Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.6 Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ cacbon hóa trên thế giới và Việt
1.6.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ cacbon hóa trên thế giới
Phương pháp cacbon hóa đã được thế giới nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trên thế giới nhằm thu hồi được những sản phẩm nhiên liệu có giá trị cao hơn.
a. Công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp.
Ở Mỹ, từ những năm 1990 đã có rất nhiều nghiên cứu về công trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Fank M. Gentry có các công trình nghiên cứu về quá 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 được tranh cãi giữa các nhà nghiên cứu. Parr và Layng quan niệm nhiệt độ thấp dưới 750oC hoặc 800oC trong khi Bone quan niệm nhiệt độ nằm trong giới hạn 550oC và 600oC và Gludd quan niệm nhiệt độ thấp trong giới hạn 500oC đến 600oC [21]. Sự tranh cãi này xuất phát
28
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 không có khói khí đốt. Bone sử dụng than của Anh và Gludd sử dụng sản phẩm đầu tiên của nhựa đường với loại nhựa đường có tỷ lệ cacbon tự do thấp. Do vậy khoảng nhiệt độ phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm tạo ra của các nhà nghiên cứu và phương 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 người đầu tiên đề cập đến lượng dầu lớn nhất thu được là Perkins, người đạt bằng sáng chế năm 1953 về việc chiết xuất dầu khỏi đá phiến sét và các vật liệu cacbon khác bằng cách chưng 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. Mười năm sau, Parker người phát minh quá trình cốc hóa giành được bằng sáng chế cho sản phẩm nhiên liệu không khói bằng cách chưng cất khí trơ ở nhiệt độ cao, như khí lỏng, khí than ở 600oC đến 650oC. Sau đó Parker đạt được bằng snags chế cho việc đốt than trong dòng khí thổi ở nhiệt độ dưới 450oC. Đó chính là nền tảng của quá trình cốc hóa [21].
Tại Mỹ những thí nghiệm được 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 được nghiên cứu tại Mỹ, nhưng sau đó nó tiếp tục được nghiên cứu chủ yếu ở những nước có nguồn dầu mỏ bị giới hạn và họ coi nguồn than dự trữ như 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 hóa của Mcintire
29
Quy trình cacbon này dựa theo quy trình của tác giả Smith và được 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 công 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 mô hình này được McIntire ứng dụng và phát triển. Điểm nổi bật của hệ thống này là sự kết hợp giữa quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp và cao nhằm đạt dược một số quy mô sản xuất cao hơn [15, 15].
Quy trình Coalite
Quy trình dựa trên mô hình của Parker, một trong những người tiên phong của quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ thấp. Mô hình đưa ra từ những năm dầu 1890 nhưng đến tận năm 1906 thì Coaltile mới giới thiệu về nguyên lý của quá trình cacbon hóa [29]. Trong mô hình này, các bình chứng cất ở trạng thái tĩnh, nhiệt được cung cấp từ bên trong và than được xếp từng lớp mỏng. Sau đó The Eticoal Syndicate đã dựng lên một nhà máy gần Barnsley, nước Anh với công suất khoảng 50 tấn than. Trong quá trình chưng chất hơi nóng dược duy trì từ trên xuống dưới.
nhiệt độ trong bình chưng cất được duy trì ở 650oC trong vòng 4,5 giờ cho đến khi quá trình cacbon hóa được hoàn thành.
Thiết kế gần đây nhất của Coaltile là một cải tiến trong mô hình của Davidson. Quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ khoảng 650oC trong vòng 8 giờ với lượng than xấp xỉ 36 tấn mỗi ngày. Đặc điểm của mô hình này là các thiết bị có bộ phận thoát khí trong quá 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 chưng cất [32].
Quy trình Fussion
Đây là phát minh của Hutchin và được tập đoàn Fusion quản lý, mô hình được thiết kế dạng đơn và kép. Trong mô hình dạng đơn có lò quay bằng thép sắp xếp theo chiều ngang. Nguyên liệu được nghiền cho vào các lò được đốt nóng. Sản pahamr được hình thành ở buồng cố định ở trạng thái tĩnh và sau đó được lấy ra, khí thải ngưng lại và cho một khu vực riêng.
30
Mô hình lò kép nguyên tắc cấu tạo như ở dạng lò đơn. Điểm khác biệt là 2 lò quay được sắp xếp theo kiểu đồng tâm, và cả hai có bộ phận nghiền nguyên liệu chỉ diễn ra một lần, do vậy tránh được việc thoát khí trong vận hành. Thứ hai, than được đốt nóng trước khi tiến hành quá trình cacbon hóa [17].
Quy trình Cacbon hóa chất thải nông nghiệp
Các thành phần chất hữu cơ trong chất thải đô thị có tốc độ phân hủy chậm trong bãi chôn lấp như xương động vật, hải sản, gỗ, cao su… có thành phần cacbon tương đối cao [32]. Ngoài ra đối tượng áp dụng khác có thể là các chất thải nông nghiệp. Đã có rất nhiều nghiên cứu thu hồi cacbon từ sinh khối chất thải nông nghiệp bằng phương pháp cacbon hóa của trường Đại học năng lượng thiên nhiên Hawaii (2002) cho thấy sản phẩm thu được có giá trị nhiệt cao, thu hồi được các sản phẩm cacbon có nhiệt trị cao như 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 lượng Hơi
nước
cacbon tro
Gỗ thông tươi
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, công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp được nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhua. Các vật liệu có tỷ lệ thành phần cacbon cao có thể được cacbon hóa thành những vật liệu có ích trong các hoạt động xử lý chất thải rắn bảo vệ môi trường. Rác thải hữu cơ chát được trong rác thải đô thị hay các chất thải
31
PVC có thành phần cacbon cao được 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 nước thải.
b. Công nghệ cacbon hóa bằng phương pháp áp suất cao.
Hiện nay, ngoài phương pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp thì phương pháp cacbon hóa áp suất cao cũng đạt được những thành tích đáng kể và một công nghệ cacbon hóa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với lượng có thể cân bằng giới hạn sau vài chục phút phản ứng. Công nghệ này cần lưu 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 không khí và điện được phát cho bộ phận làm nóng ở đáy lò phản ứng. Sự cháy diễn ra sau vài phút dưới 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 lượng cacbon được giữ nguyên tuân theo lý thuyết và phản ứng hoàn thành sau 20 phút [21].
Cacbon sinh học (than củi) được chế tạo ra sau hơn 38.000 năm và hiện giờ vẫn là nguồn nhiên liên có thể tái tạo quan trọng nhất được sử dụng. Tuy nhiên những công nghệ cacbon hóa có tính thương mại thì chậm và kết quả không rõ rệt.
Sản lượng đặc trưng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lò Missouri có chu trình 7-12 ngày khoảng 25% trọng lượng [21]. Những công nghệ cacbon hóa kém hiệu quả hơn được sử dụng rộng rãi ở các nước và nó cũng là nguyên nhân hàng đầu cho nạn phá rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Ngoài ra chu trình sản xuất nhiên liệu than củi phát thải khí nhà kính nhiều nhất.
Theo báo cáo Viện năng lượng tự nhiên Hawai, Đại học Hawai của nhóm tác giả Kazuhiro Mochizuki, LloydS. Paredes và Michael J. Antal, Jr năm 2002 [34], sinh khối được đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đưa vào khoang cacbon hóa có áp suất không khí cao lên tới 1,1 MPa. Hệ thống lò có 2 bộ phận làm nóng ở đáy của khoang cacbon hóa. Sự cháy bắt đầu sau vài phút và bộ phận làm nóng được tắt đi.
Sau đó, không khí đi vào nồi hơi và các tia lửa bắn ra và chuyển sinh khối thành cacbon. Khi không khí đã cung cấp đủ cho quá trình cacbon hóa thì sẽ tạm ngừng dòng khí, khoang cacbon hóa sẽ giảm áp suất và để nguội.
32
Lõi ngô là nhiên liệu tốt cho quá trình cacbon hóa, tại áp suất 1,2 MPa sự cháy xảy ra sau 2 phút làm nóng và dòng khí thổi dừng lại sau 18 phút. Với công nghệ này sản lượng cacbon cố định đạt 100% sản lượng tại giới hạn cân bằng nhiệt hóa học. Kết quả đạt được sự cải tiến to lớn so với công nghệ cũ. Giống như lõi ngô, vỏ trấu cháy dễ dàng trong không khí ở áp suất cao nhưng sự lưu thông nhiệt và khí thì bị hạn chế. Với đặc tính đó, sản lượng cacbon hóa cố định (24%) chỉ đạt được 82%
giá trị tại giới hạn thành phần cacbon hóa cố định của than thì ít thay đổi [21].