SẢN XUẤT dầu SINH học từ SINH KHỐI BẰNG CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHANH TRONG lò TẦNG sôi

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

SẢN XUẤT DẦU SINH HỌC TỪ SINH KHỐI BẰNG CÔNG NGHỆ
NHIỆT PHÂN NHANH TRONG LÒ TẦNG SÔI
PRODUCING BIO - OIL FROM BIOMASS BY THE FAST PYROLYSIS
ENGINEERING IN A FLUIDIZED BED FURNACE
ThS. Phạm Duy Vũ1a, PGS.TS. Hoàng Dương Hùng2b,
PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm1c, PGS.TS. Trần Văn Vang1d
1
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
2
Trường Đại học Quảng Bình
a
; b ;
c
; d
TÓM TẮT
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu động lực học quá trình nhiệt phân nhanh sinh khối trong
lò tầng sôi và chọn khoảng nhiệt độ thích hợp khi nhiệt phân nhanh được công bố trong bài
báo [1], [2], nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất dầu sinh học từ
sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong tầng sôi với công suất 300 g/h. Từ hệ thống
thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm thực tế xác định các thông số động
lực học nhằm duy trì tầng sôi trong lò nhiệt phân, đồng thời xác định lượng sản phẩm dầu
sinh học, chất rắn, khí và các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân bã mía.
Từ khóa: dầu sinh học, sinh khối, nhiệt phân nhanh, lò tầng sôi, động lực học lò tầng sôi.
ABSTRACT
Based on the dynamic researching result about the fast pyrolysis process in a fluidized
bed furnace and chose the appropriate temperature range as fast pyrolysis that were published in
the articles [1], [2], the authors designed and manufactured the producing bio-oil from biomass
system by the fast pyrolysis engineering in a fluidized bed furnace with a capacity of 300 g/h.
From this system, the authors performed the actual experiments determining dynamic

parameters for maintaining the fluidized bed in a pyrolysis furnace, also determining the bio-oil,
solid, gas productions quantities and the bio-oil properties as performing the bagasse pyrolysis.
Keywords: bio-oil, biomass, fast pyrolysis, fluidized bed furnace, fluidized bed furnace
dynamics.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, trên thế giới nguồn năng lượng sinh khối chiếm khoảng 63% tổng số năng
lượng tái tạo, chiếm (14-15)% tổng các nguồn năng lượng [5]. Ước tính đến năm 2050, sinh
khối dùng làm nhiên liệu sẽ đáp ứng khoảng 38% lượng nhiên liệu toàn cầu và 17% lượng
điện sử dụng trên thế giới [6]. Ở các nước đang phát triển năng lượng sinh khối đóng góp
khoảng 35% tổng nhu cầu năng lượng. Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan
trọng trong chiến lược nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo của nhiều tổ chức quốc tế và
có khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong
tương lai.
Sinh khối là nguồn nhiên liệu tạo ra từ quá trình khai thác nông lâm nghiệp như trấu, bã
mía, dăm bào, mùn cưa, rơm rạ, thân cây ngô..... Hằng năm trên thế giới nguồn sinh khối có
khoảng nửa tỷ tấn, trong đó ở châu Á chiếm khoảng 92%. Nếu như không tận dụng nguồn
nhiên liệu này để chuyển thành nguồn nhiên liệu có ích thì chính nó sẽ gây ô nhiễm môi
554


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
trường do thải bỏ bừa bãi. Ưu điểm của sinh khối là hàm lượng lưu huỳnh và ni tơ thấp nên
khi sử dụng nguồn năng lượng này không gây hiệu ứng nhà kính.
Đến nay, có 3 phương pháp cho phép sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng từ sinh khối,
đó là: nhiệt hóa, sinh hóa và hóa học. Quá trình nhiệt hóa gồm quá trình đốt cháy tạo năng
lượng nhiệt, quá trình khí hóa tạo khí tổng hợp là hỗn hợp của CO và H 2 sau đó sẽ được sử
dụng như là nhiên liệu hoặc nguyên liệu cho các quá trình khác, quá trình nhiệt phân tạo khí,
rắn, lỏng (dầu sinh học). Bên cạnh đó, còn tồn tại các quá trình sinh hóa tạo biogas, bioethanol hoặc quá trình hóa học tạo Biodiesel. Trong các quá trình này thì nhiệt phân cho phép
chúng ta thu được các sản phẩm khí, rắn, lỏng. Nhiên liệu khí bao gồm các khí như H 2 , CO,
CO 2 , CH 4 , H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 2 [3], sẽ được sử dụng để cung cấp nhiệt cho quá trình sấy sinh

khối. Chất rắn là cốc được sử dụng làm than hoạt tính phục vụ trong công nghiệp, đời sống
hoặc cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân. Nhiên liệu lỏng là dầu sinh học rất thuận tiện
cho vấn đề bảo quản và vận chuyển, nó có thể được nâng cấp để có thể sử dụng trong ngành
giao thông vận tải, cung cấp nhiệt, sản xuất điện...
Hiệu quả sản xuất dầu sinh học đạt hiệu quả cao (lên đến 60%) được thực hiện theo
công nghệ nhiệt phân nhanh [4]. Tuy nhiên, quá trình nhiệt phân nhanh là quá trình phức tạp,
nó phụ thuộc vào các yếu tố như: công nghệ nhiệt phân nhanh (kiểu tầng sôi, kiểu ly tâm, kiểu
chân không, kiểu lò quay), loại nhiên liệu, kích cỡ nhiên liệu, tốc độ gia nhiệt, hình dạng
nhiên liệu, kết cấu lò phản ứng.
Vì vậy, để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân cũng như đánh giá
các đặc tính, chất lượng dầu sinh học nhóm nghiên cứu đã thiết kế chế tạo hệ thống nhiệt phân
sinh khối sản xuất dầu sinh học theo công nghệ tầng sôi.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Lựa chọn công nghệ nhiệt phân nhanh
Theo kết quả nghiên cứu Bridgwater A.V. (2012) [4], các yếu tố chính ảnh hưởng đến
quá trình nhiệt phân nhanh là:
- Tốc độ gia nhiệt cao, từ (10 ÷ 1.000)oC/s
- Nhiệt độ trong lò nhiệt phân từ (400 ÷ 600)oC
- Thời gian khí lưu lại trong lò < (2-5)s.
Hơi nhiệt phân và các sol khí phải được làm lạnh nhanh để hạn chế trường hợp chúng
kết hợp lại với nhau.
Để thực hiện được các yêu cầu trên, quá trình nhiệt phân nhanh được thực hiện theo
công nghệ nhiệt phân trong lò tầng sôi, lò nón quay, lò chân không và lò ly tâm như được mô
tả trên hình 1 [4].
Trong các thiết bị nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học được giới thiệu ở
hình 1, kiểu lò tầng sôi tĩnh (hình 1.a) có nhiều ưu điểm như dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ phản
ứng, gia công chế tạo và vận hành đơn giản hơn các thiết bị kiểu lò nón quay, lò chân không,
lò ly tâm. Từ các ưu điểm này cùng với các kết quả nghiên cứu về động lực học trong tầng sôi,
thiết kế lò tầng sôi đã được công bố [1], [2] và kinh nghiệm thực tế vận hành thiết bị theo
công nghệ tầng sôi chúng tôi chọn kiểu lò tầng sôi tĩnh để nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất

dầu sinh học. Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả thu
hồi dầu sinh học từ lò nhiệt phân.

555


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

b. Lò ly tâm PCR

a. Lò tầng sôi tĩnh

c. Lò nón quay

c. Lò chân không

Hình 1. Các sơ đồ nguyên lý nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất dầu sinh học
2.2. Lò nhiệt phân nhanh sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học
2.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công
nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi
Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân
nhanh trong lò tầng sôi được mô tả trên hình 2. Sinh khối (bã mía) được nghiền nhỏ có kích
cỡ trung bình từ (1-2)mm, độ ẩm < 10% được cấp vào bình chứa sinh khối (6). Sinh khối
được cấp vào lò nhiệt phân (9) nhờ vít tải nhiên liệu (5). Lưu lượng sinh khối cấp vào phụ
thuộc vào vận tốc vít tải và được điều chỉnh bằng bộ biến tần. Lớp cát có sẵn trong lò với độ
cao 70mm.
Khí nitơ được dẫn vào buồng gia nhiệt bằng điện trở có công suất N = 2kW, được gia
nhiệt lên đến nhiệt độ t = (400 – 500)oC và dẫn vào ống phun (10). Vận tốc khí nitơ được điều
chỉnh theo giá trị tính toán để lớp cát và sinh khối duy trì ở trạng thái tầng sôi. Dọc theo thân
lò nhiệt phân nhiệt độ giảm dần do nhiệt lượng cung cấp cho quá trình nhiệt phân và tổn thất,

vì vậy để nâng cao hiệu quả quá trình nhiệt phân cần phải duy trì nhiệt độ bên trong lò ổn định
từ (400 – 500)oC ta lắp thêm 2 thanh điện trở phụ. Sinh khối được cấp vào bên trong lò tạo
lớp sôi và trong môi trường khí nitơ có nhiệt độ t = (400 – 500)oC, sinh khối sẽ phân hủy
thành chất rắn và hỗn hợp các khí CO, CO 2 , H 2 , các hydrocacbon. Các chất rắn được thu
lại trong cyclon (12). Hỗn hợp khí được dẫn vào tháp ngưng tụ (14) và tháp tĩnh điện (15), khi
đi qua 2 thiết bị này các khí ngưng tụ lại thành dầu sinh học và một số khí không ngưng tụ
được thoát ra ngoài.
Hệ thống được lắp đặt các thiết bị đo lường để kiểm soát các thông số áp suất, lưu lượng
khí nitơ, nhiệt độ bên trong lò phản ứng, trở lực tầng sôi.
556


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

200

Thiết bị điều khiển tự động: sử dụng biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ để cung cấp
sinh khối. Sử dụng Thermostat điều khiển thanh điện trở chính và điện trở phụ để duy trì nhiệt
độ khí nitơ bên trong thân lò từ t=(400 – 500)oC.

lít/phút

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ
nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi
1.Bình chứa khí nitơ, 2. Áp kế, 3. Lưu lượng kế, 4. Lớp vật liệu bảo ôn, 5. Vít tải, 6. bình chứa
sinh khối, 7. phễu cấp sinh khối, 8. Điện trở phụ, 9. Thân lò, 10. Ống phun, 11. Đầu đo nhiệt
độ, áp suất, 12. Cyclon, 13. Nước giải nhiệt, 14. Tháp ngưng tụ, 15. Tháp thu hồi dầu kiểu
tĩnh điện, 16. Bình chứa dầu sinh học, 17. Thanh điện trở chính.
2.2.2. Các thông số thiết kế và vận hành của hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh
khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi

Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã thiết kế chế tạo lắp hệ thống sản xuất dầu sinh học từ
sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi tại Trường Đại học Bách khoa –
Đại học Đà Nẵng với lượng sinh khối khối G = 300 g/h (hình 3). Các thông số thiết kế cơ bản
và thông số vận hành khi sử dụng sinh khối là bã mía được giới thiệu bảng 1 và bảng 2.
Bảng 1. Các thông số thiết kế cơ bản hệ thống thiết bị nhiệt phân
STT
Thông số thiết kế cơ bản
Đơn vị
Giá trị
1.

Đường kính trong thân lò

mm

54

2.

Chiều cao thân lò

mm

600

3.

Công suất điện trở gia nhiệt

kW

2

4.

Số lượng ống phun

cái

3

5.

Đường kính ống phun

mm

13

6.

Chiều cao tháp ngưng tụ

mm

250

7.

Đường kính tháp ngưng tụ

mm

60

557


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 3: Hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh
trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h
Bảng 2. Các thông số vận hành hệ thống thiết bị nhiệt phân
Thông số vận hành
Đơn vị
Giá trị
1.

Áp suất khí nitơ cấp vào bình gia nhiệt

2.

Lưu lượng khí nitơ

3.

Nhiệt độ khí nitơ trên ống phun

4.

Vận tốc góc trục vít tải

5.

at

3

lít/phút

25

0

C

470

vòng/phút

180

Đường kính trung bình hạt cát

mm

1,5

6.

Đường kính trung bình hạt bã mía

mm

1

7.

Độ ẩm bã mía

%

7,1

8.

Lượng bã mía cấp vào hệ thống

kg/h

300

Kết quả phân tích thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của bã mía được thể
hiện trong bảng 3.
Bảng 3. Thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của bã mía
Tên chỉ tiêu
Đơn vị
Phương pháp thử
Kết quả

STT
1

Thành phần hóa học

1.1

Hemicellulose

%

KT2.K2.TN-30/TP

24,44

1.2

Cellulose

%

KT2.K2.TN-30/TP

44,5

1.3

Ligin

%

KT2.K2.TN-30/TP

18,6

2

Thành phần nguyên tố

2.1

C

%

ASTM D5373-08

45,1

2.2

H

%

ASTM D5373-08

6,2

2.3

N

%

AOAC
993.13(2012)

0,46

2.4

S

%

TCVN 175:1995

Không phát hiện (<0,01)

558


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Các kết quả thu được khi vận hành hệ thống sản xuất dầu sinh học từ bã mía bằng
công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h
Khi vận hành hệ thống theo các thông số vận hành giới thiệu trong bảng 2, các thông số
cần theo dõi như sau:
- Trở lực hỗn hợp bã mía và cát trong lò nhiệt phân nhằm xác định khả năng duy trì chế

độ tầng sôi trong lò;
- Khối lượng chất rắn thu hồi được từ cyclon;
- Khối lượng dầu sinh học thu được từ bình chứa dầu.
Kết quả được thu được được thể hiện trong bảng 4.
Bảng 4. Các kết quả thu được khi vận hành hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối
bằng công nghệ nhiệt phân nhanh trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h
STT
Thông số kỹ thuật
ĐVT
Giá trị
1.

Trở lực tầng sôi

mmH 2 O

75

2.

Lượng chất rắn thu hồi từ cyclon

g/h

18

3.

Lượng dầu sinh học thu hồi được

g/h

89

Nhận xét:
- Trở lực tầng sôi theo thực tế là 75 mmH 2 O, so với kết quả tính toán được công bố
trong tài liệu tham khảo [1] trở lực tầng sôi theo tính toán là 80 mmH 2 O. Sai số giữa tính toán
và thực tế là 6,25%.
- Hiệu quả lượng dầu sinh học thu hồi được = Lượng dầu thu hồi / lượng bã mía = 29,7%
2.2. Kết quả phân tích các đặc tính dầu sinh học
Dầu sinh học thu được từ lò nhiệt phân với các thông số vận hành như bảng 2 được phân
tích theo các phương pháp đo phù hợp cho mỗi đặc tính dầu sinh học thể hiện trong bảng 5.
Bảng 5. Các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân bã mía
STT

Mục đích đo

Đơn vị

Phương
pháp đo

Giá trị
theo

Giá trị theo
tiêu chuẩn
ASTM
D7544-12
[7]

Số hiệu/xuât xứ
thiết bị phân tích

kJ/kg

ASTM
D4809

17.500

15.000

C2000/ IKA / Đức

3,5

-

1.

Nhiệt trị

2.

pH

3.

Độ nhớt (ở

400C)

mm2/s

ASTM
D445

25-110

<125

20090006/JETVIS
C/ Poulten/ Anh

4.

Lưu huỳnh

S

ASTM
D5453

Không
phát hiện

0,05

TS100V/
Mitshubishi/Nhật

5.

Nước

%

ASTM
6304

19

<30

CA-200/
Mitshubishi/Nhật

6.

Khối lượng
riêng

kg/dm3

ASTM
D4052

1,21

1,1-1,3

FD 910/Sarasota
/Mỹ

559


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhận xét: So với tiêu chuẩn ASTM D7544-12, các đặc tính dầu sinh học khi nhiệt phân
bã mía đảm bảo các thông số kỹ thuật dầu sinh học.
4. KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu về động lực học quá trình nhiệt phân trong lò tầng sôi, cũng
như quá trình truyền nhiệt khi nhiệt phân sinh khối, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo
thành công hệ thống sản xuất dầu sinh học từ sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân nhanh
trong lò tầng sôi với công suất 300 g/h. Trên cơ sở thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện
các thí nghiệm công bố các số liệu liên quan đến hệ thống:
- Các thông số vận hành hệ thống được giới thiệu trong bảng 2. Các thông số vận hành
này đảm bảo duy trì chế độ tầng sôi trong lò nhiệt phân, nhiệt độ duy trì trong lò nhiệt phân.
- Hiệu suất thu hồi dầu của hệ thống 29,7%
- Các đặc tính dầu sinh học tạo ra khi nhiệt phân bã mía đảm bảo các thông số kỹ thuật
dầu sinh học theo tiêu chuẩn ASTM D7544-12
Các kết quả nghiên cứu này chính là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa
các thông số vận hành để thu hồi dầu sinh học với hiệu suất cao cũng như phân tích thành
phần dầu nhiệt phân thu được từ các loại sinh khối khác nhau sẵn có ở Việt nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Duy Vũ, Hoàng Dương Hùng, Trần Văn Vang, Nghiên cứu mô phỏng động lực học
trong lò lớp sôi khi nhiệt phân nhanh biomass, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học
Đà Nẵng, số 5(90) 2015.
[2] Phạm Duy Vũ, Phan Quang Xưng, Nguyễn Thanh Quang, Thiết kế hệ thống lò lớp sôi qui
mô thực nghiệm, Tạp chí năng lượng nhiệt, số 11/2004.

[3] Đặng Ngọc Anh, Trần Thị Kim Hoa, Nguyễn Trung Kiên, Bùi Hải Linh, Đặng Tuyết
Phương, Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Thị Vân, Hoàng Yến, Sản xuất dầu sinh học từ rơm rạ
bằng phương pháp nhiệt phân có và không có xúc tác, Tạp chí Hóa học, T.47 (4A)
2009, pp. 536-540.
[4]. Bridgwater A.V. Biomass bioengery 2012, 38 68-94
[5]. />[6]. />[7]. />THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

ThS. Phạm Duy Vũ, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
, 0913412543

2.

PGS.TS. Hoàng Dương Hùng, Trường Đại học Quảng Bình
,0903503583

3.

PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
, 0989078015

4.

PGS.TS. Trần Văn Vang, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
, 0913404678

560