Nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương

Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại và các dạng sinh khối......................................................3
Bảng 1.2. Năng lượng sinh khối so với các nguồn năng lượng tái tạo khác...7
Bảng 1.3. Năng suất sinh nhiệt của nhiên liệu SK và nhiên liệu hoá thạch....10
Bảng 1.4. Tiềm năng gỗ năng lượng..............................................................15
Bảng 1.5. Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp.................................................15
Bảng 1.6. Vai trò của năng lượng sinh khối trong tổng tiêu thụ năng lượng......16
Bảng 1.7. Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực....................................................16
Bảng 1.8. Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng...............................16
Bảng 1.9. Dân số trung bình tỉnh Hải Dương qua các năm từ 1995  2007. 24
Bảng 1.10. Tăng trưởng GDP giai đoạn 1996  2005....................................24
Bảng 3.1. Diện tích đất của tỉnh Hải Dương..................................................32
Bảng 3.2. Diện tích đất sử dụng trong nông nghiệp của tỉnh Hải Dương.......32
Bảng 3.3. Diện tích, cơ cấu đất đai năm 2010................................................33
Bảng 3.4. Diện tích lúa qua các năm 1995  2008.........................................34
Bảng 3.5. Năng suất, sản lượng lúa qua các năm 1995  2008......................35
Bảng 3.6. Năng suất, sản lượng lúa dự đoán năm 2010..................................36
Bảng 3.7. Diện tích, năng suất, sản lượng lúa vụ đơng xuân ở một số địa phương
trong tỉnh năm 2008..........................................................................................36
Bảng 3.8. Diện tích, năng suất, sản lượng lúa vụ mùa ở một số địa phương trong
tỉnh năm 2008...................................................................................................37
Bảng 3.9. Cơ cấu giống, lúa giống vụ Đông Xuân 2008.................................38
Bảng 3.10. Cơ cấu giống, lúa giống vụ Mùa 2008..........................................40
Bảng 3.11. Diện tích, năng suất, sản lượng canh tác ngô qua các năm 1995 ÷
2008 và dự đốn năm 2010.............................................................................41
Bảng 3.12. Diện tích, năng suất, sản lượng canh tác ngô vụ Đông Xuân phân bố
theo huyện và thành phố Hải Dương...............................................................42

Khoa học Môi trường

1 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Bảng 3.13. Diện tích, năng suất, sản lượng canh tác ngơ vụ Mùa phân bố theo
huyện và thành phố Hải Dương.......................................................................42
Bảng 3.14. Diện tích, sản lượng lạc qua các năm 1995  2008 và dự đốn năm
2010.................................................................................................................43
Bảng 3.15. Diện tích canh tác lạc vụ Đông Xuân phân bố theo huyện, thành phố
Hải Dương năm 2008......................................................................................43
Bảng 3.16. Diện tích, năng suất, sản lượng canh tác lạc vụ Mùa phân bố theo
huyện và thành phố Hải Dương.......................................................................44
Bảng 3.17. Khối lượng các phụ phẩm cây lúa ở tỉnh Hải Dương diễn biến qua
các năm............................................................................................................45
Bảng 3.18. Khối lượng các phụ phẩm cây ngô ở tỉnh Hải Dương diễn biến qua
các năm............................................................................................................45
Bảng 3.19. Khối lượng các phụ phẩm cây lạc ở tỉnh Hải Dương diễn biến qua
các năm............................................................................................................47
Bảng 3.20. Kết quả phân tích hàm lượng khí CH 4, CO, CO2 theo các giai đoạn
canh tác lúa tại cánh đồng lúa vụ Đông Xuân năm 2009................................50
Bảng 3.21. Kết quả phân tích hàm lượng khí CH 4, CO, CO2 theo các giai đoạn
tại cánh đồng lúa vụ Mùa năm 2009.......................................................52
Bảng 3.22. Năng suất phát thải CH4 đối với các loại phụ phẩm khác nhau....53
Bảng 3.23. Nhiệt trị của các phụ phẩm cây lúa, ngô, lạc................................54

Bảng 3.24. Thành phần tro trấu trong q trình đốt theo cơng nghệ truyền thống
và cơng nghệ FBC...........................................................................................59
Bảng 3.25. Lượng khí thải khi đốt phụ phẩm cây lúa và than đá....................60

Khoa học Môi trường

2 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 3.1. So sánh hàm lượng khí CH4 trong khơng khí ở các giai đoạn phát
triển của cây lúa...............................................................................................55
Biểu đồ 3.2. So sánh nồng độ khí CH4 trong khơng khí theo vụ canh tác.....55
Biểu đồ 3.3. So sánh hàm lượng khí CO trong khơng khí ở các giai đoạn khác
nhau.................................................................................................................56
Biểu đồ 3.4. So sánh hàm lượng khí CO trong khơng khí theo vụ canh tác...57
Biểu đồ 3.5. So sánh hàm lượng khí CO2 trong khơng khí ở các giai đoạn khác
nhau.........................................................................................................58
Biểu đồ 3.6. So sánh hàm lượng khí CO2 trong khơng khí theo vụ canh tác..58

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ biến đổi nhiên liệu sinh khối .................................................4
Hình 1.2. Các con đường biến đổi sinh khối thành nhiên liệu.........................5
Hình 1.3. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối…………….......8
Hình 1.4. Lựa chọn quá trình chuyển đổi sinh khối bằng hàm lượng
nước………………………………………………………………………...…9

Hình 1.5. So sánh thành phần cấu tạo nguyên tử nhiên liệu hoá thạch và sinh
khối ...................................................................................................................9
Hình 1.6. Hình dạng và kích cỡ một vài vật liệu sinh khối……………….....11
Hình 1.7. Bản đồ hành chính tỉnh Hải Dương…………………………….....23
Hình 2.1.Quy trình phân tích nhiệt trị các phụ phẩm nơng nghiệp …………
Hình 3.1. Phụ phẩm cây lúa sau thu hoạch lúa………………………...…….46
Hình 3.2. Các phụ phẩm cây ngơ sau thu hoạch.............................................49
Hình 3.3. Các phụ phẩm cây lạc sau thu hoạch..............................................51
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống lị đốt tấng sơi đồng phát nhiệt - điện…………….61
Hinh 3.5. Sơ đồ nguyên lý của FBC……………………………………...….64

Khoa học Môi trường

3 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

LỜI MỞ ĐẦU
Là một quốc gia đang trong q trình cơng nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nước, nhu cầu về năng lượng sử dụng cho các ngành công nghiệp và cho sinh
hoạt ở Việt Nam ngày càng tăng. Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống
(thủy điện, than đá, dầu mỏ...) đang ngày càng khan hiếm. Theo dự báo, trữ
lượng dầu thô của thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2050 – 2060. Sự phụ
thuộc quá nhiều vào năng lượng hố thạch gây ra những vấn đề: an tồn nguồn
năng lượng, hiệu ứng nhà kính do khí thải và sự bất ổn về chính trị và chủ nghĩa
khủng bố thế giới.
Những tiến bộ về khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các

nước trên thế giới phải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo (NLTT) và quan tâm đến bảo vệ mơi trường. Một trong số các
nguồn NLTT đó là năng lượng sinh khối. Năng lượng sinh khối (NLSK) là
nguồn năng lượng cổ xưa nhất đã được con người sử dụng khi bắt đầu biết nấu
chín thức ăn và sưởi ấm.
Ngành nơng nghiệp của Việt Nam có vị trí vơ cùng quan trọng với tỷ trọng
chiếm 20,3% trong tồn bộ nền kinh tế, 70% dân số làm nông nghiệp. Hiện nay,
Việt Nam luôn nằm trong tốp các nước xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Trong
quá trình canh tác nơng nghiệp, bên cạnh các sản phẩm chính ln tạo ra một
lượng lớn phụ phẩm. Nếu không được quản lý tốt nguồn phụ phẩm này chúng
sẽ biến thành lượng rác thải rất lớn và gây ô nhiễm môi trường.
Việc áp dụng đưa nguồn NLSK vào sử dụng không chỉ thay thế nguồn
năng lượng hố thạch mà cịn góp phần xử lý chất thải rắn trong môi trường
hiện nay.
Mặc dù ngành điện lực đã có rất nhiều cố gắng để cải thiện nhu cầu năng
lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất, nhưng tình trạng thiếu điện trên tồn quốc,
ở Việt Nam vẫn cịn rất lớn.

Khoa học Mơi trường

4 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Do đó, việc nghiên cứu và đưa ra phương án hợp lý để sử dụng hiệu quả
các phụ phẩm sinh khối trong nông nghiệp làm nguồn năng lượng là rất cần
thiết, khơng chỉ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng mà cịn làm giảm sức ép

đến mơi trường.
Hải Dương là tỉnh có điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển
nơng nghiệp do đó lượng phụ phẩm nơng nghiệp cũng rất lớn. Tuy nhiên, cho
tới nay chưa có một nghiên cứu nào thống kê cụ thể về số lượng, thành phần, và
đặc biệt là nghiên cứu đề xuất phương án sử dụng nguồn sinh khối này một
cách hiệu quả.
Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá
tiềm năng và phương án công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối các phụ
phẩm nông nghiệp tỉnh Hải Dương” với mục tiêu: Đánh giá tiềm năng NLSK
các phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch từ canh tác lúa (trấu, rơm, rạ), từ sản
xuất ngô (thân, lá, lõi bắp) và từ sản xuất lạc (thân, lá, vỏ củ) trên địa bàn tỉnh
Hải Dương; trên cơ sở đó đề xuất phương án cơng nghệ sử dụng hiệu quả nguồn
năng lượng sinh khối này.
Nội dung chính của luận văn bao gồm:
1.

Tìm hiểu hiện trạng sản xuất một số cây nông nghiệp (lúa, ngô, lạc)

trên địa bàn tỉnh Hải Dương;
2.

Nghiên cứu hiện trạng thu gom và sử dụng các phụ phẩm sau thu

hoạch từ các cây nông nghiệp này;
3.

Đánh giá tiềm năng NLSK các phụ phẩm này trên địa bàn tỉnh;

4.

Đo đạc, phân tích một số chỉ tiêu mơi trường khơng khí (CH 4, CO2,

CO) theo thời vụ và theo các giai đoạn phát triển của cây lúa;
5.

Đề xuất phương án công nghệ sử dụng hiệu quả nguồn sinh khối này.

Khoa học Môi trường

5 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái quát sinh khối và năng lượng sinh khối
Sinh khối (SK) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng
tái tạo như cây cối, phân gia súc, … khi được đốt cháy năng lượng sinh học này
được giải phóng dưới dạng nhiệt. SK được xem là một phần của chu trình
cacbon. Cacbon từ khí quyển được biến đổi thành vật chất sinh học qua quá
trình quang hợp của thực vật. Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại
khí quyển hoặc đất. Vì vậy cacbon khí quyển được giữ ở mức tương đối ổn
định.
Năng lượng sinh khối (NLSK) là năng lượng được sản sinh từ nguồn SK.
Bản chất của NLSK là năng lượng Mặt trời được lưu giữ trong SK thơng qua
q trình quang hợp của cây cối để biến đổi CO 2 thành hiđratcacbon (đường,
tinh bột, xenlulô) là những hợp chất cấu tạo nên SK. Khi sử dụng các SK này

xảy ra q trình giải phóng năng lượng tích trữ trong các hiđratcacbon và phát
thải CO2 vào khí quyển.
SK bao gồm nhiều dạng như thức ăn động vật, rơm rạ, vỏ trấu, gỗ vụn,
chất thải từ thực phẩm ... và được phân thành 3 loại như trong Bảng 1.1
Bảng 1.1. Phân loại và các dạng sinh khối [3]
Phân loại

Dạng

Nguồn từ mùa màng

Thức ăn nuôi đông vật và cây tinh bột

Sinh khối chưa sử dụng

Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn và chất thải từ gỗ
Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ

Chất thải sinh khối

thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải
lỏng và bùn cống

Trong cách dùng phổ biến hiện nay, hiểu theo nghĩa nhiên liệu thì sinh
khối (biomas) là nhiên liệu rắn trên cơ sở SK, còn nhiên liệu sinh học (biofuel)
là những nhiên liệu lỏng được lấy từ SK và khí sinh học (biogas) là sản phẩm
Khoa học Môi trường

6 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

của q trình phân giải yếm khí của các chất hữu cơ. Trong luận văn này chỉ đề
cập đến nhiên liệu rắn từ các phụ phẩm của một số cây trồng.
1.1.2. Những con đường biến đổi sinh khối
 Các nhiên liệu SK được sử dụng theo 2 con đường (Hình 1.1) đó là:
oĐốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt và điện;
oBiến đổi thành những loại nhiên liệu khác tiện dụng hơn.
SINH
KHỐI

§èt ch¸y trùc tiÕp

NHIỆT

Động cơ nhiệt

CƠNG
CƠ
HỌC

Động điện, máy phát điện
Biến đổi

Đốt cháy

NHIÊN

LIỆU

Pin nhiªn liƯu

ĐIỆN

Hình 1.1. Sơ đồ biến đổi nhiên liệu sinh khối [3]
 Nguồn SK rất đa dạng và phong phú vì vậy cơng nghệ NLSK cũng rất đa

dạng. Các cơng nghệ NLSK có thể được chia làm 2 loại:
- Công nghệ biến đổi trực tiếp SK thành năng lượng hữu ích như việc đốt
trực tiếp SK để phục vụ sinh hoạt và phục vụ sản xuất;
- Công nghệ trong đó SK được biến đổi thành các nhiên liệu thứ cấp khác
như: đóng bánh SK, sản xuất than gỗ, khí hố...
 Các cơng nghệ được thực hiện thơng qua 3 q trình là vật lý, nhiệt hố

và sinh học (Hình 1.2).

Khoa học Môi trường

7 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Các q
trình
Sinh học

Sinh khối

Trần Thị Quỳnh

Nén chặt, sấy

Viên,bó, bánh

Giảm kích cỡ

Gỗ vụn, mùn cưa
trấu,…
Dầu thực vật

Ép

Đốt

Các q trình
Nhiệt hố

Các q trình
Vật lý

Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Khí hố

Khí tổng hợp

Nhiệt phân

Khí, dầu, cốc

Lên men rượu

Etanol

Phân giải kỵ khí

Khí sinh học

Sử dụng
năng
lượng
cuối cùng

Hình 1.2. Các con đường biến đổi sinh khối thành nhiên liệu [2]


Quá trình vật lý:

Thường sử dụng chất thải SK ở dạng gốc (vỏ dừa, chất hữu cơ phơi khơ:
mùn cưa, vỏ trấu…) đóng bánh với đường kính viên ép là 55 ÷ 65 mm, trọng
lượng mỗi bánh từ 5 ÷ 50 kg. Chất lượng cháy, hiệu suất thu hồi nhiệt cao hơn
khi đốt củi hoặc đốt than hầm.
Về phương diện kinh tế giá thành vẫn còn cao so với đốt vật liệu trước khi
ép. Tuy nhiên, quá trình này tạo thuận lợi cho việc vận chuyển vì thể tích chất
phế thải được thu nhỏ.


Q trình nhiệt hố

- Đốt cháy: Đốt là q trình xử lý biến đổi SK hoặc chất thải thành nhiệt và
hơi nước. Năng lượng được sản xuất ra thường chỉ là một sản phẩm thứ cấp bên
cạnh quá trình này. Mặt khác nhiệt và hơi nước sản xuất ra có thể biến đổi sang
điện hoặc được trực tiếp sử dụng như nguồn năng lượng. Các hệ thống đốt SK
Khoa học Môi trường

8 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

chủ yếu được thiết kế cho gỗ và phụ phẩm nông nghiệp. Trong nhiều nước công
nghiệp phát triển, chất thải rắn cũng được đốt để giảm lượng chất thải và sử
dụng năng lượng được tạo ra. Đây là công nghệ hiện đại vì vậy chi phí đầu tư
cao;
- Khí hố: Nhiệt độ trong q trình khí hố tương đối cao. Lượng khơng
khí cung cấp vào q trình này hạn chế (oxy hố một phần) sẽ biến SK thành
nhiên liệu khí (50% là N, 20% là CO và 15% H 2). Khí tạo ra với nhiệt trị thấp,
được sử dụng trong làm khơ, kéo tuốcbin khí hoặc làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong;
- Nhiệt phân: Là quá trình biến đổi SK thành 3 phần: nhiên liệu lỏng, hỗn
hợp khí gọi là “khí phát sinh” và các chất thải rắn. Q trình nhiệt phân SK với
nhiệt độ cao, mức độ oxy hoá thấp, khơng được cháy hồn tồn do nhiệt phân
nhanh và phát sáng.


Quá trình sinh học

- Lên men rượu: Đường, cặn và các chất hữu cơ xenlulô được biến đổi nhờ
vi khuẩn và chuyển sang các sản phẩm có gốc rượu cồn. Sản phẩm êtanol tương
đối tinh khiết sau khi được chưng cất. Cơng nghệ này phát triển rộng vì rượu
được dùng phổ biến . Do đòi hỏi vốn đầu tư lớn và cần nhiều nguyên liệu đầu
vào nên công nghệ lên men chưa có hiệu quả cao;
- Phân giải yếm khí: Ủ chất thải trong hầm là một q trình vi sinh tự nhiên
làm phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy). Điều này xảy ra
ở các hệ thống khơng được kiểm sốt như trong các đống phế thải, các bãi rác
hoặc trong điều kiện có kiểm sốt (như các lị khí sinh học, các bãi rác có kiểm
sốt v.v…). Mục đích chính của cơng nghệ yếm khí là tạo ra khí năng lượng
cao (chứa đến 70% khí CH4); tạo ra phân và làm giảm ơ nhiễm mơi trường. Q
trình yếm khí được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp và các chất
thải dạng bùn sệt, phân dùng trong nông nghiệp. Việc xử lý chất thải rắn (các
chất hữu cơ đã được phân tách ra) là ứng dụng tương đối mới, nhưng được phổ
cập nhanh vì có ưu điểm là tạo ra năng lượng.
Khoa học Môi trường

9 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

1.1.3. Những ưu điểm và hạn chế của nhiên liệu sinh khối
Ưu điểm:
- Có khả năng tái tạo;
- Được dự trữ trong nhiều nguồn;
- Có khả năng lưu trữ: có thể được biến đổi thành dạng năng lượng khác ;
- Hạn chế sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hoá thạch;

- Hạn chế sự gia tăng ô nhiễm môi trường từ các chất thải của năng lượng
hoá thạch;
- Việc sử dụng NLSK giúp tận dụng được các chất thải SK góp phần làm
sạch mơi trường.
Trong Bảng 1.2 đưa ra một số các chỉ tiêu so sánh NLSK với các nguồn
NLTT khác.
Bảng 1.2. Năng lượng sinh khối so với các nguồn năng lượng tái tạo khác
[3]
Nguồn năng lượng
Chỉ tiêu so sánh

Mặt trời

Gió

Sinh khối

Tổng đầu tư (triệu USD)
Quy mơ nhà máy (kW)
Tỷ lệ hoạt động hàng năm (%)
Công suất điện phát hàng năm

1.830
1.000.000
12

12.700
10.000.000
20

6.300
10.000.000
70

1.100

17.500

61.300

1,66

0,72

0,1

(M kw/h)
Đơn vị đầu tư (USD/kW)

Hạn chế:
- Hiệu suất sinh năng lượng thấp (7 ÷ 11%) do cơng nghệ sản xuất cũng
như bản thân khả năng sinh năng lượng của các phụ phẩm SK;
- Phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết, khí hậu;
- Việc thu gom tập trung và lưu trữ gặp khó khăn;
- Q trình chuyển đổi năng lượng phức tạp;
- Chịu sức ép từ các nhu cầu sử dụng SK khác.
1.1.4. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối
Khoa học Môi trường

10 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

1.1.4.1. Hàm lượng nước của sinh khối và lựa chọn quá trình chuyển đổi
sinh khối
Hàm lượng nước trong SK được lấy từ polime tự nhiên. Giá trị hàm lượng
nước khác nhau rất lớn phụ thuộc vào loại SK (giấy: 20%, chất thải động vật,
chất cặn bã lên men rượu và bùn cống: 98  99%).
Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và năng suất nhiệt của SK được thể
hiện trên Hình 1.3. Hàm lượng nước trong gỗ tươi khoảng 50%, khi phơi khơ
cịn khoảng 30% và đến mức tối đa lượng nước cịn khoảng 20%.

Hình 1.3. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối [16]
Các SK có hàm lượng nước khác nhau có các q trình chuyển đổi năng
lượng khác nhau (Hình 1.4). Đối với những SK khơ (dưới 50%) có thể đốt trực
tiếp bằng lị hơi tạo hơi nước nóng để phát điện. Những SK có chứa hàm lượng
nước cao (trên 75%) như: chất thải động vật, chất cặn bã lên men rượu và bùn

Khoa học Môi trường

11 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

cống hiệu quả sinh nhiệt thấp, nên phương pháp phổ biến hiện nay là q trình
lên men êtanol và khí mêtan.

Hình 1.4. Lựa chọn quá trình chuyển đổi SK theo hàm lượng nước [15]
1.1.4.2. Năng suất nhiệt của sinh khối
Năng suất nhiệt của SK bằng khoảng một nửa năng suất nhiệt của nhiên
liệu hoá thạch tuy nhiên hàm lượng lưu huỳnh trong SK và tro gỗ rất thấp (Hình
1.5). Do vậy, sử dụng ngun liệu SK có lợi cho mơi trường hơn.

Khoa học Môi trường

12 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Hình1.5. So sánh một số thành phần trong nhiên liệu hoá thạch và SK [16]
Trong Bảng 1.3 đưa ra giá trị sinh nhiệt của nhiên liệu SK và nhiên liệu
hoá thạch.
Bảng 1.3. Giá trị sinh nhiệt của nhiên liệu SK và nhiên liệu hoá thạch [3]
TT
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
1
2
3
4
5
6

Nguồn nhiên liệu

Độ ẩm

Giá trị sinh nhiệt
MJ/Kg
Kcal/Kg

%
Nhiên liệu sinh khối
Gỗ (ướt, cắt cành)

40
10,9
Gỗ (khô, để nơi ẩm thấp)
20
15,5
Gỗ khơ
15
16,6
Gỗ thật khơ
0
20,0
Bã mía (với độ ẩm cao)
50
8,2
Bã mía (khơ)
13
16,2
Than củi
5
29,0
Vỏ cà phê (khơ)
12
16,0
Vỏ trấu (khơ)
9
14,4
Vỏ lúa mì
12
15,2
Thân cây ngô

12
14,7
Lõi, bẹ ngô
11
15,4
Thân, vỏ lạc (khô)
12
14,3
Vỏ dừa
40
9,8
Sọ dừa
13
17,9
Phân gia súc đóng thành bánh
12
12,0
12 
Rơm rạ
14,6  15,0
20
12 
Mùn cưa (gỗ)
18,5 19,0
20
Vỏ hạt điều
11 12 24,0  25,0
Nhiên liệu hoá thạch
Than antracie
56

31,4
Than bitum
56
29,3
Than nâu
11,3
Than đá
25
Khí đốt (gas)
40
Dầu diezen
35

2.604
3.703
3.965
4.778
1.960
3.870
6.928
3.823
3.440
3.631
3.512
3.679
3.415
2.341
4.276
2.867
3.488  3.583

4.420  4.778
5.056
7.502
7.000
2.700
5.972
9.555
8.361

Dưới đây là hình dạng và kích cỡ một số vật liệu sinh khối (Hình 1.6)

Khoa học Mơi trường

13 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Hình 1.6. Hình dạng và kích cỡ một vài vật liệu sinh khối
1.2.Tình hình nghiên cứu và sử dụng sinh khối trên thế giới
Những nước phát triển trong nhiều năm qua đã và đang thực hiện những
chương trình rộng lớn về lĩnh vực phát triển các nguồn NLTT. Theo dự báo của
cơ quan năng lượng thế giới đến năm 2020 tỷ lệ các nguồn NLTT trong cân
bằng năng lượng thế giới sẽ đạt khoảng 20%, trong đó tỷ lệ SK là trên một phần
ba.
Người ta thường áp dụng những phương pháp sau đây để biến đổi SK một
cách kinh tế và hợp lý thành nhiên liệu và năng lượng thuận tiện.
o Biến đổi nhiệt hố (đốt trực tiếp, nhiệt phân, khí hố);

o Biến đổi theo cơng nghệ sinh học (thu được các loại cồn nguyên tử
thấp);
o Chế biến nhiệt hoá và cơ học thành nhiên liệu đóng bánh.

Khoa học Mơi trường

14 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Phương pháp biến đổi nhiệt hoá đối với sinh khối là đốt trực tiếp
Trong nông nghiệp để sấy khô và tăng cường quạt gió cho nơng phẩm
người ta sử dụng rộng rãi các máy cấp nhiệt công suất từ 0,25  2,5MW.
Chúng được sản xuất ra để chạy bằng dầu hoặc khí hợp bộ với các thiết bị sấy
trong đó có các thiết bị sấy lúa năng suất từ 2,5  50T/h, chúng còn được sử
dụng để sưởi cho gia cầm, ấp trứng, cho nhà kính... Song song với các cơng
nghệ đốt trực tiếp người ta nghiên cứu triển khai các công nghệ đốt 2 giai đoạn,
nhiên liệu rắn sơ bộ được khí hố, cịn khí thu được đốt trong lị. Việc đốt 2 giai
đoạn càng ngày càng phổ biến rộng rãi bởi vì nó cho phép nghiên cứu triển khai
các thiết bị hoạt động với hiệu suất cao, có tính linh hoạt hơn khi thay đổi các
chế độ hoạt động của các thiết bị sử dụng nhiệt, ô nhiễm môi trường ít hơn và ít
địi hỏi về chất lượng nhiên liệu.
Ở Liên Bang Nga: những công tác thử nghiệm chủ yếu về đốt các phế liệu
thảo mộc đã được tiến hành trên thiết bị thí nghiệm cơng suất 0,3  0,5MW với
thiết bị buồng đốt thử nghiệm công nghiệp công suất gần 1,5MW tại công ty
nông nghiệp “Kavkaz” thuộc vùng Krasnodar và tại trạm thử nghiệm thuộc
Viện Cơ giới hoá nông nghiệp L.B.Nga ở thành phố Armavir. Thiết bị buồng

đốt công suất 1,5MW đã được nghiên cứu triển khai làm mẫu thử đầu tiên cho
các thiết bị công suất lớn hơn (tới 5MW) và đã cho phép thực hiện các chế độ
đốt cháy khác nhau đối với hàng loạt nhiên liệu với các đặc tính cơ lý khác biệt
nhau và nhiệt trị khác nhau.
Tình hình sản xuất điện sinh học trên thế giới
Do sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ điện năng đồng thời dần cạn kiệt các nguồn
năng lượng như than, dầu mỏ ..., các nước trên thế giới đều hết sức quan tâm
đến các nguồn NLTT. Tại Hội nghị quốc tế về các nguồn năng lượng mới tổ
chức tại Bon (Đức), tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của LHQ (FAO) cho
rằng nên sử dụng các nguồn năng lượng sinh học (than củi, bã mía, rơm rạ, vỏ
trấu, các chất dư thừa không dùng đến của nông nghiệp và lâm nghiệp..) nhằm

Khoa học Môi trường

15 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

tạo ra nhiệt lượng, khí gas, dầu sinh học, điện sinh học và gas sinh học. Ước
tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30.000 MW.
Hiện nay, trên thế giới có 3 phương pháp biến đổi thành điện sinh khối:
1. Sản xuất điện SK là việc sử dụng SK (biomass) để tạo ra điện năng.
Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ thống đốt SK trực
tiếp để tạo hơi nước làm quay tuốc bin và sản sinh thành điện nhờ máy phát
điện;
2. Loại sản xuất điện SK thứ hai cũng được quan tâm nhiều do có thể sử
dụng các hệ thống đồng đốt cháy liên quan tới việc sử dụng SK như một nguồn

năng lượng bổ sung trong các nồi hơi hiệu quả cao cho các nhà máy điện đốt
than;
3. Loại thứ ba được quan tâm là hệ thống khí hố sử dụng nhiệt độ cao và
mơi trường hiếm oxy để biến SK thành khí sinh học (hỗn hợp gồm hydro, CO
và metan) để cung cấp nhiên liệu cho tuốc bin khí để sản xuất điện năng. Cũng
có một số nhà máy điện sử dụng chu trình khác. Chẳng hạn, như nhiên liệu SK
được biến thành các loại khí đốt điều áp, nóng với khơng khí trong buồng khí
hố và sau đó được đưa vào tuốc bin để sản xuất điện.
Mỹ hiện đang là nước sản xuất điện từ SK lớn nhất thế giới. Hơn 350 nhà
máy điện sinh học sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm
phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả, sản xuất trên 7.500MW điện
mỗi năm, đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66.000
việc làm. Với các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ
giúp ngành điện SK tại Mỹ sản xuất trên 13.000MW vào năm 2010 và tạo thêm
100.000 việc làm. Năng lượng SK chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở
Mỹ và 45% năng lượng tái sinh.
Ở Tây Ban Nha, nhà máy sản xuất điện sinh học từ cặn dầu ô-liu ở vùng
Andalousie, có trị giá khoảng 20 triệu euro đã được đưa vào hoạt động. Tại đây
cặn dầu ô-liu được xử lý thành nhiên liệu sinh học và nhiên liệu này được đốt
để tạo điện năng. Các nhà máy điện sử dụng ô-liu tại Andalucia hiện sản xuất
Khoa học Môi trường

16 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

đủ điện cho khoảng 130.000 hộ gia đình. Ở châu Âu, các nhà khoa học đang

nghiên cứu xây dựng các nhà máy sản xuất điện tương tự tại các vùng sản xuất
nhiều dầu ôliu, như ở Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và Pháp...
Nước Nhật đã dự định tăng sản lượng điện năng SK từ 218.000 kW trong
năm 2002 lên 330.000 kW tới năm 2010. Người ta đã ước tính rằng tác động
kinh tế tổng thể như tạo ra công ăn việc làm và các phương tiện khác liên quan
đến công nghiệp sinh khối có thể đạt đến 300 tỷ yên ở Nhật.
Một số ứng dụng khác
Cộng hồ Ấn độ: có diện tích đất canh tác là 99.972.000 ha, chiếm 57% diện
tích đất tự nhiên, là một nước có sản lượng nông nghiệp tương đối cao nên phụ
phẩm sau thu hoạch rất nhiều. Tuy nhiên, Ấn Độ có một số biện pháp tái sử
dụng phụ phẩm nông nghiệp như: Rơm làm ván xây dựng, làm đệm lót bao bì
đóng gói. Trấu được dùng làm nguyên liệu sản xuất axit pripionic, phenol,
cresol, glucose, silicol carbie. Rơm, trấu cũng được sử dụng làm chất đốt sinh
hoạt, làm thức ăn cho gia súc, sản xuất phân bón.
Trung Quốc: hàng năm, ngành cơng nghiệp luyện kim Trung Quốc sử dụng
10.000 tấn rơm làm vật liệu cách nhiệt. Có tới 50% sản lượng rơm của Trung
Quốc được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy. Có những thời kỳ, trấu cung
cấp tới 80% năng lượng cho các hệ thống sấy nông sản của Trung Quốc (1 kg
trấu tương đương với 0,23 lít dầu diesel), 50% sản lượng trấu được nghiền nhỏ dùng
làm phối liệu sản xuất thức ăn chăn nuôi ở Trung Quốc.

Khoa học Môi trường

17 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

1.3.Tình hình nghiên cứu sử dụng sinh khối trong nước
1.3.1. Tiềm năng SK của Việt Nam
Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi với khí hậu nhiệt đới gió mùa,
đây là điều kiện tốt cho sự phát triển của các lồi thực vật. Việt Nam cũng là
một nước nơng nghiệp nên nguồn SK từ phụ phẩm nông nghiệp phong phú, dồi
dào (Bảng 1.4 và Bảng 1.5).
Bảng 1.4. Tiềm năng năng lượng từ gỗ
Nguồn cung cấp

Rừng tự nhiên
Rừng trồng
Đất không rừng
Cây trồng phân tán
Cây công nghiệp & ăn quả
Phế liệu gỗ
TỔNG

Tiềm năng

Dầu tương đương

Tỷ lệ

(triệu tấn)
6,842
3,718
3,850
6,050
2,400
1,649

25,090

(triệu toe)
2,390
1,300
1,350
2,120
0,840
0,580
8,780

(%)
27,2
14,8
15,4
24,1
9,6
6,6
100,0

( Nguồn: Viện năng lượng Việt Nam, 2005)
Bảng 1.5. Tiềm năng năng lượng từ một số các phụ phẩm nơng nghiệp
Nguồn cung cấp

Rơm rạ
Trấu
Bã mía
Các loại khác
TỔNG

Tiềm năng

Dầu tương đương

Tỷ lệ

(triệu tấn)
32,52
6,50
4,45
9,00
53,43

(triệu toe)
7,30
2,16
0,82
1,80
12,08

(%)
60,4
17,9
6,8
14,9
100,0

(Nguồn: Viện năng lượng Việt Nam, 2005)
1.3.2. Hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam
Hiện nay khoảng 3/4 SK được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với các

bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã được nghiên cứu thành
công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ, lẻ tẻ ở
một số địa phương. Trong tổng tiêu thụ năng lượng, NLSK chiếm vai trị rất lớn
Khoa học Mơi trường

18 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

(Bảng 1.6). Việc sử dụng NLSK theo lĩnh vực và theo năng lượng cuối cùng
được đưa ra trong Bảng 1.7 và Bảng 1.8.
Bảng 1.6. Vai trò của năng lượng sinh khối trong tổng tiêu thụ năng lượng [3]
Tổng tiêu thụ
Năm
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995

Tiêu thụ năng

Tỷ lệ trong tổng

năng lượng

lượng (koe)
năng lượng (%)
Tổng SK
trong năm (koe) Gỗ củi Tổng SK Gỗ củi
14.286
4.748
10.766
33
75
14.976
5.086
11.069
34
74
15.929
5.280
11.492
33
72
15.683
5.355
11.655
34
74
15.904

5.532
12.039
35
75
16.879
5.693
12.390
34
73
17.108
5.830
12.678
34
74
18.026
6.339
12.938
35
71
19.312
7.030
13.564
36
70
19.088
7.700
13.600
40
71
20.735

8.430
13.630
40
65
Bảng 1.7. Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [3]
Lĩnh vực

Gia đình
Cơng nghiệp - tiểu thủ công nghiệp
Tổng

Tổng tiêu thụ (koe)
10667
3333
14000

Tỷ lệ (%)
76,2
23,8
100,0

Bảng 1.8. Sử dụng sinh khối theo năng lượng cuối cùng [3]
Năng lượng cuối cùng
Tổng tiêu thụ (koe)
Tỷ lệ (%)
Bếp đun
10667
76,2
Nhiệt
Lò nung

903
6,5
Lò đốt
2053
14,7
Điện
Đồng phát
377
2,7
Tổng
14000
100,0
Việc sử dụng SK ở Việt Nam đang ngày càng được quan tâm và phát
triển trong một số lĩnh vực như:
o 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;
o Sản xuất đường: tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43
nhà máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài. Mới đây
Khoa học Môi trường

19 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sỹ khoa học - 2009

Trần Thị Quỳnh

Viện Cơ điện nông nghiệp đã nghiên cứu thành công dây chuyền sử dụng phụ
phẩm SK đồng phát điện và nhiệt để sấy. Viện đã lắp đặt được 7 hệ thống và
hiện đang triển khai ứng dụng ở các tỉnh;

o Sấy lúa và các nông sản: hiện ở Đồng bằng sông Cửu long có hàng vạn
máy sấy đang hoạt động. Những máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản
xuất và có thể dùng trấu làm nhiên liệu. Riêng dự án Sau thu hoạch do Đan
Mạch tài trợ triển khai từ 2001 đã có mục tiêu lắp đặt 7000 máy sấy;
o Cơng nghệ cacbon hố SK sản xuất than củi được ứng dụng ở một số địa
phương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp;
o Một số cơng nghệ khác như đóng bánh SK, khí hố trấu hiện ở giai đoạn
nghiên cứu, thử nghiệm;
o Các nhà nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu cơng nghệ lọc hố dầu
(Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh) với đề tài: “Công nghệ
Biomass - hướng đến một nền nông nghiệp không chất thải và phát triển bền
vững” đã tinh chế phụ phẩm nông nghiệp thành nguồn năng lượng sinh học;
o Viện Thổ nhưỡng và Nơng hóa: đã nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông
nghiệp trong cơ cấu cây trồng có lúa nhằm nâng cao độ phì nhiêu đất, giảm sử
dụng phân khống khi mà giá phân bón ngày càng tăng. Các nghiên cứu được
tiến hành trên các loại đất: bạc màu, cát biển, đất phù sa [Sông Hồng, sơng Dinh
(Khánh Hồ), sơng Cửu Long (trên nền phèn-tại Cần Thơ)] đối với 2 cơ cấu
trong hệ thống cây trồng có lúa: (1) Lúa xn-Lúa mùa-Ngơ đơng (Bắc Giang,
Hà Tây, Nghệ An) và (2) Lúa đông xuân-Lúa xuân hè-Lúa hè thu (Khánh Hồ,
Cần Thơ). Vùi phụ phẩm nơng nghiệp đã cải thiện độ phì nhiêu đất (hàm lượng
chất hữu cơ, đạm, lân và kali dễ tiêu, dung tích hấp thu, thành phần cơ giới, độ
xốp, độ ẩm, vi sinh vật tổng số, vi sinh vật phân giải xenlulô, vi sinh vật phân
giải lân và vi sinh vật cố định đạm), đã tăng năng suất 6-12% so với không vùi.
Vùi phụ phẩm nơng nghiệp có thể thay thế lượng phân chuồng cần bón cho cây
trồng trong cơ cấu có lúa; giảm được 20% lượng phân đạm, lân và 30% lượng
phân kali mà năng suất vẫn không giảm so với không vùi phụ phẩm. Hiệu quả
Khoa học Môi trường

20 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên