Nghiên cứu cải thiện hệ thống khí hóa thu hồi nguyên liệu trấu

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đây là đồ án của em, có sự hỗ trợ từ Giảng viên hướng
dẫn PGS.TS. Huỳnh Quyền. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào
trước đây. Các thông tin thứ cấp được sử dụng trong đồ án là có nguồn gốc, được
trích dẫn rõ ràng và tuân thủ các nguyên tắc. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số
nhận xét đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác và cũng
được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình.
Tp.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2014
SVTH














LỜI CẢM ƠN


Em xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ trong trung tâm nghiên cứu Lọc Hóa
dầu trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo một môi trường tốt
nhất để em hoàn thành đồ án này. Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Huỳnh
Quyền, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
suốt quá trình thực hiện.
Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Hóa học và Công
nghệ thực phẩm trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu đã truyền đạt những kiến thức
quý báu trong những năm học vừa qua, đó chính là nền tảng để em thực hiện tốt đề
tài này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức và nhận được sự quan tâm chỉ dẫn tận tình của thầy
và các anh trong trung tâm nhưng do thời gian nghiên cứu hạn hẹp cộng với kinh
nghiệm thực tế chưa có nên một số vấn đề chưa nghiên cứ sâu và có nhiều thiếu sót.
Vì vậy em mong được sự góp ý của các thầy, cô để em có thể hoàn thiện đồ án này
hơn.

Tp.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2014
i

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG 4
1.1. Các khái niệm cơ bản về vỏ trấu 4
1.1.1. Vỏ trấu là gì? 4
1.1.2. Tính chất và thành phần của vỏ trấu 4
1.1.3. Nguồn năng lượng từ vỏ trấu 6
1.1.4. Ứng dụng của vỏ trấu 6
1.1.5. Tiềm năng của vỏ trấu 8
1.1.6. Hiện trạng sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam 8
1.2. Các khái niệm cơ bản về khí hóa 9

1.2.1. Khí hóa là gì? 9
1.2.2. Những lợi ích từ khí hóa 10
1.2.3 Nguồn nhiên liệu khí hóa 11
1.3. Giới thiệu quá trình khí hóa vỏ trấu 14
1.3.1. Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa vỏ trấu 14
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa vỏ trấu 18
1.3.2.1. Chất lượng của nhiên liệu 18
1.3.2.2. Độ ẩm 18
1.3.2.3. Kích cỡ và hình dạng của vỏ trấu 19
1.3.2.4. Sự phân bố kích thước của nhiên liệu 20
1.3.2.5. Nhiệt độ 20
1.3.2.6. Áp suất 21
1.3.2.7. Tốc độ gia nhiệt 21
1.3.2.8. Thời gian lưu trú của nhiên liệu 21
1.3.2.9. Hàm lượng Nitơ 21
1.3.2.10. Nhựa - hắc ín 22
1.3.2.11. Tro, xỉ 23
1.3.3. Hiện trạng khí hóa vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam 24
ii

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA VỎ TRẤU 26
2.1. Giới thiệu 26
2.2. Các loại công nghệ khí hóa 27
2.2.1. Công nghệ khí hóa tầng sôi 27
2.2.2. Công nghệ khí hóa tầng cố định 29
2.3. Những miền công nghệ và những phản ứng hóa học 35
2.4. Hệ thống xử lý khí hóa 38
2.5. Ứng dụng của công nghệ khí hóa trấu 40
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PILOT KHÍ HÓA
TRẤU 42

3.1. Sơ đồ khối thiết kế quá trình khí hóa 42
3.2. Sơ đồ công nghệ hệ thống khí hóa trấu 43
3.3. Tính các thông số của quá trình khí hóa trấu 45
3.3.1. Thành phần của trấu 45
3.3.2. Nhiệt trị thấp của trấu 46
3.4. Tính kết cấu hệ thống khí hóa 46
3.4.1. Khối lượng trấu cấp trong 1 giờ 46
3.4.2. Đường kính của thiết bị phản ứng 46
3.4.3. Chiều cao buồng phản ứng 47
3.4.4. Lưu lượng không khí cần thiết cấp cho quá trình khí hóa 47
3.4.5. Tốc độ không khí 48
3.4.6. Trở lực của dòng khí 48
3.4.7. Tính đường ống 49
3.4.7.1. Tiết diện đường ống 49
3.4.7.2. Đường kính ống dẫn gas 50
3.5. Các phương trình cân bằng 50
3.5.1. Phương trình cân bằng vật chất (cân bằng khối lượng) 50
3.5.2. Phương trình cân bằng năng lượng 51
3.5.2.1. Năng lượng của trấu 51
3.5.2.2. Năng lượng của không khí cấp 51
3.5.2.3. Các tổn thất năng lượng 51
iii

3.5.3. Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị phản ứng 53
3.6. Tính thiết bị phụ 55
3.6.1. Thùng chứa tro 55
3.6.2. Tính trục vít 55
3.6.3. Tính hopper 56
3.6.4. Lựa chọn môtơ quay trục vít 57
3.6.5. Tính quạt thổi không khí 58

3.6.6. Tính thiết bị ngưng tụ 58
3.6.7. Burner 61
CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 64
4.1. Khảo sát môi trường Nitơ 64
4.1.1. Mục đích 64
4.1.2. Các bước tiến hành 65
4.1.3. Kết quả khảo sát 66
4.2. So sánh giữa tác nhân N
2
và H
2
O 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77











iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
1. Bảng
Bảng 1.1: Thành phần các nguyên tố trong trấu 5

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro trấu 6
Bảng 1.3: Khả năng tỏa nhiệt của các nguồn nhiên liệu 7
Bảng 1.4: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000
0
C và độ ẩm của
trấu từ 10 – 40 %, tỉ lệ cân bằng 0.3 18
Bảng 1.5: Thành phần và tỉ lệ phần trăm của các loại khí tại 1000
o
C và độ ẩm của
trấu là 30%, tỉ lệ cân bằng từ 0.3 – 0.4 19
Bảng 3.1 Thành phần của vỏ trấu 45
Bảng 3.2: Bảng hệ số C
1
56
Bảng 3.3: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ 58
Bảng 3.4: Thống số burner 62
Bảng 3.5: Tóm tắt thông số tính toán 62
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 700
o
C 67
Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 800
o
C 67
Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 900
o
C 67
Bảng 4.4: Tổng kết kết quả quá trình khảo sát tác nhân N
2
68
Bảng 4.5: Kết quả khảo sát tác nhân hơi nước tại 900

o
C 71
Bảng 4.6: Kết quả khảo sát môi trường N
2
và tác nhân hơi nước 71




v

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
1. Biểu đồ
Biểu đồ 3.1. Mối quan hệ giữa vận tốc và trở lực dòng khí 49
Biểu đồ 4.1 So sánh khối lượng khí giữa môi trường N
2
và tác nhân hơi nước 72
Biểu đồ 4.2 So sánh khối lượng rắn giữa môi trường N
2
và tác nhân hơi nước 72
2. Đồ thị
Đồ thị 4.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng ngưng tụ, rắn còn lại, khí 68
3. Sơ đồ
Sơ đồ 2.1: Quá trình khí hóa tổng thể 26
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối thiết kế quá trình khí hóa 42
Sơ đồ 3.2: Hệ thống khí hóa trấu 43
Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khảo sát thực tế 65
4. Hình ảnh
Hình 1.1: Hình dạng vỏ trấu 4
Hình 1.2: Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam 8

Hình 1.3: Than củi 11
Hình 1.4: Gỗ vụn 12
Hình 1.5: Rơm, vỏ trấu 13
Hình 2.1: Khí hóa tầng sôi 27
Hình 2.2: Khí hóa kiểu Downdraft 31
Hình 2.3: Khí hóa kiểu Crossdraft 32
Hình 2.4: Khí hóa kiểu Updraft 33
Hình 3.1: Thiết bị khí hóa trấu 54
vi

Hình 3.2. Mô tơ điện DC model 6ML57 57
Hình 3.3. AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower. 58
Hình 3.4: Thiết bị ngưng tụ 61
Hình 3.5: Burner LPG Torch 62
Hình 3.6: Hệ thống pilot khí hóa trấu 63
Hình 4.1: Hệ thống khảo sát thực tế 64
Hình 4.2: Ngọn lửa trong khảo sát tác nhân hơi nước (trái) và môi trường khí N
2
. 72
Hình 4.3: Tro trong khảo sát tác nhân hơi nước (trái) và môi trường khí N
2
72
Hình 4.4: Lượng nước ban đầu (a), lượng ngưng tụ bằng tác nhân nước (b), 73
lượng ngưng tụ trong môi trường khí N
2
(c) 73

Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bước sang thể kỷ 21 vấn đề năng lượng ngày càng trở thành mối quan tâm to
lớn của mọi quốc gia. Trong thể kỷ này nhân loại sẽ chứng kiến sự phát triển của
năng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm và đang
ngày càng cạn kiệt và một trong những năng lượng tái tạo đó là năng lượng sinh
khối.
Công nghệ khí hóa nói chung và khí hóa sinh khối nói riêng đang được các
nước trên thế giới nghiên cứu rộng rãi. Tại Việt Nam thì công nghệ khí hóa chỉ
được chú ý trong một số năm gần đây nhưng chủ yếu chỉ tập trung vào gỗ vụn, bã
mía. Trong những nguyên liệu sinh khối thì trấu được xem là nguyên liệu ưu việt
nhất do tính phổ biến nhất. Việt Nam là nước xuất khấu gạo đứng thứ 2 thế giới, với
lượng gạo sản xuất hàng năm tăng trên 1 triệu tấn, như vậy với lượng gạo sản xuất
được thì lượng trấu tạo thành là rất lớn, nhưng hiện nay vỏ trấu vẫn chưa được sử
dụng một cách có hiệu quả, nhiều nơi vỏ trấu được đổ ra sông, kênh rạch gây ô
nhiễm môi trường và rất lãng phí. Với việc phát triển của công nghệ khí hóa thì vỏ
trấu là nguyên liệu rất đáng quan tâm.
Hiện nay công nghệ khí hóa vỏ trấu kiểu Downraft đang còn được tiếp tục
nghiên cứu trong khi hệ thống kiểu Updraft đã được sử dụng cách đây cả thập kỷ.
Công nghệ kiểu Downraft sản xuất ra một lượng khí đốt với nồng độ hắc ín thấp
có thể ứng dụng phù hợp để cấp khí cho động cơ đốt trong, tuy nhiên hiệu suất khí
của nó thấp hơn công nghệ kiểu Updraf trước có hạn chế là tạo lượng hắc ín lớn.
Như vậy để thu được hiệu suất khí lớn, chất lượng khí đạt tiêu chuẩn và ít hắc ín thì
hệ thống khí hóa trấu kiểu Updraf phải được cải thiện.
Để giải quyết được vấn đền này em xin thực hiện đề tài “Nghiên cứu cải
thiện hệ thống khí hóa thu hồi năng lượng từ nguyên liệu trấu kiểu Updraft
thông qua sự khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa “Gasification agent”” để tìm
ra tác nhân tốt nhất trong quá trình khí hóa để cho chất lượng khí tốt nhất có thể áp
dụng rộng rãi trong các thiết bị đốt công nghiệp hoặc trong động cơ đốt trong.

Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

2. Tình hình nghiên cứu
Những đề tài, công trình nghiên cứu đã công bố có liên quan đến đề tài như:
 Biomass Gasifier Updraft
 Rice Husk Gas Stove Handbook
 Nghiên cứu, tính toán thiết kế hệ thống khí hóa trấu phù hợp với điều kiện
thực tế của khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
 Thiết kế hệ thống thiết bị khí hóa sinh khối năng suất nhỏ phục vụ nhu cầu
cung cấp năng lượng cho nông nghiệp nông thôn.
3. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài này là:
- Tính toán thiết kế hệ thống khí hóa trấu.
- Bước đầu khảo sát quá trình khí hóa trấu
+ Chọn được thông số thích hợp: thời gian, nhiệt độ, lưu lượng
+ Khảo sát ảnh hưởng tác nhân nước đến lượng sản phẩm sinh ra,
lượng rắn còn lại, lượng ngưng tụ.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Trên cơ sở mục đích nghiên cứu, đề tài sẽ hướng đến việc nghiên cứu cụ thể
các vấn đề:
 Tiềm năng về năng lượng sinh khối trấu.
 Đánh giá các thiết bị khí hóa trấu.
 Nghiên cứu, tính toán thiết bị khí hóa trấu.
 Khảo sát với các tác nhân đưa vào nhiên liệu trên thiết bị khí hóa trấu và
đánh giá thực nghiệm.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên: lí thuyết kết hợp với thực nghiệm
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Phương pháp lí thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các bước
thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp đã công bố.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành khảo sát các yếu tố chính ảnh hưởng
đến quá trình khí hóa trấu như tác nhân khí hóa, nhiệt độ, lưu lượng tác nhân, xử lý
kết quả để tìm ra điều kiện thích hợp nhất.
6. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài
Thiết kế được hệ thống pilot phục vụ cho khảo sát khí hóa dùng đồng thời cho
các tác nhân khí hóa và xúc tác nếu cần.
Có được những thông số trong quá trình khảo sát như nhiệt độ, lưu lượng, hàm
lượng tro, khí, hắc ín để làm cơ sở số liệu tham khảo.
Tìm được điều kiện thích hợp nhất của tác nhân tốt nhất để ứng dụng cho thiết
bị khí hóa thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả khí hóa trấu.
7. Cấu trúc của khóa luận tốt nghiệp
Với đề tài này chúng em xin đưa ra cấu trúc luận văn như sau:
MỞ ĐẦU
PHẦN NỘI DUNG:
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Chương 2: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA VỎ TRẤU
Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PILOT KHÍ HÓA TRẤU
Chương 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

CHƢƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG
1.1. Các khái niệm cơ bản về vỏ trấu
1.1.1. Vỏ trấu là gì?
Hình 1.1: Hình dạng vỏ trấu
Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành. Cả hai phần này
được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau. Phần trên của
hai mảnh vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối vỏ trấu và cuối cùng kết thúc thành một
cái râu và nói cách khác thì trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra
trong quá trình xay xát.
1.1.2. Tính chất và thành phần của vỏ trấu
 Tính chất của vỏ trấu
- Tuỳ theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ 5 – 10 mm, chiều ngang bằng
1/2 -1/3 chiều dài.
- Góc nghỉ của trấu từ 35 – 50
o
tuỳ theo ẩm độ và điều kiện nhiệt độ môi
trường.
- Thành phần thực tế của vỏ trấu thay đổi tùy theo giống lúa và có liên quan
tới các điều kiện đất đai mà cây lúa được trồng.
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

- Vỏ trấu không cháy dễ dàng với ngọn lửa trần trừ khi có không khí thổi qua.
Vỏ trấu có khă năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vật liệu cách nhiệt tốt.
- Tro trấu chứa nhiều SiO
2
gây nên hiện tượng ăn mòn các loại lò sử dụng vỏ
trấu làm chất đốt.
- Khối lượng riêng của vỏ trấu thấp khoảng 70 - 110 kg/m

3
do đó đòi hỏi
không gian lớn để lưu trữ và vận chuyển.
 Thành phần của vỏ trấu
- Xenlulozơ: chiếm nhiều nhất (khoảng 26 - 35%) là hợp chất cao phân tử, có
công thức cấu tạo (C
6
H
10
O
5
)
n
.
- Hemi – Xenlulozơ: chiếm khoảng (18 - 22%), là hợp chất hóa học tương tự
xenlulozơ nhưng có kích thước phân tử nhỏ hơn và không có cấu trúc chặt chẽ
cũng như độ bền hóa lý thấp hơn xenlulozơ.
- Lignin: chiếm khoảng (25 - 30%) là hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định
hình khác với xenlulozơ. Lignin tồn tại ở 3 trạng thái: thủy tinh (biến dạng là
biến dạng đàn hồi), dẻo (biến dạng không thuận nghịch), lỏng dính.
- SiO
2
chiếm khoảng 20%.
Bảng 1.1: Thành phần các nguyên tố trong trấu
Loại
Thành phần nguyên tố (%)
Nhiệt
(MJ/kg)
C
H

O
N
S
Tro
Độ ẩm
Trấu
38.5
5.7
39.8
0.5
0
15.5
9
3400
Nguồn: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems



Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro trấu
Thành phần
SiO
2

Al
2
O

3

Fe
2
O
3

CaO
MgO
K
2
O
N
2
O
Hàm lượng
(%)
90.21
0.68
0.74
1.41
0.59
2.38
0.25
Nguồn: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems
1.1.3. Nguồn năng lƣợng từ vỏ trấu
Xét về mặt tài nguyên thì vỏ trấu gồm 2 phần, một phần chứa khoảng 75%
chất hữu cơ dễ bay hơi. Khi cháy trong quá trình đốt nó sẽ tạo ra năng lượng dưới
dạng nhiệt, điện hay nhiên liệu sinh học, và khoảng 25% còn lại thì tạo ra các thứ
tro trấu. Nhiệt lượng vỏ trấu vào loại cao nhất với khoảng 3400 kcal cho mỗi một

kg và đó là một nguồn năng lượng chúng ta không thể bỏ qua. Tùy theo cách đốt mà
ta thu được lượng nhiệt khác nhau và cả loại tro khác nhau.
1.1.4. Ứng dụng của vỏ trấu
 Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt
Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, đặc
biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long.
Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn
gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa).
Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng
rất thường xuyên. Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá
hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất
gạch.



Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Bảng 1.3: Khả năng tỏa nhiệt của các nguồn nhiên liệu
Loại nguyên liệu
Khả năng tỏa nhiệt (kcal/kg)
Diesel
10200
Mùn cưa
3800
Gỗ vụn
2800
Vỏ trấu
3400

Vỏ cây cọ
4700
Than
5500
Nguồn: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems
 Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất điện năng
Với khả năng đốt cháy mạnh và rẻ, có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khi đốt
nóng không khí bằng trấu để làm quay tua bin phát điện. Theo tính toán mỗi kg trấu
có thể tạo được 0.125 kW giờ điện và 4 kW giờ nhiệt, tùy theo công. Ứng dụng này
được áp dụng chế tạo máy phát điện loại nhỏ cho các khu vực vùng sâu vùng xa.
 Sử dụng làm vật liệu xây dựng
Vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa,
hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh. Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn
gạch xây thông thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm
nước cao. Đây là vật liệu thích hợp với các vùng như miền Tây, miền Trung bị
ngập úng, lũ lụt và nền đất yếu. Sau khi sử dụng có thể nghiền nát để tái chế lại.
Hiện nay đã có Công ty sản xuất thương mại đưa vật liệu này ứng dụng vào thực tế.
 Sử dụng tro trấu sản xuất oxyt silic
Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là oxyt silic. Oxyt silic là chất được
sử dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy
tinh….Vấn đề tận dụng oxyt silic trong vỏ trấu hiện đang đưọc rất quan tâm, mục
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 8 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

đích là thu được tối đa lượng silic với thời gian ngắn. Hiện nay đã có công trình
nghiên cứu về trích ly oxyt silic bằng NaOH thành công mang lại hiệu quả kinh tế
cao.
 Một số ứng dụng khác của vỏ trấu: Không dừng ở các ứng dụng trên, vỏ
trấu còn có thể dùng làm thiết bị lọc nước, thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể

trong công nghiệp sản xuất meo giống, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại,
tro trấu có thể dùng làm phân bón
1.1.5. Tiềm năng của vỏ trấu
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa với nền nông
nghiệp phát triển mạnh, nền sản xuất chủ yếu vẫn là lúa gạo. Với nền nông nghiệp
lúa gạo thì Việt Nam là nước sản xuất và xuất khẩu gạo lớn của thế giới. Mặc dù
quá trình đô thị hoá đang phát triển nhanh, diện tích sản xuất lúa gạo ngày càng bị
thu hẹp, nhưng năng suất sản lượng lương thực mỗi năm đều tăng trên 1 triệu tấn,
năm 2013 đạt 44.1 triệu tấn. Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau khi xay xát tương
đương 8,8 triệu tấn. Tuy nhiên việc sử dụng lượng vỏ trấu thu được chưa thực sự
hiệu quả, cùng với việc phát triển hệ thống khí hóa vỏ trấu thì tiềm năng sử dụng vỏ
trấu là rất lớn.
1.1.6. Hiện trạng sử dụng vỏ trấu tại Việt Nam
Hình 1.2: Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 9 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Vỏ trấu hiện nay là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, nó
được dùng trong sinh hoạt như nấu ăn, nấu thức ăn gia súc, hay dùng để sấy lúa,
nung gạch, ngoài ra còn dùng trong các lĩnh vực như sản xuất vật liệu xây dựng, sản
xuất oxyt silic, sản xuất củi trấu, ứng dụng trong máy lọc nước Nhưng hiện nay
tại rất nhiều nơi thì vỏ trấu sau khi xay xát được đổ ra sông, kênh rạch để tiêu hủy
gây ô nhiễm môi trường vì lượng vỏ trấu sản xuất ra nhiều mà đốt không hết, không
đủ chỗ chứa và không bán được. Vì vậy phải đề ra các phương pháp để sử dụng
hiệu quả nguồn nguyên liệu này để tránh trình trạng lãng phí và tránh gây ô nhiễm
môi trường, trong các phương pháp đó thì phương pháp khí hóa là được quan tâm
nhất.
1.2. Các khái niệm cơ bản về khí hóa
1.2.1. Khí hóa là gì?

Khí hóa là việc chuyển đổi nhiên liệu rắn thành nhiên liệu dạng khí hữu ích và
thuận tiện cho việc đốt cháy để giải phóng năng lượng. Nguồn nhiên liệu này chủ
yếu là nguồn sinh khối như các phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, vỏ trấu, ngô, mía )
hay như các loại mùn cưa, các loại gỗ phế phẩm
Về lĩnh vực khí hóa sinh khối nói riêng: Khí hóa sinh khối nghĩa là sự ôxi hóa
sinh khối một cách không hoàn toàn, sản phẩm nhận được khí đốt bao gồm cacbon
oxide (CO), hydro (H
2
), và một ít khí metan (CH
4
), hỗn hợp này được gọi là sản
phẩm Gas, sản phẩm Gas này là một hóa chất cực kỳ hấp dẫn có thể sử dụng để
chạy động cơ đốt trong cũng như nhiên liệu hóa học trong công nghiệp, có thể sử
dụng thay thế cho lò hơi đốt trực tiếp bằng dầu và có thể được sử dụng để sản xuất
một cách kinh tế, hữu hiệu, ethanol, methanol hoặc biogas nên nó được chọn làm
mô hình sản xuất nhiên liệu.
Ví dụ như trấu có thể sử dụng trực tiếp cho các lò nung gạch, nhưng do lượng
năng lượng mất mát quá lớn nên chuyển sang dạng nung bằng quá trình khí hóa để
có thể tận dụng triệt để nguồn năng lượng và nhiệt trị.

Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 10 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

1.2.2. Những lợi ích từ khí hóa
a. Về mặt kinh tế
 Phát triển nông thôn là một trong những lợi ích chính của việc phát triển
năng lượng sinh khối tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động (sản xuất,
thu hoạch…).
 Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp năng lượng, công nghiệp sản xuất các

thiết bị chuyển hóa năng lượng….
 Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
b. Về mặt môi trường
 Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được.
 Năng lượng sinh khối tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó nó vừa làm
giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích.
 Đốt sinh khối cũng thải ra CO
2
nhưng mức S và tro thấp hơn đáng kể so với
việc đốt than bitum. Ta cũng có thể cân bằng lượng CO
2
thải vào khí quyển nhờ
trồng cây xanh hấp thụ chúng. Vì vậy, sinh khối lại được tái tạo thay thế cho sinh
khối đã sử dụng nên cuối cùng không làm tăng CO
2
trong khí quyển.
 Tận dụng được nguồn nhiên liệu sinh khối vô cùng dồi dào hiện nay vốn
đang bị coi là chất thải từ nông nghiệp. Do đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường và
tận dụng được nguồn sinh khối sẵn có.
 Sử dụng được khí tổng hợp ở nhiệt độ cao và hiệu quả hơn so với việc đốt
trực tiếp.
 Ngọn lửa cháy ở nhiệt độ cao và không phát sinh khói.
 Làm giảm phát thải các chất CO
x
, SO
2
, NO
x
và các hạt vật chất so với đốt
trực tiếp.

Như vậy, phát triển năng lượng sinh khối làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi,
giảm hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về chôn lấp… Kỹ thuật đốt rác phát điện
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 11 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

từng có lịch sử nghiên cứu phát triển hơn 30 năm trở lại đây, nhiều nhà máy ở Đức
(32% lượng rác được xử lý bằng đốt rác phát điện), Đan Mạch (70%), Bỉ (29%),
Pháp (38%)… đã trở thành hình mẫu cho ngành công nghệ “ năng lượng và bảo vệ
môi trường” này. Ở châu Á, Singapore (100% lượng rác được xử lý bằng đốt rác
phát điện) và Nhật Bản (72.8%) là hai nước đi đầu trong kỹ thuật đốt rác phát điện.
1.2.3 Nguồn nhiên liệu khí hóa
 Than củi
Bởi vì than củi là một loại than có chất lượng tốt, hàm lượng trong than hầu
như không có hắc ín, nó là một loại nhiên liệu khả thi cho tất cả các loại thiết bị khí
hóa. Than củi được khí hóa tốt khi hàm lượng khoáng chất trong than thấp hoặc
không bị phá vỡ và vỡ vụn dễ dàng. Nhưng khó khăn chính là chi phí của than củi
tương đổi cao làm giảm khả năng cạnh tranh của nó so với nhiên liệu lỏng và tổn
thất năng lượng trong quá trình sản xuất than (có thể bị mất lên đến 70% so với
năng lượng ban đầu có trong gỗ). Điều này là yếu tố có tầm quan trọng đối với
những nước đang phát triển, nhu cầu năng lượng rất cao trong khi cơ sở không thể
đủ năng lượng sinh khối để phục vụ theo nhu cầu trong nước.
Hình 1.3: Than củi



Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 12 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

 Gỗ
Hầu hết các loại gỗ có hàm lượng tro dưới 2%, do đó nó là nhiên liệu phù hợp
cho các loại thiết bị khí hóa kiểu cố định. Bởi vì hàm lượng chất dễ bay hơi cao của
gỗ nên đối với hệ thống khí hóa Updraft, sản phẩm khí tạo ra với hàm lượng hắc ín
khá cao, do đó nếu muốn đạt hiệu quả cao thì chỉ thích hợp cho những trường hợp
cấp nhiệt trực tiếp. Làm sạch khí đốt (thành phần hắc ín, bụi bẩn ) để cấp cho động
cơ là khó khăn, phải tốn nhiều tiền và công sức.
Hình 1.4: Gỗ vụn
Với hệ thống dạng Downdraft có thể thiết kế để cung cấp một sản phẩm khí
đốt có hàm lượng hắc ín thấp hơn nhiều. Đó là điều chắc chắn đã được thử nghiệm
khi nhiên liệu là gỗ khối hoặc là gỗ dăm, với hàm lượng ẩm thấp. Sau khi đi qua
thiết bị, khí tương đối được làm sạch thành sản phẩm khí đốt có thể được sử dụng
trong quá trình cấp cho động cơ đốt trong.
 Mùn cưa
Hầu hết những thiết bị khí hóa tầng cố định hầu như không thích hợp cho mùn
cưa. Vấn đề gặp phải là sản phẩm tạo ra quá nhiều hắc ín, không thể chấp nhận áp
suất tổn thất quá lớn và dễ bị tắc nghẽn. Thiết bị khí hóa dạng tầng sôi có thể hóa
giải những phần tử có kích thước nhỏ như mùn cưa tạo sản phẩm khí đốt có chất
lượng cao. Để sử dụng cho động cơ thì phải lắp đặt một thiết bị làm sạch khí.

Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 13 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

 Than bùn
Những vấn đề lớn nhất trong quá trình khí hóa than bùn là gặp phải độ ẩm cao
và thường hàm lượng tro khá cao. Thiết bị khí hóa kiểu Updraft với nhiên liệu than
bùn có độ ẩm vào khoảng 30 - 40% đã được sử dụng ở Phần Lan với mục đích cung
cấp nhiệt. Những hệ thống Downdraft công suất nhỏ với nhiên liệu than bùn dạng
viên khô đã được ứng dụng thành công trong các ứng dụng động cơ chạy nhiên liệu

khí. Trong thế chiến thứ II rất nhiều phương tiện vận chuyển chạy bằng nhiên liệu
chuyển đổi từ gỗ hoặc than bùn ở Phần Lan và Thụy Điển.
 Phụ phẩm nông nghiệp
Các nước đang phát triển có nền nông nghiệp chiếm phần lớn và những phụ
phẩm dư thừa có nhiều để sử dụng làm nhiên liệu cho quá trình khí hóa.
Trong thực tế kinh nghiệm sử dụng về hầu hết các loại phụ phẩm nông nghiệp
còn rất hạn chế. Về trấu gạo thì hàm lượng tro chiếm khoảng 20% dẫn đến nó là
nhiên liệu khó sử dụng nhất. Với nhiên liệu này, thiết kế thiết bị khí hóa trấu kiểu
Downdraft vẫn đang còn tiếp tục nghiên cứu trong khi hệ thống Updraft đã được sử
dụng cách đây cả thập kỷ. Về vỏ dừa và lõi ngô thì nó được đánh giá cao vì không
tạo ra những vấn đề nghiêm trọng trong những thiết bị khí hóa dạng cố định.
Hầu hết các loại thiết bị khí hóa sử dụng nguồn nhiên liệu là chất thải nông
nghiệp đều là những thiết bị kiểu Updraft. Tuy nhiên nhược điểm là bảo trì, bảo
dưỡng và chi phí lao động cao, cũng như hậu quả về môi trường (xử lý hắc ín).
Hình 1.5: Rơm, vỏ trấu
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 14 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

1.3. Giới thiệu quá trình khí hóa vỏ trấu
1.3.1. Các phản ứng chính trong quá trình khí hóa vỏ trấu
Khí hóa vỏ trấu là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của
vỏ trấu. Tùy thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm
khí chứa CO, H
2
và CH
4
. Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H
2
có các tỷ lệ khác

nhau giữa các cấu tử và có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học.
C + O
2
→ CO
2
(1)
C + CO
2
↔ 2CO (2)
C + H
2
O ↔ CO + H
2
(3)
C + 2H
2
↔ CH
4
(4)
CO + 3H
2
↔ CH
4
+ H
2
O (5)
CO + H
2
O ↔ CO
2

+ H
2
(6)
 Cơ chế phản ứng C + H
2
O
Cùng là phản ứng dị thể và thu nhiệt mạnh cho nên các đặc điểm của phản ứng
C + CO
2
đều đúng với phản ứng C + H
2
O. Phản ứng chỉ có tiến hành với vận tốc
tương đối lớn nên t
0
> 800
0
C. Nhưng phản ứng giữa C và hơi nước phức tạp hơn
phản ứng C + CO
2
vì phản ứng C + H
2
O có thể xảy ra theo 2 chiều hướng khác
nhau sinh ra CO và CO
2
:
C + H
2
O ↔ CO + H
2
– Q1

C + 2H
2
O ↔ CO
2
+ 2H
2
– Q2
Nếu trong khí có chứa nhiều hơi nước thì ngoài sản phẩm CO và CO
2
ra còn
có khả năng tiến hành phản ứng sau:
CO + H
2
O ↔ CO
2
+ H
2
+ Q
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 15 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Vấn đề cơ bản khi xét cơ chế phản ứng C + H
2
O là xem xét CO là sản phẩm
bậc nhất; CO
2
là sản phẩm bậc nhất hay cả CO và CO
2
đều là sản phẩm bậc nhất tạo

thành đồng thời cùng 1 lúc.
Vì vậy đối với phản ứng này cũng tồn tại 3 giả thiết khác nhau:
 Giả thiết 1: Cho rằng sản phẩm bậc nhất chỉ là CO
2
, nghĩa là khi cho C và
hơi nước tác dụng
C + 2H
2
O ↔ CO
2
+ 2H
2
– Q
Còn sự có mặt của CO trong sản phẩm phản ứng giải thích bằng phản ứng
bậc 2 như sau:
CO
2
+ C ↔ 2CO – Q
 Giả thiết 2: Cho rằng cả CO và CO
2
là sản phẩm bậc nhất và chúng tạo
thành đồng thời cùng lúc. Phản ứng tiến hành như sau:
C + H
2
O ↔ CO + H
2
– Q1
C + 2H
2
O ↔ CO

2
+ 2H
2
– Q2
Đây là giả thiết đến nay được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận nhất. Trong 2
loại giả thiết trên, chúng ta chỉ viết phương trình phản ứng đối với phản ứng tổng
cộng, không đi vào các giai đoạn trung gian của chúng.
 Giả thiết 3: Gần đây có một số giả thiết mới cho rằng chỉ CO là sản phẩm
bậc nhất, còn CO
2
là sản phẩm bậc 2. Giả thiết này giải thích được khá
nhiều trường hợp thực nghiệm nên cũng được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ.
Cơ chế của chúng được tiến hành qua các giai đoạn sau:
 Giai đoạn 1: Hấp phụ hơi nước trên bề mặt sinh khối theo phản ứng:
C + H
2
O ↔ C + (H
2
O)
hphụ

 Giai đoạn 2: Tạo phức chất bề mặt theo phản ứng:
C + (H
2
O)
hphụ
↔ C
x
O
y

+ (H
2
)
hphụ

Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 16 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

 Giai đoạn 3: Phân hủy phức chất hoạt động bề mặt C
x
O
y
với sự tham gia
của hơi nước từ không khí.
C
x
O
y
+ H
2
O ↔ (CO)
hphụ
+ H
2

Đây là phản ứng bậc 1 đối với hơi nước và sự phân hủy phức chất có sự tham
gia của phân tử hơi nước.
Phản ứng tiến hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và nồng độ của hơi nước
tương đối cao.

 Giai đoạn 4 : Nhả (CO)
hphụ
và (H
2
)
hphụ
trên bề mặt sinh khối ra ngoài dòng
khí theo phản ứng:
(CO)
hphụ
↔ CO
(H
2
)
hphụ
↔ H
2

 Cơ chế phản ứng của C + CO
2

Phản ứng C + CO
2
và C + H
2
O trong vùng khử là 2 phản ứng quan trọng nhất
để tạo ra các cấu tử có ích trong khí hóa sinh khối là CO và H
2
.
Khi nghiên cứu cơ chế phản ứng này ta cũng sẽ gặp một số khó khăn vì đây

cũng là phản ứng dị thể tiến hành qua nhiều giai đoạn trung gian, và phản ứng thu
nhiệt nhiều nên rất khó giữ cho nhiệt độ phản ứng không đổi, nghĩa là khó giữ được
sự đẳng nhiệt của phản ứng.
Vì phản ứng thu nhiệt mạnh nên đặc điểm của nó là phản ứng chỉ tiến hành ở
nhiệt độ cao t
0
> 800
0
C, nếu ở nhiệt độ t
0
< 800
0
C tốc độ phản ứng rất bé không
đáng kể.
Giữ cho nhiệt độ phản ứng C + CO
2
không đổi khó hơn là trường hợp đối với
phản ứng C + O
2
vì trong trường hợp phản ứng cháy, muốn lấy nhiệt ra ngoài người
ta có thể dùng nitơ thổi qua. Còn đối với phản ứng thu nhiệt C + CO
2
trong phòng
thí nghiệm thì thường dùng phương pháp đốt ngoài, lò đốt bằng phương pháp điện
và nhiệt được truyền từ thành ngoài của lò vào tâm của ống đựng sinh khối. Nhưng
Đồ án tốt nghiệp đại học - Khóa 2010 - 2014 Trường ĐHBRVT

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 17 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

vì sinh khối là 1 chất dẫn nhiệt xấu nên lượng nhiệt truyền từ thành vào bao giờ

cũng thấp hơn lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng. Theo tru-kha-nop cơ chế phản
ứng C + CO
2
tiến hành qua các giai đoạn sau:
 Giai đoạn 1 : Hấp phụ CO
2
trên bề mặt sinh khối theo phản ứng sau:
C + CO
2
↔ (CO
2
)
hphụ
+ C
 Giai đoạn 2: Tạo hợp chất trung gian hoạt động bề mặt:
(CO
2
)
hphụ
+ C ↔ C
x
O
y

C
x
O
y
là hợp chất trung gian hoạt động bề mặt .
 Giai đoạn 3: Phân hủy hợp chất bề mặt dưới tác dụng của nhiệt độ:

Ở nhiệt độ cao chúng sẽ tự phân hủy theo phản ứng sau:
C
x
O
y
→ n(CO)
hphụ
+ pC
Đó là phản ứng bậc 0 đối với CO
2
vì khi phân hủy không cần có sự tham gia
của CO
2
vào phản ứng.
Ở nhiệt độ thấp thì sự phân hủy hợp chất bề mặt có thể tiến hành theo sơ đồ
sau với sự tham gia của CO
2
của dòng khí.
C
x
O
y
+ CO
2
→ m(CO)
hphụ
+ pC
Đó là phản ứng bậc 1 đối với CO
2
vì sự phân hủy của hợp chất bề mặt có sự

tham gia của 1 phân tử khí CO
2
.
 Giai đoạn 4: Nhả (CO)
hphụ
theo phản ứng:
(CO)
hphụ
↔ gC + CO
Như vậy bậc của phản ứng C + CO
2
thay đổi từ 0 → 1 tùy theo điều kiện tiến
hành phản ứng.