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
4.4. Dầu nhiệt phân bio-oil (pyrolysis oil ) dầu diezel chiết xuất
Loại dầu này được sản xuất thơng qua q trình nhiệt phân nhanh.
Khi bị phân hủy nhiệt, sinh khối được chuyển hóa vắng mặt oxy. Với q trình này, sản phẩm lỏng được tạo ra dưới dạng sản phẩm trung
gian với nhiều ứng dụng đa dạng, trong đó có thể làm nguyên liệu sản xuất dầu diezel.
4.4.1. Nguyên liệu sinh khối
Bất kể loại sinh khối nào cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy nhiệt, nhưng sinh khối là hỗn hợp xenlulo thích hợp hơn cả. Trước khi được đưa vào lò phân hủy, nguyên liệu phải được sấy
khô (đến độ ẩm dưới 10% trọng lượng) và băm nhỏ (đến kích cỡ nhỏ hơn 6 mm).
4.4.2. Công nghệ nhiệt phân chế tạo dầu sinh học (bio-oil)
Vì khơng có mặt oxy nên sinh khối không cháy, nhưng ở nhiệt độ cao các phân tử sinh khối bị phân hủy tạo ra các sản phẩm như than, dầu (bio-oil) và khí. Thành phần các sản phẩm phân hủy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ phân hủy, tốc độ đốt nóng, thời gian đốt đồng thời cũng phụ thuộc vào thành phần sinh khối ban đầu. Quá trình nhiệt phân nhanh là quá trình sản xuất dầu sinh học tối ưu. Do quá trình phân hủy xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên tạo ra nhiều sản phẩm khí. Nhiên liệu
lỏng được thu được sau khi làm lạnh hỗn hợp chất khí này.
Bên cạnh quá trình nhiệt phân nhanh cịn quá trình phân hủy nhiệt chậm xẩy ra ở nhiệt độ khoảng 400oC. quá trình này chậm hơn và thời gian ủ kéo dài hơn, thậm chí kéo dài hàng ngày. Sản phẩm chính thu được từ q trình này là than gỗ (charcoal).
Quá trình nhiệt phân nhanh xảy ra ở nhiệt độ 500 - 650oC với thời gian ngắn, chỉ từ 0,5 đến 5 giây và cho sản phẩm hữu cơ ở dạng khí và than. Chất hữu cơ dạng khí này được ngưng tụ cho dầu sinh học (bio-oil).
Khi nhiệt phân sinh khối nhanh ở nhiệt độ cao hơn nữa (700 - 1000oC) với thời gian cực ngắn (dưới 1 giây), tốc độ gia nhiệt của các hạt cao
( cao hơn 10.000oC/ giây) và sản phẩm hữu cơ dạng khí sinh ra bị làm lạnh cực nhanh thành thể lỏng sẽ cho hiệu suất chuyển hóa cao. Khi đó lị phản ứng (phân hủy) dùng để nhiệt phân sẽ là công cụ hữu hiệu
chuyển hóa sinh khối rắn thành chất lỏng.
Nguyên liệu sau khi băm nhỏ và sấy đúng yêu cầu sẽ được nạp vào lò phản ứng. Có một vài kiểu lị phản ứng như lị tầng sơi, lị quay,v.v...
Đối với lị phản ứng tầng sơi, nguyên liệu được đưa vào 1 tầng chứa cát
bên trong. Các hạt sinh khối bị nung nóng nhờ khí nóng thổi qua chúng từ đáy lị khi tốc lực của khí nóng đủ mạnh, các hạt ngun liệu tạo tầng sơi trong lị và phản ứng xảy ra.
Quá trình nhiệt phân nhanh xảy ra ở nhiệt độ 500 - 650oC với thời gian ngắn, chỉ từ 0,5 đến 5 giây và cho sản phẩm hữu cơ ở dạng khí, và than. Chất hữu cơ dạng khí này được ngưng tụ cho dầu sinh học (bio-oil).
Với lị quay chóp nón, nguyên liệu đạt yêu cầu được trộn với cát nóng
và được đưa vào phần đáy lò, nhờ tác động quay mà chúng được đưa
tới phần chóp nón. Do khơng cần thổi khí nóng vào như lị tầng sơi nên sản phẩm sau phản ứng dễ xử lý, không bị nhiễm tạp. ưu thế thiết kế
gọn nhẹ đã làm cho kiểu lị quay chóp nón được cung cấp nhiệt nhanh và vận hành nhanh, cho năng suất dầu sinh học thu được khá cao (đối
với gỗ đạt 75 - 80% tính theo trọng lượng). Nhưng nhược điểm ở đây là yêu cầu sinh khối phải mịn (< 2mm) trong khi sinh khối đưa vào lò
thường thơ hơn (có thể lớn hơn 10-13 mm), độ ẩm cũng cao hơn
( khoảng 15%).
Các sản phẩm sau khi nhiệt phân được đưa sang bộ phận xyclon để tách. Than tách ra có thể được sử dụng cấp nhiệt để sấy sinh khối hoặc phục vụ ngay quá trình phân hủy nhiệt. Thành phần khí chuyển sang bộ phận làm lạnh, ngưng tụ thành bio-oil. Phần khí khơng ngưng tụ được chủ yếu là CO, CO2, CH4 và H2 được tận dụng đốt cấp nhiệt để sấy nguyên
liệu sinh khối hoặc sử dụng trong động cơ chạy khí.
Dầu phân hủy nhiệt chứa nhiều thành phần giá trị (phenol, levoglucosan và hydroxyaxetaldehyt, v.v…), có thể sử dụng vào nhiều lĩnh vực như sản xuất hóa chất, y dược, công nghiệp và thực phẩm bên cạnh vai trò làm nhiên liệu cấp năng lượng. Riêng trong lĩnh vực sử dụng năng lượng, bio-oil có thể sử dụng làm nhiên liệu trong nhà máy
điện (gia nhiệt nồi hơi, lị…) hoặc làm diezel sử dụng thay thế diezen
dầu mỏ để chạy động cơ. Trong trường hợp này bio-oil cần phải được tinh chế và làm tăng độ ổn định.
4.4.3. Thực trạng công nghệ và tính kinh tế
Các hoạt động nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực phân hủy nhiệt sinh khối chủ yếu đang tập trung vào việc cải tiến lò phản ứng để làm
tăng nhanh quá trình phân hủy nhiệt hơn nữa. So với các phương pháp đốt và khí hóa, kỹ thuật này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.
cứu phát triển suốt 20 năm qua. Việc phát triển kỹ thuật mới chỉ nhằm mục đích có sản phẩm đáp ứng ngành sản xuất hóa chất chứ chưa nhằm vào vấn đề giải quyết năng lượng. Hiệu suất chuyển hóa sinh khối thành bio-oil thực tế có thể đạt mức 60 - 70%. Mức này đã bị hạ thấp nhiều khi kỹ thuật hydro hóa được đưa vào ứng dụng để tăng chất
lượng dầu. Vào năm 2000, các nhà khoa học đã dự đoán nhờ kỹ thuật
hydro hóa (khử oxy) mà sắp tới hiệu suất chuyển hóa của q trình nhiệt phân có thể đạt 67%, tuy nhiên đây là vấn đề khó và cần nhiều thời gian và cơng sức. Hiệu suất trung bình hiện tại mới chỉ đạt 50%.
Vì mới chỉ có ít cơ sở nghiên cứu sản xuất dầu sinh học theo phương pháp phân hủy nhiệt và hiện tại quy mơ áp dụng cịn hạn chế nên chưa
đặt ra vấn đề kinh doanh. Vào năm 2000, người ta mới dự kiến và đưa
ra con số dự báo đối với một nhà máy khoảng 400 MW nhiệt là 100 euro/ kW nhiệt. Chi phí đầu tư dài hạn đối với nhà máy 1000 MW nhiệt sẽ giảm được khoảng 20%. Đối với nhà máy phân hủy nhiệt áp dụng kỹ thuật hydro hóa quy mơ 400 MW nhiệt, chi phí đầu tư ngắn hạn dự tính vào khoảng 350 euro/kW nhiệt, nhà máy quy mơ 1000 MW nhiệt, chi
phí đầu tư dài hạn dự tính giảm 15%.
Ngồi sự phụ thuộc vào quy mô nhà máy và công nghệ phân hủy nhiệt,
chi phí đầu tư cịn phụ thuộc vào chi phí ngun liệu đầu vào và chi phí
xử lý nguyên liệu ban đầu. Các nghiên cứu cho thấy giá thành bio-oil có thể 75 - 300 euro/ tấn theo giá nguyên liệu 0 - 100 euro/ tấn.
Bio-oil là một chất lỏng điển hình, thường có màu đen, có thành phần hóa học khác nhau. Khối lượng riêng của dầu này khá lớn (1,2 kg/lit),
cao hơn nhiều so với dầu có nguồn gốc dầu mỏ, nhưng năng lượng lại
thấp hơn, chỉ từ 16 - 19 MJ/kg (so với 42 - 44 MJ/kg đối với sản phẩm nguồn gốc dầu mỏ ) là do chứa nhiều oxy liên kết. Bio-oil phân cực tự nhiên khiến nó khơng trộn lẫn hoàn toàn với hydrocacbon, nhưng lại
tan trong nước, không giống dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Bio-oil chứa ít nitơ hơn sản phẩm dầu mỏ, hầu như khơng có kim loại nặng và lưu
huỳnh trong thành phần. Ở nhiệt độ cao, dầu này dễ bị phân hủy. Khi bị phân hủy, ngoài các phản ứng hóa học thơng thường, cịn có các phản ứng polyme hóa xảy ra. Các axit hữu cơ hình thành làm cho dầu có tính
axit, pH có thể 2 - 4. Dầu có mùi đặc biệt và chứa một vài thành phần là chất kích thích gây ung thư.
Do đặc tính như vậy, nên khơng thể sử dụng trực tiếp loại dầu này như
nhiên liệu cho xe cộ, mà phải nâng cao chất lượng và tăng độ ổn định. Tuy vậy, quá trình hydro hóa hoặc dùng xúc tác xử lý bio-oil thành nhiên liệu rất khả thi, nhưng chi phí hiện nay cịn cao. Vấn đề kỹ thuật hiện nay là phải khử được các tạp chất trong sản phẩm. Tuy vậy chất
lượng bio-oil dùng làm nhiên liệu diezel sẽ vẫn thấp hơn nhiều so với
chất lượng diezel dầu mỏ.