Ngiên cứu hệ thống khí hóa biomass nhằm nâng cao năng suất và khả năng vận hành của thiết bị

vi
MCăLC
Trang
Quyt đnh giao đề tài
δý lch cá nhân i
δi cam đoan ii
δi cm ơn iii
Tóm tắt iv
εc lc vi
Danh sách các hình x
Danh sách các bng xi
Chngă1ăTNGăQUAN 1
1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu 1
1.2 TìnhăhìnhănghiênăcuătrongăncăvƠătrênăthăgii 2
1.2.1 Trên th giới 2
1.2.2  Việt Nam 3
1.3 NhimăvănghiênăcuăvƠăphmăviănghiênăcu 3
1.3.1 Nhiệm v nghiên cứu 3
1.3.2 Phm vi nghiên cứu 4
1.4 Mcătiêuănghiênăcu,ăđiătngănghiênăcu 4
1.4.1 εc tiêu nghiên cứu 4
1.4.2 Đi tng nghiên cứu 4
1.5 Phngăphápănghiênăcu 4
Chngă2ăCăSăLụăTHUYT 6
2.1 Tìm hiu v nĕngălng sinh khi 6
2.2 LchăsửăhìnhăthƠnhăhcăthuytăkhíăhóaăbiomass 7
2.3 ệchăliătănĕngălngăsinhăkhi 8
2.3.1 δi ích kinh t 8
2.3.2 δi ích môi trng 9
vii
2.4 Quá trình khí hóa biomass 10

2.5 Cácăphngătrìnhăphnăngăchăyuătrongăquáătrìnhăkhíăhóa 10
2.6 NhngăvùngăcôngănghăvƠănhngăphnăngăhóaăhc 10
2.6.1 Vùng sy (drying zone) 12
2.6.2 Vùng nhiệt phân (pyrolysis zone) 12
2.6.3 Vùng cháy (combustion zone) 13
2.6.4 Vùng phn ứng khí hóa (reduction zone) 13
2.7 Phơnăloiăthităbăkhíăhóa 15
2.7.1 Thit b khí hóa kiu c đnh 16
2.7.2 Kiu thit b khí hóa tng sôi (fluidized bed gasifiers) 19
2.8 Nhngăđặcătínhăcaănhiênăliuăkhíăhóa 20
2.8.1 Năng lng tích trữ và kích thớc của nhiên liệu 20
2.8.2 Đ m 20
2.8.3 ψi bn 21
2.8.4 Thành phn hắc ín 21
2.8.5 Những đặc tính của tro và sỉ 22
2.9 Nhngăđặcătínhăcaăsnăphẩmăgas 23
2.9.1 Thành phn và nng đ 23
2.9.2 Nhiệt đ sn phm gas 23
2.9.3 εt s yu t nh hng đn năng sut gas 24
2.10 H s không khí tha 26
2.10.1 Đim cháy hoàn toàn (ω) 27
2.10.2 Đim khí hóa (G) 27
2.10.3 Đim nhiệt phân (P) 28
2.10.4 Vùng nhiệt phân khí hóa (vùng FP) 28
2.11 Vnătcăbămặtăcaădòngăkhíătrongăhăthngăkhíăhóa. 28
Chngă3ăTệNHăTOỄNăTHITăKăHăTHNG 30
3.1 Yêuăcầu 30
3.2 Tínhătoánăcácăthôngăsăcaăquáătrìnhăkhíăhóa 30
viii
3.2.1 δng không khí lý thuyt cn thit đ đt cháy hoàn toàn 1kg tru. 30

3.2.2 Th tích không khí cn thit đ khí hóa 1kg tru: 31
3.2.3 Khi lng không khí cn thit đ khí hóa cho 1kg tru. 31
3.2.4 Nhiệt tr thp của tru: 31
3.2.5 Nhiệt tr cao của tru: 31
3.3 Tínhăktăcuăcaăhăthngăkhíăhóa 32
3.3.1 Khi lng tru cp trong 1h. 32
3.3.2 ωhiều cao của lò phn ứng. 32
3.3.3 Đng kính bung phn ứng. 33
3.3.4 Th tích không khí cn thit cho quá trình khí hóa. 33
3.3.5 Tc đ rng của dòng khí. 33
3.3.6 Vận tc của gas ra khi bung phn ứng. 34
3.4 Tínhătoánăchnăcácăthităbăph: 35
3.4.1 ωhn qut cp mt cp không khí. 35
3.4.2 Tính toán chn qut hút gas. 38
3.4.3 ωhn bơm cp nớc. 43
3.4.4 Tính toán chn vít ti tru và ti tro. 44
3.4.5 Tính chn phiu cp tru. 45
3.4.6 Tính toán xyclone. 45
3.4.7 Tính toán chn thit b tách hắc ín. 46
Chngă4ăMỌăHỊNHăTHCăNGHIM 48
4.1 Môăhìnhăthíănghim 48
4.1.1 Giới thiệu 48
4.1.2 Qui trình vận hành. 49
4.1.3 εt s li thng gặp, lý do và cách xử lý 51
4.2 Ktăquăthíănghim 53
4.2.1 ωác thông s đu vào kho sát 53
4.2.2 nh hng của vận tc khí trong bung đt 54
4.2.3 nh hng của đ m tru 55
ix
4.2.4 Kho sát sự phân b nhiệt đ trên các vùng trong thit b khí hóa 56

4.3 Ktălun 59
4.3.1 Những kt qu đt đc và hớng phát trin của đề tài 59
4.3.2 Những hn ch và kim ngh 59
TÀIăLIUăTHAMăKHO 61
x
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH Trang
Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass 10
Hình 2.2: Sự chuyn đi sinh khi thành sn phm gas 11
Hình 2.3: Sn phm quá trình nhiệt phân 13
Hình 2.4: Nhiệt phân nhiên liệu chứa nhiều cacbon. 14
Hình 2.5: Sự khí hóa than. 14
Hình 2.6: Nguyên lý hệ thng up-draft. 16
Hình 2.7: Nguyên lý hệ thng down-draft. 17
Hình 2.8: Nguyên lý hệ thng cross-draft 18
Hình 2.9: Sơ đ nguyên lý hệ thng khí hóa kiu tng sôi 19
Hình 2.10: nh hng của nhiệt đ nhiệt phân tới năng sut gas 24
Hình 2.11: nh hng của kích thớc phn tử nhiên liệu tới năng sut gas 25
Hình 2.12: nh hng của tc đ gia nhiệt tới năng sut gas 25
Hình 2.13: nh hng của thi gian lu trú tới năng sut gas 26
Hình 2.14: Sơ đ hệ thng không khí thừa 27
Hình 4.1: Sơ đ nguyên lý 48
Hình 4.2: Hình nh tng quan mô hình 49
Hình 4.3: εt s hình nh thí nghiệm 51
xi
DANHăSỄCHăCỄCăBNG

BNG Trang
Bngă3.1:ăψng thành phn các cht trong tru 31

Bngă4.1:ăTng hp kt qu xác đnh nh hng của vận tc khí trong bung đt 54
Bngă4.2:ăTng hp kt qu xác đnh nh hng của đ m 55
Bngă4.3:ăKt qu thí nghiệm 57
Bngă4.4:ăKt qu thí nghiệm 58

ωhơng 1: Tng quan
Trang 1
Chngă1
TNGăQUAN
1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu
Trong thi kỳ công nghiệp hóa, hiện đi hóa hiện nay, mt trong những yu t
có tm quan trng đặc biệt đó là đm bo ngun năng lng. Trong khi ngun
nguyên liệu hóa thch ngày càng cn kệt, vn đề ô nhim môi trng do khí đt
đang là mt vẫn nn của toàn nhân loi. Đứng trớc tình hình đó, cn phi nhanh
chóng đa ra các gii pháp trong việc sử dng năng lng nói chung và đặc biệt
trong việc sử dng nhiên liệu đt nói riêng. Thực t ngun năng lng từ ph thi
của thiên nhiên rt phong phú, tuy nhiên cho đn nay con ngi vẫn còn sử dng
dới dng thô là chủ yu nên hiệu qu sử dng còn rt thp.
Theo dự báo của T chức năng lng th giới, với tc đ gia tăng mức khai thác
năng lng nh hiện nay, đn cui th kỷ này, ngun than đá của th giới s tr
thành rt khan him, các m du và khí đt s cn kiệt trong vòng từ 40 đn 60 năm
tới. Việc gia tăng mức đ sử dng năng lng luôn luôn kèm theo nguy cơ gây ô
nhim môi trng ti khu vực hot đng năng lng đng thi làm suy gim cht
lng môi trng toàn cu. Trong khi đó, quá trình cháy nhiên liệu nói riêng và
hot đng năng lng nói chung là những nhân t chủ yu gây ô nhim môi trng.
Sinh khi (biomass) là các ph phm từ nông nghiệp, lâm nghiệp nh: tru, mùn
ca, bã mía, rơm r, cùi bắp, lá khôầ hay giy, báo, g vn từ các bưi chôn lp,
phân từ các tri chăn nuôi gia súc và gia cmầ Nhiên liệu sinh khi có th  dng
rắn, lng, khí đc đt đ phóng thích năng lng.
Nhiên liệu sinh khi khi đt cháy hoàn toàn cho ra các sn phm nói chung đều

chứa N
2
, hơi nớc, ωO
2
và O
2
thừa. Khí hóa biomass là quá trình đt ym khí nhiên
liệu. Trong khí hóa, quá trình cháy là mt sự cp d nguyên liệu, hay nói cách khác
là việc cp thiu O
2
. Đó là sự cháy không hoàn toàn, sn phm khí đt thu đc là
hn hp của những loi khí nh ωO, H
2
, mt ít khí mê tan ωH
4
là các khí d cháy.
ωhơng 1: Tng quan
Trang 2
1.2 TìnhăhìnhănghiênăcuătrongăncăvƠătrênăthăgii
1.2.1 Trên th giới
Theo Foley và Barnard [17], ti thi đim năm 2009 có gn 64 nhà sn xut
thit b khí hóa trên toàn th giới. ωhỉ riêng ti εỹ có 27 nhà sn sut và khong 13
trng đi hc – viện nghiên cứu làm việc trên các khía cnh khác nhau của quá
trình khí hóa sinh khi.
ωơ s sn xut thit b khí hóa lớn nht th giới là tng công ty sn xut thit b
khí hóa GEεωOR  Philippin. εi năm h sn xut khong 3.000 thit b với công
sut từ 10 – 250 kW. Ngoài ra, h đư bắt đu sn xut lò khí hóa cho các ứng dng
sử dng nhiệt trực tip. ωác sn phm của h chủ yu là đ cung cp nhiên liệu và
truyền đng cho máy bơm thủy li và các cm máy phát điện. ωho tới năm 2009 đư
có khong 1.000 thit b khí hóa đư đc lắp đặt ti Philippin dùng nhiên liệu là

than, g vn và than bánh.
ψrazil cũng là mt nớc đư trin khai chơng trình sn xut thit b khí hóa
công sut lớn. khong 650 thit b và công trình lớn nh khác nhau đư đc lắp đặt
 ψrazil.
 ωhâu Âu cũng có nhiều nhà sn xut thit b khí hóa, đặc biệt là Thy Đin,
Pháp, Tây Đức và Hà δan. Th trng chủ yu của các nhà sn xut này là các nớc
đang phát trin.
Theo Gross, ti khu vực Hoa Kỳ và ψắc εỹ, các chơng trình hot đng về
nghiên cứu khí hóa tập trung ti Đi hc ωalifonia và Đi hc Florida  Gainesville.
Nhiều hệ thng công sut khong 10 - 100 kW đư đc phát trin từ Đi hc
ωalifonia. εỹ cũng đang dẫn đu th giới trong lĩnh vực ứng dng khí hóa ly nhiệt
trực tip
Hu ht các lò khí hóa công sut trên 100 kW đc các nhà máy sn xut bán
với giá khong từ 380 USD/kW cho c hệ thng và khong 150 USD/kW nu chỉ
mua riêng lò hóa khí [15]. ωòn đi với các hệ thng quy mô nh thì tỷ lệ giá rt cao.
ωhơng 1: Tng quan
Trang 3
Ví d đi với hệ thng hóa khí công sut 10kW, giá 1kW là 840 USD nu mua c
hệ thng và 350 USD nu chỉ mua riêng lò khí hóa
1.2.2  Việt Nam
 Việt Nam, công nghệ khí hóa từ nhiên liệu sinh khi đư có mặt từ những năm
trớc 1975, đặc biệt trong hơn 10 năm đt nớc vừa gii phóng vì c nớc khan
hin xăng du. Trong thi gian này hu ht trên các tuyn đng giao thông, các xe
ti ch khách đư ứng dng công nghệ khí hóa từ than củi (đây là loi nhiên liệu
đc đánh giá có nhiều u đim nht khi ứng dng công nghệ khí hóa) đ làm nhiên
liệu cho các đng cơ xe ci biên từ đng cơ xăng. Do kỹ thuật khí hóa còn sơ sài,
đặc biệt là công nghệ lc và xử lý khí gas còn rt thô sơ, nên chỉ sau mt thi gian
ngắn các đng cơ b hng hóc, các lái xe thng xuyên phi làm li máy, làm phát
sinh chi phí bo dỡng sửa chữa đng cơ, cao hơn so với chi phí sử dng nhiên liệu
du m. Do vậy, công nghệ khí hóa sử dng cho xe hơi và xe ti chm dứt vào

những năm 1991 - 1994.
ωông nghệ khí hóa từ tru cũng đư có mt s tác gi nghiên cứu và đa ra mt
s mô hình bung đt, tuy nhiên các mô hình bung đt mới chỉ  dng đt theo
mẻ, công sut bé.
Tháng 3/2010, ωông ty ω phn Vina Silic công b kt qu thử nghiệm loi bp
gas đun bằng viên tru nén và than đá. Tuy nhiên bp sử dng nhiên liệu là tru đư
nén thành viên và cũng chỉ đt dới dng mẻ. [9]
Giữa năm 2010 ωông ty TNHH gm sứ Tân εai – Sa Đéc (Đng Tháp) đư nhập
từ n Đ mt hệ thng khí hóa từ v tru có công sut từ 80 ÷ 100 kg tru/gi. Hệ
thng hot đng khá n đnh. Tuy nhiên với giá thành khong 1,8 tỉ đng / hệ thng
là quá cao, cha th ứng dng rng rưi cho các lò gch thủ công hiện nay. [9]
1.3 NhimăvănghiênăcuăvƠăphmăviănghiênăcu
1.3.1 Nhiệm v nghiên cứu
ωhơng 1: Tng quan
Trang 4
- Nghiên cứu tng quan về công nghệ khí hóa biomass, cơ s lý thuyt và đặc
đim của các kiu công nghệ
- Tìm hiu về công nghệ khí hóa biomass hiện nay  Việt Nam và trên th giới
- Tính toán thit k ch to mô hình hệ thng thực nghiệm
- Thực nghiệm, đo đc, đánh giá kt qu
- Quy trình vận hành hệ thng
1.3.2 Phm vi nghiên cứu
- Thí nghiệm trên mô hình với nguyên liệu đc lựa chn là v tru.
- Thông qua nhiệt lng thu đc đánh giá sự nh hng của vận tc khí trong
bung đt và đ m của tru đn quá trình hot đng của hệ thng.
- Kho sát sự phân b nhiệt đ trong lò phn ứng
1.4 Mcătiêuănghiênăcu, điătngănghiênăcu
1.4.1 εc tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu đa ra gii pháp sử dng hiệu qu ph phm nông nghiệp
biomass (tru) đ sn xut năng lng.

- Nghiên cứu hệ thng khí hóa biomass nhằm tìm hiu bn cht của quá trình
khí hóa.
- Đánh giá các yu t nh hng đn quá trình khí hóa biomass, từ đó có
hớng tìm gii pháp nâng cao năng sut và kh năng vận hành của thit b.
- Gii quyt các vn đề ô nhim môi trng khi sử dng trực tip ngun nhiên
liệu biomass.
- Gii quyt các vn đề về ngun nhiên liệu hóa thch đang cn kiệt.
1.4.2 Đi tng nghiên cứu
- Hệ thng khí hóa biomass
1.5 Phngăphápănghiênăcu
ωhơng 1: Tng quan
Trang 5
- Nghiên cứu, k thừa công nghệ khí hóa nhiên liệu biomass trên th giới.
- Thực nghiệm, đo đc, đánh giá các thông s đo đc trên hệ thng, từ đó từng
bớc hoàn thiện, nâng cao hiệu sut hệ thng.
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 6
Chngă2
CăSăLụăTHUYT
2.1 Tìm hiu v nĕngălng sinh khi
Năng lng sinh khi (biomass) là ngun năng lng c xa nht đư đc con
ngi sử dng khi tìm ra lửa và bắt đu bit nu chín thức ăn và si m. Đây là
ngun năng lng vô tận và d kim (gn nh có th nói nơi nào có ngi sng là
nơi đó có biomass). ωủi là ngun năng lng chính cho tới đu th kỷ 20 khi nhiên
liệu hóa thch đc tìm thy.
Hiện nay trên quy mô toàn cu, sinh khi là ngun năng lng lớn thứ t, chim
tới 14% ÷ 15% tng năng lng tiêu th của th giới.  các nớc đang phát trin,
sinh khi thng là ngun năng lng lớn nht, trung bình đóng góp khong 35%
trong tng cung cp năng lng. Vì vậy năng lng sinh khi giữ mt vai trò quan
trng trong các đề án về năng lng đc son tho bi nhiều t chức quc t và có

kh năng s giữ vai trò sng còn trong việc đáp ứng nhu cu năng lng của th
giới trong tơng lai.
Trong những năm gn đây sự chú ý tới các công nghệ về năng lng sinh khi
nói riêng và năng lng tái to nói chung đư tăng mnh trên toàn cu đ thay th các
ngun năng lng hóa thch vì hai lý do. εt là do các ngun năng lng hóa
thch đang ngày càng cn kiệt dn và hai là các ngun này gây ô nhim môi trng
nghiêm trng. Khác với các công nghệ năng lng tái to khác, công nghệ năng
lng sinh khi không chỉ thay th năng lng hóa thch mà nhiều khi còn góp
phn xử lý cht thi vì chúng tận dng các ngun cht thi đ sn xut năng lng.
Thậy vậy, ngay từ khi mới bắt đu sinh ra và phát trin, biomass đư bắt đu hp th
CO
2
giúp loài ngi thoát khi nn diệt chủng của ωO
2
đ to nên kho chứa cacbon
(ω) ngay trong cơ th mình, nó ngày càng lớn lên theo thi gian sinh tn và đó
chính là ngun nhiên liệu (cacbon) đ con ngi s dùng đun nu hàng ngày. Khi
đun nu, lng ωO
2
do cacbon hóa (quá trình oxy hóa) thi ra cũng gn bằng hoặc ít
hơn nhiều (nu bit cách đun nu khoa hc) chính lng ωO
2
mà thực vật đư thu hút
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 7
đc trong sut thi gian sinh tn của nó. ωó nghĩa là ngun thực vật sinh khi
không hề làm tăng tng lng CO
2
của qu đt và việc sử dng sinh khi nhiên liệu
cho quá trình gas hóa trong công nghệ này s không làm tăng tng lng CO

2
của
bu khí quyn. Điều quan trng này giúp cho chúng ta quyt tâm phát trin năng
lng sinh khi và sử dng thực vật biomass đ làm ngun nhiên liệu sch.
2.2 Lch sử hình thành hc thuytăkhíăhóaăbiomass
Ta có th liệt kê tón tắt lch sử phát trin của công nghệ khí hóa từ nhiên liệu rắn
trên th giới qua các mc nh sau:
Năm 1669: Thomas Shirley đư thành công trong việc thực hiện các thí nghiệm
từ hydro carborated
Năm 1699: Dean ωlayton thu đc khí than từ thí nghiệm nhiệt ly
Năm 1788: Robert Gardner đc cp bằng sáng ch đu tiên liên quan đn việc
khí hóa
Năm 1792: Xut hiện báo cáo chứng thực đu tiên về sn phm khí hóa,
εurdock đư dùng gas to ra từ than đá đ thắp sáng đèn trong nhà của ông ta. K từ
đó gas từ than đá đc dùng đ nu nớng và si m.
Năm 1801: δampodium đư chứng t kh năng sử dng khí thi thoát ra từ việc
than hóa g.
Năm 1804: Fourcroy đư tìm ra phn ứng khí – nớc bằng phn ứng của nớc
với than nóng.
Năm 1812: Phát minh đng cơ đu tiên sử dng nhiên liệu từ khí hóa
Năm 1840: Thit b khí hóa thơng mi đu tiên đc sử dng ti Pháp
Năm 1861: Siemens giới thiệu kỹ thuật lò hóa khí của h và đc nhiều ngi
quan tâm.
Năm 1878: ψắt đu sử dng các lò hóa khí kt hp với đng cơ n đ phát điện
Năm 1900: δò hóa khí công sut 600 Hp đu tiên đc trin lưm ti Paris. K
tip các đng cơ công sut đn 5.400 Hp bắt đu đc đa vào sử dng thử nghiệm.
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 8
Năm 1901: J. W. Parker công b thành công trong việc chy xe từ nhiên liệu
hóa khí.

Năm 1901 – 1920: Nhiều hệ thng đng cơ sử dng nhiên liệu hóa khí đ phát
điện đư ph bin.
Những năm 1930: ψắt đu phát trin các ô tô nh chy bằng gas và thit b khí
hóa cỡ nh. ωhính phủ Anh và Pháp đư nhận thy các ô tô chy bằng gas sinh ra từ
than đó có th phù hp cho các thuc đa của h, nơi mà xăng du khan him nhng
g và than củi thì li rt di dào; Ti Thy Đin có khon 250.000 xe đc đăng ký
thì có tới 90% đư chuyn đi sang dng dùng gas. Gn nh tt c 20.000 máy kéo
dùng gas làm nhiên liệu, 40% nhiên liệu đc dùng là g và phn còn li hu ht là
than đá; Đức quc xư đy mnh thực hiện chuyn đi các đng cơ trên các xe sang
chy bằng nhiên liệu khí hóa nh là mt phn của k hoch an ninh quc gia và đc
lập với ngun du m nhập khu.
Sau 1945: Sau khi kt thúc ωhin Tranh Th Giới Thứ II, với việc tìm ra nhiều
ngun xăng du có sẵn, giá rẻ, kỹ thuật khí hóa dn mt đi v trí và tm quan trng
của nó.
Năm 1950 – 1970: Trong sut những năm này, kỹ thuật khí hóa b b quên.
Nhiều chính phủ  ωhâu Âu đư cm thy rằng tc đ tiêu th g ngày càng nhanh s
dẫn đn nn phá rừng và các vn đề về môi trng.
Sau 1970: Trong những năm 1970 đư có những kỹ thuật mới trong việc phát
điện  quy mô nh. Từ đó, ngi ta đư dùng các nhiên liệu khác thay cho g và than
đá.
2.3 ệchăliătănĕngălngăsinhăkhi
2.3.1 δi ích kinh t
Phát trin nông thôn là mt trong những li ích chính của việc phát trin năng
lng sinh khi, to thêm công ăn việc làm cho ngi lao đng (sn xut, thu
hoch )
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 9
Thúc đy sự phát trin công nghiệp năng lng, công nghiệp sn xut các thit
b chuyn hóa năng lng.
Gim sự ph thuc vào du, than, đa dng hóa ngun cung cp nhiên liệu.

2.3.2 δi ích môi trng
Đây là mt ngun năng lng khá hp dẫn với nhiều ích li to lớn cho môi
trng:
- Năng lng sinh khi có th tái sinh đc.
- Năng lng sinh khi tận dng cht thi làm nhiên liệu. Do đó nó vừa làm
gim lng rác vừa bin cht thi thành sn phm hữu ích.
- Đt sinh khi cũng thi ra ωO
2
nhng mức S và tro thp hơn đáng k so với
việc đt trực tip. Ta cũng có th cân bằng lng ωO
2
thi vào khí quyn nh
trng cây xanh hp th chúng. Vì vậy, sinh khi li đc tái to thay th cho
sinh khi đư sử dng nên cui cùng không làm tăng ωO
2
trong khí quyn.
Nh vậy, phát trin năng lng sinh khi làm gim sự thay đi khí hậu, gim
hiện tng ma axit, gim sức ép về bưi chôn lp v.vầ Kỹ thuật đt rác phát điện
từng có lch sử nghiên cứu phát trin hơn 30 năm tr li đây, nhiều nhà máy  Đức
(32% lng rác đc xử lý bằng đt rác phát điện), Đan εch (70%), ψỉ (29%),
Pháp (38%)ầ đư tr thành hình mẫu cho ngành công nghệ "năng lng và bo vệ
môi trng" này.  châu Ễ, Singapore (100% lng rác đc xử lý bằng đt rác
phát điện) và Nhật ψn (72,8%) là hai nớc đi đu trong kỹ thuật đt rác phát điện.
Quy trình công nghệ của nhà máy điện rác tơng tự nh nhà máy nhiệt điện, chỉ
khác  ch nhiên liệu không ging nhau và phi trang b thêm hệ thng xử lý làm
sch khói, khí khá phức tp. u đim ni bật của nhà máy điện rác so với các lò đt
rác thông thng chính là  ch trong khi gim trng lng và th tích rác nh quá
trình đt, nó còn có tác dng "tài nguyên hóa", bin rác tr thành nhiên liệu sn xut
năng lng, "vô hi hóa" rác. Tro bi từ lò thiêu đc phân tuyn bằng từ tính, sau
đó tr thành vật liệu phủ mặt đng hoặc lp ln bin.

ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 10
2.4 Quá trình khí hóa biomass
Thit b khí hóa là thit b chuyn đi nhiên liệu biomass thành nhiên liệu gas có
th đt đc [12]

Hình 2.1: Quá trình khí hóa biomass
Quá trình khí hóa là sự đt không hoàn toàn nhiên liệu rắn. Nhiên liệu sinh khi
khi đt cháy hoàn toàn cho ra các sn phm nói chung đều chứa N
2
, hơi nớc, ωO
2

và O
2
thừa. Tuy nhiên trong khí hóa, quá trình cháy là mt sự cp d nguyên liệu,
hay nói cách khác là việc cp thiu O
2
(hệ s không khí thừa trong khong từ 0,2-
0,3). Đó là sự cháy không hoàn toàn, sn phm khí đt thu đc là hn hp của
những loi khí nh ωO, H
2
, mt ít khí mêtan CH
4
là các khí d cháy, và mt s
thành phn không có ích nh hắc ín và bi bn.
2.5 Cácăphngătrìnhăphnăngăchăyuătrongăquáătrìnhăkhíăhóa
Khí hóa là mt quá trình phức tp, tuy nhiên nó đc đặc trng bi mt s phn
ứng sau đây [22]
C + O

2
 CO
2
+393 MJ/kg mole (1)
2H
2
+ O
2
 2H
2
O - 242 MJ/kg mole (2)
C + 1/2O
2
 CO (3)
C + 2H
2
 CH
4
+75 MJ/kg mole (4)
CO + 3H
2
 CH
4
+ H
2
O –205,9 kJ/mol (5)
CO
2
+ H
2

 CO + H
2
O –42,3 MJ/kg mole (6)
C + CO
2
 2CO –164,9 MJ/kg mole (7)
C + H
2
O  CO + H
2
–122,6 MJ/kg mole (8)
2.6 Nhng vùng công ngh và nhng phn ng hóa hc
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 11
Khí hóa là mt quá trình chuyn đi nhiệt hóa tơng đi phức tp. Việc tách
riêng biệt các khu vực trong lò khí hóa là không d dàng do quá trình khí hóa xy ra
đng thi  mi vùng trong lò. Nhng việc này li thật sự cn thit đ có th phân
tích và hiu rõ quá trình khí hóa. Thông thng nhiên liệu ban đu đc tri qua
bn vùng sau:
- Vùng sy nhiên liệu.
- Vùng nhiệt phân.
- Vùng cháy.
- Vùng phn ứng khí hóa.
εặc dù bn quá trình này có sự chng lp lên nhau mt phn, nhng ta có th
gi thuyt mi quá trình chim mt vùng riêng biệt,  đó có sự khác nhau cơ bn về
thành phn hóa hc và những phn ứng nhiệt.

Hình 2.2: Sự chuyn đi sinh khi thành sn phm gas [20]
ωác vùng trên b trí theo chiều cao của lò phn ứng, v trí hay thứ tự của từng
vùng ph thuc vào chiều di chuyn của nhiên liệu và tác nhân oxy hóa. ωác vùng

này đc phân biệt mt cách tơng đi nh việc đo nhiệt đ trong từng vùng. Đ
cao (hay đ lớn) và tm nh hng của tng vùng ph thuc vào thành phn, đ m
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 12
và kích thớc của nhiên liệu, lu lng tác nhân khí hóa và nhiệt đ trong tng thit
b khí hóa.
2.6.1 Vùng sy (drying zone)
Nguyên liệu biomass nhập vào thit b khí hóa có đ m từ 5 - 35 %, khi gặp
nhiệt đ cao thì m trong nhiên liệu s b bay hơi. m từ quá trình bay hơi này s
hòa trn với hơi nớc sinh ra trong quá trình oxy hóa. εt phn trong tng lng
hơi nớc này s đc hoàn nguyên li thành hydro và phn còn li to ra đ m của
khí gas sinh ra.
Nhiệt cung cp cho quá trình sy đc ly từ các vùng khác trong thit b khí
hóa. Hiệu qu của quá trình sy ph thuc vào nhiệt đ, tc đ và đ m của tác
nhân sy, tit diện bề mặt, bn cht liên kt, kh năng khuch tán m và hệ s dẫn
nhiệt của nhiên liệu.
εt s axit hữu cơ đi ra ngoài trong sut quá trình sy, những axit đó có kh
năng làm tăng sự ăn mòn trong những thit b khí hóa.
2.6.2 Vùng nhiệt phân (pyrolysis zone)
Nhiệt phân biomass là mt quá trình phức tp, mà không th nào kim soát mt
cách hoàn toàn đc. Sn phm nhiệt phân ph thuc vào nhiệt đ, áp sut, thi
gian lu trú, và nhiệt tn tht của hệ thng. Tuy nhiên những yu t chung nh sau
có th nh hng đn quá trình nhiệt phân.
 nhiệt đ 200
o
ω chỉ có hơi nớc bc lên.  nhiệt đ giữa 200
o
ω đn 280
o
C có

CO
2
, axit axetic và hơi nớc thoát ra. Quá trình nhiệt phân thực sự din ra  miền
nhiệt đ từ 280
o
C ÷ 500
o
ω, sn phm với s lng lớn hắc ín và các khí trong đó có
CO
2
. ψên cnh với s lng lớn hắc ín, mt s hp cht methyl alcohol cũng đc
hình thành. Nhiệt đ giữa 500
o
C ÷ 700
o
ω sn phm khí gas chủ yu là khí H
2
.
Do đó mt nguyên nhân d dàng nhận thy, thit b khí hóa kiu cp khí đi từ
dới lên sn sinh ra nhiều hắc ín hơn kiu cp khí đi từ trên xung. Trong kiu thit
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 13
b cp khí đi từ trên xung hắc ín phi đi xuyên qua miền đt và miền cht thi rắn,
những phn tử hắc ín đc làm gim xung bớt.
Trong khi đa s nhiên liệu nh tru và sinh khi chứa phn lớn s lng hắc ín,
kiu thit b cp khí đi từ trên xung đc a chung hơn những kiu khác. Thực t
là đa s những thit b khí hóa thi trớc đây nh trong thi chin tranh th giới II
và hiện ti bay gi vẫn a chung kiu cp khí đi từ trên xung.

Hình 2.3: Sn phm quá trình nhiệt phân [20]

2.6.3 Vùng cháy (combustion zone)
Vật cht d bắt lửa của nhiên liệu rắn thng đc bao gm là những phn tử
Cacbon, Hydro, và oxy. ωacbon dioxid là sn phm nhận đc từ quá trình đt cháy
hoàn toàn nhiên liệu, và nớc là sn phm nhận đc do đt cháy hoàn toàn Hydro,
thng là hơi nớc.
Phn ứng cháy là quá trình Oxy hóa xy ra  nhiệt đ khong 1450
o
C. Những
phn ứng chính đó là [22]:
CO + O
2
= CO
2
(+ 393 MJ/Kgmol) (1)
2H
2
+ O2 = 2H
2
O (- 242 MJ/Kgmol) (2)
2.6.4 Vùng phn ứng khí hóa (reduction zone)
Đây là vùng quan trng nht trong quá trình khí hóa đ hình thành sn phm
khí. Những sn phm của phn tử cháy (nớc, ωO
2
, và những phn tử không cháy
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 14
đc to ra từ quá trình nhiệt phân) lúc này nó đi xuyên qua lớp than nóng đ  đó
có những phn ứng nh sau [22]:
C + CO
2

= 2CO (- 165 MJ/Kgmol) (3)
C + H
2
O = CO + H
2
(- 122.6 MJ/Kgmol) (4)
CO + H
2
O = CO
2
+ H
2
(+ 42 MJ/Kgmol) (5)
C + 2H
2
= CH
4
(+ 75 MJ/Kgmol) (6)
CO
2
+ H
2
= CO + H
2
O (- 42.3 MJ/Kgmol) (7)
Trong đó phn ứng (3) và (4) là những phn ứng chính và là phn ứng thu nhiệt,
nên có kh năng làm gim nhiệt đ của gas, do đó nhiệt đ trong miền khí hóa
thông thng từ khong 800
o
ω đn 1000

o
ω, thp hơn vùng cháy là từ 700
o
ω đn
800
o
C.
Trong thit b khí hóa, những vật liệu chứa nhiều thành phn cacbon thì tri qua
những quá trình với những sự khác biệt, nhng đc thng nht chung theo sơ đ
dới đây [20]:

Hình 2.4: Nhiệt phân nhiên liệu chứa nhiều cacbon.


Hình 2.5: Sự khí hóa than.
Quá trình nhiệt phân xy ra khi các vật liệu chứa nhiều cacbon đc gia nhiệt.
ωht d bay hơi đc gii phóng và than đc to ra, dẫn đn khi lng vật liệu b
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 15
gim 70% và to thành than. Quá trình này ph thuc vào tính cht của vật liệu
cacbon, cu trúc và thành phn của các loi than, mà sau đó s tip tc tri qua các
phn ứng khí hóa.
Quá trình đt cháy xy ra khi thành phn cht bc và mt s thành phn than
phn ứng với oxy đ to thành carbon dioxide và khí carbon monoxide, đ cung cp
nhiệt cho các phn ứng khí hoá sau này. (ω) đi diện nh là mt hp cht hữu cơ
carbon, phn ứng cơ s  đây là:
C + ½ O
2
→ ωO
Quá trình khí hóa xy ra khi than phn ứng với diôxit cacbon và hơi nớc đ

to ra khí cacbon monoxide và khí Hydro. Thông qua các phn ứng sau đây:
C + H
2
O → H
2
+ CO
Ngoài ra, thành phn nớc trong gas mau chóng đt đn trng thái cân bằng và
phn ứng ngc li với gas ti nhiệt đ trong thit b khí hóa. Đây là phơng trình
cân bằng nng đ của khí carbon monoxide, hơi nớc, carbon dioxide và hydrogen.
CO + H
2
O ↔ ωO
2
+ H
2

Về bn cht, cho phép mt s lng hn ch oxy hoặc không khí đc đa vào
lò phn ứng đ mt s các vật liệu hữu cơ đc "đt cháy" sn xut khí carbon
monoxide và năng lng,  đy din ra mt sự phn ứng ln thứ hai mà ti đó có sự
chuyn đi nhiều hơn nữa cht hữu cơ đ b sung thêm khí hydro và carbon
dioxide.
2.7 Phơnăloi thit b khí hóa
Dựa vào tính chuyn đng của nguyên liệu thit b khí hóa đc chia ra làm hai
loi:
- Kiu c đnh
- Kiu tng sôi
ωho dù có sự thay đi ít i gì đy thì hu ht các thit b đều thuc những phân
loi nh trên.
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 16

2.7.1 Thit b khí hóa kiu c đnh
Đi với kiu c đnh tùy theo li đi của không khí hoặc oxy trong thit b khí
hóa nó đc chia thành ba loi sau:
- Kiu không khí cp đi từ dới lên xuyên qua lớp nguyên liệu của bung phn
ứng.
- Kiu không khí cp đi từ trên xung xuyên qua lớp nguyên liệu của bung
phn ứng.
- Kiu không khí cp đi ngang qua lớp nguyên liệu của bung phn.
2.7.1.1 δoi cp khí từ dới lên (updraft gasifier)
Sinh khi đc cp  trên cùng của lò phn ứng và di chuyn xung dới.
Không khí đc ly từ các cửa hút gió  dới đáy và khí đt đc thoát ra  trên.
Sinh khi di chuyn ngc chiều với dòng khí đt.
[9]
Hình 2.6: Nguyên lý hệ thng up-draft.
Những u đim lớn của loi khí hoá kiu này là đơn gin, hiệu sut khí hoá
tơng đi cao. Do nhiên liệu bên trong đc trao đi với ngun nhiệt từ khí sinh ra
nên nhiên liệu đc sy khô tới phía trên cùng của thit b khí hoá và do đó nhiên
liệu với đ m cao (lên tới 60%) cũng có th đc sử dng đ khí hóa. Hơn nữa
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 17
kiu thit b khí hoá này thậm chí có th sử dng với nhiên liệu ht có kích thớc
tơng đi nh và chp nhận sự thay đi về kích thớc của nhiên liệu.
Hn ch chính của thit b này là khí đt tng hp đc chứa từ 10% – 20% hắc
ín theo khi lng. Nên trong trng hp khí đt đc sử dng cho đng cơ, máy
phát điện, và mt s ứng dng khác thì khí đt này yêu cu phi làm sch. Tuy
nhiên, nu gas này đc dùng trong các ứng dng nhiệt trực tip thì lng hắc ín
này s b cháy ht.
2.7.1.2 Kiu cp khí đi từ trên xung (downdraft gasifier)
Thit b phn ứng kiu cp khí từ trên xung sinh khi đc đa  trên cùng và
lng không khí cũng cp từ trên hoặc từ các bên. Khí đt đc ly ra  dới cùng

của lò phn ứng, do đó nhiên liệu và khí đt di chuyn cùng mt hớng trong thit
b.
[9]
Hình 2.7: Nguyên lý hệ thng down-draft.
ωác vùng chủ yu đc gia nhiệt nóng bi bức x (và mt phn đi lu) nhiệt từ
vùng đt, nơi mà mt phn của than b cháy. Khí đt nhiệt phân cũng xuyên qua
khu vực này và cũng đc đt cháy. εức đ mà các khí nhiệt phân đc đt cháy
nhiều ít ph thuc vào thit k, nguyên liệu sinh khi cp và các kỹ năng của ngi
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt
Trang 18
vận hành. Sau khi quá trình oxy hóa thành phn chính còn li là than và những sn
phm cháy là carbon dioxide và hơi nớc đi xuyên qua vùng chuyn hóa,  đây din
ra các phn ứng hình thành khí ωO và H
2
. Do đó u đim chính của hệ thng khí
hóa cp khí từ trên xung là việc sn xut ra mt lng khí đt với nng đ hắc ín
tơng đi thp, có th ứng dng phù hp cp khí đt cho các đng cơ.
Trong thực t, nng đ hắc ín him khi đt đc mc đích nh mong mun, nó
vẫn còn khá cao. δý do chính có th là không phi tt c các khí đt đều đi qua
vùng nóng nht, và thi gian lu trú của chúng ti khu vực cháy có th là quá ngắn.
Trong mi b phận thit k những tính năng phi đm bo làm sao năng sut nhiệt
phân khí đt phi cao.
2.7.1.3 Kiu cp khí đi ngang qua bung phn ứng (Cross-draft gasifier)
Đc thit k nh down-draft nhng thay vì không khí đi vào song song nhiên
liệu thì  cross-draft là  bên cnh. Kiu thit b khí hóa này phù hp cho việc sử
dng than, sự khí hóa than khoáng kt qu nhiệt đ sinh ra rt cao (1500 °ω hoặc
cao hơn) ti vùng cháy  đó nó có th to ra sn phm khí đt.
[9]
Hình 2.8: Nguyên lý hệ thng cross-draft
ωhơng 2: ωơ S δý Thuyt

Trang 19
u đim của hệ thng này là hiệu sut cao, nh gn.  các nớc đang phát trin
nó đc lắp đặt cho máy phát điện công sut dới 10 kW điện. Nó đc xem nh
hệ thng to năng lng sch cho các phơng tiện vận chuyn. Nhc đim của nó
là hắc ín chuyn hóa năng lng cha cao, dẫn đn sự cn thit phi sử dng
nguyên liệu là than có cht lng cao. εt điều nữa là hệ thng b tn tht áp sut
khá lớn.
2.7.2 Kiu thit b khí hóa tng sôi (fluidized bed gasifiers)

Hình 2.9: Sơ đ nguyên lý hệ thng khí hóa kiu tng sôi

Trên hình 2.9 th hiện sơ đ nguyên lý của hệ thng khí hóa kiu tng sôi.
Không khí từ qut thi đc đa vào bung phn ứng qua các ghi phân phi khí và
làm sôi lớp ht trơ tr sôi (cát thch anh). Nhiên liệu cp vào bung phn ứng theo