1.4.2.1. Giới thiệu than Tre
Than Tre được xem như là kim cương đen, than Tre được tạo ra khi Tre trên 5 tuổi. Than Tre có vô số các lỗ xốp nhỏ, so với than gỗ, than Tre có số lỗ xốp nhiều
hơn gấp 4 lần so với các loại than khác.
Than Tre có thể được sản xuất từ thân cây, nhưng cũng có thể sản xuất từ
những phần phụ của Tre: cành, bột Tre… than Tre có thểđược phân chia thành một số dạng như sau:
Than Tre có hình dạng như Tre nguyên liệu, được làm từ cây Tre, chúng
được cắt thành những đoạn ngắn với chiều dài xác định.
Than Tre dạng bánh chúng được tạo ra từ các phần khác của cây Tre: cành, nhánh, bột cưa…sau đó chúng được xay ra, sấy và đóng bánh, sau đó tiến hành nhiệt phân ta thu đuợc than Tre dạng bánh.
Hình 1.12: Than Tre dạng nguyên liệu Hình 1.13: Than Tre dạng bánh
33
Than Tre được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: xử lý nguồn nước, xử lý các nguồn khí nhiễm các hơi dung môi hữu cơ, điều chỉnh độ ẩm không khí trong nhà,
chăm sóc sức khoẻ, khử mùi…[10]
Tính dẫn điện của than Tre được tăng cường khi tăng nhiêt độ nhiệt phân, khi nhiệt độ nhiệt phân đạt khoảng 700oC, điện trở của than trở nên rất nhỏ khoảng 5,4.10-6.m. Vì vậy, than Tre được sản xuất trong điều kiện than hoá ở nhiệt độ cao thì có hiệu quả sử dụng trong trường điện từ.
Trung Quốc và Nhật Bản là 2 quốc gia sản xuất than Tre chủ yếu trên thế giới, 90% sản phẩm được các khu vực ở phía nam của Trung Quốc: Chiết Giang, An Huy, Phúc Kiến, Giang Tây… đặc biệt là tỉnh Chiết Giang với năng suất 40000tấn/năm. Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc là những quốc gia có nhu cầu sử dụng than Tre. Ở Nhật Bản người ta rất ưa dùng than Tre trong đời sống hàng ngày: xử lý nước, đặt than Tre trong nồi cơm, đặt than Tre dưới sàn nhà để
chỉnh độ ẩm trong nhà, trong tủ lạnh để khử mùi, trong gối ngủ… Vào năm 2002
trên 10000tấn than Tre được sản xuất ở tỉnh Chiết Giang được xuất khẩu sang Hàn Quốc và Nhật Bản, ở Hàn Quốc người ta thường dùng than Tre để tổ chức các bữa tiệc nướng ngoài trời. Ở Trung Quốc người ta thường sử dụng than gỗ trong một khoảng thời gian dài, nhưng hiện nay nhất là ở khu vực phía đông Trung Quốc đã nhận thức được tầm quan trọng của than Tre và sử dụng nó. Gần đây một vài công ty ở Châu Âu và Bắc Mỹ nhập khẩu than Tre từ Trung Quốc.
1.4.2.3. Quá trình tạo than Tre[12],[14],[16],[19],[21]
Để tạo được than Tre phải thông qua kỹ thuật nhiệt phân, nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt của các chất hữu cơ ở nhiệt độ cao mà không có sự tham gia của oxy không khí. Khi tiến hành nhiệt phân, xảy ra đồng thời sự thay đổi thành phần hóa học, trạng thái vật lí của vật liệu và là quá trình xảy ra một chiều. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân là khí, dầu nhiệt phân và than. Tỉ lệ sản phẩm nhiệt phân phụ thuộc vào phương pháp nhiệt phân, tính chất nguyên liệu, thiết bị sử dụng cho quá trình.
34
Quá trình nhiệt phân Tre được chia thành 4 giai đoạn theo nhiệt độ và trạng thái sản phẩm trong lò nhiệt phân: sấy, tiền than hoá, than hoá và luyện than.
Giai đoạn 1 (sấy): nhiệt độ dưới 120oC, và tốc độ nhiệt phân thì rất thấp
trong giai đoạn này, nhiệt được hấp thụ trong giai đoạn này chủ yếu làm
bay hơi nước tồn tại trong Tre, thành phần hoá học trong Tre vẫn còn
nguyên. Trong giai đoạn các phản ứng là thu nhiệt và nước là sản phẩm
chính thu được.
Giai đoạn 2 (tiền than hoá): nhiệt độ trong giai đoạn này khoảng 120oC - 260oC, trong giai đoạn này, sự giảm khối lượng vật liệu không nhiều, phần lớn lượng nước được tách ra trong giai đoạn này là nước tự do, chỉ có một phần nhỏ là nước bị hấp thụ trong Tre [14] và có một số phản ứng nhiệt phân xảy ra trong giai đoạn này. Các hợp chất không ổn định trong Tre (Hemicellulose) bắt đầu phân tách thành CO2, CO… trong giai đoạn này cũng là phản ứng thu nhiệt.
Giai đoạn 3 (than hoá): nhiệt độ trong giai đoạn này khoảng 260oC-450oC,
Tre được phân huỷ một cách nhanh chóng thành nhiều sản phẩm lỏng và khí, nên khối lượng của Tre giảm mạnh trong giai đoạn này. Phần lớn các hợp chất cao phân tử của hemicelluose, cellulose sẽ bị phân huỷ, các liên kết hydroxyl, cacbon - oxy trong cellulose và hemicellulose bị bẻ gãy [14]. Trong sản phẩm lỏng chứa nhiều acid acetic, metanol, nhựa Tre nhẹ… Các thành khí dễ cháy như: metan, etylen trong sản phẩm khí tăng dần, trong
khi đó lượng CO2 giảm dần trong giai đoạn này. Bởi vì có nhiều nhiệt toả
ra từTre, trong giai đoạn này phản ứng toả nhiệt.
Hemicellulose/Cellulose C + H2O + Q
Hemicellulose/Cellulose CO + CO2 + H2O + Q
Giai đoạn 4 (luyện than): nhiệt độ trong giai đoạn này cao hơn 450oC, lúc này một lượng nhỏ nguyên liệu bị giảm khối lượng từ phản ứng phân huỷ
35
lignin, sau đó các phản ứng phân huỷ bởi nhiệt có khuynh hướng dừng lại,
Tre được chuyển thành than Tre, các chất bốc trong than thoát ra, làm tăng hàm lượng cacbon trong than. Có một vài sản phẩm lỏng và khí trong giai
đoạn này, giai đoạn này là một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong việc hình thành nên chất lượng của than.
Lignin C + H2O + Q
Lignin CO + CO2 + H2O + Q
Chúng ta cũng lưu ý rằng, để xác định ranh giới cho 4 giai đoạn trên không phải đơn giản, bởi vì có sự gia nhiệt không đồng đều trong thiết bị nhiệt phân (bên ngoài thành và chính giữa thiết bị sẽ không giống nhau…)
Trong suốt quá trình nhiệt phân Tre bởi nhiệt, đầu tiên nhiệt năng chuyển đến phân bố đều trên bề mặt của vật liệu, sau đó từng lượng nhiệt dần dần chui vào bên trong của vật liệu. Quá trình phân huỷ nhiệt được tiến hành dần dần từ ngoài vào trong theo từng lớp một. Các phần tử nhiệt này làm cho than nứt ra và chất bốc (gồm cả khí ngưng được và khí không ngưng) thoát ra, những khí ngưng tụ sẽ
chuyển thành dầu sinh học có thểngưng tụ một phần ngay trên bề mặt than vì chúng
ngưng tụ rất nhanh. Như vậy quá trình nhiệt phân sẽ tạo ra than, dầu sinh học và khí
không ngưng. Các chất bốc còn lại bên trong phần tử tiếp tục thoát ra ngoài tạo ra
khí không ngưng và lớp dầu sinh học thứ hai, lớp dầu này rất bền với nhiệt. Đồng thời quá trình này, khi chất bốc thoát ra từ các phần tử vật chất, chúng đi xuyên qua
lớp dầu ngưng bao bọc xung quanh, khi đó xảy ra một số phản ứng hoá học khác. Quá trình này gọi là quá trình nhiệt phân thứ hai.
Xét một cách toàn diện, quá trình than hoá Tre là quá trình thu nhiệt, nhiệt cần thiết cung cấp cho quá trình than hoá khoảng 87.7J/g. Sự thay đổi khối lượng của Tre nhiều nhất khi nhiệt độ than hoá đạt từ 240oC – 500oC, hiệu suất của quá trình
than hoá đạt 20% - 30%, tuỳ thuộc vào đặc điểm của nguyên vật liệu. Trong suốt quá trình than hoá, người ta thường sử dụng khí Nitơ để đuổi oxy không khí từ môi
36
và một số loại hydrocacbon nhẹ sẽđược thoát ra khỏi thiết bị lò nung cùng với dòng
khí Nitơ.[12]
1.4.2.4. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân tạo than Tre
Sản phẩm của quá trình nhiệt phân Tre ta thu được nhóm sản phẩm: rắn, lỏng và khí.
Bảng 1.13 : Tỉ lệ sản phẩm thu được sau quá trình than hoá ở 500oC
Than Tre Dầu nhiệt phân Khí không ngưng Mất mát
30% 51% 18% 1%
Than Tre là sản phẩm rắn thu được sau quá trình nhiệt phân than Tre. Than Tre có cấu trúc lỗ xốp mịn và có đặc tính hấp phụ rất tốt. Hiện nay, than Tre được
ứng dụng rất nhiều trong đời sống hằng ngày, cũng như trong công nghiệp.
Sản phẩm lỏng: hỗn hợp sản phẩm gồm hơi và khí được thu hồi từ quá trình nhiệt phân, sau khi qua thiết bị ngưng tụ ta thu được sản phẩm lỏng - giấm Tre, và sản phẩm khí-khí không ngưng. Giấm Tre là chất lỏng màu đen với hơn 300 hợp chất hữu cơ: CH3COOCH3, HCOOCH3, HCOOH, C6H5OH, C6H6… Sản phẩm lỏng sẽ bị phân chia thành 2 lớp sau 2 tháng. Lớp trên là giấm Tre trong, chúng có màu vàng nhạt hay nâu nhạt với mùi rất đặc trưng, lớp dưới là lớp nhựa than bị sa lắng sau 2 tháng.
Hình 1.14: Sản phẩm lỏng thu được từ quá trình nhiệt phân
Sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân thành phần chính là CO2, CO, CH4, C2H4, H2… chúng có thểđược sử dụng làm nhiên liệu cho các quá trình cháy.
37
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Trong luận án này tập trung vào ba nội dung nghiên cứu chính sau: Nghiên cứu sựảnh hưởng của nhiệt độthan hoá lên đặc tính của than. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng phân khúc Tre lên chất lượng than,
nhằm xác định khả năng hấp phụ chọn lọc CO2 của than thu được từ quá trình than hoá ba phân khúc khác nhau của cây Tre: phần gốc (TG), phần giữa (TT), phần ngọn (TN).
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các loài Tre lên chất lượng của than, nhằm
xác định khả năng hấp phụ chọn lọc CO2 của than thu được từ quá trình than hoá các loại Tre phổ biến ở Việt Nam.
2.1. Kế hoạch tiến hành thực nghiệm2.1.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ