Nhiên liệu sinh học: Nguồn năng lượng tương lai(tt) doc

Nhiên liệu sinh học:
Nguồn năng lượng
tương lai(tt)


IV. NHIÊN LIỆU SINH HỌC
(BIOFUEL) - CÔNG NGHỆ VÀ
ỨNG DỤNG

4. Sản xuất biofuel
4.5. Dầu sinh học Bio-crude HTU
- diezel chiết suất tương ứng
Từ những năm 1980, cơ sở nghiên
cứu của Công ty Shell ở Hà Lan đã
thực hiện nghiên cứu công nghệ
nâng cao hiệu quả nhiệt hydro
(Hydro Thermal Upgrading -
HTU). Với công nghệ này, sinh
khối sẽ được phân hủy trong nước
để thu chất lỏng giống như dầu thô,
được gọi là bio-crude - dầu thô sinh
học. Mục tiêu của công nghệ này là
thu năng lượng từ sinh khối, biến
nó thành nhiên liệu (chạy xe cộ) có
nhiệt lượng cao hơn. Tuy nhiên, vì
điều kiện kinh tế không đáp ứng
được nên thực nghiệm phải bỏ dở.
Vì nhiên liệu sinh học được quan
tâm trở lại vào những năm 1990,
nên công nghệ nói trên đã được
Công ty Dutch Biofuel sau này do

các cựu nhân viên Shell thành lập
tiếp tục nghiên cứu phát triển.
4.5.1. Nguyên liệu sinh khối
Công nghệ HTU có thể được sử
dụng để chuyển hóa hàng loạt
nguyên liệu sinh khối khác nhau.
Các nguyên liệu thích hợp, khả thi
có thể là cả rác thải rắn đô thị và
chất thải nông nghiệp. Thiết bị
công nghệ này được thiết kế đặc
biệt dành cho các sinh khối ướt như
bã củ cải, bùn nhớt, quặng dầu,
hoặc rác thải hữu cơ. Sinh khối
không cần phải sấy khô, hỗn hợp
nước chứa 10 - 30% chất liệu hữu
cơ được coi là thích hợp.
4.5.2. Công nghệ chuyển hóa bio-
crude
Trong công nghệ HTU, sinh khối
khô (hoặc ướt) tham gia phản ứng
trong môi trường lỏng là nước ở áp
suất cao và nhiệt độ khá thấp. Sản
phẩm chính của công nghệ chuyển
hóa HTU là bio-crude giống như
dầu thô nguồn gốc dầu mỏ. Quá
trình chuyển hóa được mô tả trong
hình 7 trang sau.
Bước đầu tiên trong quá trình
chuyển hóa là tiền xử lý nguyên
liệu sinh khối. Vì thiết bị của công

nghệ HTU được thiết kế đặc biệt
cho nguyên liệu ướt, nên sinh khối
khô trước tiên phải được ngâm
trong môi trường nước. Quá trình
này được thực hiện ở nhiệt độ 200 -
250
o
C và áp suất 30 bar (30,4 atm).
Sự có mặt của nước ảnh hưởng rất
lớn tới tính chất của nguyên liệu
sinh khối và sản phẩm cuối cùng
thu được.
Khi sinh khối ướt được chuyển liên
tục vào vùng phản ứng nóng, quá
trình chuyển hóa xảy ra ở áp suất
120 - 180 bar ( 121,6-182,4 atm) và
nhiệt độ 300 - 350
o
C. Trong một
thử nghiệm pilot tại Hà Lan, thời
gian để phản ứng chuyển hóa HTU
thử nghiệm xảy ra hoàn toàn chỉ từ
5 đến 10 phút. Tuy nhiên năng
lượng tiêu thụ trong quá trình này
rất cao.
Ngoài sản phẩm chính là bio-crude
(50%), công nghệ HTU còn tạo ra
khí (30%); trong đó 70 - 90%
lượng khí là CO
2

và 20 - 30% là
H
2
. Ngoài ra còn có metan và CO.
Sản phẩm phụ thu được là dung
dịch nước, chứa 5% hợp chất hữu
cơ. Nước thải có thể sử dụng làm
môi trường lên men kỵ khí tạo ra
biogas. Cả biogas lẫn gas thu được
từ quá trình HTU có thể dùng làm
nhiên liệu đốt lò.
Bio-crude là chất lỏng hữu cơ nhớt,
màu đen, là hỗn hợp của nhiều loại
hydrocacbon. Nó không trộn lẫn
với nước và vì có hàm lượng oxy
thấp (10 - 15% oxy liên kết) nên
chúng bền hơn so với bio-oil phân
hủy nhiệt. Bio-crude có hàm lượng
nitơ và lưu huỳnh rất thấp và giá trị
nhiệt năng thấp (30 - 36 MJ/kg).
Bio-crude có thể tách thành 2 thể
nặng và nhẹ, đều có thể là nguyên -
nhiên liệu phục vụ nhiều mục đích
khác nhau. Phần nặng hơn chứa tất
cả chất thành phần của bio -crude
và khoáng, có thể sử dụng làm chất
trợ cháy trong nhà máy điện chạy
than. Chúng cũng có thể được sử
dụng làm xăng dung môi (nafta) để
sản xuất các hóa chất. Phần nhẹ và

tinh khiết hơn có thể sử dụng để tạo
thành phần nhiên liệu diezel. Để
chuyển hóa bio-crude thành nhiên
liệu diezel đủ chất lượng cho xe
vận tải truyền thống, thì cần nâng
cao chất lượng của phân đoạn này
nhờ kỹ thuật hydro hóa xúc tác.
Trong quá trình này, oxy bị khử
nhờ bổ sung hydro. Vì phải bổ sung
một lượng lớn hydro nên về mặt
kinh tế vấn đề này không hấp dẫn.
4.5.3. Tình trạng công nghệ và tính
kinh tế
Công nghệ HTU mới chỉ được thực
hiện ở quy mô pilot (nhà máy sản
xuất thử được xây dựng ở
Apeldoorn Hà Lan từ năm 1999).
Công nghệ chuyển hóa chưa tiến
hành được với tất cả mọi nguồn
sinh khối. Sau khi đóng cửa 2 năm,
hoạt động của nhà máy này gần đây
được phục hồi và hiện đang tiếp tục
vận hành. Một nhà máy (công suất
3.000 tấn/ năm) lớn hơn sẽ hoàn
thiện vào năm 2006. Vấn đề sản
xuất quy mô thương mại sẽ chưa
thể thực hiện trước năm 2008-2009.
Các nghiên cứu về công nghệ
chuyển hóa HTU đang tập trung
vào xác định các tính chất hóa học

của sản phẩm phức tạp thu được,
đồng thời thử nghiệm với các
nguồn sinh khối khác nhau. Các
vấn đề kỹ thuật như tinh chế sản
phẩm, xử lý nguyên liệu, các điều
kiện phản ứng, xử lý nước thải,
công nghệ hyđro hóa, v.v… cần
phải được nghiên cứu tiếp tục.
Chính công nghệ lọc dầu là công
nghệ đã biết nhưng khi áp dụng
trong điều kiện công nghệ HTU
vẫn là chủ đề cần nghiên cứu.
Hiệu suất nhiệt trong công nghệ
HTU chuyển hóa sinh khối thành
bio-crude đã đạt mức dự tính 80%.
Hiệu quả nâng cấp chất lượng bio-
crude nhờ kỹ thuật hydro hóa có
thể đạt mức 60%.
Theo các chuyên gia, chi phí đầu tư
ngắn hạn dự tính cho một nhà máy
sản xuất bio-crude bằng công nghệ
HTU 400 MW nhiệt có thể vào
khoảng 95 euro/ kW nhiệt. Với nhà
máy lớn hơn (1000 MW nhiệt) chi
phí đầu tư dài hạn có thể giảm
25%. Nếu nhà máy được trang bị
áp dụng kỹ thuật hydro hóa, chi phí
đầu tư ngắn hạn cho nhà máy 400
MW nhiệt sẽ tăng gấp hơn 5 lần,
vào khoảng trên 500 euro/ kW

nhiệt và cũng giảm 25% chi phí
nếu dài hạn.
Giá thành sản xuất diezel theo công
nghệ HTU phụ thuộc vào chi phí
đầu tư nhưng hết sức nhạy cảm đối
với giá nguyên liệu. Dựa vào loại
sinh khối sử dụng, Công ty Dutch
Biofuel đưa ra con số giá thành dự
tính sản phẩm diezel HTU vào
khoảng 5 - 7 euro/GJ (0,16 - 0,24
euro/ lít) đối với nhà máy quy mô
lớn.
4.5.4. Sử dụng diezel HTU
Phát triển công nghệ chuyển hóa
HTU là để sản xuất được nhiên liệu
diezel có đặc tính kỹ thuật giống
với nhiên liệu diezel thông thường
đang sử dụng. Các đặc tính kỹ thuật
nhiên liệu này được xác định bởi tỉ
lệ C/H, có thể điều chỉnh nhờ kỹ
thuật hyđro hóa. Chất lượng sản
phẩm diezel HTU có triển vọng cải
thiện rất tốt. Chỉ số xetan của nó sẽ
cao hơn của diezel thông thường.
Nhiên liệu sẽ sạch và không còn
oxy.
Diezel HTU được sản xuất để đáp
ứng quy cách phẩm chất diezel dầu
mỏ nên có thể dùng để pha trộn với
diezel thông thường ở bất cứ tỉ lệ

nào. Nhiên liệu này cũng có thể
đem bán tại mạng lưới phân phối
diezel cơ sở đã sẵn có. Diezel HTU
có triển vọng sánh ngang với các
chất liệu diezel truyền thống.
4.6. Sản xuất nhiên liệu qua con
đường khí hóa
Sinh khối có thể chuyển hóa nhờ sử
dụng công nghệ khí hóa. Bất kỳ
loại sinh khối nào cũng có thể sử
dụng làm nguyên liệu khí hóa, kể
từ hỗn hợp xenlulo đến phụ phẩm
và chất thải nông nghiệp (rơm, bã
mía), cỏ, các phế phẩm của công
nghiệp gỗ, các chất thải rắn đô thị,
v.v…
Quá trình khí hóa sinh khối cho ra
sản phẩm là một hỗn hợp các loại
khí, được gọi là khí tổng hợp -
syngas.
Hàng loạt biofuel dạng lỏng sẽ
được sản xuất nhờ quá trình tổng
hợp loại khí này tùy theo từng điều
kiện công nghệ.
Công nghệ khí hóa là quá trình oxy
hóa từng phần sinh khối nhờ cách
thức bổ sung dần ôxy từ không khí
theo từng lượng vừa đủ.
Ôxy sẽ tác dụng với sinh khối ở
nhiệt độ cao, khoảng 900

o
C. Trong
trường hợp khí hóa trực tiếp, nhiệt
cần thiết cho quá trình được tạo ra
nhờ đốt một phần sinh khối được
nạp vào lò khí hóa. Cả không khí
(có thể lẫn oxy) được thổi vào lò
khí hóa trực tiếp khi đó người ta đã
dùng chính năng lượng nhiệt của
một phần vật liệu khí hóa cho quá
trình khí hóa. Nếu chỉ sử dụng ôxy
thì syngas sinh ra sẽ không chứa
nitơ. Tuy nhiên, việc tạo ra oxy cho
quá trình này làm tăng năng lượng
cần sử dụng, do đó tăng chi phí đầu
tư. Quá trình khí hóa gián tiếp sử
dụng một phần nhiệt từ sinh khối
cháy hoặc nhiệt do từ bên ngoài lò
cung cấp. Một ưu điểm của quá
trình khí hóa gián tiếp này là nó
cũng sinh ra syngas không chứa
nitơ mà không cần sử dụng oxy
như quá trình khí hóa trực tiếp. Tuy
nhiên, quá trình khí hóa gián tiếp
phải trải qua nhiều bước và phức
tạp hơn. Ngoài ra, nó tạo ra hai
dòng khí cần phải khử, làm sạch.
Các kiểu lò thích hợp với quá trình
khí hóa sinh khối hiện nay gồm có:
lò khí hóa cố định; lò khí hóa tầng

sôi và lò khí hóa dòng cuốn. Lò khí
hóa cố định hoạt động ở nhiệt độ
giữa 700 và 1200
o
C. Chúng được
phân loại dựa theo hướng đi của
luồng khí qua lò (ví dụ từ dưới lên,
trên xuống, hoặc ngang qua) hoặc
theo hướng dòng chất rắn và dòng
khí (cùng chiều, ngược chiều hoặc
chéo chiều). Lò phản ứng cùng
chiều có ưu điểm là có thể cho sản
phẩm syngas sạch (ngược lại với lò
phản ứng khác chiều). Tuy nhiên lò
phản ứng ngược chiều lại ít khắt
khe đối với nguyên liệu sinh khối
và có sức chứa rộng hơn. Lò phản
ứng tầng sôi cho phép chứa hỗn
hợp sinh khối với chất liệu nóng, ví
dụ như cát nóng chẳng hạn, và
phản ứng sẽ xảy ra trong toàn bộ
dung tích lò. Nhiệt độ đồng nhất
trong lò có thể được điều khiển
thông qua việc thay đổi tỉ lệ không
khí/ sinh khối. Lò tầng sôi "dễ tính"
đối với sinh khối hơn là lò cố định,
nhưng syngas sản phẩm luôn có
hắc ín đi kèm (nhiều hơn so với lò
khí hóa cố định cùng chiều) và cần
phải khử bỏ. Lò khí hóa dòng cuốn

hoạt động ở nhiệt độ rất cao
(1500
o
C) và tạo ra syngas sạch
không có tạp hắc ín. Tuy quá trình
khí hóa khó điều khiển nhưng hiện
tai lại đang được sử dụng rộng rãi
nhất. Đây là kiểu lò thể tích lớn,
nhiên liệu cung cấp cho hoạt động
dễ điều chỉnh, có thể áp dụng tùy
từng mức từ 1 đến vài trăm
megawat. Các lò khí hóa nói chung
đều hoạt động ở điều kiện áp suất
gần áp suất thường và sử dụng
không khí làm tác nhân khí hóa.
Syngas sản phẩm của quá trình khí
hóa chủ yếu là hỗn hợp CO, CO
2
,
H
2
, metan, nước và nitơ. Thành
phần khí tổng hợp thay đổi thùy
thuộc vào thành phần nguyên liệu
sinh khối và điều kiện hoạt động.
Các tạp chất trong syngas thu được
có thể là các bụi than nhỏ, xỉ lò
chứa clorua, lưu huỳnh, kim loại
kiềm, hợp chất nitơ và hắc ín. Các
tạp chất này có thể sẽ làm giảm tác

dụng của chất xúc tác trong lò
reforming khí, lò trung chuyển, lò
tổng hợp và gây ra ăn mòn các bộ
phận trao đổi nhiệt trong turbin khí.
Hắc ín có thể gây tác hại cho hệ
thống khí hóa. Các tạp chất có thể
được khử bỏ nhờ sử dụng xyclon
hoặc màng lọc gốm.
Sau khi được làm sạch, syngas trải
qua các bước khử CO
2
và
reforming. Tùy theo mục đích sử
dụng tiếp theo mà khí tổng hợp
được điều chỉnh cho phù hợp.