Khả năng hấp phụ khí CO2 bằng than khí hóa từ vỏ hạt mắc-ca

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Thanh Lương

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THAN KHÍ
HĨA VỎ HẠT MẮC-CA CHO HẤP PHỤ KHÍ CO2
TRONG KHÍ THẢI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Kỹ thuật năng lượng

Hà Nội- 2022


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Thanh Lương

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THAN KHÍ
HĨA VỎ HẠT MẮC-CA CHO HẤP PHỤ KHÍ CO2
TRONG KHÍ THẢI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Kỹ thuật năng lượng

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Nam

Giảng viên đồng hướng dẫn: ThS. Vũ Ngọc Linh

Hà Nội- 2022

2


3


TÓM TẮT
.
Đồ án “Nghiên cứu khả năng ứng dụng than khí hóa vỏ hạt mắc-ca cho hấp phụ
khí CO2 trong khí thải” với mục tiêu chính là thực hiện đo khả năng hấp phụ khí của
vật liệu. Việc sử dụng than khí hóa làm chất hấp phụ khí CO 2 vừa giúp giảm thiểu ô
nhiễm môi trường vừa giúp giảm thiểu lượng phụ phẩm nông nghiệp. Mắc-ca vỏ cứng
được sử dụng làm ngun liệu đầu vào cho cơng nghệ khí hóa ở điều kiện 950 oC trong
mơi trường 20 % N2 và 20 % H2O. Kết quả phân tích FTIR cho thấy có rất ít nhóm
chức xuất hiện trên bề mặt than, chứng tỏ sự hấp phụ khí CO 2 chủ yếu là hấp phụ bằng
cơ chế hấp phụ vật lý. Kết quả đo diện tích bề mặt của than khí hóa là 802,96 m 2/g, có
diện tích khá cao so với các loại than sinh học khác. Ứng dụng của than khí hóa trong
hấp phụ khí CO2 được thực hiện trong phịng thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ phịng và
áp suất khí quyển, tốc độ dịng CO2 3 lít/phút, đạt giá trị cao nhất và ổn định 2,27
mmol/g. Trong đồ án nghiên cứu chỉ ra khả năng hấp phụ vật lý khí CO 2 bị ảnh hưởng
bởi yếu tố nhiệt độ trong môi trường hấp phụ và nồng độ khí CO 2. Kết quả này chứng
minh than khí hóa hạt mắc-ca vỏ cứng có thể được sử dụng làm chất hấp phụ khí CO 2
rẻ và thân thiện với mơi trường.
Từ khóa: hấp phụ CO2, than khí hóa mắc-ca, khí hóa, mắc-ca.


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn trường Đại học Công Nghệ- ĐHQG HN

cùng các thầy cô giảng viên trong khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, đã tạo điều
kiện cho em được học tập, tiếp thu và tích lũy nhiều kiến thức quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn hai thầy hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Hồng Nam và
Thạc sĩ Vũ Ngọc Linh đã ln tận tình giúp đỡ, cung cấp kiến thức, tài liệu trong thời
gian em thực hiện nghiên cứu và không ngừng hỗ trợ để em hoàn thành đồ án nghiên
cứu này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Văn Đông đã giúp đỡ, hướng dẫn
em vận hành các thiết bị thí nghiệm trong thời gian thực hiện nghiên cứu tại phòng
Clean-ED. Và em xin cảm ơn trường Đại học Khoa học Công Nghệ đã tạo điều kiện
cung cấp địa điểm cho em thực hiện nghiên cứu này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên em trong
suốt thời gian thực hiện đồ án nghiên cứu này.
Do kiến thức còn chưa chuyên sâu, cách thực hiện đồ án cịn nhiều thiếu sót nên
đồ án khơng tránh khỏi những lỗi sai, em kính mong thầy cơ giúp đỡ để em có bản đồ
án hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 14 tháng 12 năm 2022
Sinh viên
Lương
Trần Thanh Lương

ii


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu của em
cùng với sự hỗ trợ của giảng viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Hồng Nam, ThS. Vũ
Ngọc Linh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa
cơng bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Việc tìm hiểu trong sách tham khảo cũng
như các trang web, hay tạp chí được ghi vào mục “TÀI LIỆU THAM KHẢO” phía
cuối báo cáo đồ án tốt nghiệp. Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của đồ

án này.

Hà Nội, ngày 14 tháng 12 năm 2022
Sinh viên
Lương
Trần Thanh Lương

iii


MỤC LỤC

TĨM TẮT...............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................iii
MỤC LỤC.............................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................vii
DANH MỤC KÝ HIỆU......................................................................................viii
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................1
Chương 1. Tổng quan...........................................................................................3
1.1.

Giới thiệu về nguồn nguyên liệu từ vỏ hạt mắc-ca..................................3

1.1.1. Giới thiệu về cây mắc-ca.....................................................................3
1.1.2. Tình hình phát triển cây mắc-ca..........................................................4
1.2.

Cơng nghệ khí hóa sinh khối...................................................................5

1.2.1. Khí hóa sinh khối................................................................................5
1.2.2. Các cơng nghệ khí hóa sinh khối.........................................................9
1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của khí hóa sinh khối...................................14
1.3.

Hấp phụ khí CO2....................................................................................15

1.3.1. Khí CO2.............................................................................................15
1.3.2. Hấp phụ khí CO2................................................................................21
1.4.

Các cơng nghệ thu giữ khí CO2.............................................................23

Chương 2. Vật liệu và phương pháp..................................................................25
2.1.

Nguyên liệu mắc-ca vỏ cứng.................................................................25

2.2.

Thu thập vật liệu sử dụng làm mẫu đo..................................................25

2.3.

Các phương pháp phân tích...................................................................26
iv


2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA-DTG)....................26

2.3.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier- FTIR...........27
2.3.3. Phương pháp phân tích diện tích bề mặt - Method of Brunauer,
Emmett, and Teller (BET)......................................................................................27
2.3.4. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử qt (SEM-Scanning
Electron Microscope).............................................................................................29
2.4.

Q trình thực hiện thí nghiệm..............................................................30

2.4.1. Đo hấp phụ khí CO2...........................................................................30
Chương 3. Kết quả và thảo luận.........................................................................32
3.1.

Nghiên cứu đặc tính của vật liệu mắc-ca vỏ cứng.................................32

3.1.1. Thành phần đặc tính vật lý của mắc-ca vỏ cứng...............................32
3.1.2. Kết quả phân tích TGA-DTG của mắc-ca vỏ cứng...........................33
3.1.3. Kết quả phân tích tỷ lệ chuyển đổi than............................................34
3.2.

Nghiên cứu đặc tính lý-hóa học của vật liệu than khí hóa.....................35

3.2.1. Kết quả phân tích FTIR của than khí hóa..........................................35
3.2.2. Kết quả phân tích hấp/giải N2 của than khí hóa................................36
3.2.3. Kết quả ảnh SEM của than khí hóa...................................................38
3.3.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO2 của vật liệu than khí hóa.........39

3.3.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO 2 trong điều kiện phịng thí

nghiệm nhiệt độ 25 oC và nồng độ khí CO2 100 %................................................39
3.3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO 2 trong điều kiện nhiệt độ
phịng 25oC ở nồng độ khác nhau (40 % và 100 %)...............................................40
3.3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO 2 ở nồng độ khí CO2 40 % và
nhiệt độ khác nhau..................................................................................................41
3.4.

Định hướng nghiên cứu tiếp theo..........................................................41

Chương 4. Kết luận............................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................43

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1.Các loại hạt của bốn lồi Macadamia có nguồn gốc từ Đơng Nam
Queensland và Đơng Bắc NSW, Úc.[1].................................................................3
Hình 1. 2.Sơ đồ khí hóa sinh khối [7].....................................................................7
Hình 1. 3. Thiết bị khí hóa dịng chảy.[8].............................................................10
Hình 1. 4. Thiết bị khí hóa Downdraft [8]............................................................10
Hình 1. 5. Thiết bị khí hóa Updraft [8].................................................................11
Hình 1. 6. Thiết bị khí hóa tầng sơi: a) sủi bọt, b) tuần hồn [8]..........................12
Hình 1. 7. Thiết bị khí hóa lị quay [8].................................................................12
Hình 1. 8. Thiết bị khí hóa sử dụng cơng nghệ plasma [8]..................................13
Hình 2. 1. Hình ảnh mắc-ca vỏ cứng....................................................................25
Hình 2. 2. Sơ đồ quá trình tạo ra vật liệu..............................................................25
Hình 2. 3. Đường cong TGA (nét liền) và DTG (nét đứt) của chuyển đổi sinh
khối trong khí trơ..................................................................................................26
Hình 2. 4. Các kiểu đường đẳng nhiệt hấp phụ ni-tơ [27]....................................29

Hình 2. 5. Thiết bị đo q trình hấp phụ khí CO2 macro TGA.............................31
Hình 3. 1. Đường cong TGA-DTG của hạt mắc-ca vỏ cứng................................33
Hình 3. 2. Tỷ lệ chuyển đổi than mắc-ca vỏ cứng ở nhiệt độ 950 oC...................34
Hình 3. 3. Kết quả phân tích FTIR của than khí hóa từ mắc-ca vỏ cứng.............35
Hình 3. 4. Đường hấp phụ/giải hấp N2 của than khí hóa từ vỏ hạt mắc-ca..........36
Hình 3. 5. Sự phân bố kích thước lỗ của than khí hóa mắc-ca vỏ cứng...............37
Hình 3. 6. Kết quả phân tích hấp phụ khí CO2 trong điều kiện thí nghiệm ở 0 oC.
..............................................................................................................................38
Hình 3. 7. Ảnh chụp SEM của bề mặt than khí hóa từ vỏ hạt mắc......................38
Hình 3. 8. Kết quả hấp phụ khí CO2 của than khí hóa từ vỏ hạt mắc-ca ở điều
kiện 25 oC và nồng độ 100 % khí CO2..................................................................39
Hình 3. 9. Kết quả đo hấp phụ khí CO2 trong nhiệt độ 25 oC hai điều kiện nồng
độ khí CO2 khác nhau: a) 40 % và b) 100 %........................................................40
Hình 3. 10. Kết quả đo hấp phụ khí CO 2 cùng nồng độ khí CO2 40 % và hai điều
kiện nhiệt độ khác nhau: a) 25 oC và b) 70 oC......................................................41

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Diện tích trồng Mắc-ca tính đến tháng 5/2021......................................4
Bảng 1. 2. Sản lượng mắc-ca theo vùng (tấn)........................................................5
Bảng 1. 3. Dự báo phát thải khí nhà kính của Việt Nam đến năm 2030.[14].......16
Bảng 1. 4. Các sản phẩm năng lượng được chuyển hóa từ khi CO2.....................19
Bảng 3.1. Các đặc tính của hạt mắc-ca vỏ cứng...................................................32
Bảng 3. 2. Diện tích bề mặt và thể tích mao quản của than khí hóa.....................37

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đại lượng

Thứ nguyên

%wt

Phần trăm trọng lượng

A

Hàm lượng tro

Char

Sản phẩm rắn sau quá trình nhiệt phân

DTG

Độ hụt khối

%

FC

Hàm lượng carbon cố định

%

HV

Nhiệt trị của mẫu sinh khối

MJ/kg

KNK

Khí nhà kính

M

Độ ẩm

Tar

Hắc ín

TGA

Phân tích nhiệt trọng lượng

VM

Hàm lượng chất bốc bay

%

%

viii

%


LỜI MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đồ án
Xã hội ngày càng phát triển đã kéo theo hàng loạt vấn đề cần được quan tâm, chú
ý ở mức báo động như biến đổi khí hậu tồn cầu, trái đất nóng lên, ô nhiễm môi
trường. Phát thải khí nhà kính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng biến đổi khí
hậu, dự báo lượng phát thải khí nhà kính sẽ tiếp tục tăng trong vài thập kỷ tới nếu
khơng có biện pháp cắt giảm hay thu giữ nó. Đặc biệt, khí carbon dioxide (CO 2) là một
trong sáu loại khí nhà kính gây ra nhiều tác động tiêu cực đối với Trái Đất, chính là
nguyên nhân của hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Lượng phát thải khí nhà kính ở Việt
Nam năm 2020 lên đến 564 triệu tấn CO2 và dự báo đến năm 2025 có thể lên đến 764
triệu tấn CO2. Những tác hại do phát thải khí CO 2 gây ra khiến chúng ta phải tìm ra các
biện pháp giảm thiểu như thu giữ nó. Hiện nay trên thế giới có nhiều cơng nghệ để thu
giữ khí CO2 như sử dụng các vật liệu làm chất hấp phụ, có hai cơ chế hấp phụ là hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Các loại vật liệu được sử dụng để làm chất hấp phụ
điển hình như than sinh học, zeolit, chất xúc tác quang, than hoạt tính, polyme vi xốp,
khung cơ kim (MOFs), amin rắn. Một hướng đi mới trong cơng nghệ thu giữ khí CO 2
với tiêu chí chi phí thấp, dễ tìm, nguồn ngun vật liệu lớn là sử dụng than sinh học
làm chất hấp phụ. Than sinh học được sản xuất với nguyên liệu sinh khối đầu vào là
phụ phẩm trong nông nghiệp. Với hiện trạng phụ phẩm nông nghiệp của Việt Nam vẫn
chưa được tận dụng hiệu quả nên gây ra tình trạng lãng phí nguồn ngun liệu và cịn
gây ơ nhiễm đến mơi trường. Hiện nay, cơng nghệ khí hóa sinh khối đang khá phát
triển do sử dụng nguyên liệu sinh khối là gỗ, phụ phẩm nông nghiệp như rơm, trấu, vỏ
hạt… tạo ra syngas để sản xuất điện. Sau quá trình sinh ra năng lượng, đầu ra của q
trình khí hóa là chất thải rắn thành phần chính là carbon hay cịn gọi là than khí hóa.

Than khí hóa này được tận dụng để làm chất hấp phụ khí CO 2 trong khí thải. Việt Nam
đang triển khai đề án phát triển cây mắc-ca, đây loại cây thu hoạch nhân và phụ phẩm
từ nó cũng vơ cùng lớn. Việc đưa phụ phẩm là vỏ hạt mắc-ca vào làm nguyên liệu sinh
khối sẽ góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tận dụng hiệu quả nguồn ngun liệu.
Than khí hóa từ vỏ hạt mắc-ca cũng được tận dụng để làm chất hấp phụ khí.
Mục đích của đồ án
-

Nghiên cứu đặc tính lý-hóa học của mắc-ca vỏ cứng.
Nghiên cứu đặc tính lý-hóa học của vật liệu than khí hóa.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO2 bằng vật liệu than khí hóa sinh.
ix


Ý nghĩa khoa học của đồ án
Nghiên cứu về khả năng hấp phụ vật lý khí CO 2 bằng than khí hóa từ vỏ hạt
mắc-ca, để ứng dụng chế tạo ra cho các thiết bị hấp phụ khí CO2.
Ý nghĩa thực tiễn của đồ án
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí CO 2 bằng than khí hóa từ vỏ hạt mắc-ca để
có thể tận dụng chất thải rắn sinh ra sau q trình khí hóa. Chất thải rắn này nếu không
được tận dụng cũng sẽ gây ra ô nhiễm môi trường. Vì vậy, sử dụng phụ phẩm nơng
nghiệp như mắc-ca vỏ cứng để làm nguyên liệu sinh khối cho khí hóa vừa có thể sinh
ra năng lượng và chất thải rắn sinh ra sau quá trình cũng được tận dụng để làm chất
hấp phụ. Điều này sẽ giúp tránh lãng phí nguồn ngun liệu, giảm chi phí vận hành
các lị khí hóa và có thể góp phần phát triển năng lượng bền vững.

x


Chương 1. Tổng quan

1.1. Giới thiệu về nguồn nguyên liệu từ vỏ hạt mắc-ca
1.1.1. Giới thiệu về cây mắc-ca
Mắc-ca là tên gọi theo cách phiên âm tiếng việt của chi thực vật có danh pháp
khoa học Macadamia, gồm những cây rừng nhiệt đới cận nhiệt đới thuộc họ
Proteaceae. Bốn loài là Macadamia. Integrifolia, Macadamia. Tetraphylla, Macadamia.
Ternifolia và Macadamia. Jansenii, tất cả đều có nguồn gốc từ bờ biển phía đơng của
Úc ở phía bắc New South Wales và miền nam Queensland. Macadamia integrifolia và
M. tetraphylla và các giống lai của chúng được trồng trên khắp thế giới vì hạt nhân
chất lượng cao của chúng được ăn sống, nướng hoặc trong các món nướng và bánh
kẹo. Dầu được sử dụng để nấu ăn, salad và mỹ phẩm. Ngồi ra cịn có việc sử dụng
công nghiệp của hạt nhân để sản xuất dầu diesel sinh học và vỏ cho các sản phẩm gỗ
composite, than sinh học và nano. Macadamia là loại hạt thương mại có năng suất dầu
cao nhất với khoảng 75% dầu theo trọng lượng tươi. Dầu chủ yếu là chất béo khơng
bão hịa đơn (khoảng 80%) chủ yếu là oleic nhưng với một lượng đáng kể axit
palmitoleic. Đây là một nguồn chất dinh dưỡng phong phú với một số lợi ích sức khỏe
bao gồm giảm nguy cơ mắc bệnh mạch vành và béo phì, cũng như có đặc tính kháng
khuẩn [1]. Đây là cây gỗ lớn, thường xanh cao tới 18m, tán rộng tới 15m, đặc điểm
chung của loài là rễ cọc kém phát triển, cây có tán rộng, rễ nơng vì vậy cây chịu gió
bão kém.

xi


Hình 1. 1.Các loại hạt của bốn lồi Macadamia có nguồn gốc từ Đông Nam
Queensland và Đông Bắc NSW, Úc.[1]
1.1.2. Tình hình phát triển cây mắc-ca
Cây mắc-ca đã được nhập về trồng ở Việt Nam, trồng thử nghiệm đầu tiên tại Ba
Vì (Hà Nội) sau đó được trồng thử nghiệm tại Con Cng (Nghệ An), Tràng Định
(Lạng Sơn), ng Bí (Quảng Ninh), Mai Sơn (Sơn La), Đồng Hới (Quảng Bình),
Krơng Năng (Đắc Lắc), Đắc Plao (Đắc Nông), Đại Lải (Vĩnh Phúc)[2]. Tại Việt Nam,

có nhiều vùng khí hậu với diện tích lớn hàng triệu héc ta, đáp ứng được yêu cầu khí
hậu và thổ nhưỡng này. Qua thực tế phát triển mắc-ca, đã chứng tỏ vùng Tây Nguyên
và Tây Bắc của Việt Nam rất phù hợp với cây mắc-ca. Ngoài ra, có thể có một số tiểu
vùng miền núi cao phía Tây của các tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Quảng Trị, Nghệ
An, Thanh Hóa và phía Tây của nhiều tỉnh khác có điều kiện khí hậu mát mẻ, á nhiệt
đới cũng có thể phát triển được mắc-ca. Sản phẩm có giá trị kinh tế là quả mắc-ca.
Tuổi thọ kinh doanh khoảng 40-60 năm.
Giai đoạn 2010- 2020, tổng diện tích trồng mắc-ca trên thế giới tăng từ 140,000
ha năm 2010 lên 451,767 ha năm 2020 (tăng bình quân 31,767 ha/năm), sản lượng
tăng từ 97,600 tấn hạt năm 2010 lên 224,411 tấn hạt năm 2020 (tăng bình quân 12,681
tấn hạt/năm). Tuy nhiên, dự báo trong thời gian tới diện tích và sản lượng mắc-ca trên
thế giới sẽ tăng chậm và cơ bản ổn định vì quỹ đất thích hợp trồng mắc-ca bị hạn chế;
trong khi nước ta có nhiều vùng đất và khí hậu thích hợp trồng mắc-ca với diện tích
lớn. Vì vậy, đây là cơ hội để nước ta có thể mở rộng diện tích trồng mắc-ca nhằm đáp
ứng nhu cầu tiêu thụ của thị trường trong thời gian tới[3].
Bảng 1. 1. Diện tích trồng Mắc-ca tính đến tháng 5/2021.

STT Vùng trồng

Quy
hoạch

Đã
trồng

(ha)

( ha)

Trồng thuần

Tỷ lệ Diện
%
tích

Trồng xen

( ha)

Diện
Tỷ lệ tích
%
( ha)

Tỷ lệ
%

1

Tây Bắc

3.450

7.648

221,7

5218,2

68,2

2429,8

31,8

2

Tây Nguyên

6.490

9.868

152,0

1691,5

17,1

8176,5

82,9

3

Vùng khác

1127,2

85,1

196,8

14,9

8036,9

42,7

10803,1

57,3

Tổng

1.324
9.940

18.840

189,5

xii


Theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn, tính đến hết năm 2021
thì Việt Nam đã có 29 tỉnh đã trồng cây mắc-ca, diện tích đã trồng khoảng 18.840 ha
với sản lượng hạt mắc-ca trong năm 2021 ước tính đạt khoảng 8.514 tấn hạt NIS.
Bảng 1. 2. Sản lượng mắc-ca theo vùng (tấn).

Vùng trồng

Sản lượng theo phương thức
trồng

Tổng sản
lượng năm
2021

Trồng thuần

Trồng xen

Tây Bắc

1.284,4

370,0

1.654,4

Tây Nguyên

1.681,6

4.774,9

6.456,5

388,4

14,9

403,3

3.354,4

5.159,8

8.514,2

Vùng khác
Tổng

Với diện tích trồng mắc-ca đang được quan tâm phát triển, sản lượng thu hoạch
lớn kéo theo lượng phụ phẩm vỏ hạt mắc-ca từ các cơ sở chế biến cũng tăng theo.
Chính vì vậy, việc tận dụng lượng phụ phẩm lớn này cũng được quan tâm, một trong
những hướng đi mới là sử dụng làm ngun liệu sinh khối.
1.2. Cơng nghệ khí hóa sinh khối
1.2.1. Khí hóa sinh khối
Hiện nay, nhu cầu năng lượng trên thế giới phần lớn được cung cấp bởi ba loại
nhiên liệu hóa thạch lớn là dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Phần cịn lại năng lượng
được cung cấp đến từ sinh khối, thủy điện, hạt nhân, gió, địa nhiệt và mặt trời. Q
trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất năng lượng đã gây ra những tác động
tiêu cực đến môi trường, xã hội, làm tăng nồng độ khí CO 2 tồn cầu dẫn đến hiện
tượng biến đổi khí hậu. Chính vì tình trạng này đã tạo điều kiện cho nguồn năng lượng
tái tạo được triển khai mạnh mẽ, trong đó có sự phát triển của năng lượng sinh khối.
Nguồn năng lượng sinh khối sạch vì có hàm lượng lưu huỳnh, ni-tơ và tro khơng
đáng kể, tạo ra lượng khí thải sulfur dioxide, nitơ oxit và bồ hóng thấp hơn so với
nhiên liệu hóa thạch thơng thường. Sinh khối được định nghĩa là bất kỳ vật liệu
hydrocarbon nào chủ yếu bao gồm carbon, hydro, oxy, nitơ và một số thành phần khác

với tỷ lệ nhỏ. Nguồn nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ và chất thải có nguồn gốc từ
gỗ, chất thải hữu cơ khác nhau, chất thải nông nghiệp và cây trồng, chất thải động vật,
… Các thành phần của sinh khối bao gồm cellulose, hemicelluloses, lignin, chiết xuất,
xiii


lipid, protein, đường đơn giản, tinh bột, nước, hydrocarbon, tro và các hợp chất khác
[4]. Sinh khối được sử dụng để đáp ứng nhiều nhu cầu năng lượng khác nhau, bao gồm
phát điện, sưởi ấm nhà ở, cung cấp nhiên liệu cho phương tiện giao thông và cung cấp
nhiệt quy trình cho các cơ sở cơng nghiệp.
Trong năng lượng sinh khối, khí hóa ngày càng được quan tâm nghiên cứu và
tính thương mại hơn do có chi phí thấp, nguồn nguyên liệu đa dạng, hiệu quả ứng dụng
vào việc phát điện cao hơn so với các phương pháp thông thường như đốt rác để tạo ra
hơi nước cho tuabin.
Khí hóa là q trình chuyển hóa ngun liệu thơ hoặc rắn thành nhiên liệu khí
tổng hợp hoặc ngun liệu hóa học có thể đốt cháy được để giải phóng năng lượng [5].
Khí tổng hợp này có thể được sử dụng để sản xuất điện, nhiệt hoặc cả nhiệt và điện
đồng thời. Q trình khí hóa bao gồm các giai đoạn sau: sấy khơ, nhiệt phân, oxy hóa
(đốt cháy một phần), khử. Khí hóa được thực hiện trong điều kiện mơi trường lị với
các tác nhân có thể như khơng khí, oxy (O 2), carbon dioxide (CO2), hơi nước (H2O)[6].
Hàm lượng nhiệt của khí tổng hợp phụ thuộc vào điều kiện khí hóa. Các giá trị nhiệt
của khí tổng hợp sản xuất từ khí hóa trong điều kiện mơi trường khơng khí, hơi nước
và oxy lần lượt là khoảng 4–7, 10–18 và 12–28 MJ/Nm3 [7]. Các sản phẩm cuối cùng
của quá trình khí hóa có hai dạng là “char” và khí tổng hợp. Khí tổng hợp được tạo ra
là hỗn hợp khí của carbon monoxide (CO), hydro (H2), methane (CH4) và carbon
dioxide (CO2) cũng như các hydrocarbon nhẹ như etan và propan và các carbon hydro
nặng hơn chẳng hạn như tar. Các khí khác chẳng hạn như sulphidric (H2S) và axit clo
hydric (HCl), hoặc khí trơ chẳng hạn như nitơ (N 2) cũng có thể xuất hiện trong khí
tổng hợp. Sự xuất hiện của các khí này cịn phụ thuộc vào việc xử lý sinh khối và các
điều kiện trong lị khí hóa [8]. Sự hình thành của tar trong q trình nhiệt phân là một

vấn đề nghiêm trọng. Tar là một chất lỏng đặc và nhớt, có chứa các hydrocarbon thơm
nặng và thường có hàm lượng kim loại nặng cao. Nó có khả năng gây ra các vấn đề
vận hành vì gây tắc nghẽn do sự ngưng tụ và hình thành hắc ín và suy giảm chất lượng
của khí sản phẩm. Char hay được gọi là than khí hóa được tạo ra là một hỗn hợp của
phần hữu cơ không chuyển hóa, chủ yếu là carbon và tro. Phần hữu cơ chưa chuyển
hóa chủ yếu phụ thuộc vào cơng nghệ khí hóa và điều kiện hoạt động của lị. Mặt khác,
lượng tro còn phụ thuộc vào việc chọn nguyên liệu và xử lý sinh khối [8]. Q trình
khí hóa sinh khối sinh ra phụ phẩm là than khí hóa, q trình khí hóa cịn được gọi là
hoạt hóa một phần than sinh học do nó được kích hoạt trong mơi trường với các tác
nhân là CO2, hơi nước và khơng khí. Từ đó, làm tăng diện tích bề mặt, thể tích lỗ trống
của vật liệu dẫn đến tăng khả năng hấp phụ vật lý của vật liệu.
xiv


Khí hóa sinh khối bao gồm các q trình phụ chồng chéo bao gồm sấy khơ, nhiệt
phân, oxy hóa một phần. Tất cả quá trình được biểu diễn dưới sơ đồ:

Hình 1. 2.Sơ đồ khí hóa sinh khối [7].
Q trình khí hóa được tiến hành trong bốn bước: sấy khơ, nhiệt phân, oxy hóa
(đốt cháy một phần), khử (hình thành than):
a) Giai đoạn sấy khơ
Sấy khơ là q trình làm bay hơi của độ ẩm có trong nguyên liệu đầu vào. Lượng
nhiệt cần thiết trong giai đoạn này tỷ lệ với độ ẩm của ngun liệu. Nói chung, q
trình sấy có thể được coi là hồn thành khi nhiệt độ sinh khối đạt được 150°C. Trong
quá trình sấy, hơi ẩm trong nguyên liệu bay hơi gây ra hơi nước.
Nguyên liệu đầu vào + Nhiệt  Nguyên liệu khô +H2O
b) Giai đoạn nhiệt phân
Giai đoạn này là quá trình phân hủy nhiệt hóa của các vật liệu nền carbon, bẻ gãy
các liên kết hóa học diễn ra với sự hình thành các phân tử có khối lượng phân tử nhỏ
hơn. Khi nhiệt phân xảy ra có thể thu được các sản phẩm ở dạng rắn, dạng lỏng và

dạng khí. Ở dạng rắn, phần này bao gồm các vật liệu trơ có trong sinh khối là tro và
xv


hàm lượng carbon cao, đây là quá trình hình thành than. Ở dạng lỏng, các hydrocarbon
lớn được hình thành thường hay gọi là tar, chiếm trọng lượng nhỏ và phụ thuộc vào
loại thiết bị khí hóa. Khi ngưng tụ đây là một chất lỏng màu đen, có tính ăn mịn và
nhớt, nó là một sản phẩm khơng mong muốn trong khí hóa. Ở dạng khí được gọi là khí
nhiệt phân bao gồm hydro, carbon monoxide, carbon dioxide và các khí hydrocarbon
nhẹ như metan và các hydrocarbon C 2, C3 và khí trơ. Các phản ứng nhiệt phân xảy ra ở
nhiệt độ khoảng 250 – 700 oC [8]. Phản ứng tổng thể của quá trình nhiệt phân
Sinh khối  H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O + Tar + Char
c) Giai đoạn oxy hóa
Trong giai đoạn oxy hóa, các vật liệu bay hơi từ sinh khối nhận được oxit trong
các phản ứng hóa học tỏa nhiệt và có khoảng nhiệt độ từ 700 – 1500 oC [9]. Giai đoạn
này rất quan trọng, nó quyết định loại và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Các
thơng số chính như áp suất, nhiệt độ bên trong lò phản ứng và các tác nhân khí hóa có
vai trị quan trọng trong sản lượng khí được sản xuất. Trong giai đoạn này, nhiệt sinh
ra từ các phản ứng tỏa nhiệt cũng được sử dụng trong quá trình sấy sinh khối và các
phản ứng nhiệt phân để làm bay hơi các vật liệu và cung cấp nhiệt cho các phản ứng
khử. Các phản ứng khơng đồng nhất diễn ra giữa nhiên liệu carbon hóa rắn và oxy có
trong khơng khí tạo ra carbon dioxide và một lượng nhiệt đáng kể, hydro kết hợp với
oxy để tạo ra hơi nước.
C + O2  CO2 ∆H = –394 kJ/mol
(Đốt cháy)
C + ½O2  CO ∆H = –111 kJ/mol (Oxi hóa một phần)
H2 + ½O2  H2O ∆H = –242 kJ/mol (Đốt cháy hydro)
d) Giai đoạn khử
Các phản ứng khử xảy ra bên trong lị khí hóa có bản chất là thu nhiệt và năng
lượng, chúng được cung cấp nhiệt từ giai đoạn oxy hóa. Giai đoạn này tạo ra các khí

sản phẩm như hydro, carbon monoxide, carbon dioxide, metan thơng qua bốn phản
ứng chính là phản ứng Boudouard, reforming của than, chuyển dịch và metan hóa, nó
xảy ra ở dải nhiệt độ từ 800 – 1100 oC [9].
Phản ứng Boudouard: C + CO2 ↔ 2CO
∆H
=
172
kJ/mole
Phản ứng cải tạo hơi nước: C + H2O ↔ CO + H2
∆H
=
131
kJ/mole
Phản ứng chuyển lỏng ⇒ khí: CO + H2O ↔ CO2 + H2 ∆H
kJ/mole
xvi

=

–41


Phản ứng tạo Metan hóa: C + 2H2 ↔ CH4
kJ/mole

∆H

=

–75

1.2.2. Các cơng nghệ khí hóa sinh khối
Các lị phản ứng được sử dụng ở quy mơ cơng nghiệp để khí hóa sinh khối đã
được xử lý trước, thường được gọi là thiết bị khí hóa, chúng khác nhau cơ bản về:
(1) Phương thức tiếp xúc giữa nguyên liệu đầu vào và các tác nhân khí hóa
(2) Phương thức và tốc độ truyền nhiệt
(3) Thời gian lưu trú của vật liệu được đưa vào lị phản ứng.
Các giải pháp cơng nghệ khác nhau có thể được thực hiện để có được các cấu
hình nhà máy khác nhau; đặc biệt, phương thức tiếp xúc của sinh khối với tác nhân khí
hóa có thể là dòng ngược dòng, đồng dòng, hoặc dòng chéo, và nhiệt có thể được
truyền từ bên ngồi hoặc trực tiếp trong lò phản ứng bằng cách sử dụng chất đốt; thời
gian lưu trú có thể theo thứ tự giờ (thiết bị khí hóa tĩnh, lị quay) hoặc phút (thiết bị khí
hóa tầng sơi).
Các lị phản ứng chính được sử dụng trong q trình khí hóa sinh khối là:
(1) Lị phản ứng dòng chảy
(2) Lò phản ứng giường cố định
(3) Lị phản ứng tầng sơi
(4) Lị phản ứng kiểu lị quay
(5) Lò phản ứng plasma
a) Lò phản ứng dòng chảy
Trong một lò phản ứng dòng chảy cuốn theo dòng nhiên liệu cấp liệu (hạt 0,1–1
mm) và chất khí hóa được đưa vào đồng dịng (Hình 1.3). Bộ khí hóa hoạt động ở
nhiệt độ cao (1300–1500 °C) và áp suất (25–30 bar) và bùn nước hoặc thức ăn khơ có
thể được sử dụng làm nguyên liệu. Cấp liệu bằng khí nén thường được sử dụng để
bơm nhiên liệu rắn dạng bột có áp suất vào thiết bị khí hóa, trong khi bùn được nguyên
tử hóa và sau đó được cung cấp dưới dạng nhiên liệu rắn nghiền thành bột. Lò phản
ứng dịng chảy có thể được chia thành xỉ và khơng xỉ: trong lò trước đây tro để lại lò
phản ứng dưới dạng xỉ lỏng, trong sau là xỉ không được tạo ra (1% là hàm lượng tro
tối đa cho phép). Thông thường cần phải xử lý sơ bộ dựa trên quá trình nung chảy để
giảm mật độ khối và độ ẩm, khi các hạt mịn sinh khối được sử dụng làm nguyên liệu.

Sử dụng bột sinh khối làm nhiên liệu trong q trình khí hóa dịng chảy cuốn theo có
thể tăng thêm chi phí do mật độ khối lượng lớn của nó, có thể được giảm bớt nhờ q
trình nung chảy ban đầu.

xvii