Các giá trị nhiệt nhƣ vậy có thể đƣợc sử dụng để tính tốn khả năng cạnh tranh của các loại nhiên liệu trong tình hình thị trƣờng nhất định. Có một loạt các yếu tố khác, chẳng hạn nhƣ tính dễ xử lý, đặc điểm cháy… cũng ảnh hƣởng đến giá trị thị trƣờng, nhƣng giá trị năng lƣợng có lẽ là yếu tố quan trọng nhất và cần đƣợc ghi nhận khi chọn nguyên liệu đầu vào. Than sinh học cho hiệu suất lị hơi cao hơn nhiều vì độ ẩm thấp và mật độ cao hơn.
- Tính chất vật lý:
Tính chất vật lý của than ảnh hƣởng đến đầu ra của lị cao trong khi tính chất hóa học có liên hệ với số lƣợng than cần thiết cho quá trình sản xuất. Khả năng chống nứt vỡ khi xử lý là rất quan trọng để duy trì tính thấm liên tục của lị, duy trì năng suất lị và tính thống nhất của các hoạt động. Than gỗ có khả năng vỡ cao có thể gây tắc nghẽn lị, gây nổ lò.
- Khả năng hấp phụ:
Than sinh học là một nguyên liệu quan trọng cho than hoạt tính. Than sinh học có khả năng hấp phụ các khí và hơi.
- Thành phần hóa học của than:
Các thành phần của than là cacbon, tar và tro. Các tỷ lệ tƣơng đối của mỗi thành phần phản ánh loại gỗ và nhiệt độ mà tại đó q trình cacbon hóa thực hiện.
* Ƣu điểm của than sinh học [26] - Than sinh học rẻ hơn than đá. - Giảm nhu cầu dự trữ than củi, gỗ.
- Đây là một hình thức tiết kiệm năng lƣợng từ các vật liệu bỏ đi, thân thiện với môi trƣờng; các loại dầu mỏ, than đá hoặc than bùn là loại năng lƣợng không tái tạo, một khi đƣợc sử dụng, có thể khơng đƣợc thay thế.
- Than sinh học chứa rất ít lƣu huỳnh, do đó khơng gây ô nhiễm môi trƣờng. - Than sinh học có giá trị nhiệt tƣơng đối lớn.
- Hàm lƣợng tro thấp hơn nhiều (từ 2-10% so với 20-40% trong than hóa thạch).
- Khả năng đốt cháy hoàn toàn cao.
- Than sinh học thƣởng đƣợc sản xuất ngay gần nơi tiêu thụ và nguồn cung cấp nên không phụ thuộc vào vận chuyển thất thƣờng từ khoảng cách xa, giảm chi phí vận chuyển.
- Loại bỏ các hạt bụi gỗ trong khơng khí. - Loại bỏ phí xử lý và chơn lấp tốn kém.
- Tạo một dòng doanh thu mới từ việc bán sản phẩm.
1.3.2. Các chủng loại, thành phần của sản phẩm than mùn cưa hiện có trên thị trường Việt Nam
1.3.2.1. Viên nén mùn cưa, thanh nén mùn cưa
Các phế phẩm của ngành sản xuất và chế biến gỗ đã đƣợc tận dụng một cách tối đa nhằm tiết kiệm nguồn nguyên vật liệu đang ngày càng khan hiếm. Bằng việc sử dụng máy ép viên, ép thanh thì giờ đây ngƣời ta đã tận dụng đƣợc lƣợng mùn cƣa, trấu, dăm bào… trong quá trình sản xuất gỗ để sản xuất ra viên nén, thanh nén mùn cƣa, đây là một loại nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng.
Viên nén, thanh nén có độ ẩm thấp, làm cho nó đốt cháy với hiệu quả rất cao. Sản phẩm viên nén, thanh nén mùn cƣa đƣợc dùng làm chất đốt có thể thay thế các khí ga, than đá, dầu, củi…
Hình 1.10: Viên nén mùn cƣa cơng ty Phú An Sinh
Ƣu điểm vƣợt trội của sản phẩm: - Giá thành rẻ, nhiệt lƣợng cao.
- Tăng nhiệt nhanh, cháy hoàn toàn. Dễ vệ sinh, tăng tuổi thọ thiết bị. - Khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng, khơng khí thải độc hại.
- Sử dụng an tồn.
Hình 1.11: Thanh nén mùn cƣa Công ty TNHH Tân Khải Phát
1.3.2.2. Than mùn cưa
Than mùn cƣa là một nguồn năng lƣợng đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững. Than bánh mùn cƣa có lợi thế hơn củi về mức nhiệt trị, sạch sẽ, tiện lợi trong sử dụng và yêu cầu không gian tƣơng đối nhỏ hơn để lƣu trữ. Việc đóng bánh có thể
đƣợc thực hiện có hoặc khơng có chất kết dính. Khơng sử dụng chất kết dính thuận tiện hơn trong q trình sản xuất, nhƣng nó địi hỏi máy ép tinh vi, hiện đại và tốn kém. Để thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất than bánh ở các nƣớc công nghiệp kém phát triển, các trang thiết bị cần bao gồm các máy đơn giản, chi phí thấp đƣợc thiết kế tại địa phƣơng [14].
Hình 1.12: Than mùn cƣa Công ty Nam Minh Long
Ở nƣớc ta, các khu vực sản xuất nhiều viên nén, thanh nén mùn cƣa, than mùn cƣa bao gồm: Đồng Tháp, Bình Dƣơng, Vũng Tàu, Bình Định, Tiền Giang, Hƣng n, Hồ Bình, Đồng Nai. Đặc biệt ở hai thành phố lớn Sài Gịn và Hà Nội các khu cơng nghiệp, khu chế xuất gỗ phát triển kéo theo các doanh nghiệp sản xuất các nguyên liệu trên phát triển theo. Viên củi, thanh củi mùn cƣa có nhiệt trị cao và tỷ lệ tro thấp thích hợp cho các nhà máy dùng để đốt lị hơi, dùng cho các loại máy sấy cơng nghiệp cần nhiệt trị cao.
* Thành phần của sản phẩm than mùn cƣa hiện có trên thị trƣờng
Hiện nay, trên thị trƣờng các viên nén mùn cƣa có hình dạng chung đồng nhất. Với kích thƣớc và thành phần thơng thƣờng nhƣ sau:
- Đƣờng kính: 6mm - 8mm - 10mm. - Chiều dài viên gỗ nén: 15 - 35mm. - Nhiệt lƣợng tổng: 4200 - 4600 kcal/kg. - Độ ẩm: 6 - 8%.
- Hàm lƣợng lƣu huỳnh: < 0.03%. - Hàm lƣợng cacbon: < 15%.
Đối với than mùn cƣa: Đặc điểm chính của than mùn cƣa là mật độ cao, giá trị nhiệt cao, khơng khói, khơng mùi, khơng ơ nhiễm, khơng nổ, không tạp chất và dễ cháy. Chỉ tiêu chất lƣợng gồm: - Đƣờng kính: 50 - 60 mm. - Chiều dài: 100 - 200 - 400 mm. - Nhiệt lƣợng: 6000 - 8500 Kcal/kg. - Lƣợng than: > 85%. - Độ ẩm: ≈ 3%. - Hàm lƣợng tro: ≈ 2%. - Thành phần bay hơi: < 15%.
Với những thông số chất lƣợng các loại than mùn cƣa có chất lƣợng tốt, nhiệt lƣợng cao, các thông số độ ẩm, độ tro thấp đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên độ tro khá cao khoảng 2%, trong khi tiêu chuẩn của than mùn cƣa xuất khẩu sang thị trƣờng châu Âu yêu cầu <0,7 [19]. Do đó cần sản xuất ra loại than cacbon hóa đạt tiêu chuẩn này nhằm xuất khẩu sang thị trƣờng thế giới để thu đƣợc nguồn lợi kinh tế hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Trung Hiếu (2013), Nghiên cứu cơng nghệ biến tính nhiệt gỗ keo tai tượng, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật chế biến lâm sản, Đại học
Lâm nghiệp.
2. Trần Văn Huệ (2012), Nghiên cứu cơng nghệ cacbon hóa các chất thải cháy được trong rác thải đô thị thành than nhiên liệu, Luận văn thạc sỹ khoa học môi
trƣờng, Trƣờng Đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
3. Tôn Xuân Phúc, và nnk (2012), “Báo cáo Làng nghề gỗ trong bối cảnh thực thi FLEG và REDD+ tại Việt Nam”, Hội thảo “Làng nghề gỗ Việt Nam hướng tới
sử dụng gỗ theo mục tiêu quản lý rừng bền vững” Hà Nội.
4. Mai Văn Trịnh, Trần Viết Cƣờng, Vũ Dƣơng Quỳnh, Nguyễn Thị Hoài Thu (2011),
“Nghiên cứu sản xuất than sinh học từ rơm rạ và trấu để phục vụ nâng cao độ phì đất, năng suất cây trồng và giảm phát thải khí nhà kính”, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam (ISSN 1859-1558) số 3(24), 81-86.
5. Trịnh Văn Tuyên (2009), Nghiên cứu công nghệ cacbon hóa các chất hữu cơ cháy được trong rác thải đô thị của thành phố Hà Nội làm nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường, Đề tài nghiên cứu cấp Thành
phố.
6. Trịnh Văn Tuyên - Văn Hữu Tập - Vũ Thị Mai (2014), Giáo trình: Xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại.
7. Trinh Van Tuyen, To Thi Hai Yen, Shuji Yosizawa (2010) “Nghiên cứu cơng nghệ cacbon hóa để xử lý chất thải đơ thị ở Việt Nam”, Tạp chí khoa học và cơng
nghệ, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Tiểu ban: Môi trường và năng lượng, ISBN: 978-604-913-013-7, 223-227.
8. Nguyễn Minh Việt, Đỗ Anh Tuấn (2012) “Cơng nghệ khí hóa sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để phát điện công suất nhỏ”, Tạp chí Khoa học và cơng nghệ thủy
Tiếng Anh
9. Aina, O.M., Adetogun, A.C. And Iyiola, K.A. (2009) “Heat Energy From Value- Added Sawdust Briquettes Of Albizia Zygia”, Ethiopian Journal of Environmental Studies and Management Vol.2 No.1, 42-49
10. Amy Hollamby (2010), “The dangers of wood dust”, Hazardex.
11. David E. Kaelin Sr (2012) “Fire and Explosion Hazards in the Handling of Combustible Wood Dusts”, A webinar for Workplace Safety North
12. Developing energy enterprises project east Africa (2009), Technology factsheet Briquettes production, 4p.
13. Eduardo A. Sánchez* Member, IAENG, Milagros B. Pasache, Marcos E. García (2014), “Development of Briquettes from Waste Wood (Sawdust) for Use in Low-income Households in Piura, Peru”, Proceedings of the World Congress on
Engineering 2014 Vol II, London, U.K, ISBN: 978-988-19253-5-0 ISSN: 2078-0958 (Print); ISSN: 2078-0966 (Online)
14. Eko Sb Setyawan (2014), Sawdust / EFB Briquette and Sawdust Charcoal Briquette Process Technology, 32p
15. FAO corporate document repository, Chapter 2. Wood carbonisation and the products it yields.
16. Goverment of Western Australia, Department of Commerce (2015), Guidance note: Controlling wood dust hazards at work,Revised 2015, 10p.
17. G.R Yohe (1964), Binding materials used in making pellets and briquettes, 46p. 18. Japan coal energy center, Part 2 CCT Overview Multi-purpose Coal Utilization
Technologies (Powdering, Fluidization, and Co-utilization Technologies)-4C3. Briquette Production Technology, 71-73.
19. P. Jevič, J. Malaťák, V.O. Dubrovin (2006), “Quality and specification of solid biofuels in Europe”, Journal of Research and Applications in Agricultural
Engineering” 59, Vol. 51(4), 52-59
20. Rafal Chudy (2011), European Union Wood Biomass Demand for Energy
Purposes and its Influence on U.S. Southeastern Forest Market and Carbon