Chuong 5: Năng lượng sinh khối

Chương 5: Năng lượng sinh khối Môn Năng lượng tái tạo 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 2. NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN 3. NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG KHÍ 4. NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG LỎNG Bài giảng năng lượng tái tạo gồm 7 chương

BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG

CHƯƠNG 5 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

GIẢNG VIÊN: LƯU VĂN PHÚC

VINH-2018

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

2 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN

3 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG KHÍ

4 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG LỎNG

1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

 Sinh khối là gì?: Sinh khối là dạng vật liệu từ sinh vật (sống hoặc đã chết) hay cách khác SK là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo như cây cối,rác thải, dầu,mỡ,phân động vật, Công thức chung: CxHyOz

NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI ?

 Năng lượng sinh khối (SK) có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời được tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp.

 Trong quá trình quang hợp, cây cối chuyển đổi năng lượng mặt trời thành carbohydrate, với hiệu suất 0,1% và trữ trong lá,thân,cành,hoa,quả,hạt…

 Phương trình của QT quang hợp:

6 CO  6 H O    Buc xa MT C H O  6 O

QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

trời của thực vật, tảo…để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên trái đất

VAI TRÒ CỦA NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

khí quyển sẽ không thay đổi

là rất lớn có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, đó là một chu

kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường

Nam

 Nguồn NLSK có thể chuyển thành: điện năng, nhiệt

năng,…qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp hoặc gián tiếp

 Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh, thời gian táo tạo ngắn

 Sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường, góp phần bảo vệ cân bằng môi

trường, vì nó tạo ra ít CO 2 hơn năng lượng hóa thạch.

SINH KHỐI LÀ NĂNG LƯỢNG TÁO TẠO ?

SINH KHỐI LÀ NĂNG LƯỢNG HẤP DẪN ?

 Trước hết, đây là một nguồn NLTT, nếu chúng ta bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế.

 SK được phân bố đồng đều hơn các nguồn năng lượng khác (nhiên liệu hóa thạch ),khai thác không đòi hỏi đến kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém.

 Tạo ra cơ hội cho các địa phương,các quốc gia tự bảo đảm nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập.

 Là một giải pháp, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.

PHÂN LOẠI NHIÊN LIỆU SINH KHỐI (BIOMASS)

1 Theo nguồn gốc:

 Từ thực vật: phế phẩm nông nghiệp,lâm nghiệp và cây

trồng dùng sản xuất năng lượng (củ cải đường, hướng dương, bắp, khoai, sắn,mía…)

 Từ động vật; Chất thải động vật, mỡ các loại động vật

 Rác thải hữu cơ từ các đô thị

2 Theo dạng sử dụng:

 Dạng rắn (briquettes): Đốt phát nhiệt, sử dụng nhiệt

trực tiếp hoặc chuyển thành cơ năng để chạy động cơ hoặc máy phát điện…

 Dạng lỏng (biofuel): chuyển thành nhiên liệu sinh học:

cồn methanol, ethanol, diesel sinh học (biodiesel)

 Dạng khí (biogas): Khí đốt, khí sinh học

PHÂN LOẠI NHIÊN LIỆU SINH KHỐI (BIOMASS)

2 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG KHÍ (BIOGAS)

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

- Giai đoạn 1: Cũng như giai đoạn 1 của con đường thứ nhất, là sự Acid hoá xenlulozơ:

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

SẢN XUẤT BIOGAS

3 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN

(BIOMASS BRIQUETTES)

 Nhiên liệu SK rắn chủ yếu sử dụng dưới dạng đốt cấp nhiệt hoặc khí hóa Loại này đa dạng, từ nhiều nguồn khác nhau, có kích thước, dung trọng, nhiệt độ cháy… khác nhau.

 Nghiên cứu SK loại này ta phải phân tích nguyên tố của sinh khối (hàm lượng nguyên tố hóa học trong

chất đốt)

VD: %C: Ảnh hưởng nhiệt lượng tạo ra

%N, %S: Ảnh hưởng môi trường

%Tro: ảnh hưởng chi phí vận chuyển

% độ ẩm (W):Làm giảm nhiệt trị,tốc độ cháy, nhiệt cháy, dễ sinh khói, muội

3 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN

(BIOMASS BRIQUETTES)

Trấu Rơm

Lõi ngô Vỏ dừa

3 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN

(BIOMASS BRIQUETTES)

(khác nhiệt ẩn)

cháy của NL,đây là một giá trị lý thuyết, tính toán dựa vào thành phần của nhiên liệu

tương ứng với nhiệt trị cao

Lý do là:Trong nhiên liệu thường có hydro, khi cháy sẽ tạo ra nước

Ở nhiệt độ cao nước sẽ chuyển sang dạng hơi Sự chuyển pha này lại thu nhiệt

Khi trong nhiên liệu có nước, nhiệt độ cao nước sẽ chuyển thành dạng hơi, và ta cũng bị mất một lượng nhiệt Như vậy, khi đốt một đơn vi nhiên liệu, lượng nhiệt thực tế thu được sẽ có giá trị thấp hơn nhiệt trị cao Lượng nhiệt ấy được gọi là nhiệt trị thấp

3 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI DẠNG RẮN

 Dồi dào các nguồn năng lượng sinh khối như:Rơm, trấu,

bã mía, vỏ hạt cà phê, vỏ hạt điều, sọ và xơ dừa, lõi ngô, củi gỗ từ các rừng tái sinh , phế thải chế biến gỗ…

 Số liệu quy đổi một số loại sinh khối

• Tỷ lệ giữa rơm rạ khô và thóc là 1:1

• Ép 1 tấn mía cây trung bình thải ra 300kg bã mía có độ ình thải ra 300kg bã mía có độ ình thải ra 300kg bã mía có độ

ẩm 50% với nhiệt lượng khoảng 7,8 MJ/kg bã mía ình thải ra 300kg bã mía có độ

Tiềm năng nguồn năng lượng

sinh khối ở Việt Nam

Nguồn sinh khối và đặc tính công nghệ của nhiên liệu

Nguồn cung cấp Số lượng có thể khai

thác (triệu tấn)

Rừng tự nhiên 14,07

Rừng trồng 9,07

Đất trống đồi trọc 2,47

Cây công nghiệp lâu năm 2,00

Cây ăn trái 0,41

Lượng phế thải có thể khai thác

(triệu tấn)

Rơm rạ 40,00 Phế thải cây mía 7,80 Phế thải cây ngô 9,20 Thân cây sắn 2,49 Trấu 8,00

Bã mía 7,80

Vỏ lạc 0,15

Vỏ cà phê 0,17

Vỏ hạt điều 0,09 Khác (ước) 4,00

Lượng phế thải nông nghiệp

Đặc tính Nhiên liệu Trấu Bã mía Rơm rạ Phế thải gỗ

Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 120 260 200 500

Lúa/mía

Nhà máy điện

Cơ sở xay xát/nhà máy đường

Sinh khối thô (bã mía)

Nhiệt – điện Hoặc cả 2

Hiện trạng khai thác và sử dụng

Hiện trạng khai thác và sử dụng

Phan Rang-Ninh ThuËn, C/S 350 TMN

Cam Ranh - Kh¸nh Hoµ C/S 6000 TMN

Lam S¬n - TH C/S 6000 TMN

ViÖt §µi-Thanh Ho¸

C/S 6000 TMN

Kiªn Giang C/S 1000 TMN

VÞ Thanh - KG C/S 1500 TMN

TrÞ An - §ång Nai C/S 1000 TMN

§ång Xu©n - Phó Yªn, C/S 100 TMN

S«ng Lam-NghÖ An, C/S 500 TMN

333 - §¾k L¾k, C/S 500 TMN

Tuyªn Quang C/S 700 TMN

Hoµ B×nh, C/S 700 TMN

Cao B»ng C/S 700 TMN

N íc Trong - TN C/S 900 TMN

S¬n D ¬ng-TQ C/S 1000 TMN S¬n La

C/S 1000 TMN

NghÖ An T&L C/S 6000 TMN S«ng Con-NghÖ An, C/S 1250 TMN

N«ng Cèng - TH C/S 1500 TMN

Qu¶ng B×nh C/S 1500 TMN

Qu¶ng Nam C/S 1000 TMN

Nam Qu¶ng Ng·i C/S 1500 TMN B×nh §Þnh C/S 1500 TMN

Tuy Hoµ - Phó Yªn, C/S 1250 TMN Ninh Hoµ - Kh¸nh Hoµ C/S 1250 TMN

Kon Tum C/S 1000 TMN

Bourbon - Gia Lai C/S 1000 TMN

§¾c N«ng C/S 1000 TMN

Trµ Vinh C/S 1500 TMN

BÕn Tre C/S 1500 TMN Sãc Tr¨ng

C/S 1500 TMN Thíi B×nh

C/S 1000 TMN

Qu¶ng Ng·i C/S 2500 TMN

An Khª - Gia Lai C/S 2000 TMN

KCP - Phó Yªn C/S 2500 TMN

La Ngµ-§N C/S 2000 TMN

Th« T©y Ninh C/S 2500 TMN Bourbon T©y Ninh C/S 8000 TMN

B×nh D ¬ng C/S 2000 TMN

HiÖp Hoµ-Long An C/S 2000 TMN

Nagarjuna - LA C/S 2000 TMN

Phông HiÖp-KG C/S 1250 TMN

Phan Rang-Ninh ThuËn, C/S 350 TMN

Cam Ranh - Kh¸nh Hoµ C/S 6000 TMN

Lam S¬n - TH C/S 6000 TMN

ViÖt §µi-Thanh Ho¸

C/S 6000 TMN

Kiªn Giang C/S 1000 TMN

VÞ Thanh - KG C/S 1500 TMN

TrÞ An - §ång Nai C/S 1000 TMN

§ång Xu©n - Phó Yªn, C/S 100 TMN

S«ng Lam-NghÖ An, C/S 500 TMN

333 - §¾k L¾k, C/S 500 TMN

Tuyªn Quang C/S 700 TMN

Hoµ B×nh, C/S 700 TMN

Cao B»ng C/S 700 TMN

N íc Trong - TN C/S 900 TMN

S¬n D ¬ng-TQ C/S 1000 TMN S¬n La

C/S 1000 TMN

NghÖ An T&L C/S 6000 TMN S«ng Con-NghÖ An, C/S 1250 TMN

N«ng Cèng - TH C/S 1500 TMN

Qu¶ng B×nh C/S 1500 TMN

Qu¶ng Nam C/S 1000 TMN

Nam Qu¶ng Ng·i C/S 1500 TMN B×nh §Þnh C/S 1500 TMN

Tuy Hoµ - Phó Yªn, C/S 1250 TMN Ninh Hoµ - Kh¸nh Hoµ C/S 1250 TMN

Kon Tum C/S 1000 TMN

Bourbon - Gia Lai C/S 1000 TMN

§¾c N«ng C/S 1000 TMN

Trµ Vinh C/S 1500 TMN

BÕn Tre C/S 1500 TMN Sãc Tr¨ng

C/S 1500 TMN Thíi B×nh

C/S 1000 TMN

Qu¶ng Ng·i C/S 2500 TMN

An Khª - Gia Lai C/S 2000 TMN

KCP - Phó Yªn C/S 2500 TMN

La Ngµ-§N C/S 2000 TMN

Th« T©y Ninh C/S 2500 TMN Bourbon T©y Ninh C/S 8000 TMN

B×nh D ¬ng C/S 2000 TMN

HiÖp Hoµ-Long An C/S 2000 TMN

Nagarjuna - LA C/S 2000 TMN

Phông HiÖp-KG C/S 1250 TMN

B×nh ThuËn C/S 1000 TMN

Phan Rang-Ninh ThuËn, C/S 350 TMN

Cam Ranh - Kh¸nh Hoµ C/S 6000 TMN

Lam S¬n - TH C/S 6000 TMN

ViÖt §µi-Thanh Ho¸

C/S 6000 TMN

Kiªn Giang C/S 1000 TMN

VÞ Thanh - KG C/S 1500 TMN

TrÞ An - §ång Nai C/S 1000 TMN

§ång Xu©n - Phó Yªn, C/S 100 TMN

S«ng Lam-NghÖ An, C/S 500 TMN

333 - §¾k L¾k, C/S 500 TMN

Tuyªn Quang C/S 700 TMN

Hoµ B×nh, C/S 700 TMN

Cao B»ng C/S 700 TMN

N íc Trong - TN C/S 900 TMN

S¬n D ¬ng-TQ C/S 1000 TMN S¬n La

C/S 1000 TMN

NghÖ An T&L C/S 6000 TMN S«ng Con-NghÖ An, C/S 1250 TMN

N«ng Cèng - TH C/S 1500 TMN

Qu¶ng B×nh C/S 1500 TMN

Qu¶ng Nam C/S 1000 TMN

Nam Qu¶ng Ng·i C/S 1500 TMN B×nh §Þnh C/S 1500 TMN

Tuy Hoµ - Phó Yªn, C/S 1250 TMN Ninh Hoµ - Kh¸nh Hoµ C/S 1250 TMN

Kon Tum C/S 1000 TMN

Bourbon - Gia Lai C/S 1000 TMN

§¾c N«ng C/S 1000 TMN

Trµ Vinh C/S 1500 TMN

BÕn Tre C/S 1500 TMN Sãc Tr¨ng

C/S 1500 TMN Thíi B×nh

C/S 1000 TMN

Qu¶ng Ng·i C/S 2500 TMN

An Khª - Gia Lai C/S 2000 TMN

KCP - Phó Yªn C/S 2500 TMN

La Ngµ-§N C/S 2000 TMN

Th« T©y Ninh C/S 2500 TMN Bourbon T©y Ninh C/S 8000 TMN

B×nh D ¬ng C/S 2000 TMN

HiÖp Hoµ-Long An C/S 2000 TMN

Nagarjuna - LA C/S 2000 TMN

Phông HiÖp-KG C/S 1250 TMN

Đặc điểm của nhiên liệu sinh khối

 Nhiên liệu sinh khối có giá trị nhiệt trị thấp,(12 – 21 MJ/kg nhiên

chất bốc cao(63 -83%), Hàm lượng oxi trong nhiên liệu cũng cao (35 – 60%)

 Nhiệt trị và khối lượng riêng thấp,khiến cho việc sử dụng nhiên liệu sinh khối gặp nhiều khó khăn trong vận chuyển và kho chứa

 Việc thiết kế buồng đốt phù hợp cho nhiên liệu sinh khối cũng khác với than và yêu cầu có thể tích lớn hơn

 Đối với phụ phẩm nông nghiệp như rơm, trấu, hàm lượng tro là khá lớn (15 – 21%) so với củi (0,5 – 1%) nên khó khăn trong việc thải tro

nên việc thải xỉ còn khó khăn hơn

 Việc đánh giá các thành phần hóa học của nhiên liệu sinh khối cũng tương tự như với than và dầu với các thành phần C, O, H, N, S, Cl

Loại nhiên liệu Thành phần hóa học mẫu khô (%) Nhiệt trị

Cỏc dạng cụng nghệ sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng

Điện

Biến đổi nhiệt hóa học

Biến đổi sinh hóa

Nhiên liệu sinh khối phẩm cấp cao

Đốt cháy Nhiệt

SINH KHốI

ĐỐT CHÁY TRỰC TIẾP Quá trình cháy là một phản ứng hoá học toả nhiệt xảy ra rất nhanh giữa nhiên liệu và ôxy Có 3 giai đoạn xảy ra trong quá trình cháy: bốc hơi nước, bốc và cháy chất bốc, phản ứng của cácbon cố định (cốc) với ôxy

Quá trình cháy của nhiên liệu sinh khối có thể theo 2 phương

– Cháy cưỡng bức, trong đó sự chuyển động của ôxy và / hoặc khói thải được duy trì bởi một quạt cấp gió hoặc / và quạt khói, ví dụ như các buồng đốt của lò hơi công nghiệp hoặc trong nhà máy điện

Cháy sinh khối quy mô nhỏ (bếp

đun hộ gia đình)

Cháy sinh khối quy mô công nghiệp (lò hơi đốt nhiên liệu sinh khối)

• Cháy sinh khối quy mô nhỏ (bếp đun hộ gia đình)

Nồi hơi công nghiệp đốt sinh khối.

Công nghệ Đặc tính kỹ thuật Đặc tính cháy

Cháy chất

đống

- Kết cấu đơn giản với ghi cố định trên đó nhiên liệu sinh khối tạo thành đống nhỏ (cao khoảng 0,6-1,2m),

- Nhiên liệu đ ợc cấp vào buồng đốt từ phía trên hoặc d ới ghi đốt,

- Dừng lò định kỳ để thải tro,

xỉ trên ghi đốt,-Nhiệt độ vận hành cao:

-Thích hợp cho loại nhiên liệu sinh khối có độ ẩm cao và dải phân bố kích th

ớc hạt rộng,-Khó điều chỉnh quá trình cháy,

-Hiệu suất cháy thấp (50% - 60%),

-Công suất nhiệt của hệ thống: tối đa 25 MW

Đặc tính kỹ thuật và đặc tính cháy của công nghệ cháy sinh khối quy mô công nghiệp

- cấn có hệ thồng xử

lý và cung cấp nhiên liệu phức tạp,

- đáp ứng nhanh với

sự thay đổi của phụ tải nhiệt,

- cần sấy nhiên liệu tr ớc khi sử dụng,

- cỡ hạt nhiên liệu nhỏ, dao động trong khoảng 0,075 - 0,1 mm đối với cháy dạng bột phun; nhỏ hơn 6 mm đối với cháy theo dòng xoáy (xiclon)

- có thể giảm thấp l ợng không khí thừa

- cho phép đốt đồng thời nhiên liệu sinh khối với than, phạm vi công suất rộng  có thể đ ợc ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện

Đặc tính kỹ thuật và đặc tính cháy của công nghệ cháy sinh khối quy mô công nghiệp

-Tốc độ gió trong buồng đốt cao: 1-3 m/s đối với cháy sôi bọt, 4-12 m/s đối với cháy cháy tầng sôi tuần hoàn.

-Nhiệt độ vận hành thấp:

-Cần hệ thống xiclon phức tạp để thu hồi các hạt tro bụi nhỏ bay theo dòng

-Có thể áp dụng cho sinh khối với độ ẩm và độ tro cao

-Tăng cường hiệu quả truyền nhiệt trong buồng đốt

-Hiệu suất cháy cao 99%)

(95% Công suất nhiệt của buồng đốt sinh khối cháy kèm với than : tối đa 80 MW đối với cháy lớp sôi tuần hoàn

Đặc tính kỹ thuật và đặc tính cháy của công nghệ cháy sinh khối quy mô công nghiệp

Khí hóa sinh khối

 Khí hoá là quá trình biến đổi nhiên liêu rắn ở nhiệt độ cao thành nhiên liệu khí Thành phần chính của nhiên liệu khí bao gồm CO, H2 và CH4, ngoài ra còn có CO2, hơi nước và N2.

 Các phản ứng hóa học xẩy ra trong quá trình khí hóa như sau: Phản ứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy giữa ôxy trong không khí cấp với cácbon ở nhiệt độ cao:

C + O2 = CO2 + 393,80 MJ (ở 25oC, 1 at)

 Không khí đưa vào có chứa ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và agon Các khí trơ nói chung có thể coi như không phản ứng với các thành phần của nhiên liệu Tuy nhiên, hơi nước có thể phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao dưới dạng phản ứng dị thể

Trong quá trình khí hóa theo lớp cố định trong

nhiên liệu phân ra làm 4 vùng sau:

– vùng sấy khô,

– vùng nhiệt phân,

– vùng suy giảm và

– vùng cháy

Thiết bị khí hóa kiểu lớp cố định

– Nhiên liệu được cấp vào và nằm trên ghi cố định

– Tùy theo hình thức cấp không khí, nhiên liệu và cách lấy sản phẩm khí người ta có các loại thiết bị khí hóa sau:

– Thiết bị khí hóa dòng ngược chiều (hình a) : Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dưới trong khi đó

không khí cho quá trình khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên của thiết bị Nhiên liệu khí được tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng nhiên liệu khí đầu ra chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa

– Thiết bị khí hóa dòng cùng chiều (hình b) : cả nhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống – Thiết bị khí hóa dòng cắt nhau (hình c) : không khí cần cho quá trình khí hóa chuyển động theo phương vuông góc với chuyển động của nhiên liêu rắn trong thiết bị khí hóa

Công nghệ khí hóa kiểu lớp cố định

Cùng chiều Ngược chiều Cắt nhau

Vïng suy gi¶m

KhÝ

Vïng suy gi¶m

Vïng sÊy

Vïng ch¸y Kh«ng khÝ

Vïng sÊy

Vïng nhiÖt ph©n

Tro

KhÝ

Các kiểu thiết bị khí hóa ghi cố định

Ứng dụng vào các bếp nhỏ quy mô hộ gia đình.

Bếp khí hóa

Sinh khối Đặc tính vận hành

Than củi

- Nhiên liệu khí được tạo thành không chứa hắc ín và ít

ẩm, hệ thống xử lý làm sạch khí đơn giản, thích hợp cho sản xuất điện năng

- Công suất của hệ thống khí hóa-động cơ máy phát điện

khối gỗ ban đầu có hiệu suất thấp (25-30%)

đối với sản xuất nhiệt năng: vận hành tương đối thuận lợi

và đơn giản hơn, không cần các hệ thống khử hắc ín và làm mát khí trước khi được sử dụng;

đối với sản xuất điện năng sử dụng động cơ đốt trong: cần phải lắp đặt hệ thống phức tạp làm sạch khí và loại bỏ hắc ín

Đặc tính một số loại nhiên liệu khi khí hóa