Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ

TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH KHỐI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Tổng quan nguồn nhiên liệu sinh khối tại Việt Nam

Sinh khối là chất hữu cơ sản phẩm của quang hợp trên Trái Đất, với nguồn năng lượng chính từ mặt trời, tạo thành một kho năng lượng hóa học Quá trình này bao gồm biến đổi hóa học và vật lý, giải phóng nhiệt vào khí quyển Việc khai thác sinh khối cho năng lượng khá đơn giản, thường bằng cách đốt cháy để tạo nhiệt cho nấu ăn, sưởi ấm hoặc làm nóng không khí Công nghệ tiên tiến hơn chuyển hóa hóa năng trong sinh khối thành nhiệt hữu ích, góp phần quan trọng vào sự tiến hóa của nhân loại Đến nay, sinh khối vẫn là nguồn năng lượng chính cho hơn một nửa dân số toàn cầu.

Sinh khối rắn bao gồm các thành phần như thân cây, cành cây, cây trồng, động vật và chất thải của con người, mặc dù chất thải không hoàn toàn bền vững Thông thường, sinh khối sẽ trải qua các quá trình vật lý như cắt, dập và đóng bánh, nhưng vẫn duy trì trạng thái rắn.

Biogas được sản xuất từ chất thải động vật trong môi trường không có không khí, thông qua quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ để tạo ra khí mê tan Phân động vật và rác thải hữu cơ là hai nguyên liệu chính cho quá trình kỵ khí này.

Nhiên liệu sinh học chất lỏng được sản xuất từ vật chất hữu cơ thông qua các quá trình hóa học hoặc vật lý, tạo ra những sản phẩm hữu ích như dầu thực vật và ethanol Những nhiên liệu này thường được chiết xuất từ các phế phẩm công nghiệp như bã mía hoặc các loại cây trồng đặc biệt Nhiên liệu sinh học thường được sử dụng thay thế xăng dầu trong một số trường hợp, chẳng hạn như trong việc vận hành xe gắn máy.

Trong ngành công nghiệp, năng lượng sinh khối được định nghĩa là vật chất sinh học còn sống hoặc mới chết Sinh khối không chỉ có khả năng tái tạo mà còn được lưu trữ từ nhiều nguồn sẵn có, đồng thời có khả năng thay thế và lưu trữ dầu.

Theo thống kê, 60% trữ lượng nhiên liệu sinh khối toàn cầu tập trung ở các nước đang phát triển, nhưng những quốc gia này lại thiếu cơ sở vật chất và đội ngũ khoa học công nghệ cần thiết để nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng nguồn năng lượng dồi dào này.

Trên thế giới, nhiều quốc gia đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển các thiết bị sử dụng nhiên liệu sinh khối, bao gồm công nghệ khí hóa để sản xuất điện năng và các bếp đun gia đình sử dụng nhiên liệu này.

Hơn 2 tỷ người ở các nước đang phát triển sử dụng sinh khối là năng lượng chính cho nhu cầu năng lượng của gia đình Năng lượng sinh khối chủ yếu dùng để nấu ăn, đun nước, sưởi ấm Sinh khối có sẵn một lượng lớn ở các nước đang phát triển, ở những khu vực rừng rậm nhiệt đới và ôn đới trên thế giới Những năm gần đây việc phá rừng trở nên nghiêm trọng trên toàn cầu Người ta đang quan tâm tới việc tìm cách sử dụng nhiên liệu hiệu quả và tìm tòi những loại năng lượng mới Mặc dù việc sử dụng củi ảnh hưởng lớn đến việc khai thác rừng Nhưng nguyên nhân chính vẫn là phá rừng để giải phóng đất đai làm nông nghiệp, dùng gỗ cho mục đích thương mại hoặc dùng củi đun

Trong ba thập kỷ qua, nhiều chương trình đã được triển khai nhằm giảm thiểu việc khai thác rừng bừa bãi để lấy củi đun Một trong những giải pháp quan trọng là phát triển công nghệ sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối và củi gỗ.

Phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp đang ngày càng được các quốc gia sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất điện năng cỡ vừa và nhỏ, phục vụ cho nhu cầu tự dùng hoặc thương mại Các nhà máy chủ yếu sản xuất điện năng tự dùng và có thể bán ra ngoài khi thừa Tại Việt Nam, các nhà máy đường đã áp dụng hiệu quả việc sử dụng sinh khối, trong đó bã mía sau khi ép lấy nước được sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi.

1.1.2 Nguồn nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam

Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới gió mùa, có điều kiện lý tưởng cho sự phát triển sinh khối nhanh chóng Khoảng 75% diện tích lãnh thổ được bao phủ bởi rừng, tạo ra tiềm năng lớn cho ngành gỗ Hơn nữa, là một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam sở hữu nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú, với trữ lượng ngày càng tăng nhờ sự phát triển của nông lâm nghiệp.

Việt Nam, với vị thế là một quốc gia nông nghiệp, sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng sinh khối Các nguồn sinh khối chính bao gồm củi gỗ, phế thải nông nghiệp, chất thải chăn nuôi, rác thải đô thị và các chất thải hữu cơ khác Ước tính tổng tiềm năng khai thác năng lượng sinh khối có thể đạt khoảng 134 triệu tấn, tương đương với khả năng sản xuất từ 698 đến 781 MW điện.

Bảng 1.1: Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng sinh khối [2]

Khả năng khai thác cho năng lượng (triệu tấn)

Khả năng khai thác cho sản xuất điện (MW)

1 Củi gỗ và các phế thải gỗ 27 -31 25

2 Phế thải từ cây nông nghiệp

4 Rác thải phát sinh tại các đô thị

5 Phế thải cho sản xuất

Việt Nam sở hữu nhiều loại sinh khối cơ bản, bao gồm trấu, rơm rạ, cây lạc, đậu và ngô, với trữ lượng lớn chủ yếu tập trung tại các vùng đồng bằng như đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng và đồng bằng duyên hải miền Trung Ngoài ra, gỗ từ rừng và các hoạt động trồng rừng cũng là nguồn sinh khối quan trọng Chất thải nông nghiệp, bao gồm bã mía, vỏ trấu và rơm, phát sinh từ quá trình thu hoạch và chế biến nông sản, cùng với thức ăn thừa từ sản xuất và chế biến thực phẩm, đóng góp vào nguồn năng lượng sinh khối Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sinh khối không bao gồm các chất hữu cơ đã chuyển hóa thành than đá hoặc dầu mỏ qua các quá trình địa chất Việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang được chú trọng nhằm giảm áp lực từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong khi nhiều phế phẩm nông nghiệp như trấu, rơm rạ, vỏ lạc, than cây lạc, ngô, đậu, vỏ dừa, mùn cưa và bã mía vẫn còn tồn tại và có thể được khai thác.

Ngoại trừ bã mía làm nhiên liệu cho việc đốt lò hơi thì các loại phế phẩm khác cũng chưa được khai thác sử dụng hiệu quả

Bảng 1.2:Trữ lượng một vài thành phần sinh khối [2]

Phụ Phẩm Tổng cả nước >11 triệu tấn

Trấu ĐB Sông cửu long 3.7 triệu tấn

Trấu ĐB Bắc trung bộ 0.76 triệu tấn

Trấu DH Nam trung bộ 0.68 triệu tấn

Mùn cưa Tổng 5.8 triệu tấn

Mùn cưa Miền trung 1.15 triệu tấn

Mùn cưa Tây nguyên 2.5 triệu tấn

Mùn cưa Tây bắc 0.055-0.6 triệu tấn

Cà phê Tây nguyên 0.3 – 0.5 triệu tấn

Theo một nghiên cứu thống kê năm 2010 người ta có trữ lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam như bảng sau:

Bảng 1.3: Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng [3]

Nguồn cung cấp Tiềm năng,

Rừng trồng 9,07 25,3 Đất trống đồi tróc 2,47 6,9

Cây công nghiệp lâu năm 2,00 5,6

Tại một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long như Cần Thơ và An Giang, việc sử dụng trấu và mùn cưa để sản xuất điện đang được xem xét Nghiên cứu cho thấy, để sản xuất 1kW điện, cần khoảng 2 kg trấu, giúp tiết kiệm chi phí đến 3 lần so với việc sử dụng dầu FO Mùn cưa có giá rất rẻ, chỉ từ 100-300 VND/kg, trong khi than đá có giá lên đến 2.500 VND/kg Công suất phát điện từ các nguồn nhiên liệu sinh khối cũng đã được tính toán.

Bảng 1.5: Năng lượng phát điện tương đương của sinh khối [2]

Nhiên liệu Trấu Bã mía Vỏ điều Mùn cưa

Phát điện tương đương, kg/kWh

Nếu tập trung trấu, mùn cưa thay thế cho than:

+Lượng nhiệt sinh ra đủ lớn thay thế cho mục đích phát điện liên tục

+Có thành phần cháy như năng lượng truyền thống

+Có thể xác định các thiết bị kỹ thuật để sử dụng nhiệt của nó

Nguồn cung cấp Tiềm năng, triệu tấn

Phế phẩm mía sau thu hoạch 7.80 9,8

Phế phẩm ngô sau thu hoạch 9.20 11,5

Các loại khác (dừa, đậu tương ) 4.00 5,0

Bảng 1.6: Thành phần phế phẩm so sánh với than [4]

Tiềm năng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

1.2.1 Hiện trạng sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam

Chính sách phát triển sinh khối hiện đang trong giai đoạn chuẩn bị và thiếu sự hợp tác giữa các bộ, cơ quan chức năng Nhiều bộ phận khác nhau đã phác thảo các chính sách về sinh khối, dẫn đến sự thiếu nhất quán trong chính sách quốc gia nhằm thúc đẩy sử dụng năng lượng sinh khối lâu dài Hơn nữa, chính phủ vẫn chưa có chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ sinh khối tại nông thôn, nơi mà đời sống của nhiều người dân còn khó khăn và nghèo khổ.

Bảng 1.7: Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [3]

Lĩnh vực Tổng tiêu thụ

Bảng 1.8: Sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng (KTOE năm 2010) [3]

Loại sinh khối Tổng cộng

Nấu nướng (của người dân trong sinh hoạt)

Lò đốt 1.145 100 130 100 698 2.173 Nhiệt và điện kết hợp

Chú ý: Các năng suất tỏa nhiệt: từ gỗ: 3800 kcal/kg; trấu lúa: 3000 kcal/kg; rơm:

2800 kcal/kg; bã mía: 1850 kcal/kg

Khoảng 70% sinh khối hiện nay được sử dụng cho việc đun nấu gia đình thông qua các bếp đun truyền thống có hiệu suất thấp Mặc dù bếp cải tiến đã được nghiên cứu thành công, nhưng việc ứng dụng chúng vẫn còn hạn chế, chỉ diễn ra ở một số dự án nhỏ lẻ tại một số địa phương Phần còn lại, khoảng 30% sinh khối, được sử dụng trong sản xuất.

Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo kinh nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu chủ yếu ở phía nam

Sản xuất đường tại Việt Nam đang được nâng cao hiệu quả với việc tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện tại 43 nhà máy đường Các trang thiết bị hiện đại được nhập khẩu từ nước ngoài đã hỗ trợ quá trình này Gần đây, Viện Cơ điện Nông nghiệp đã nghiên cứu và phát triển thành công dây chuyền sử dụng phụ phẩm sinh khối để sấy, hiện đang được lắp đặt và triển khai ứng dụng tại các tỉnh.

Sấy lúa và sấy nông sản: máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và có thể dùng trấu làm nhiên liệu

Công nghệ cacbon hóa sinh khối để sản xuất than củi thường có hiệu suất thấp theo phương pháp truyền thống Hiện nay, một số công nghệ mới như đóng bánh sinh khối và khí hóa trấu đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.2.3 Vai trò của năng lượng sinh khối

Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người cho đến thế kỷ 19 Tuy nhiên, sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối dần được thay thế bởi dầu, than đá, khí và năng lượng nguyên tử Ngày nay, năng lượng sinh khối đang được quan tâm trở lại nhờ vào những đặc tính nổi bật của nó: khả năng tái tạo, nguồn dự trữ phong phú và khả năng lưu trữ, cũng như khả năng thay thế dầu.

Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến công nghệ năng lượng sinh khối và năng lượng tái tạo đã gia tăng đáng kể trên toàn cầu nhằm thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và gây ô nhiễm Công nghệ năng lượng sinh khối không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà còn giúp xử lý chất thải bằng cách tận dụng nguồn chất thải để sản xuất năng lượng.

Sinh khối hiện nay là nguồn năng lượng lớn thứ tư trên toàn cầu, chiếm khoảng 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Tại các quốc gia đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng chủ yếu, đóng góp trung bình khoảng ước tính đáng kể cho nhu cầu năng lượng.

Nhiên liệu sinh khối chiếm 35% tổng cung cấp năng lượng, đóng vai trò quan trọng trong các kịch bản năng lượng do nhiều tổ chức quốc tế xây dựng Điều này cho thấy nhiên liệu sinh khối có khả năng giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu trong tương lai.

Các tổ chức liên minh phi lợi nhuận của các nhà khoa học (UCS) nhấn mạnh rằng sinh khối là một loại pin tự nhiên hiệu quả để lưu trữ năng lượng mặt trời Khi được sản xuất bền vững, nguồn năng lượng này trở thành vô hạn Năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ, có thể được sản xuất tại chỗ, phong phú, giá thành thấp và là nguồn tài nguyên tái tạo Nó có khả năng chuyển đổi chất thải và phế phẩm từ nông, lâm nghiệp thành nhiệt, điện năng và nhiên liệu lỏng như etanol và diesel sinh học cho phương tiện vận tải.

Năng lượng sinh khối là một giải pháp hiệu quả trong việc chống lại biến đổi khí hậu nhờ vào tính chất sạch hơn so với nhiên liệu hóa thạch, không chứa lưu huỳnh và có chu trình cố định CO2 ngắn Hơn nữa, sinh khối còn có khả năng dự trữ, cung cấp nhiên liệu khô, đồng nhất và chất lượng ổn định, góp phần vào sự phát triển bền vững.

Sinh khối là nguồn năng lượng hấp dẫn vì nó có khả năng tái tạo và dễ dàng dự trữ từ nhiều nguồn phong phú, đặc biệt là ở các quốc gia nông nghiệp, miễn là chúng ta đảm bảo được tốc độ trồng cây thay thế.

Sinh khối phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất so với các nguồn năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch Nó có thể được khai thác dễ dàng mà không cần các kỹ thuật phức tạp và tốn kém Sinh khối có khả năng dự trữ, thay thế dầu và có thể được kiểm soát hiệu quả.

Năng lượng tái tạo mang lại cơ hội cho các địa phương, khu vực và quốc gia trên toàn cầu tự chủ về nguồn cung cấp năng lượng Đây là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, góp phần cải thiện tình hình biến đổi khí hậu đang đe dọa hành tinh.

Biochar, sản phẩm còn lại từ quá trình khí hóa, có khả năng cải thiện đất bằng cách giữ lại chất dinh dưỡng, giảm nhu cầu phân bón và hạn chế tác động tiêu cực của khí hậu lên đất canh tác Năng lượng sinh học đang được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ năng lượng thế giới (IEA) Tuy nhiên, các nước đang phát triển vẫn duy trì tỷ lệ sử dụng năng lượng sinh khối "cơ bản" lên đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa, cho thấy sự phụ thuộc cao vào nguồn năng lượng này.

Nhiều quốc gia nghèo nhất thế giới phụ thuộc vào việc đốt sinh khối để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu Mặc dù sử dụng sinh khối trong công nghiệp có thể mang lại lợi ích cho môi trường, nhưng tình trạng thoát khí kém và lò đốt hiệu suất thấp lại làm gia tăng ô nhiễm không khí trong nhà, gây ra nguy cơ sức khỏe nghiêm trọng cho người dân ở các khu vực nông thôn và kém phát triển Do đó, việc cải thiện hiệu quả sử dụng sinh khối trở thành một vấn đề quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe cộng đồng.

Năng lượng sinh khối khác các dạng năng lượng khác:

- Không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát được

- Cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng

Năng lượng sinh khối có hai dạng chính là:

- Các loại phế thải nông nghiệp dạng hạt nhỏ như trấu, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm rạ, bã mía, lõi ngô…

- Sinh khối gỗ có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, rừng, hoặc mùn cưa, mùn bào…

Mục đích của luận văn

Theo Bảng 1.8, trữ lượng và khả năng ứng dụng của nhiên liệu sinh khối rất tiềm năng, với khả năng cung cấp 8.915 KTEO năng lượng cho nấu nướng, 1.168 KTEO cho lò nung, và 2.173 KTEO cho lò đốt.

552 KTEO dùng để phát điện

Khí hóa là công nghệ hiệu quả trong việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối Trong các lò công nghiệp lớn, sinh khối thường được ứng dụng trong lò khí hóa tầng sôi Đối với các thiết bị khí hóa sinh khối có công suất nhỏ, công nghệ khí hóa lớp chặt thường được sử dụng cho bếp đun, lò nung, lò sấy và lò hơi nhỏ.

Sự thâm nhập công nghệ sinh khối tại Việt Nam hiện nay còn nhiều hạn chế, mặc dù người dân nông thôn đã sử dụng nguồn nhiên liệu này từ lâu Năng lượng sinh khối vẫn chiếm hơn một nửa tổng tiêu thụ năng lượng quốc gia, nhưng tỷ lệ này đang giảm dần do sự gia tăng nhanh chóng của năng lượng thương mại Khí hóa sinh khối liên tục với công suất nhỏ có thể ứng dụng cho bếp đun, máy nổ nhỏ, lò nung và tủ sấy Đề tài "Nghiên cứu khí hóa sinh khối liên tục có công suất nhỏ" có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các công nghệ và thiết bị cung cấp nhiệt, với trọng tâm nghiên cứu là khí hóa sinh khối cho bếp đun.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ HÓA SINH KHỐI

Khái niệm

Khí hoá là quá trình chuyển đổi nhiệt hóa nhiên liệu sinh khối thành nhiên liệu khí ở nhiệt độ cao từ 600 đến 900 độ C, thông qua việc cung cấp một lượng hạn chế oxy nguyên chất, oxy trong không khí hoặc hơi nước Khi khí hoá sinh khối bằng không khí, sản phẩm khí tạo ra có nhiệt trị thấp và chứa khoảng 50% Nitơ Ngược lại, khí hoá bằng oxy nguyên chất hoặc hơi nước sẽ sản sinh ra khí có nhiệt trị trung bình.

Nhiên liệu khí chủ yếu bao gồm các thành phần CO, H2 và CH4, cùng với CO2, hơi nước, N2 và tar Quá trình khí hóa sinh khối tạo ra nhiên liệu khí được ứng dụng trong nhiều tình huống mà nhiên liệu sinh khối dạng rắn không thể sử dụng hoặc khó khăn trong việc sử dụng, chẳng hạn như làm nhiên liệu cho động cơ vận tải, phát điện và cung cấp nhiệt.

Cơ sở hóa học của quá trình khí hóa

2.2.1 Thành phần hóa học của sinh khối

Nguyên liệu sinh khối bao gồm nhiều loại như gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía, rơm rạ, trấu, ngô, vỏ lạc, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp và rác thải sinh hoạt Những nguyên liệu này có thể được sử dụng hiệu quả trong sản xuất năng lượng tái tạo và cải thiện môi trường.

Thành phần hóa học của sinh khối gồm các thành phần sau:

- Ẩm: Hàm ẩm của sinh khối phụ thuộc vào bản chất của sinh khối và phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường

Lượng ẩm trong mẫu chủ yếu được cho là tồn tại ở 2 dạng:

• Ẩm trên bề mặt mẫu

- Chất bốc: Chất bốc được hiểu là các hợp chất dễ bay hơi tiêu biểu là các hợp chất sau

Lignin chiếm từ 15% đến 25% trong thành phần của thực vật, có công thức hóa học là (C10H12O4)n Với cấu trúc phức tạp của các hợp chất thơm, lignin có khả năng chống lại các quá trình chuyển hóa hóa học của sinh khối, và để chuyển hóa lignin, cần phải sử dụng nhiệt độ cao.

Hình 2.1: Các monomer của Lignin

Hemicellulose chiếm từ 23% đến 32% trong cấu trúc thực vật, có công thức hóa học là [C5(H2O)4]n, là một polyme được tạo thành từ các phân tử đường 5 và 6 cacbon Đây là thành phần dễ bị depolyme hóa, trong đó đường 5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết cao hơn so với đường 6 cacbon.

• Các hợp chất trích ly

Tro sinh khối là phần vô cơ không cháy được, chủ yếu bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, CaO và MgO.

Na2O, và tro là thành phần không có ích đối với quá trình cháy

Hàm lượng cacbon cố định là lượng cacbon rắn có trong mẫu, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nhiên liệu sinh khối Tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất trong quá trình cháy và khí hóa, do đó, nó rất cần thiết trong nghiên cứu và ứng dụng năng lượng tái tạo.

Sinh khối có một số tính chất hóa học thuận lợi cho quá trình chuyển hóa, như hàm lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao so với nhiên liệu cacbon Tuy nhiên, độ ẩm cao trong sinh khối có thể tạo ra nhựa, và hàm lượng tro cao dẫn đến điểm nóng chảy thấp, gây khó khăn cho một số phương pháp chuyển hóa Một số loại sinh khối chứa hàm lượng nitơ và clo cao, trong khi sự kết hợp giữa kiềm và clo có thể gây ăn mòn thiết bị Mặc dù hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng hình thành oxit nitơ, nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn so với nhiều loại nhiên liệu khác như than, giúp giảm thiểu sự hình thành lưu huỳnh trong quá trình chuyển đổi.

Sinh khối chứa năng lượng trong các liên kết hóa học của các thành phần như cacbonhydrat, nhưng thành phần oxy trong sinh khối cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến năng lượng của nó thấp hơn Năng lượng tối đa có thể khai thác từ sinh khối chủ yếu là năng lượng hóa học của nó Do sinh khối có cấu trúc phức tạp và đa dạng, năng lượng của nó được đặc trưng bởi thành phần nguyên tố có trong nó.

Bảng 2.1: Thành phần các nguyên tố của một số loại sinh khối [3]

Khí hóa sinh khối là quá trình chuyển đổi nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí thông qua phản ứng với oxy hoặc các chất khí hóa khác ở nhiệt độ cao từ 600-1000°C Quá trình này tạo ra khí sinh khối chủ yếu bao gồm CO, H2 và CH4, được sử dụng làm nhiên liệu trong sinh hoạt, công nghiệp hoặc làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3 và CH3OH Sự hiện diện của chất oxy hóa giúp phân hủy các hợp chất cao phân tử trong sinh khối thành các phân tử nhẹ hơn Tuy nhiên, quá trình khí hóa không hoàn toàn có thể tạo ra char, tar và các chất ô nhiễm như Sox và Nox.

Quá trình cháy của hợp chất hữu cơ CxHyOzNt diễn ra khi kết hợp với O2 (21% trong không khí) và N2 (79% trong không khí), cùng với H2O (hơi nước có thể có) Kết quả của quá trình này tạo ra các sản phẩm như CH4, CO, CO2, N2, H2, H2O (bao gồm hơi nước trong nhiên liệu và hơi nước không phản ứng), cũng như C (char) và tar.

Dưới đây là các phản ứng hoá học chủ yếu xảy ra trong quá trình khí hoá Trong vùng nhiệt phân:

Phản ứng hóa học dị thể xảy ra trong vùng cháy, nơi ôxy từ không khí kết hợp với cácbon ở nhiệt độ cao, tạo ra các sản phẩm như char, tar và khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm).

C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.2)

2C + O2 = 2CO + 246 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.3)

Không khí được đưa vào bao gồm ôxy, hơi nước và các khí trơ như nitơ và argon Các khí trơ thường không phản ứng với các thành phần của nhiên liệu, trong khi hơi nước có thể phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao thông qua phản ứng dị thể.

C + H2O = H2 + CO – 131,40 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.4)

Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ trên 900 0 C:

C + CO2 = 2CO – 172,60 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.5)

Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.6)

Và khi nhiệt độ khoảng 500-600 0 C trong vùng suy giảm còn xảy ra phản ứng tạo H2 như sau:

C + 2H2O = 2H2 + CO2 – 88 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.7)

Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng

C + 2H2 = CH4 + 75,00 MJ/kg mol (ở 25 o C, 1 at) (2.8)

2.2.3 Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa

Phản ứng giữa carbon (C) và carbon dioxide (CO2) có những đặc điểm tương tự như phản ứng giữa carbon và hơi nước (H2O), cả hai đều là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh Tuy nhiên, phản ứng C + H2O phức tạp hơn do nó có thể xảy ra theo hai chiều hướng khác nhau, tạo ra cả carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO2) Để phản ứng diễn ra hiệu quả, nhiệt độ cần phải lớn hơn 800 độ C.

C + 2H2O=CO2+2H2– Q2 (2.10) Nếu trong gió có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO2 ra còn có khả năng tiến hành phản ứng sau:

Phản ứng giữa C và H2O tạo ra CO, CO2, H2 và nhiệt lượng (Q) là một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu cơ chế phản ứng Cần xem xét liệu CO và CO2 đều là sản phẩm bậc nhất, hay chỉ CO là sản phẩm bậc nhất, hoặc cả hai sản phẩm này được hình thành đồng thời trong cùng một quá trình.

Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:

- Giả thiết 1: Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO2, nghĩa là khi cho C và hơi nước tác dụng với nhau thì tiến hành phản ứng:

C + 2H2O = CO2 + 2 H2– Q (2.11) Còn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng bậc 2 như sau:

- Giả thiết 2: Cho rằng cả CO và CO2 là sản phẩm bậc nhất và chúng tạo thành đồng thời cùng lúc Phản ứng tiến hành như sau:

Giả thiết này hiện đang được nhiều nhà nghiên cứu công nhận Trong hai loại giả thiết, chúng ta chỉ cần viết phương trình phản ứng cho phản ứng tổng cộng mà không cần xem xét các giai đoạn trung gian.

Gần đây, một số giả thuyết mới đã chỉ ra rằng CO là sản phẩm bậc nhất, trong khi CO2 được xem là sản phẩm bậc hai Giả thuyết này đã giải thích được nhiều trường hợp thực nghiệm và nhận được sự ủng hộ từ nhiều nhà nghiên cứu.

Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:

+ Giai đoạn 1: Hấp phụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:

C + H2O ↔ C + (H2O)hấp phụ (2.15) + Giai đoạn 2: Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:

C + (H2O)hấp phụ ↔ CxOy + (H2)hấp phụ (2.16) + Giai đoạn 3: Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt CxOy với sự tham gia của hơi nước từ không khí:

Ưu nhược điểm của công nghệ khí hóa

2.3.1 Ưu điểm Ưu điểm của khí hóa sinh khối so với đốt trực tiếp: Nó có thể sử dụng nguyên liệu có giá trị thấp và chuyển đổi chúng không chỉ thành điện, mà còn là nhiên liệu cho các phương tiện vận tải Trong những năm sắp tới, nó sẽ phục vụ như là một công nghệ chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sử dụng công nghệ tiên tiến như tua bin khí và pin nhiên liệu với khí tổng hợp được tạo ra từ kết quả của quá trình khí hóa hiệu suất cao Để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu rắn, không khí dư thừa là cần thiết, và nhiệt độ đốt cháy cao tạo ra Nox và phát thải khác, so với quá trình đốt cháy các sản phẩm khí hóa Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt – điện, các chất gây ô nhiễm trong khói như Sox, Nox được loại bỏ hiệu quả, kết quả lượng khí thải ô nhiễm thấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ ràng cho quá trình xử lý, vận chuyển, và sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải

So với các công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh khối khác thì khí hóa sinh khối còn có những ưu điểm sau:

- Khí hoá sinh khối có tính linh hoạt cao về sử dụng nguyên liệu sinh khối làm nhiên liệu

- Khí hoá có hiệu quả chuyển đổi nhiệt-hóa trong phạm vi 70% đến 90% là cao nhất trong số các công nghệ sử dụng sinh khối

- Có thể thực hiện ở quy mô lớn

- Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn trên một đơn vị năng lượng

- Việc điều khiển và thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng hơn so với công nghệ khác

Sản phẩm khí đầu ra là nguồn nhiên liệu lý tưởng cho hầu hết các loại động cơ đốt trong, đồng thời có thể điều chỉnh để phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau.

Vấn đề loại bỏ tar chưa triệt để, chưa đáp ứng được bài toán kinh tế - kĩ thuật đề ra

Quá trình vận hành phức tạp yêu cầu kỹ năng và kinh nghiệm, do đó độ tin cậy của công nghệ phụ thuộc chủ yếu vào quy trình vận hành và người điều khiển.

Công nghệ đang trong quá trình nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa giai đoạn đầu cần nghiên cứu sâu hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa sinh khối

2.4.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa diễn ra dưới áp suất nhất định, và để đạt hiệu quả cao trong các lò khí hóa công nghiệp lớn, áp suất tối thiểu cần thiết phải được duy trì.

Ở áp suất cao, như trong quá trình tổng hợp ammoniac (70-100 bar) hay hóa khí (50-70 bar), việc sử dụng thiết bị trở nên không thực tế Áp suất quá cao dẫn đến kích thước thiết bị lớn và khó khăn trong việc chọn vật liệu làm lò khí hóa, từ đó làm tăng chi phí kinh tế.

Việc chọn áp suất cho quá trình hóa khí cần dựa vào yêu cầu của thiết bị và mục đích sử dụng, nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư Mỗi mức áp suất khác nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi trong thành phần khí tổng hợp Do đó, cần lựa chọn áp suất phù hợp với sản phẩm khí theo yêu cầu sử dụng và công nghệ hóa khí sinh khối tương ứng.

Trong nội dung luận văn, quá trình khí hóa sinh khối được thực hiện ở áp suất không khí với các cơ chế phản ứng như mục 2.2.2

2.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ trong quá trình khí hóa được xác định dựa trên trạng thái của tro, đảm bảo không vượt quá điểm mềm và không dưới điểm nóng chảy của xỉ Đối với sinh khối, điểm nóng chảy của tro rất cao, vì vậy việc thêm chất khí hóa giúp giảm nhiệt độ nóng chảy của tro Tuy nhiên, khí hóa ở nhiệt độ cao sẽ tăng lượng oxy tiêu thụ và giảm hiệu suất toàn diện của quá trình Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ trong lò là rất quan trọng để duy trì hiệu quả của quá trình khí hóa.

Các quá trình hóa khí hiện đại diễn ra ở nhiệt độ từ 600 đến 900 độ C, giúp nâng cao giá trị sản xuất khí tổng hợp và ngăn ngừa hiện tượng nóng chảy cũng như đóng xỉ ở đuôi lò.

2.4.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang N 2

Khí N2 đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường trơ cho phản ứng khí hóa, đồng thời giúp lôi cuốn hơi nước vào thiết bị phản ứng và dẫn sản phẩm khí ra ngoài Nếu lưu lượng N2 quá nhỏ, áp lực không đủ để kéo toàn bộ hơi nước, dẫn đến hiệu suất chuyển hóa carbon thấp và gia tăng lượng khí CO2 không mong muốn Ngược lại, nếu lưu lượng N2 quá lớn, hơi nước sẽ không kịp phản ứng và bị kéo ra ngoài, làm giảm hiệu suất phản ứng và tiêu tốn năng lượng, ảnh hưởng đến kinh tế.

2.4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước

Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong quá trình khí hóa, và việc xác định lưu lượng hơi nước phù hợp với các tác nhân phản ứng khác là cần thiết Nếu lượng hơi nước quá nhiều, sẽ dẫn đến tình trạng dư thừa, tiêu tốn năng lượng và giảm hiệu suất tạo khí CO, đồng thời làm tăng lượng H2 Ngược lại, nếu lượng hơi nước quá ít, hiệu suất tạo H2 cũng sẽ giảm Do đó, việc cân bằng lượng nước là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong quá trình khí hóa.

CO vì thế nghiên cứu để điều chỉnh lượng nước phù hợp là rất cần thiết

2.4.5 Ảnh hưởng của nguyên liệu

Các nguyên liệu có độ ẩm cao như củi gỗ, mía, và ngô cần được sấy sơ bộ để tách ẩm trước khi chuyển đổi thành nhiên liệu khí qua quá trình khí hóa Khi độ ẩm nguyên liệu tăng cao, không chỉ tiêu tốn nhiệt để bốc hơi và đốt nóng mà còn làm giảm chất lượng khí sản xuất Do đó, công nghệ khí hóa yêu cầu tổ chức lớp nguyên liệu với chiều cao phù hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa, dẫn đến việc tăng giá thành cho mỗi đơn vị nhiên liệu chuẩn.

2.4.6 Ảnh hưởng của tro xỉ

Tro được tách ra trong quá trình khí hóa và rơi xuống dưới bếp, nơi nhiệt độ cao có thể làm nóng tro Nếu nhiệt độ nóng chảy của tro thấp, nó sẽ chảy và đóng thành tảng, cản trở quá trình khí hóa Hiện tượng kết tảng này dẫn đến gió chỉ thổi vào những chỗ thông thoáng, tạo ra khí hóa không đồng đều và làm tăng hàm lượng CO2 và N2 Nếu quá trình khí hóa kéo dài, nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng, khiến tro xỉ tích tụ nhiều hơn và gây tắc nghẽn, làm bếp không hoạt động và ảnh hưởng đến chất lượng khí thu được Để ngăn ngừa hiện tượng đóng tảng tro xỉ, cần thường xuyên vệ sinh bếp và thải tro xỉ ở đáy bếp.

2.4.7 Ảnh hưởng của kích thước nhiên liệu

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hạt nhiên liệu nhỏ hơn dẫn đến sản phẩm khí có tỷ lệ CH4, CO, C2H4 cao hơn, đồng thời giảm thiểu lượng CO2 Điều này cũng góp phần nâng cao nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa carbon (Ceff).

2.4.8 Độ ẩm nhiên liệu Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp vì vậy sấy sinh khối thu thập từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa

CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI VÀ ỨNG DỤNG

Phân loại công nghệ khí hóa sinh khối

Có nhiều cách phân loại công nghệ khí hóa sinh khối khác nhau:

- Phân loại theo cách thức vận hành: khí hóa liên tục, khí hóa theo mẻ

- Phân loại theo các cấp khí hóa: lò khí hóa một cấp, hai cấp, nhiều cấp

- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng: khí hóa than, khí hóa sinh khối

- Phân loại theo tác nhân khí hóa: lò khí hóa dùng không khí, lò khí hóa dùng oxi, lò khí hóa dùng hơi nước, lò khí hóa dùng hydro

- Phân loại theo nguồn nhiệt cấp cho quá trình khí hóa: lò khí hóa nguồn nhiệt từ quá trình cháy, lò khí hóa plasma

Lò khí hóa được phân loại theo trạng thái nhiên liệu, bao gồm lò khí hóa lớp chặt (Fixed bed), lò khí hóa lớp sôi (Fluidized bed) và lò khí hóa dòng phun (entrain flow) Trong đó, phân loại theo trạng thái lớp nhiên liệu trong lò thường được nhắc đến nhiều nhất.

3.1.2 Khí hóa lớp chặt Đây là loại thiết bị phù hợp với công nghệ khí hóa sinh khối Thiết bị này bao gồm một lò phản ứng mà trong đó nguyên liệu được nạp cố định ở trong hoặc được cho vào chậm qua các cửa cấp liệu có điều chỉnh cùng với dòng tác nhậ khí hoá đi theo giữa lớp nguyên liệu

Lựa chọn thiết bị khí hóa phụ thuộc vào nguyên liệu, mục đích sản xuất, kích thước, độ ẩm và hàm lượng tro Lò khí hóa sinh khối công nghệ khí hóa lớp chặt được phân chia thành ba loại dựa trên chiều di chuyển của nguyên liệu và sản phẩm khí đầu ra.

- Lò khí hóa ngược chiều (updraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra ngược với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa thuận chiều (downdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra cùng với chiều di chuyển của nhiên liệu

- Lò khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft): chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra cắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu

Hình 3.1: Theo thứ tự từ trái qua phải ta có thiết bị khí hóa lớp chặt kiểu ngược chiều, thuận chiều và cắt ngang

Thiết bị khí hóa tầng cố định dạng ngược chiều hoạt động bằng cách cho không khí hoặc oxy đi từ dưới lên qua vùng phản ứng cháy, ngược chiều với nguyên liệu rắn được cấp từ trên Trong quá trình này, sản phẩm khí hóa thường ở nhiệt độ tương đối thấp, không xảy ra phản ứng phân ly các hydrocacbon nặng Tuy nhiên, để sử dụng khí sản phẩm làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong hoặc tuabin khí, cần phải lọc sạch các khí này.

Trong bộ khí hóa thuận chiều, tác nhân khí hóa và nguyên liệu được đưa vào phần trên của buồng khí hóa, di chuyển cùng chiều với các sản phẩm khí hóa, giúp sản phẩm khí đi qua vùng nhiệt độ cao và tạo ra hydrocacbon nặng Sản phẩm khí thu được ở đáy lò có hàm lượng tar thấp hơn so với khí hóa ngược chiều và cần được làm nguội trong hệ thống thu hồi nhiệt Thiết bị này có quy mô nhỏ (công suất 150kWe-1Mwe) có thể chuyển đổi sinh khối thành nhiệt hoặc điện Đối với thiết bị cắt ngang, dòng không khí với vận tốc lớn tạo ra sự tuần hoàn và đi ngang qua lớp nguyên liệu, tạo ra vùng nhiệt độ cao và hàm lượng tar thấp, đồng thời cho phép điều chỉnh tốc độ nạp liệu Nguyên liệu vào cần có hàm lượng tro thấp để tránh tạo xỉ do thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao.

-Đặc điểm của khí hoá sinh khối theo lớp chặt:

Khả năng khí hoá sinh khối theo lớp cố định thường phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước, hình dạng, khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, thành phần hóa học của tro và nhiệt trị của sinh khối.

Khả năng lưu chuyển của sinh khối bên trong thiết bị khí hóa phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng riêng chất đống của sinh khối

Tổn thất áp suất trong thiết bị khí hóa gia tăng khi kích thước hạt nhiên liệu giảm, điều này có thể làm hạn chế tốc độ lưu động của không khí trong thiết bị.

Nói chung, hiệu suất khí hoá sẽ giảm khi độ ẩm của sinh khối tăng, độ ẩm của sinh khối vì thế không nên vượt quá 30%

Sinh khối với hàm lượng chất bốc thấp là nguồn nhiên liệu lý tưởng cho thiết bị khí hóa, đặc biệt trong ứng dụng động cơ đốt trong và máy phát điện công suất nhỏ Tuy nhiên, sinh khối có độ tro cao có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị khí hóa cố định, vì vậy việc thải tro xỉ cần được thực hiện liên tục hoặc định kỳ để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Nhiên liệu sinh khối có nhiệt trị cao có thể tạo ra khí cháy có nhiệt trị cao trên một đơn vị khối lượng sinh khối được khí hóa

Bảng 3.1: Ưu nhược điểm của thiết bị khí hóa tầng cố định

Loại thiết bị khí hóa Ưu điểm Nhược điểm

- Đơn giản, hiệu suất cao

- Độ giảm áp nhỏ, ít tạo xỉ

- Thích hợp nhiều loại vật liệu

- Tạo hắc ín nhiều (tar), nhạy với độ ẩm của nguyên liệu

-Tốn thời gian khởi động

- Khả năng phản ứng của khí giảm

- Dễ điều chỉnh khí sản phẩm

- Hiệu suất khí thấp hơn so với kiểu từ trên xuống

- Hạn chế với nguyên liệu nhỏ

- Chiều cao thiết bị lớn

- Chiều cao thiết bị nhỏ

- Dễ điều chỉnh khí sản phẩm

- Không phù hợp với nhiên liệu nhiều tro

3.1.3 Khí hóa sinh khối lớp sôi

Lò khí hóa sinh khối công nghệ lớp sôi được phân thành hai loại chính: thiết bị khí hóa sinh khối kiểu sôi bọt (BFB) và thiết bị khí hóa sinh khối kiểu sôi tuần hoàn (CFB), dựa trên trạng thái và sự di chuyển của hạt liệu trong quá trình khí hóa.

Thiết bị khí hóa sinh khối BFB

Nguyên lý hoạt động của thiết bị khí hóa sinh khối BFB là các hạt nhiên liệu rắn nhỏ được duy trì trong trạng thái lơ lửng nhờ dòng không khí thổi từ dưới lên, kết hợp với vật liệu trơ như cát.

Hình 3.2: Thiết bị khí hóa tầng sôi

Thiết bị khí hóa sinh khối CFB

Nguyên lý hoạt động của thiết bị khí hóa sinh khối CFB dựa trên sự tương tác giữa các hạt nhiên liệu rắn và khí trong lớp sôi, nơi các hạt này di chuyển theo dòng khí Tại đầu ra phía trên của thiết bị, các hạt rắn được tách ra khỏi dòng khí nhiên liệu thông qua cyclon và được đưa trở lại phía dưới của thiết bị khí hóa Đây là những đặc điểm nổi bật của quá trình khí hóa sinh khối theo lớp sôi.

Hệ thống khí hóa lớp sôi là giải pháp tối ưu cho nhiên liệu có độ chứa tro cao và tro có điểm nóng chảy thấp, với nhiệt độ làm việc duy trì trong khoảng 750-950 độ C, giúp ngăn chặn việc tạo xỉ So với khí hóa thuận chiều (downdraft), khí hóa lớp sôi có ưu điểm nổi bật về tính linh hoạt trong việc sử dụng nhiên liệu đầu vào và khả năng hoạt động ở dải công suất lớn Tuy nhiên, công nghệ này cũng tạo ra lượng bụi và tar nhiều hơn so với phương pháp khí hóa kiểu downdraft.

Công nghệ khí hoá kiểu lớp sôi thường được sử dụng cho các hệ thống có công suất lớn hơn so với thiết bị khí hoá theo lớp cố định Các ứng dụng chính bao gồm lò hơi công nghiệp, hệ thống đồng phát nhiệt điện (CHP), nhà máy nhiệt điện chu trình kết hợp (IGCC) và động cơ diesel.

Thiết bị khí hóa dạng tầng sôi đã khắc phục những hạn chế của thiết bị khí hóa than, đặc biệt là vấn đề chuyển hóa cacbon thấp do nhiệt độ ở các lớp thấp (800-1000 o C) Với nhiệt độ khí hóa thấp hơn, thiết bị tầng sôi tỏ ra triển vọng cho khí hóa sinh khối chứa lignoxenlulo Hơn nữa, những phức tạp trong thiết bị tầng cố định và chuyển động kiểu thổi lên đã được giải quyết, mở ra cơ hội cho nhiều hoạt động khí hóa sinh khối quy mô lớn ứng dụng công nghệ tầng sôi Nhiều loại thiết bị tầng sôi đã được khảo sát trong quá trình này.

Thiết bị khí hóa dạng tầng sôi tận dụng ưu điểm của phương thức tiếp xúc khí-rắn với khả năng pha trộn và tốc độ phản ứng cao Nhiên liệu được nạp vào lò qua vách bộ phản ứng, nơi gặp dòng khí nóng, nhanh chóng chuyển sang trạng thái khí hóa Sự tiếp xúc giữa tầng vật liệu nóng và nhiên liệu giúp truyền nhiệt hiệu quả, tăng tốc độ khí hóa Dòng khí vào thiết bị (oxy, hơi nước, nitơ hay không khí) cần đủ mạnh để nâng các hạt sinh khối nhưng không quá mạnh để tránh kéo nguyên liệu lên quá cao Sau khi khí hóa, nguyên liệu trở nên nhẹ hơn, dễ bị kéo lên và thoát ra ngoài thiết bị Cyclon được lắp đặt để thu gom các hạt than và tro, cho phép chúng được tuần hoàn lại.

Hình 3.3: Thiết bị khí hóa tầng sôi điển hình

Công nghệ khí hóa tầng cố định

Để ứng dụng khí hóa sinh khối vào thực tế cần phải xác định ba vấn đề sau:

- Đối tượng sử dụng và chi phí

Nước ta là một quốc gia nông nghiệp với nền nông nghiệp lúa nước, trong đó 3/4 diện tích là đồi núi, dẫn đến việc sản xuất nhiều phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, trấu, cây ngô, đậu, lạc, vỏ dừa và mùn cưa Tuy nhiên, hiện tại chưa có dự án quy mô lớn nào để tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này Mặc dù đây là nguồn nhiên liệu phong phú ở nông thôn, nhưng hàng năm chỉ một phần nhỏ được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, trong khi phần lớn còn lại bị đốt hoặc phân hủy, gây ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu và phát triển bếp khí hóa sinh khối là giải pháp hiệu quả giúp nông dân tận dụng nguồn nhiên liệu phong phú cho việc nấu nướng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với phương pháp đun nấu truyền thống.

Bếp này hoạt động dựa trên nguyên lý khí hoá, trong đó nhiên liệu được sấy khô và đốt trong môi trường yếm khí, tạo ra hỗn hợp khí như CO, CH4 và CmHn.

Các quá trình xảy ra theo thứ tự sau:

* Sấy khô (Drying): Nhiên liệu bốc hết hơi nước -> nhiên liệu khô

* Nhiệt phân (Pyrolysis): Nhiên liệu khô được đốt yếm khí tạo ra charcoal và tar gas

Than hoa và tar khí đốt ở môi trường giàu không khí tạo ra CO2 và H2O

* Quá trình suy giảm (Redution):

CO2 và H2O đi qua than nóng phản ứng ở nhiệt độ cao tạo ra H2 và CO

➢ Ứng dụng sản phẩm khí hoá để đốt dưới dạng khí và sinh nhiệt

Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ rất cao (800 o C -1000 o C) nên rất tiện lợi trong việc làm bếp đun gia đình, chủ yếu là các gia đình ở nông thôn hiện nay

Trong quá khứ, trong các cuộc chiến tranh, quân đội các nước Âu Mỹ thường sử dụng loại bếp này vì tính năng không phát sinh khói, giúp họ tránh bị kẻ địch phát hiện.

➢ Đối tượng sử dụng và chi phí Đối tượng: Các gia đình ở nông thôn vì ở đây có nguồn nhiên liệu sinh khối, phế phẩm nông nghiệp dồi dào

Chi phí sản xuất thiết bị khí hóa rất thấp, chỉ từ 300.000 đến 5.000.000 đồng, nhờ vào cấu tạo đơn giản và áp suất thấp Điều này làm cho thiết bị này phù hợp với thu nhập của các gia đình nông thôn ở Việt Nam.

Khí hóa sinh khối được ứng dụng trong thực tế cho bếp đun:

3.2.1 Công nghệ khí hóa từ dưới lên

Hình 3.6: Bếp khí hóa ngược chiều a Nguyên lý hoạt động

Nhiên liệu được đốt cháy ở lớp dưới cùng, ở đây gió được cấp từ dưới lên mang theo oxi nên tạo ra sự cháy tạo thành CO2 và H2O:

Sản phẩm cháy gồm: H2O, CO2, và một số sản phẩm do sự nhiệt phân sẽ đi qua than nóng và xảy ra quá trình suy giảm như sau:

C + CO2= 2CO (- 164.9 MJ/kg mole) (3.3)

CO + H2O = CO + H2 (+ 42 MJ/kg mole) (3.5)

Phản ứng CO2 + H2 = CO + H2O (-42.3 MJ/kg mole) là phản ứng chính trong quá trình suy giảm, trong đó phản ứng này thu nhiệt và có khả năng làm giảm nhiệt độ của khí xuống khoảng 800 độ.

1000 độ C xuống chỉ còn 700-800 độ C

Quá trình nhiệt phân nhiên liệu diễn ra phức tạp, với sản phẩm khí phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và thời gian Quá trình này chủ yếu tạo ra hắc ín, một thành phần không mong muốn cho quá trình cháy Nhiệt phân sử dụng nhiệt từ dòng sản phẩm khí để sấy khô nhiên liệu, giúp nhiên liệu dễ sử dụng trong các quy trình tiếp theo.

Tiết kiệm năng lượng, hiệu quả cao Chỉ cần 1kg nhiên liệu chúng ta có thể đun sôi 8 lít nước tùy theo hiệu suất của từng loại bếp

Tận dụng được nguồn nhiên liệu phế phẩm nông nghiệp, đây là nguồn nhiên liệu rất lớn và rẻ tiền ở nông thôn

Bếp đun không khói là sản phẩm thân thiện với môi trường, có áp suất khí thấp, đảm bảo an toàn khi sử dụng và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và dễ sử dụng, bếp rất phù hợp với nhu cầu của người nông dân.

Khói bếp có hàm lượng CO cao chứa nhiều thành phần độc hại như CH4, CO và H2, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người sử dụng.

Sản phẩm khí đi qua vùng nhiệt phân chứa nhiều hắc ín, gây khó khăn trong việc khởi động bếp và có thể dẫn đến tổn thất CO cao.

3.2.2 Công nghệ khí hóa từ trên xuống

Hình 3.7: Bếp khí hóa nhiên liệu từ trên xuống a Nguyên lý hoạt động

Bếp này hoạt động đơn giản với nhiên liệu như trấu và mùn cưa được nén chặt trong lò, quạt thổi khí từ dưới lên, giúp đốt trực tiếp trên bề mặt bếp Ưu điểm của loại bếp này là dễ dàng trong chế tạo và sử dụng.

Nhược điểm: Tạo ra nhiều khói, hiệu quả đốt không cao, ngọn lửa vẫn màu đỏ chứng tỏ sẽ tạo ra rất nhiều CO

3.2.3 Công nghệ khí hóa kiểu đi ngang

Hình 3.8: Bếp khí hóa theo công nghệ đi ngang

Bếp hoạt động theo chiều ngang, với không khí được thổi vào một bên và khói được thoát ra phía đối diện Quá trình diễn ra từ trái sang phải bao gồm: sấy khô nhiên liệu biomass, nhiệt phân, cháy, và cuối cùng là quá trình suy giảm.

Sản phẩm khí sau khi cháy tạo ra CO2 và H2O theo phương trình:

Phản ứng giữa carbon và oxy tạo ra khí carbon dioxide với năng lượng giải phóng là 393 MJ/kg mole Tương tự, phản ứng giữa hydro và oxy tạo ra nước với năng lượng tiêu thụ là 242 MJ/kg mole Sau đó, hỗn hợp sản phẩm khí sẽ đi qua vùng suy giảm, tạo ra hỗn hợp khí gồm CO, CH4 và H2, đồng thời giảm nhiệt độ xuống còn khoảng 600 đến 700 độ C Hỗn hợp khí này có thể được sử dụng để đốt bằng bếp hồng ngoại.

C + CO2= 2CO (- 164.9 MJ/kg mole) (3.10)

CO + H2O = CO + H2 (+ 42 MJ/kg mole) (3.12)

Phản ứng CO2 + H2 tạo ra CO và H2O với năng lượng -42.3 MJ/kg mole (3.14) có những ưu nhược điểm đáng chú ý Ưu điểm lớn nhất là hỗn hợp sản phẩm khí tạo ra bao gồm CO, CH4 và H2 không đi qua vùng nhiệt phân và vùng sấy nhiên liệu, do đó lượng hắc tín trong sản phẩm khí rất thấp.

Nhược điểm của thiết bị này là chỉ có thể sử dụng những loại nhiên liệu nhỏ và mịn như trấu hoặc mùn cưa, không thể sử dụng nhiên liệu có kích thước lớn hơn do không thể phân phối không khí và nhiên liệu hiệu quả Ngoài ra, cấu tạo của nó cũng khá phức tạp.

3.2.4 Công nghệ khí hóa liên tục

Hình 3.9: Công nghệ khí hóa liên tục a Nguyên lý hoạt động

Các quá trình chính của quá trình khí hóa như sau:

● Sấy - loại bỏ hơi ẩm khỏi nguyên liệu nạp

● Nhiệt phân - phân hủy nhiệt nguyên liệu nạp thành khí hắc ín và than củi

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ KHÍ HÓA SINH KHỐI LIÊN TỤC CÔNG SUẤT NHỎ