Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
và tạo cho xenlulôzơ khả năng khử.
2.1.3.2.Hemixenlulôzơ:
Hemixenlulôzơ là những polysacarit cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulơzơ thì hemixenlulơzơ kém ổn định hố học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemixenlulôzơ phân giải trong khoảng nhiệt độ từ 200-260oC. Độ bền vững của hemixenlulôzơ so với xenlulôzơ là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường của hemixenlulơzơ trong gỗ rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thốt nước. Ở nhiệt độ tương đối thấp, hemixenlulơzơ phân giải sinh ra khối lượng lớn axit acetic và chất khí khơng cháy, đồng thời có ít dầu gỗ. Hemixenlulơzơ dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của axit.
Hemixenlulơzơ có cấu trúc phức tạp hơn xenlulơzơ và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulơzơ có cấu trúc chủ yếu ở vùng vơ định hình, ngồi ra cịn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulơzơ.
2.1.3.3.Lignin:
Lignin có cấu trúc vơ định hình, có khối lượng phân tử từ 4000 -10000, độ trùng hợp cao n = 25 – 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản chất của các
liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đơi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm. Liên kết giữa lignin và xenlulơzơ có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trị như một chất liên kết các sợi xenlulơzơ trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định.
Gỗ keo cũng sẽ có chứa 3 thành phần chính đó là hemixenlulơzơ, xenlulơzơ và lignin. Trong q trình chuyển hóa gỗ keo thành khí nhiên liệu bằng cơng nghệ khí hóa thì các thành phần chính hemixenlulơzơ, xenlulơzơ và lignin sẽ bị biến đổi và chuyển hóa thơng qua các phản ứng hóa học phức tạp để tạo ra khí nhiên liệu có thành phần chính là CO, H2.
2.1.4. Tiềm năng gỗ keo ở Việt Nam có thể sử dụng để sản xuất khí nhiên liệu:
Cây keo là một trong những cây trồng chính của chương trình trồng rừng hiện nay ở Việt Nam. Gỗ keo sau khi khai thác được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến lâm sản. Việc thống kê số liệu về tổng sản lượng gỗ keo được khai thác và sử dụng rất khó khăn, do đó nghiên cứu này thống kê dựa vào lượng dăm gỗ keo xuất khẩu hàng năm. Năm 2001, cả nước chỉ xuất khẩu 400000 tấn dăm gỗ nhưng đến năm 2011, đã tăng lên 5 triệu tấn. Lượng dăm gỗ xuất khẩu trong năm 2011 cao hơn 36% so với năm 2010 và tăng gấp ba lần kể từ năm 2007. Năm 2014, Việt Nam xuất khẩu khoảng 6,97 triệu tấn dăm gỗ phục vụ cho ngành sản xuất giấy. Dăm gỗ có nguồn gốc từ rừng trồng
trong nước, với khoảng gần 50% trong số này có nguồn gốc từ rừng trồng của hộ gia đình; 50% cịn lại là từ các doanh nghiệp trồng và một số hợp tác xã. Phần dư thừa từ quá trình sản xuất chế biến gỗ, phần nhỏ có kích thước dưới 10 cm (cành ngọn, gỗ cong vênh, cây gãy đổ do bão hàng năm...) chiếm khoảng 10% được sử dụng làm củi
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
đun nấu cho hộ gia đình. Trong quá trình khảo sát chúng em thấy rằng dăm gỗ keo ở Việt Nam đã sản xuất ở quy mơ cơng nghiệp tập trung và có kích thước khoảng 3x5x0,5 cm, đó là ngun liệu phù hợp cho q trình khí hóa thuận chiều.
Gỗ keo được trồng khắp cả nước nhưng tập trung chủ yếu ở các tỉnh như Phú Thọ, Tuyên Quang, Hịa Bình, Lạng Sơn, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Ngãi và Bình Định. Theo quy hoạch diện tích trồng keo ở Việt Nam đến năm 2020 có xét đến năm 2025 cả nước có khoảng gần 1 triệu hecta, tập trung ở một số khu vực đồi núi như Vùng Duyên hải miền Trung (173,378 hecta), vùng Trung tâm Bắc Bộ (164,440 hecta), vùng Tây Bắc (145,645 hecta). Tính tốn tiềm năng sản xuất điện từ dăm gỗ keo ở một số vùng miền ở Việt Nam được đưa ra trong Bảng 2.1. Tổng sản lượng gỗ keo tương đương với lượng điện sản xuất được tương ứng 3,25 tỷ MWh điện năng theo cơng nghệ khí hóa sinh khối. Qua số liệu cho thấy tiềm năng sản xuất điện từ gỗ keo là rất lớn, tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào nghiên cứu về vấn đề này. Việc nghiên cứu khí hóa gỗ keo để sản xuất nhiên liệu khí và sản xuất điện là cần thiết và đáp ứng hai mục tiêu phát triển kinh tế từ sản xuất lâm nghiệp và đảm bảo bền vững môi trường.
Bảng 2. 1: Tiềm năng sản xuất điện từ gỗ keo ở Việt Nam
(Tính tốn theo phần mềm được phát triển bởi The International Renewable Energy Agency - IRENA)
STT Vùng Tiềm năng điện (tỷ MWh)
1 Vùng Tấy Bắc 0,14
2 Vùng Đông Bắc 0,1
3 Vùng TT Bắc Bộ 0,67
4 Vùng Bắc Trung Bộ 0,43
5 Vùng Duyên Hải Miền Trung 0,87
6 Vùng Bắc Tây Nguyên 0,33
7 Vùng Nam Tây Nguyên 0,52
8 Vùng Tây Nam Bộ 0,19
Tổng 3,52
2.1.5. Thành phần kỹ thuật và thành phần nguyên tố hóa học:
Thành phần kỹ thuật của sinh khối bao gồm hàm lượng tro (Ash), chất bốc (V), ẩm (W), cacbon cố định (FC). Hàm ẩm trong sinh khối sẽ tạo ra hơi nước và có thể
tham gia các phản ứng hóa học để hình thành khí sản phẩm. Ở nhiệt độ cao, hơi nước phản ứng với chất bốc (thành phần chủ yếu là hydrocacbon) và char tạo thành sản phẩm khí thơng qua các phản ứng chuyển hóa khí - hơi nước (WGS) làm tăng hàm lượng hydro trong khí sản phẩm. Hàm lượng chất bốc trong sinh khối cũng ảnh hưởng đến thành phần khí của q trình khí hóa sinh khối. Hàm lượng chất bốc nhiều sẽ tạo ra khí có giá trị cao trong q trình khí hóa sinh khối. Thành phần nguyên tố hóa học chủ yếu trong sinh khối gồm có cacbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N) và lưu huỳnh (S). Các chỉ tiêu khác bao gồm nhiệt trị, thành phần oxit kim loại trong tro, nhiệt độ chảy mềm của tro.
Kết quả thể hiện trên Bảng 2. 2 cho thấy, đối với gỗ keo sau khi đã được phơi khơ và nghiền mịn, hàm ẩm trung bình là 6,02% khối lượng. Gỗ bạch đàn, gỗ cao su cũng có hàm ẩm gần bằng hàm ẩm trung bình của gỗ keo. Ở điều kiện khơ gió, gỗ keo có hàm lượng chất bốc khá cao, trong khoảng 85,92% và hàm lượng cacbon cố định là 13,78%. Hàm lượng tro của gỗ keo thấp (0,3%). Hàm lượng chất bốc của gỗ keo cao hơn so với gỗ bạch đàn và gỗ cao su. Hàm lượng chất bốc có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả q trình chuyển hóa nhiệt hóa học của gỗ keo như q trình nhiệt phân, q trình khí hóa và q trình đốt cháy gỗ keo. Hiệu quả q trình khí hóa và thành phần của khí sản phẩm phụ thuộc vào thuộc tính ngun liệu như thành phần hóa học sinh khối, nhiệt trị, hàm lượng tro và hàm lượng ẩm.
Bảng 2. 2: Thành phần kỹ thuật và thành phần hóa học của gỗ keo
Sinh khối Thực nghiệm Tài liệu
Thành phần kỹ
thuật (%) Keo Bạch đàn Cao su Keo
W 6,02 5,91 12,17 11,7 V 85,92 65,17 75,89 82,43 FC 13,78 28 11,43 16,8 Ash 0,3 0,91 0,51 0,78 Thành phần hóa học (%) C 47,68 - - 47,37 H 5,17 - - 6,06 O 44,38 - - 45,46 N 0,37 - - 1,11 S 0,02 - - - Thành phần xenlulôzơ, lignin (%) Xenlulôzơ 39-42 - - - Lignin 24-25 - - -
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
LHVb (MJ/kg) 17,67 18,65 18,11 16,96
Nhiệt trị của sinh khối phụ thuộc vào thành phần nguyên tố như C, H, O. Giá trị nhiệt trị thấp của gỗ keo có giá trị trung bình là 17,67 MJ/kg. Trong gỗ keo, thành phần chính chứa hemixenlulơzơ, xenlulơzơ và lignin, trong đó hàm lượng xenlulơzơ và lignin gỗ keo lần lượt trong khoảng từ 39-42% và 24-25%. Từ Bảng 2.2 còn nhận thấy rằng, giá trị hàm lượng cacbon (C) trong gỗ keo khoảng 47,68%, hàm lượng oxy trong gỗ keo khoảng 44,38%. Hàm lượng nitơ trong gỗ keo khơng đáng kể và có giá trị khoảng 0,37%. Đặc biệt, trong gỗ keo hàm lượng lưu huỳnh rất nhỏ khoảng 0,02%. Đây là một ưu điểm của gỗ keo cũng như sinh khối hơn so nhiên liệu khống vì lượng lưu huỳnh cao thì thành phần khí sản phẩm từ q trình khí hóa hoặc cháy sẽ chứa khí SOx gây ăn mịn và ơ nhiễm mơi trường.
2.2. Ngun lý cơ bản lị hóa khí Biomass:
Khí hóa năng lượng sinh khối là một cơng nghệ chuyển đổi nhiệt, nhiên liệu rắn được chuyển đổi, với một lượng oxy hạn chế, thành một loại khí đốt dễ cháy chủ yếu là cacbon, hydro và ơxy. Khí hóa than được thực hiện ở nhiệt độ cao (1.300oC - 1.500oC) và dưới áp suất (cao). Đối với năng lượng sinh khối, nhiệt độ và áp suất thấp từ 600oC -1.200oC. Khí tổng hợp được sản xuất chủ yếu là một hỗn hợp của khí cacbon monoxide (CO) và hydro (H2). Sự hình thành của các sản phẩm phụ như tro và hắc ín phải được xem xét kỹ lưỡng khi sử dụng các nguồn năng lượng sinh khối. Nhiệt độ thấp gây ra những sản phẩm dính như hắc ín, nhưng cần thiết do các điểm nóng chảy thành tro của năng lượng sinh khối thấp hơn.
Hiện nay, trên thế giới sử dụng hai cơng nghệ khí hóa sinh khối, chính là cơng nghệ khí hóa tầng cố định và cơng nghệ khí hóa tầng sơi, các cơng nghệ khí hóa này đều được áp dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, tuy nhiên mỗi cơng nghệ có những đặc điểm riêng về mặt u cầu về cơng nghệ chế tạo, nhiên liệu sử dụng, cụ thể:
2.2.1. Giới thiệu cơng nghệ khí hóa tầng cố định:
Cơng nghệ này nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lị xuống phía dưới, gió (khơng khí, hơi nước...) đi vào lị từ đáy lị cịn sản phẩm khí đi ra ở cửa lị phía trên hoặc dưới.
Q trình có một số đặc điểm sau:
Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia, do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì
vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng nhiệt phân có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng sấy có nhiệt độ thấp hơn nữa: t° vùng cháy > t° vùng nhiệt phân> t° vùng sẩy.
Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện q trình khí hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng con đường đối lưu, còn bằng các con đường khác (như bức xạ và dẫn nhiệt) thì ít.
Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần vì sinh khối đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt, phản ứng khử, phản ứng cháy. Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lị và chuyển động ngược chiều với sinh khối.
Cơng nghệ này có 03 kiểu khí hóa đang nghiên cứu và ứng dụng vào một số lĩnh vực hiện nay, gồm: Khí hóa ngược chiều, khí hóa thuận chiều, khí hóa hỗn hợp cụ thể:
Khí hóa ngược chiều
Hệ thống khí hóa ngược chiều khơng khí được đưa từ phía dưới đáy lị và khí tạo ra ở phía trên đỉnh lò trong khi đó nhiên liệu lại tiếp tục đi xuống ngược lại với dịng khí tạo ra khoảng khơng trong lị như hình 2.5.
Ưu điểm: Đơn giản, hiệu
suất cao, thích hợp với nhiều loại vật liệu.
Nhược điểm: Trong q trình nhiệt phân hóa chất, hắc ín, các loại dầu
được sinh ra và trở thành một phần của khí gas hạn chế này ảnh hưởng rất lớn Hình 2. 5: Mơ tả hệ thống khí hóa ngược chiều –
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
đến việc ứng dụng của khí hóa ngược chiều.
Khí hóa thuận chiều:
Hệ thống khí hóa thuận chiều khơng khí được đưa vào từ vùng oxi hóa (đốt cháy) khí gas được lấy từ phía dưới, do đó nhiên liệu và khơng khí đi cùng chiều. Trên đường đi xuống axít và những thành phần nhựa phải xun qua lớp than nóng vì thế được chuyển thành CO, CO2, H2, CH4 như hình 2.6.
Ưu điểm: Khí hóa này là rất sạch.
Nhược điểm: Hạn chế ở một số loại nhiên liệu và so với khí hóa ngược
chiều thì hiệu suất khí hóa thấp hơn. * Khí hóa hỗn hợp:
Hệ thống khí hóa hỗn hợp được thiết kế như khí hóa thuận chiều thay vì O2, khơng khí đi vào song song nhiên liệu thì ở khí hóa hỗn hợp như hình 2.7.
Ưu điểm: Hiệu suất cao, gọn nhẹ
Nhược điểm: Khơng phù hợp với nhiên liệu có nhiều tro.
2.2.2. Giới thiệu cơng nghệ khí hóa tầng sơi
Khí hóa tầng sơi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm. Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn. Ta có một số khái niệm sau: Sơi tĩnh đó là q trình mà chất rắn tập trung với mật độ cao khi
quá trình cân bằng giữa tốc độ dịng khí và trọng lực. Ở tốc độ gió vừa phải, sự
khác nhau giữa chế độ sơi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sơi trong thiết bị. Q trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hod nước sẽ được sửdụng làm tác nhân thổi hình 2.8.
Hình 2. 7: Mơ tả hệ thống khí hóa hỗn hợp – tầng cố định
Chế tạo và thực nghiệm lị khí hóa viên nén RDF tạo syngas sử dụng cho động cơ đốt trong
Ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sơi:
Ngun liệu liên tục chuyển vào lị khí hóa.
Ngun liệu được đảo trộn trong lớp sơi nên q trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lị.
Khi thổi gió vào lị, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lị. Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàng bay ra ngồi lị theo gió. để làm giảm lượng bụi bay theo gió ra ngồi người ta đưa gió bậc 2 ở khoảng giữa lị để tăng cường q trình khí hóa. Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lị lên vẫn là chủ yếu.
Khi khí hóa tầng sơi, ngun liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao. Quá trình sấy, bán cốc cùng xảy ra trong vùng này. Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân. Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lị khơng có các sản phẩm lỏng, khơng có các loại hydrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi.
Vì khí hóa tầng sơi nên các hạt Biomass ln chuyển động và trong lị khơng có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân... trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lị giảm xuống. Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lị trong phương pháp khí hóa tầng sơi chỉ đạt từ 900°C đến 1000°C.
Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sơi
Để nâng cao nhiệt độ lị, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng khơng thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1.150°C, nhiệt độ có thể làm chảy