Cải thiện chất lượng độ sạch và nhiệt trị sản phẩm nhiên liệu khí của công nghệ khí hóa trấu theo kiểu updraft dựa trên khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa gasification agent xúc tác và công nghệ làm sạch

ỦY BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
“CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG (ĐỘ SẠCH VÀ NHIỆT TRỊ) SẢN PHẨM
NHIÊN LIỆU KHÍ CỦA CƠNG NGHỆ KHÍ HỐ TRẤU THEO KIỂU
UPDRAFT DỰA TRÊN KHẢO SÁT TỐI ƯU CÁC TÁC NHÂN KHÍ HỐ
“GASIFICATION AGENT”, XÚC TÁC VÀ CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH”

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trường Đại học Bách Khoa- ĐHQG, HCM
Chủ nhiệm nhiệm vụ:
TS. GVC. Hoàng Minh Nam

Thành phố Hồ Chí Minh - 2017


ỦY BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
“CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG (ĐỘ SẠCH VÀ NHIỆT TRỊ) SẢN PHẨM
NHIÊN LIỆU KHÍ CỦA CƠNG NGHỆ KHÍ HỐ TRẤU THEO KIỂU
UPDRAFT DỰA TRÊN KHẢO SÁT TỐI ƯU CÁC TÁC NHÂN KHÍ HỐ
“GASIFICATION AGENT”, XÚC TÁC VÀ CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH”
Chủ nhiệm nhiệm vụ:

TS. GVC Hoàng Minh Nam

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2017


ỦY BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
“CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG (ĐỘ SẠCH VÀ NHIỆT TRỊ) SẢN PHẨM
NHIÊN LIỆU KHÍ CỦA CƠNG NGHỆ KHÍ HỐ TRẤU THEO KIỂU
UPDRAFT DỰA TRÊN KHẢO SÁT TỐI ƯU CÁC TÁC NHÂN KHÍ HỐ

“GASIFICATION AGENT”, XÚC TÁC VÀ CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH”


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... 9
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 14
i. Giới thiệu chung biomass, cơng nghệ khí hố và hướng nghiên cứu.. 15
ii. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về cơng nghệ khí hố .................. 18
iii. Tình hình nghiên cứu trong nước về cơng nghệ khí hố................... 23
iiii. Hướng nghiên cứu về cơng nghệ khí hố và mục tiêu cần giải quyết
của đề tài ................................................................................................. 24
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................... 27
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ
KHÍ HĨA KIỂU UPDRAFT CHO NGUYÊN LIỆU TRẤU ........................... 28
1. 1Tổng quan về nguồn nguyên liệu Biomass....................................... 29
1.1.1 Khái niệm................................................................................... 29
1.1.2 Thành phần của biomass ............................................................ 29
1.2 Các q trình chuyển hóa biomass.[22] ........................................... 30
1.3 Vai trị của biomass trong cơng nghiệp năng lượng sạch ................. 31
1.4 Hiện trạng sử dụng biomass ở Việt Nam và thế giới ....................... 33
1.5 Tình hình sản xuất lúa gạo ở VN. ..................................................... 34
1.6 Trấu và ứng dụng.............................................................................. 35
1.6.1 Khái niệm, thành phần của trấu ................................................. 35
1.6.2 Nhiệt trị [12] .............................................................................. 37
1.6.3 Phương pháp thu hồi năng lượng từ vỏ trấu .............................. 38
1.7 Q trình khí hóa (Gasification) ứng dụng cho nguyên liệu biomass
................................................................................................................ 45

1


1.7.1 Giới thiệu chung ........................................................................ 45
1.7.2 Cơ sở khoa học và các kết quả nghiên cứu của q trình khí hóa
48
1.7.4 Hạn chế của cơng nghệ khí hóa cần được triển khai nghiên cứu.
62
1.7.5 Hướng nghiên cứu cải thiện hạn chế của cơng nghệ khí hố
biomass ............................................................................................... 63
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ THIẾT KẾ HỆ
THỐNG PILOT CÔNG SUẤT 5 KG TRẤU /MẺ (TỐI THIỂU)............. 64
2.1. Quy trình thiết kế thiết bị khí hố .................................................... 65
2.2 Tính các thơng số của q trình khí hóa trấu.................................... 66
2.3 Phương trình cân bằng vật chất (cân bằng khối lượng) .................... 67
2.4 Phương trình cân bằng năng lượng................................................... 68
2.5 Tính kết cấu hệ thống khí hóa .......................................................... 70
2.5.1 Đường kính của thiết bị phản ứng ............................................. 70
2.5.2 Chiều cao buồng phản ứng ........................................................ 71
2.5.3 Tốc độ khơng khí ....................................................................... 71
2.5.4 Trở lực của dịng khí .................................................................. 71
2.5.5 Tính đường ống.......................................................................... 72
2.6 Tính thiết bị phụ ............................................................................... 73
2.6.1 Thùng chứa tro ........................................................................... 73
2.6.2 Tính quạt thổi khơng khí............................................................ 74
2.6.3 Tính thiết bị ngưng tụ ................................................................ 74
2.7 Thực nghiệm chế tạo hệ thống thiết bị ............................................. 78
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT
ẢNH HƯỞNG TÁC NHÂN KHÍ HĨA ĐẾN HIỆU SUẤT KHÍ HĨA, THÀNH
PHẦN KHÍ TỔNG HỢP ................................................................................ 83

2


3.1 Điều kiện thực nghiệm: .................................................................... 84
3.1.1 Hệ thống pilot triển khai thực nghiệm ................................... 84
3.1.2 Quy trình triển khai thực nghiệm ............................................... 86
Phương pháp tính tốn : ..................................................................... 87
3.2 Kết quả nghiên cứu khảo sát hiệu ứng tác nhân khí hố .................. 89
3.2.1 Tác nhân khảo sát là khí trơ (Nitơ) ............................................ 89
3.2.2 Tác nhân khảo sát là không khí ................................................. 94
3.2.3 Tác nhân khí hố là hơi nước..................................................... 98
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XÚC TÁC CHO CÔNG NGHỆ
KHÍ HĨA THEO KIỂU UPDRAFT ............................................................. 102
4.1 Cơ sở lý thuyết chọn lựa xúc tác cho cơng nghệ khí hóa kiểu updraft
.............................................................................................................. 103
4.2 Nghiên cứu tổng hợp xúc tác .......................................................... 104
4.2.1 Chọn lựa nguồn nguyên liệu tổng hợp ..................................... 104
Dolomite ........................................................................................... 104
Bentonite ........................................................................................... 105
4.2.2 Phương pháp chuẩn bị xúc tác ................................................. 106
4.2.3 Các phương pháp phân tích mẫu xúc tác ................................. 110
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
CỦA XÚC TÁC ............................................................................................ 112
5.1 Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu thử nghiệm hiệu ứng xúc tác
.............................................................................................................. 113
5.1.1 Hệ thống thiết bị thử nghiệm ................................................... 113
5.1.2 Phương pháp đo đạc và tính tốn ứng dụng trong nghiên cứu thử
nghiệm .............................................................................................. 113
5.1 Kết quả thử nghiệm ........................................................................ 116
5.1.1 Thử nghiệm xúc tác Bentonite ................................................. 116

3


5.2 Xúc tác Ni/γ-Al2O3 ......................................................................... 127
5.2.1 Khảo sát hoạt tính của xúc tác Ni/γ-Al2O3 .............................. 127
5.2.2 Khảo sát hàm lượng xúc tác/nguyên liệu ................................. 133
5.2.3 Kết hợp xúc tác Ni/yAl2O3 và tác nhân hơi nước .................... 136
5.3 Thử nghiệm xúc tác dolomite ......................................................... 139
5.3.1 Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
dolomite ............................................................................................ 139
5.3.2 Điều kiện thí nghiệm ............................................................... 140
5.3.3 Khảo sát thành phần khí tổng hợp ........................................... 140
5.4 Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp xúc tác dolomite và
bentonite ............................................................................................... 150
5.4.1 Điều kiện thí nghiệm ............................................................... 151
5.4.2 Khảo sát thành phần khí tổng hợp ........................................... 151
5.5 Kết luận .......................................................................................... 159
CHƯƠNG 6: THỬ NGHIỆM TRÊN HỆ THỐNG KHÍ TƯƠNG TỰ TRONG
DỰ ÁN JICA JST HCMUT TẠI THÁI MỸ, CỦ CHI, TP. HỒ CHÍ MINH VÀ
KẾT QUẢ ..................................................................................................... 161
6.1 Mô tả hệ thống thử nghiệm ............................................................ 162
6.2 Thuyết minh quy trình .................................................................... 162
6.3 Phương pháp kiểm tra hiệu quả chuyển hóa sang điện năng khí sản
phẩm ..................................................................................................... 164
6.4 Kết quả thử nghiệm ....................................................................... 165
CHƯƠNG 7: QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRIỂN
KHAI CƠNG NGHỆ KHÍ HỐ VÀO THỰC TIỄN ..................................... 168
7.1 Quy trình thiết kế cơng nghệ khí hố ............................................. 169
7.1.1 Giới thiệu: ................................................................................ 169
7.1.2 Quy trình thiết kế cơng nghệ và thiết bị khí hố...................... 169

4


7.1.3 Kết luận .................................................................................... 172
7.2 Đánh giá khả năng triển khai cơng nghệ khí hố và thực tiễn tại Việt
nam ....................................................................................................... 173
7.2.1 Đánh giá một số nguồn nhiên liệu và biomass ........................ 173
7.2.2 Đánh giá khả năng triển khai công nghệ khí hố..................... 176
7.2.3 Kết luận .................................................................................... 179
CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................... 180
8.1 Kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu ......................................... 181
8. 2 Các sản phẩm khoa học ................................................................. 187
Sản phẩm dạng 1:.............................................................................. 187
Sản phẩm dạng 2:.............................................................................. 190
8.3 Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường ............................. 190
CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 192
9.1 Kết luận .......................................................................................... 193
9.2 Kiến nghị ........................................................................................ 195
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 196

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng I.1 Hiệu suất sản phẩm và thành phần khí sản phẩm khí hóa [17] ................ 22
Bảng 1.1: Thành phần của một số loại sinh khối [24] ............................................. 29
Bảng 1.2: Các nguồn năng lượng chính của thế giới [8] ......................................... 32
Bảng 1.3: Các nguồn biomass chính ở Việt Nam .................................................... 35
Bảng 1.4: Thành phần các chất trong vỏ trấu [ 25] .................................................. 37
Bảng 1.5: Nhiệt trị của một số loại sinh khối ở Việt Nam [25] ............................... 37

Bảng 1.6: Chi phí, hiệu suất của các nguồn năng lượng .......................................... 42
Bảng 1.7: Thành phần tar ......................................................................................... 52
Bảng 2.1: Bảng thành phần của trấu (%wt) ............................................................ 66
Bảng 2.2: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ ......................................................... 75
Bảng 2.3 Tóm tắt thơng số tính tốn ........................................................................ 77
Bảng 3.1: Mơ tả mơ hình thiết bị pilot khảo sát hiệu ứng tác nhân khí hố ............ 85
Điều kiện khảo sát các tác nhân khí hố: ................................................................. 88
Bảng 3.2 Khảo sát điều kiện nhiệt độ phản ứng trong mơi trường khí trơ bằng N2 88
Bảng 3.3 Chuyển đổi lưu lượng khơng khí sử dụng và tỷ lệ cân bằng .................... 88
Bảng 3.4 Khảo sát phản ứng với tác nhân khơng khí .............................................. 89
Bảng 3.5 Điều kiện khảo sát phản ứng dưới tác nhân hơi nước .............................. 89
Bảng 3.7 Thành phần khí sản phẩm ở những điều kiện nhiệt độ khác nhau với tác
nhân khí hố N2 ........................................................................................................ 89
Bảng 3.8 Mối tương quan giữa các phân đoạn sản phẩm với lưu lượng khơng khí 94
Hình 3.5: Mối tương quan giữa lưu lượng khơng khí sử dụng với khối lượng các
sản phẩm .................................................................................................................. 95
Bảng 3.10: Hiệu suất sản phẩm khí hố theo lưu lượng tác nhân hơi nước ............ 98
6


Bảng 3.11: Thành phần khí sản phẩm ở các lưu lượng hơi nước sử dụng .............. 99
Bảng 5.1: Điều kiện phản ứng khảo sát ảnh hưởng bentonite ............................... 116
Kết quả thử nghiệm:............................................................................................... 116
Bảng 5.2: Ảnh hưởng của xúc tác bentonite và hơi nước lên thành phần sản
phẩm(%wt) ............................................................................................................. 116
Bảng 5.4 Điều kiện phản ứng với hàm lượng xúc tác/nguyên liệu khác nhau ...... 120
Bảng 5.5 Kết quả khảo sát tối ưu hàm lượng xúc tác/nguyên liệu ( %wt) ............ 120
Bảng 5.6 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác bentonite trên nguyên liệu (%v) ........... 121
Bảng 5.7 Điều kiện phản ứng kết hợp bentonite và tác nhân hơi nước ................. 124
Bảng 5.8 Kết quả khảo sát kết hợp bentonite và hơi nước ( %wt) ....................... 124

Bảng 5.9 Sự thay đổi thành phần khí khi kết hợp bentonite và hơi nước (%v) ..... 125
Bảng 5.10 Điều kiện phản ứng khảo sát xúc tác Ni/γ-Al2O3 ................................. 127
Bảng 5.11 Kết quả khảo sát hoạt tính của xúc tác Ni/γ-Al2O3 (%wt) ................... 128
Bảng 5.12 Kết quả thành phần khí trong khí sản phẩm (%v) ................................ 130
Bảng 5.13 Kết quả đo BET vật liệu xúc tác γ-Al2O3 và Ni/ γ-Al2O3 , m2/g ......... 132
Bảng 5.14 Điều kiện phản ứng khảo sát hàm lượng xúc tác trên nguyên liệu...... 133
Bảng 5.15 Sự thay đổi thành phần sản phẩm khi khảo sát hàm lượng xúc
tác/nguyên liệu ( %w) ............................................................................................ 133
Bảng 5.16 Sự thay đổi thành phần khí khi sảo sát hàm lượng xúc tác / nguyên liệu
(%v)........................................................................................................................ 134
Bảng 5.17 Điều kiện thí nghiệm kết hợp xúc tác Ni/γ-Al2O3 và hơi nước ............ 136
Bảng 5.18 Sự thay đổi thành phần sản phẩm khi kết hợp tác nhân hơi nước và xúc
tác Ni/γ-Al2O3 (%wt) ............................................................................................. 137
Bảng 5.19 Sự thay đổi thành phần khí khi kết hợp tác nhân hơi nước và xúc tác
Ni/γ-Al2O3 (%v) ..................................................................................................... 137
7


Bảng 5.20 Điều kiện thí nghiệm khảo sát xúc tác dolomite .................................. 140
Bảng 5.21 Bảng thành phần trung bình của các khí với lượng xúc tác khác nhau
................................................................................................................................ 143
Bảng 5.22 Bảng thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau ...................... 146
Bảng 5.23 Bảng thông số đánh giá quá trình khí hóa ........................................... 148
Bảng 5.24 Điều kiện thí nghiệm khảo sát hỗn hợp xúc tác dolomite và bentonite
................................................................................................................................ 151
Bảng 5.25 Bảng thành phần trung bình của các khí với lượng xúc tác khác nhau 153
Bảng 5.26 Bảng thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau ...................... 156
Bảng 5.27 Bảng thơng số đánh giá q trình khí hóa ............................................ 159
Bảng 7.1: So sánh ứng dụng của biomass trong trường hợp đốt trực tiếp và khí hố.
................................................................................................................................ 174

Bảng 7.2: So sánh kỹ thuật ứng dụng của một số loại nhiên liệu và khí hố ........ 175
Bảng 7.3: So sánh tiêu chí mơi trường của một số loại nhiên liệu và khí hố ....... 176
Bảng 7.4: So sánh các tham số khí ơ nhiễm của q trình đốt cháy trực tiếp và q
trình khí hố. .......................................................................................................... 177
Bảng 7.5: so sánh giá ( tương đối) một số nhiên liệu truyển thống và nhiên liệu trấu
chuyển hố bằng con đường khí hố ..................................................................... 178

8


DANH MỤC HÌNH

Hình I-2: Sơ đồ ngun lý q trình cracking xúc tác Tar dưới xúc tác Fe-Ni/PG
[18] ........................................................................................................................... 20
Hình I-3: Các kiểu thiết bị khí hố........................................................................... 26
Hình 1.1: Q trình chuyển hóa biomass ................................................................ 30
Hình 1.2: Cấu trúc xốp của vỏ trấu [9] .................................................................... 40
Hình 1.3: Tro trấu (RHA) [26] ................................................................................. 40
Hình 1.4: Lị đốt trấu thủ cơng ................................................................................. 43
Hình 1.5: Sản phẩm của khí hóa và ứng dụng [31] ................................................. 47
Hình 1.6: Các quá trình chuyển đổi nhiệt hóa học trong khí hóa biomass[33]........ 49
Hình 1.7: Các giai đoạn khí hóa............................................................................... 53
Hình 1.8: Sự phân hủy các hydrocarbon lớn thành các phân tử nhỏ hơn trong quá
trình nhiệt phân [34]................................................................................................. 56
Hình 1.9: Quá trình nhiệt phân diễn ra bên trong hạt biomass[34].......................... 56
Hình 1.10: Phản ứng trong pha khí – khí và pha khí – rắn ...................................... 60
Hình 2.1: Sơ đồ các bước thiết kế thiết bị khí hố .................................................. 65
Hình 2.2: Mối quan hệ giữa vận tốc và trở lực dịng khí ......................................... 72
Hình 2.3: Mơ hình thiết bị khí hóa trấu ................................................................... 73
Hình 2.4: AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower. ............................................... 74

Hình 2.5: Thiết bị ngưng tụ...................................................................................... 77
Hình 2.6: Hệ thống pilot quy mơ nhỏ tại trung tâm NCCN - Lọc Hóa Dầu ............ 79
Hình 2.7: Bảng vẽ thiết bị khí hố .......................................................................... 80

9


Hình 2.8: Thiết bị khí hố trong q trình chế tạo ................................................... 81
Hình 2.9: Hệ thống pilot khí hóa tại Thái Mỹ - Củ Chi .......................................... 82
Hình 3.4 Độ chọn lựa của thành phần trong sản phẩm khí theo nhiệt độ ................ 91
Hình 3.6 Độ chọn lựa của các khí H2, CO, CH4, và CO2 trong sản phẩm khí theo
luuw lượng tác nhân khơng khí................................................................................ 96
Hình 3.12 Thành phần khí sản phẩm ở các giá trị lưu lượng nước sử dụng ............ 99
Hình 4.1: Xúc tác dolomite dạng bột ..................................................................... 105
Hình 4.2: Cấu trúc tinh thể của bentonite .............................................................. 106
Hình 4.3: Xúc tác bentonite dạng bột .................................................................... 106
Hình 4.4: Quy trình tổng hợp xúc tác Ni/γAl 2 O 3 .................................................. 107
Hình 4.5: Nguyên liệu tổng hợp xúc tác: a- bentonite; b- dolomite ...................... 108
Hình 4.6: Thiết bị tạo viên xúc tác – máy ép đùn .................................................. 108
Hình 4.7: Xúc tác dolomite sau khi tạo viên .......................................................... 109
Hình 4.8: Hình ảnh xúc tác Ni/γ-Al2O3 trước phản ứng (a) Ni 1% ; (b) 5% ; (c) 10%
................................................................................................................................ 109
Hình 4.9: Hình ảnh xúc tác Ni/γ-Al2O3 sau phản ứng ........................................... 109
Hình 4.10: Túi khí - Hệ thống GC-MS - Dụng cụ đo thành phần khí TESTO
350XL

111

Hình 5.1 So sánh hiệu suất sản phẩm khí hố trong các trường hợp: Khơng xúc tác;
Tác nhân hơi nước và có xúc tác ........................................................................... 117

Hình 5.2: So sánh độ chọn lọc khí trong sản phẩm khí nhiên liệu trong các trường
hợp: Khơng xúc tác, hơi nước và có xúc tác .......................................................... 119
Hình 5.3 Độ chọn lựa khí thành phần trong sản phẩm khí nhiên liệu theo hàm lượng
xúc tác bentonite .................................................................................................... 121

10


Hình 5.4: Sự thay đổi độ chọn lọc của khí thành phần theo hàm lượng xúc tác sử
dụng........................................................................................................................ 122
Hình 5.5: Sự thay đổi thành phần sản phẩm khi kết hợp bentonite và hơi nước
(%wt)...................................................................................................................... 125
Hình 5.6: Sự thay đổi độ chọn lựa khí trong khí nhiên liệu (%v) .......................... 126
Hình 5.7: Kết quả khảo sát hoạt tính của xúc tác Ni/γ-Al2O3 (%wt) ................... 129
Hình 5.8: Độ chọn lựa của khí trong khí nhiên liệu theo xúc tác .......................... 130
Hình 5.9: Sự thay đổi hiệu suất sản phẩm theo hàm lượng xúc tác/nguyên liệu
(%wt)...................................................................................................................... 134
Hình 5.10: Sự thay đổi thành phần khí theo hàm lượng xúc tác/ngun liệu (%v)
................................................................................................................................ 135
Hình 5.11: So sánh hiệu suất sản phẩm khí hố của xúc tác Ni/γAl2O3 với tác nhân
hơi nước ................................................................................................................. 138
Hình 5.11: So sánh độ chọn lựa của thành phần khí trong khí sản phẩm của xúc tác
Ni/γAl2O3 với tác nhân hơi nước .......................................................................... 138
Hình 5.13: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 0g xúc tác
dolomite ................................................................................................................. 141
Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 50g xúc tác
dolomite ................................................................................................................. 141
Hình 5.15: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 100g xúc tác
dolomite ................................................................................................................. 142
Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 150g xúc tác

dolomite ................................................................................................................. 142
Hình 5.17: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 200g xúc tác
dolomite ................................................................................................................. 143

11


Hình 5.18: Đồ thị biểu diễn thành phần khí trung bình với khối lượng xúc tác khác
nhau ........................................................................................................................ 144
Hình 5.19: Đồ thị biểu diễn thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau .... 146
Hình 5.20: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ khí tổng hợp ....................................................... 147
Hình 5.21: Đồ thị biểu diễn nhiệt trị của khí tổng hợp .......................................... 148
Hình 5.22: Đồ thị biểu diễn các hiệu suất của khí tổng hợp ................................. 148
Hình 5.23: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 150g
dolomite ................................................................................................................. 152
Hình 5.24: Đồ thị biểu diễn thành phần khí theo thời gian khi sử dụng 100g
dolomite ................................................................................................................. 153
Hình 5.25: Đồ thị biểu diễn thành phần trung bình khí theo thời gian khi sử dụng
khối lượng xúc tác khác nhau ................................................................................ 154
Hình 5.26: Đồ thị biểu diễn thành phần các pha với lượng xúc tác khác nhau .... 156
Hình 5.27: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ khí tổng hợp với lượng xúc tác khác nhau ........ 157
Hình 5.28: Đồ thị biểu diễn nhiệt trị với lượng xúc tác khác nhau....................... 158
Hình 5.29: Đồ thị biểu diễn hiệu suất với lượng xúc tác khác nhau ..................... 158
Hình 6.1: Hệ thống thử nghiệm đối chứng ............................................................ 162
Hình 6.2: Máy phát điện HG7500SE ..................................................................... 164
Hình 6.3: Thiết bị kiểm tra điện áp Fluke345 ........................................................ 164
Hình 6.4: Điện áp đầu ra ........................................................................................ 165
Hình 6.5: Dịng điện đầu ra .................................................................................... 165
Hình 6.6: Cơng suất tiêu thụ trên tải ...................................................................... 166
Hình 7.1: Quy trình các bước thực hiện thiết kế thiết bị khí hố ........................... 169

Hình 7.2: Lựa chọn kiểu thiết bị khí hố theo cơng suất nhiệt cung cấp [1] ......... 170
Hình 7.3: Sơ đồ cơng nghệ và thiết bị khí hố ngun liệu trấu ............................ 171
12


13


MỞ ĐẦU

14


i. Giới thiệu chung biomass, cơng nghệ khí hố và hướng nghiên cứu
Trong vài chục năm gần đây, nhằm giảm sự ô nhiễm môi trường do việc sử
dụng nguồn năng lượng hoá thạch ( dầu mỏ , than đá) , giảm sự phụ thuộc
quá nhiều vào năng lượng dầu mỏ để phát triển kinh tế bền vững, nghiên cứu
tìm kiếm công nghệ để sản xuất các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái
tạo là mục tiêu của nhiều nước trên thế giới. Năng lượng sinh khối hay còn
gọi biomass là một trong những định hướng trên và đang được nhiều quốc
gia có nền nơng nghiệp phát triển đầu tư nghiên cứu.
Với nguồn nguyên liệu biomass, kết quả nghiên cứu đã thực hiện cho thấy
rằng, ứng dụng ngun tắc khí hố hay cơng nghệ khí hố để sản xuất nhiên
liệu khí (biofuels) từ biomass là phương pháp hiệu quả nhất cho việc thu hồi
năng lượng từ biomass. Mặc dù xuất hiện khá sớm và có nhiều ưu điểm, tuy
nhiên, cơng nghệ khí hóa hiện nay vẫn cịn một số hạn chế, do vậy chưa
được triển khai một cách phổ biến dưới quy mơ cơng nghiệp và chưa trở
thành lĩnh vực có tỷ trọng lớn trong cơ cấu sản xuất năng lượng đáp ứng như
cầu của con người.
Coal

21%

Hydropower
7%

Oil
32%

New
Renewables
2%
NaturalGas
20%

Conventional
Biomass
12%

Nuclear
Power…

Hình I-1: Tỉ lệ các loại năng lượng trên thế giới năm 2014
Hiện nay, công nghiệp chế biến biomass đang được triển khai nghiên cứu và
được đánh giá là một ngành công nghiệp tiềm năng, đầy hứa hẹn, có thể
được xem là chìa khố cho việc giải quyết hai vấn đề cơ bản là năng lượng
15


bền vững và môi trường bền vững cho một sự phát triển kinh tế bền vững,
đặc biệt đối với những quốc gia có tiềm năng nguồn nguyên liệu biomass lớn

như Việt Nam.
Với định hướng thu hồi năng lượng từ các nguồn biomass thì cho đến hiện
nay phương pháp khí hóa theo con đường tạo thành khí tổng hợp (H2, CO và
hydrocarbon) là phương pháp chuyển đổi năng lượng tương đối hiệu quả,
khả năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp cao, ít gây ơ nhiễm để chuyển hóa
các nguồn biomass thành các dạng năng lượng (nhiệt, điện). Cơng nghệ khí
hóa được biết đến từ lâu, từ thế kỷ 19 và theo đó, cơng nghệ khí hóa than đã
được thương mại hóa. Đối với cơng nghệ khí hóa nguồn ngun liệu
biomass như gỗ để sản xuất năng lượng được biết đến từ những năm 1930,
các nghiên cứu đã được triển khai nhằm sử dụng nguồn biomass như gỗ để
chạy động cơ hoặc phát điện thơng qua con đường khí hóa tạo khí tổng hợp.
Tuy nhiên, cơng nghệ khí hóa bị hạn chế phát triển do chưa được hồn thiện,
chưa có ưu điểm thực sự nổi bật và phải sự cạnh tranh mãnh liệt của nhiên
liệu dầu mỏ một khi công nghệ khai thác dầu khí phát triển mạnh ở giai đoạn
này, đặc biệt sau chiến tranh thế giới thứ 2.
Mặc dù nhiên liệu hóa thạch được sử dụng đã mang đến nhiều lợi ích,
thúc đẩy nhiều ngành khoa học phát triển nhưng việc phụ thuộc vào nguồn
năng lượng này ngày càng nhiều đã phát sinh nhiều vấn đề hạn chế trong sự
phát triển kinh tế bền vững của một quốc gia cũng như vấn đề ơ nhiễm mơi
trường.
Với mục tiêu tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và giải
quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng trong tương lai một khi nguồn năng lượng
có nguồn gốc hố thạch cạn kiệt, thì trong thời gian gần đây, vấn đề chuyển
hóa thu hồi năng lượng từ biomass bằng cơng nghệ khí hóa trở thành mục
tiêu nghiên cứu hàng đầu ở các quốc gia, đặc biệt với các quốc gia có tiềm
năng nguyên liệu liệu biomass. Hiện nay, một vài công nghệ khí hóa nguồn
16


nguyên liệu biomass đã được phát triển và đưa vào ứng dụng trọng thực tế,

ví dụ: Cơng nghệ Bioneer ở Phần Lan được thiết kế theo kiểu Updarft ứng
dụng trong sản xuất hơi nước với nguyên liệu là rác thải hữu cơ, một số hệ
thống khí hóa nhằm sản xuất điện với quy mô nhỏ được ứng dụng ở các
quốc gia như Đức, Mỹ, Đan Mạch... với quy mô công suất từ 70 đến 450kW.
Tiềm năng của nguồn nguyên liệu biomass để sản xuất năng lượng là rất lớn,
công nghệ khí hố ứng dụng để sản xuất năng lượng từ biomass là khơng
gây ơ nhiễm và bên cạnh đó, hiện nay đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu
để phát triển cơng nghệ này, tuy nhiên, cơng nghệ khí hóa biomass chưa thể
trở thành công nghệ thương mại để ứng dụng cho quy mơ cơng nghiệp được
vì các lý do sau:
Các cơng nghệ khí hố được thử nghiệm hiện nay cịn hạn chế về vấn đề cặn
(tar) hình thành trong q trình khí hóa. Yếu tố này sẽ gây tắc nghẽn hệ
thống thiết bị của cơng nghệ trong q trình vận hành hệ thống, đặc biệt khi
công nghệ được triển khai ở quy mơ lớn, gây khó khăn trong việc xây dựng
quy trình vận hành hệ thống khí hóa một cách hiệu quả nhất: Vấn đề này có
thể giải quyết qua việc nghiên cứu tối ưu tác nhân khí hóa, hoặc sử dụng xúc
tác đặc biệt hoặc có thể cải thiện về thiết bị khí hóa.
Chưa có cơng nghệ và các tham số vận hành tối ưu cho hệ thống cơng nghệ
khí hóa ứng dụng cho tất cả loại biomass. Nguyên liệu biomass khác nhau sẽ
có thiết bị phản ứng khác nhau và điều kiện vận hành khác nhau. Đồng thời,
yếu tố hiệu quả của đầu tư chuyển hóa năng lượng vẫn đang được tối ưu
bằng phương pháp nâng cao hiệu suất chuyển hóa năng lượng và vấn đề này
liên quan chặt chẽ đến chế độ vận hành mà một trong những yếu tố quyết
định là tác nhân khí hóa.
Một số chỉ tiêu thể hiện chất lượng của sản phẩm khí hóa như độ sạch và
nhiệt trị của khí sản phẩm chưa đạt yêu cầu, ngọn lửa cháy không ổn định,
khó áp dụng khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ, máy phát điện.
17

Trên cơ sở phân tích những hạn chế về cơng nghệ khí hố và trước nhu
cầu thực tiễn về tìm kiếm nguồn năng lượng mới tại Việt nam mà trong đó
có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng cơng nghệ khí hố biomass nhằm sản
xuất năng lượng, đề tài nghiên cứu: “ Cải thiện chất lượng (Độ sạch và
Nhiệt trị) sản phẩm nhiên liệu khí của cơng nghệ khí hố trấu theo kiểu
Updraft dựa trên khảo sát tối ưu các tác nhân khí hố “Gasification
Agent”, xúc tác và cơng nghệ làm sạch” được đề xuất để triển khai thực
hiện.
ii. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về cơng nghệ khí hoá
Thực tế là cho đến hiện nay, đã và đang có nhiều cơng trình nghiên cứu liên
quan đến cơng nghệ khí hố hướng đưa cơng nghệ này vào ứng dụng với
mọi quy mô công nghiệp.
Một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan cụ thể đến việc giải quyết các vấn đề
hạn chế của cơng nghệ khí hố biomass hiện nay như nghiên cứu của Hasan
và đồng nghiệp [16] về hiện tượng tắc nghẽn do quá trình hình thành tar
trong quá trình khí hóa, nghiên cứu này đã đề cập đến tiêu chuẩn cơ bản của
q trình khí hóa các nguồn nguyên liệu bimass như trấu, rơm rạ, chất thải
hữu cơ… liên quan đến độ sạch của sản phẩm khí trong cơng nghệ khí hóa,
hàm lượng các hydrocarbon nặng hoặc dẫn xuất oxy của các hydrocarbon
aromatic nặng hơn benzene, hàm lượng các dẫn xuất của nitơ (amoniac,
hydrogencyanic, NOx) hoặc hàm lượng các chất clorine phải thấp ở một giới
hạn cho phép. Sự tồn tại các hợp chất như dẫn xuất oxy của các hydrocarbon
aromatic trong sản phẩm khí có thể gây sự tắc nghẽn thiết bị trong quá trình
vận hành. Nghiên cứu này cũng đưa ra tiêu chuẩn áp dụng trong cơng nghệ
khí hố có thể triển khai với quy mơ công nghiệp yêu cầu phải đảm bảo
được hàm lượng cặn thấp hơn 0,6 g/Nm3 hoặc ô nhiễm môi trường của các
hợp chất nitơ hoặc hợp chất clorine phải cần được hạn chế thấp nhất có thể.
18

Ngồi nghiên cứu tiêu biểu trên, cũng có một số nghiên cứu về cải thiện
cơng nghệ khí hố có thể ứng dụng cho quy mô công nghiệp, các nghiên cứu
tập trung vào việc thiết lập các mối quan hệ giữa cặn hình thành đến các
tham số quá trình như kiểu thiết bị, nhiệt độ khí hóa, thời gian khí hóa… như
nghiên cứu của Lopamudra – 2003 [19], nghiên cứu của Yang và đồng
nghiệp 2006 [29], về mối ảnh hưởng của việc sử dụng khơng khí nóng đến
hiệu suất thu hồi khí tổng hợp trong thiết bị khí hóa tầng cố định. Một số
nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân khí hóa như oxy, khơng khí hoặc hơi
nước trong cơng nghệ khí hóa như nghiên cứu của Garcia năm 1999, nghiên
cứu của Gil năm 1999 [14]…Các nghiên cứu cho thấy mối liên quan chặt
chẽ giữa tác nhân khí hố đến hiệu suất khí hố, đặc biệt là vấn đề vận hành
ổn định của hệ thống công nghệ khi triển khai với quy mơ cơng nghiệp liên
quan đến sự hình thành cặn.
Các nghiên cứu liên quan đến việc giảm thiểu tối đa lượng tar sinh ra trong
q trình khí hố có thể phân chia thành hai hướng khác nhau, hướng nghiên
cứu thứ nhất tập trung vào việc tối ưu chế độ khí hố, sử dụng xúc tác tầng
cố định nhằm hạn chế lượng tar tạo thành trong q trình khí hố, hướng
nghiên cứu thứ hai tập trung vào nghiên cứu quá trình chuyển đổi tar thu
được bằng một quá trình cracking xúc tác riêng biệt. Hai hướng nghiên cứu
này đều tập trung vào mục đích chung là nâng cao hiệu suất của q trình
khí hố. Tuy nhiên, với hướng nghiên cứu thứ nhất có thể cho thấy nhiều ưu
điểm nổi trội một khi cơng nghệ khí hố được triển khai với quy mô lớn, quy
mô công nghiệp, hướng nghiên cứu này sẽ giải quyết tốt vấn đề hình thành
cặn trong hệ thống đường ống và thiết bị.
Sử dụng xúc tác tăng cường hiệu suất khí hố cũng như hạn chế tối đa sự
hình thành tar cũng đã có một số nghiên cứu đã được thực hiện và thực tế có
nhiều hệ xúc tác đã được nghiên cứu ứng dụng: hệ xúc tác Ni (hệ xúc tác đất

19

sét biến tính bởi Fe và Ni, hệ xúc tác nano-NiO/ γ Al2O3 …), hệ xúc tác
khoáng olivine, hệ xúc tác dolomite, hệ xúc tác zeolite, hệ xúc tác
ceramic,…Một số nghiên cứu tiêu biểu như: Đối với hệ xúc tác Ni có các
nghiên cứu của Coll và các cộng sự vào năm 2001 đối với khả năng chuyển
hóa của các cấu tử như benzene, toluene, naphthalene, anthracene, pyrene
(những thành phần chủ yếu của Tar) dưới tác dụng của 2 loại xúc tác Ni
thương mại UCC90-C và ICI46-1 ở điều kiện 700-800oC cho thấy khả năng
bị phá vỡ mạch liên kết : benzene > toluene > anthracene > pyrene >
naphthalene. Độ chuyển hóa của toluene thay đổi từ khoảng 40-80% đối với
xúc tác ICI46-1, và 20-60% đối với xúc tác UCIG90-C [11]. Nghiên cứu của
Liu và cộng sự vào năm 2012 đối với quá trình cracking tar sinh ra từ quá
trình khí hóa trấu dưới tác dụng của hệ xúc tác khống palygorskite (PG)
biến tính bởi Ni và Fe cho kết quả tương đối tốt. Theo đó xúc tác Fe6Ni6/PG được biến tính với Fe(NO3)3 cho độ chuyển hóa Tar đến 94.4% và
hiệu suất thu H2 đến 57.7%.[18]

Hình I-2: Sơ đồ nguyên lý quá trình cracking xúc tác Tar dưới xúc tác FeNi/PG [18]
Năm 2010 có nghiên cứu của Jianfen Li và cộng sự về hiệu quả của xúc tác
nano-NiO/gama-Al2O3 trong q trình khí hóa trấu bằng tác nhân khơng
khí/hơi nước ở 800 oC cho thấy hiệu suất thu khí (Nm3/kg biomass) và hàm
lượng tar (g/Nm3) tương ứng là 2.35 Nm3/kg biomass và 0.14 g/Nm3, so
sánh với trường hợp không sử dụng xúc tác là 1.82 Nm3/kg biomass và 32.5
20


g/Nm3, ngồi ra chất lượng khí cũng được cải thiện, cụ thể là tăng tỷ lệ H2
trong thành phần khí sản phẩm, từ 38.2%vol (không sử dụng xúc tác) lên
48.7%vol (có sử dụng xúc tác). [17]
Ngồi ra, cịn có nhiều nghiên cứu liên quan đến sử dụng olivine trong quá
trình khí hóa bởi hoạt tính và độ chọn lọc cao của nó. Tiêu biểu như nghiên

cứu của Rapagna và cộng sự về ảnh hưởng của Fe/olivine trong khí hóa có
sử dụng hơi nước. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi sử dụng 10%wt Fe/olivine thì
hiệu suất thu khí tăng trung bình 40% và hiệu suất thu khí H2 tăng 88%.
Hàm lượng khí CH4 trong khí tổng hợp giảm 16% và hàm lượng Tar giảm
46%. Hàm lượng khí H2 trong hỗn hợp khoảng 53%v [23]
- Với xúc tác dolomite: tăng tỉ lệ Ca/Mg, giảm kích thước hạt và tăng hàm
lượng các kim loại có hoạt tính xúc tác (ví dụ như sắt…) có thể cải thiện
hoạt tính của loại xúc tác này. Nghiên cứu của Xie et al. cho thấy loại xúc
tác này có vai trị chủ yếu là tăng hiệu suất thu khí và cải thiện chất lượng
của khí sản phẩm nhờ thúc đẩy phản ứng phân hủy Tar và hydrocarbon nhẹ
(CnHm) và phản ứng khí hóa than[30]. Nghiên cứu của Srinakruang và đồng
nghiệp 2005 với hệ xúc tác Ni/Dolomite…Các kết quả nghiên cứu cho thấy
rằng, trong trường hợp có sử dụng xúc tác thích hợp, tỷ lệ H2/CO có thể tăng
từ 0.6 đến 1.5, đồng thời lượng tar có thể giảm từ 12 đến 2 g/m3. Theo
Myren C et al. việc bổ sung 17% dolomite (thô) với nguyên liệu biomass thì
có thể chuyển hóa 90%PAHs và hàm lượng tar giảm từ 4g/Nm3 xuống còn
1.5g/Nm3. Và với 15-30% dolomite (nung) bổ sung với ngun liệu thì hàm
lượng tar trong khí sản phẩm có thể nhỏ hơn 1g/Nm3.[10]
Năm 2003 có nghiên cứu của Mohammad Asadullah và các cộng sự về ứng
dụng hệ xúc tác Rh/CeO2/SiO2 trong khí hóa biomass ở nhiệt độ thấp đạt
được hiệu quả tương đối khả quan. Theo đó, sự có mặt của xúc tác giúp độ
chuyển hóa carbon thành khí từ 88-99% (phụ thuộc vào nhiệt độ khí hóa) và
hiệu suất thu sản phẩm khí (H2, CO, CH4) cao[21]
21


Sơ bộ những cơng trình nghiên cứu tiêu biểu cho thấy, hiện nay, cơng nghệ
khí hóa nguồn ngun liệu biomass vẫn còn đang được tiếp tục triển khai
nghiên cứu với mục tiêu thương mại hóa được cơng nghệ này dưới quy mô
công nghiệp thông qua việc nghiên cứu thiết lập mối quan hệ một cách có cơ

sở khoa học giữa các tham số như loại thiết bị khí hóa, tham số vận hành đến
hiệu suất khí tổng hợp thu hồi cũng như chế độ vận hành ổn định của hệ
thống. Đứng trên quan điểm khoa học, có thể nói hệ thống khí hóa là một hệ
thống phức tạp bị ảnh hưởng bởi rất nhiều tham số của quá trình như kiểu
thiết bị, tác nhân khí hóa, xúc tác… Nhìn chung, cơng nghệ khí hóa ngun
liệu biomass vẫn cịn là mục tiêu nghiên cứu cho nhiều năm tới nhằm xây
dựng một cơng nghệ hiện đại có thể ứng dụng vào thực tiễn một cách hiệu
quả trong lĩnh vực chế biến biomass.
Bảng I.1 Hiệu suất sản phẩm và thành phần khí sản phẩm khí hóa [17]
Ảnh hưởng của xúc tác đến hiệu suất thu sản phẩm và thành phần khí sản
phẩm
Xúc tác

Khơng xúc tác

Nano NiO-yAl2O3

Nhiệt độ khí hóa, oC

800

800

Nhiệt độ xúc tác, oC

800

800

Steam/Biomass

1.33

1.33

Equivalence Ratio

0.22

0.22

Hiệu suất Tar (g/Nm3)

32.5

0.14

Hiệu suất khí (m3/Kg)

1.82

2.35

Hàm lượng H2 %vol

38.2

48.7

Hàm lượng CO %vol

28.6

25.2

Hàm lượng CH4 %vol

10.4

4.2

Thành phần khí

22