Khí hóa sinh khối để sản xuất điện

Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật “ Khí hóa sinh khối sản xuất điện” là
công trình do chính tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Văn Đình Sơn Thọ.
Các kết quả trình bày trong luận văn hoàn toàn chính xác, đáng tin cậy và chƣa từng
công bố trong các công trình khoa học nào.

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Vĩnh

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

1


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Văn Đình Sơn
Thọ đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo cũng nhƣ định hƣớng về mặt chuyên môn và tạo
điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu khoa học.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đang công tác tại Viện Kỹ Thuật Hóa
Học, các thầy cô giáo bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ-Hóa Dầu và các cán bộ ở xƣởng
chế tạo thiết bị áp lực- Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho em

trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Sau cùng, em xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các bạn sinh viên hóa dầu K55
đã luôn đồng hành, hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Vĩnh

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

2


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................2
LỜI MỞ ĐẦU ...............................................................................................................10
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH
KHỐI ............................................................................................................................. 11
I.1 Tổng quan về nguyên liệu sinh khối ....................................................................11
I.1.1 Khái niệm ......................................................................................................11
I.1.2 Đánh giá tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối ở Việt Nam .....................11
I.1.3 Hiện trang sử dụng sinh khối ở Việt Nam ....................................................15
I.2 Tổng quan về công nghệ khí hóa sinh khối .........................................................15

I.2.1 Qúa trình khí hóa sinh khối ...........................................................................15
I.2.2 Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối .........................................17
I.2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa sinh khối............................................18
I.2.4 Công nghệ khí hóa sinh khối lớp cố định .....................................................25
I.3 Đặc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng .................28
I.3.1 Đặc điểm công nghệ khí hóa sinh khối trong sản xuất điện năng công suất
nhỏ .........................................................................................................................28
I.3.2 Xu hƣớng nghiên cứu trong phát triển công nghệ khí hóa sinh khối để sản
xuất điện năng........................................................................................................31
I.4 Các phƣơng pháp phân tích ..................................................................................32
I.4.1 Phƣơng pháp phân tích thành phần kỹ thuật và hóa học của nhiên liệu .......32
I.4.2 Các phƣơng pháp TGA, BET, SEM .............................................................33
CHƢƠNG II HỆ THỐNG KHÍ HÓA CÔNG SUẤT 150KG/H ..................................36
II.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động hệ thống khí hóa .................................................36
II.1.1 Sơ đồ hệ thống .............................................................................................36
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

3


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

II.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống ................................................................38
II.2 Quy trình vận hành và phƣơng pháp xử lý số liệu cho hệ thống khí hóa ...........39
II.2.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm ......................................................................39
II.2.2 Hệ thống thiết bị đo lƣờng và phân tích ......................................................40
II.2.3 Phƣơng pháp tính toán xử lý số liệu của quá trình ......................................42
II.3 Xây dựng và nâng cấp hệ thống khí hóa .............................................................47

II.3.1 Cơ sở nâng cấp hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h ...................................47
II.3.2 Sơ đồ hệ thống .............................................................................................47
CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH NHIÊN LIỆU GỖ KEO
VÀ MỘT VÀI LOẠI NHIÊN LIỆU Ở VIỆT NAM .....................................................50
III.1 Đặc tính nguyên liệu gỗ keo và các loại nguyên liệu khác ...............................50
III.1.1 Thành phần kỹ thuật của gỗ keo và các loại nguyên liệu khác ..................50
III.1.2 Thành phần hóa học, nhiệt trị của gỗ keo và các nguyên liệu khác ...........51
III.1.3 Thành phần hóa học tro của nguyên liệu gỗ keo và các nguyên liệu khác 53
III.2 Nghiên cứu động học của quá trình nhiệt phân trong môi trƣờng nitơ .............54
III.2.1 Phân tích nhiệt TG và DTG trong môi trƣờng nitơ của nguyên liệu gỗ keo
...............................................................................................................................54
III.2.2 Phân tích giản đồ TGA giữa các loại nguyên liệu khác trong môi trƣờng
nitơ .........................................................................................................................58
III.3 Nghiên cứu động học của quá trình cháy trong môi trƣờng không khí ............60
III.3.1 Phân tích nhiệt TGA và DTG trong môi trƣờng không khí của nguyên liệu
gỗ keo ....................................................................................................................60
III.3.2 Phân tích giản đồ TGA với các loại nguyên liệu khác trong môi trƣờng
không khí ...............................................................................................................63
III.4 Phƣơng pháp tính năng lƣợng hoạt hóa .............................................................65

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

4


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

III.4.1 Phƣơng pháp tính năng lƣợng hoạt hóa trong môi trƣờng nitơ cho nguyên

liệu gỗ keo .............................................................................................................65
III.4.2 Phƣơng pháp tính năng lƣợng hoạt hóa trong môi trƣờng không khí cho
nguyên liệu gỗ keo.................................................................................................71
CHƢƠNG IV KẾT QUẢ THẢO LUẬN THÍ NGHIỆM KHÍ HÓA SINH KHỐI VÀ
CHẠY PHÁT ĐIỆN ......................................................................................................75
IV.1 Thảo luận kết quả với nguyên liệu là gỗ keo ....................................................75
IV.1.1 Nhiệt độ của thiết bị khí hóa ......................................................................75
IV.1.2 Thành phần hắc ín (Tar) .............................................................................76
IV.1.3 Thành phần khí ...........................................................................................78
IV.1.4 So sánh thành phần khí dọc lò....................................................................80
IV.1.5 Nhiệt trị sản phẩm khí ................................................................................82
IV.1.6 Hiệu suất khí hóa ........................................................................................82
IV.1.7 Đánh giá mẫu char sau khí hóa (SEM, BET) .............................................83
IV.2 Kết quả chạy phát điện với nguyên liệu gỗ keo, viên nén trấu .........................84
IV.2.1 Kết quả và thảo luận khi động cơ –máy phát vận hành ở chế độ dual fuel
với nguyên liệu cấp vào hệ thống khí hóa là gỗ keo .............................................85
IV.2.2 Kết quả chạy thí nghiệm trên động cơ khí và động cơ xăng với nguyên liệu
viên nén trấu ..........................................................................................................87
KẾT LUẬN ...................................................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 93

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

5


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sản lƣợng sinh khối một số tỉnh phía Bắc ......................................................13
Hình 1.2 Sản lƣợng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam ................................13
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa sinh khối và các hộ sử dụng ....................16
Hình 1.4. Lƣu trình của quá trình khí hóa .....................................................................18
Hình 1.5. Biểu đồ C-H-O của quá trình khí hóa............................................................19
Hình 1.6. Mô hình quá trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lò kiểu downdraft ..........20
Hình 1.7. Khí hóa dòng cắt ngang (crossdraft) .............................................................26
Hình 1.8. Khí hóa thuận chiều (downdraft)...................................................................26
Hình 1.9. Khí hóa ngƣợc chiều (updraft) ......................................................................26
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa sinh khối 150kg/h .....................................................36
Hình 2.2 Thiết bị khí hóa sinh khối ...............................................................................37
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống sau cải tiến .............................................................................48
Hình 2.4 Hệ thống nạp liệu............................................................................................48
Hình 2.5 Hệ thống vít tải tháo xỉ ...................................................................................49
Hình 3.1 TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng Nitơ, tốc độ gia nhiệt 3 oC/phút ....55
Hình 3.2 TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng Nitơ ứng với tốc độ gia nhiệt 5
o

C/phút ...........................................................................................................................56

Hình 3.3 TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng Nitơ với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút
.......................................................................................................................................57
Hình 3.4 Đồ thị TGA của các loại nguyên liệu trong môi trƣờng Nitơ ở tốc độ gia nhiệt
10 oC/phút ......................................................................................................................58
Hình 3.5 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt
3 oC/phút ........................................................................................................................61
Hình 3.6 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt
5 oC/ phút .......................................................................................................................62
Hình 3.7 Đồ thị TG – DTG của gỗ keo trong môi trƣờng không khí với tốc độ gia nhiệt

10 oC/ phút .....................................................................................................................62
Hình 3.8 Đồ thị TGA của các loại nguyên liệu trong môi trƣờng không khí ở tốc độ gia
nhiệt 10 oC/phút .............................................................................................................64
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

6


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Hình 3.9: Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi trƣờng Nitơ
ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phƣơng pháp Flynn-Ozawa-Wall (F.O.W). ......................68
Hình 3.10: Sự biến đổi của năng lƣợng hoạt hóa Ea theo độ chuyển hóa.....................69
Hình 3.11: Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi trƣờng
Nitơ ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phƣơng pháp Kissinger-Akahira-SUNOSE (KAS). .70
Hình 3.12: Sự biến đổi của năng lƣợng hoạt hóa Ea theo độ chuyển hóa theo phƣơng
pháp KAS ......................................................................................................................71
Hình 3.13: Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình đốt cháy gỗ keo trong môi trƣờng không
khí ở 3, 5, 10 oC/phút tính theo phƣơng pháp Flynn-Ozawa-Wall (F.O.W) .................72
Hình 3.14: Sự biến đổi của năng lƣợng hoạt hóa Ea của quá trình đốt cháy gỗ keo
trong môi trƣờng không khí theo độ chuyển hóa . ........................................................73
Hình 3.15 So sánh độ năng lƣợng họa hoát theo độ chuyển hóa trong môi trƣờng
không khí và nitơ ...........................................................................................................73
Hình 4.1 Đồ thị nhiệt độ ứng với thành phần oxi khác nhau ........................................75
Hình 4.2 Đồ thị so sánh thành phần hắc ín ....................................................................77
Hình 4.3 Đồ thị so sánh thành phần khí trung bình .......................................................78
Hình 4.4 Thành phần khí dọc lò khí hóa .......................................................................81
Hình 4.5 So sánh nhiệt trị sản phẩm khí ........................................................................82

Hình 4.6 So sánh hiệu suất khí hóa ...............................................................................83
Hình 4.7 Ảnh SEM của mẫu gỗ keo .............................................................................84
Hình 4.8 Ảnh SEM của Char mẫu gỗ keo sau khí hóa ..................................................84
Hình 4.9 Đồ thị hiệu suất hệ thống động cơ - máy phát (nhiên liệu gỗ keo) ................85
Hình 4.10 Đồ thị công suất động cơ-máy phát (nhiên liệu gỗ keo) ..............................86
Hình 4.11 Tỷ lệ khí sản phẩm thay thế cho Diesel – với nhiên liệu gỗ keo..................87
Hình 4.12 Hệ thống khí hóa kết hợp động cơ máy phát ................................................88
Hình 4.13 Công suất máy phát điện ..............................................................................89

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

7


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối gỗ ..................................................................................14
Bảng 1.2.Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp.................................................................14
Bảng 1.3. Tiềm năng, khả năng khai thác năng lƣợng sinh khối ở Việt Nam ..............14
Bảng 1.4 Sử dụng sinh khối theo năng lƣợng sử dụng cuối cùng .................................15
Bảng 1.5. Các phản ứng đặc trƣng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối ở nhiệt độ 250C .21
Bảng 1.6 Một số ƣu, nhƣợc điểm của các loại lò KHSK lớp cố định ...........................27
Bảng 3.1 Thành phần kỹ thuật của gỗ keo ....................................................................50
Bảng 3.2 Thành phần kỹ thuật của các loại nguyên liệu ...............................................50
Bảng 3.3 Thành phần hóa học của gỗ keo .....................................................................51
Bảng 3.4 Thành phần hóa học của các nguyên liệu ......................................................52
Bảng 3.5 Thành phần oxit trong tro của gỗ keo ............................................................53

Bảng 3.6 Thành phần oxit trong tro của các loại nguyên liệu .......................................54
Bảng 3.7 Dải nhiệt độ của từng giai đoạn trong quá trình nhiệt phân gỗ keo trong môi
trƣờng Nitơ ....................................................................................................................57
Bảng 3.8 Độ giảm khối lƣợng từng giai đoạn của các loại nguyên liệu .......................59
Bảng 3.9 Dải nhiệt độ của từng giai đoạn trong quá trình đốt cháy trong môi trƣờng
không khí .......................................................................................................................63
Bảng 3.10 Độ giảm khối lƣợng từng giai đoạn của các loại nguyên liệu .....................65
Bảng 3.11 Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân ứng với từng độ chuyển hóa
từ α=0,25 ÷ 0,85 tính theo phƣơng pháp F.O.W. ..........................................................68
Bảng 3.12 Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình nhiệt phân ứng với từng độ chuyển hóa
từ α=0,25 ÷ 0,85 tính theo phƣơng pháp KAS. .............................................................70
Bảng 3.13: Năng lƣợng hoạt hóa của quá trình đốt cháy gỗ keo trong môi trƣờng
không khí tính theo phƣơng pháp F.O.W. .....................................................................72

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

8


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng
DTA Phân tích nhiệt vi sai
SEM Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét
BET Hấp phụ đa lớp
SV Vận tốc bề mặt
ER Tỷ lệ không khí thừa

GsT Geospatial Toolkit
FC Cacbon cố định
GC Máy sắc kí khí
Wad Phần trăm lƣợng ẩm trong nhiên liệu khô
Aad Phần trăm khối lƣợng tro trong nhiên liệu
Cad Lƣợng cacbon trong nguyên liệu khô
CN2 Nồng độ thể tích khí nitơ
E Năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng
Gg Lƣu lƣợng khí sản phẩm
GN2 Lƣu lƣợng khí nitơ
Gmax Lƣu lƣợng khí sản phẩm lớn nhất cấp vào động cơ ở một chế độ vận hành xác
định
G1 Lƣu lƣợng gió cấp vào cửa gió cấp 1 của lò khí hóa
G2 Lƣu lƣợng gió cấp vào cửa gió cấp 2 của lò khí hóa
LHV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
KHSK Khí hóa sinh khối
FOW Phƣơng pháp Flynn-Ozawa-Wall
KAS Phƣơng pháp Kissinger-Akahira-SUNOSE
NLSK Năng lƣợng sinh khối

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

9


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
LỜI MỞ ĐẦU

An ninh năng lƣợng đang là vấn đề cấp thiết với tất cả các nƣớc trên thế giới
bao gồm cả những nƣớc phát triển và nƣớc đang phát triển do các nguồn năng lƣợng
hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ. Vì vậy việc tìm kiếm các nguồn
năng lƣợng mới và sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo đang đƣợc đặc biệt chú
trọng. Sinh khối là một nguồn năng lƣợng tái tạo có khả năng đáp ứng đƣợc những vấn
đề thời sự trên. Thế giới đang quan tâm tìm cách sử dụng năng lƣợng sinh khối một
cách có hiệu quả, trong đó công nghệ khí hóa sinh khối là một công nghệ mang lại
hiệu quả cao.
Ở Việt Nam công nghệ khí hóa sinh khối vẫn còn khá mới mẻ. Việc sử dụng
công nghệ khí hóa sinh khối hiện nay chỉ dừng lại ở lĩnh vực cung cấp nhiệt cho công
nghiệp quy mô nhỏ và các hộ gia đình. Trong khi tiềm năng về nguồn nguyên liệu sinh
khối của Việt Nam rất lớn, và đa dạng về nguyên liệu, chủng loại. Nhƣng cũng chính
vì sự đa dạng này dẫn đến hoạt động vận hành kém hiệu quả của các dây chuyền khí
hóa, do mỗi dây chuyền chỉ đƣợc thiết kế cho một số dạng nhiên liệu cụ thể.
Vì vậy luận văn với đề tài “ Khí hóa sinh khối sản xuất điện” đƣợc đƣa ra với
mục đích sau:
- Từng bƣớc làm chủ đƣợc công nghệ khí hóa sinh khối Downdraft.
- Phân tích, đánh giá các đặc tính kỹ thuật và hóa học của nguyên liệu để từ đó có thể lựa
chọn nguyên liệu phù hợp sử dụng cho quá trình khí hóa
- Nghiên cứu động của quá trình cháy và nhiệt phân của từng loại sinh khối
- Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của việc làm giàu oxi trong thiết bị khí hóa đến sự hình
thành hắc ín và chất lƣợng sản phẩm khí
- Nghiên cứu khả năng thay thế nhiên liệu diesel bằng khí sản phẩm của quá trình khí
hóa để chạy hệ thống động cơ máy phát lƣỡng nhiên liệu, đồng thời luận văn cũng tiến
hành nghiên cứu khả năng thay thế khí sản phẩm để chạy hệ thống động cơ-máy phát
(động cơ khí) trên hệ thống khí hóa sinh khối downdraft kiểu open top tại đại học
Thủy Lợi.

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

10


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA
SINH KHỐI
I.1 Tổng quan về nguyên liệu sinh khối
I.1.1 Khái niệm
Sinh khối là bất cứ những vật liệu có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ thực
vật (gỗ, hạt, thực vật biển, chất thải động vật…) đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn năng
lƣợng. Sinh khối là nguồn vật chất có thể tái tạo và năng lƣợng từ sinh khối là nguồn
năng lƣợng có thể tái tạo. Sinh khối bao gồm hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế
thải nông nghiệp của ngành lƣơng thực thí dụ: Trấu, vỏ hạt điều, rơm rạ, …v.v. Thứ
hai: Sinh khối gỗ: Có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây, thí dụ: Gỗ cây cao su,
cây điều, cây keo, bạch đàn …v.v.
Năng lƣợng sinh khối (NLSK) có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông,
lâm nghiệp thành nhiệt và năng lƣợng. Ngoài ra, năng lƣợng sinh khối có thể đóng góp
đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ƣu điểm sinh khối là một loại chất đốt
sạch hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lƣu huỳnh, chu trình cố
định CO2 ngắn. Ngoài ra, các loại sinh khối có thể dự trữ, cung cấp loại nhiên liệu khô,
đồng nhất và chất lƣợng ổn định.
Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lƣợng lớn thứ tƣ, chiếm
tới 14-15% tổng năng lƣợng tiêu thụ. Ở các nƣớc phát triển, sinh khối thƣờng là nguồn
năng lƣợng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lƣợng. Từ sinh khối, có thể
sản xuất ra nhiên liệu khí cũng nhƣ nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho
động cơ. Vì vậy, lợi ích của nguồn năng lƣợng sinh khối là rất to lớn nhƣng bên cạnh

đó chúng ta cũng cần phải lƣu ý những khó khăn khi sử dụng NLSK[2, 5].
I.1.2 Đánh giá tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối ở Việt Nam [3,5]
Việc xác định nguồn sinh khối hiện nay còn nhiều bất cập, cách đánh giá truyền
thống mất rất nhiều công sức và thời gian vì vậy số liệu thƣờng không đƣợc cập nhật
thƣờng xuyên hơn nữa sai số phụ thuộc nhiều vào ngƣời làm công tác đánh giá. Để
đánh giá chính xác đƣợc tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối em đã sử dụng phần
mềm Geospatial Toolkit (GsT) để đánh giá trữ lƣợng sinh khối ở từng vùng của Việt
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

11


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Nam. Đây là phần mềm không gian địa lý đƣợc phát triển bởi phòng nghiên cứu phát
triển năng lƣợng tái tạo quốc gia của Mỹ (NREL). Phần mềm cung cấp dữ liệu về
nguồn năng lƣợng tái tạo với thông tin về địa lý, khu dân cƣ, biên giới, giao thông, cơ
sở hạ tầng. GsT có thể tự động nhận các dữ liệu về thời tiết để tiến hành phân tích cụ
thể cho từng quốc gia khác nhau, cho biết các dữ liệu về thời tiết, địa hình, nguồn
nguyên liệu tái tạo (gió, mặt trời, sinh khối). Đây là một công cụ hữu hiệu để nghiên
cứu và đánh giá các nguồn sinh khối cho các vùng tại Việt Nam, các dữ liệu của GsT
đã đƣợc cập nhật về các nguồn sinh khối của Việt Nam dựa trên cuốn "Niên giám
thống kê năm 2010". Hiện nay, phần mềm GsT mới tập trung vào các sản phẩm của
sinh khối nông nghiệp và phân loại thành 5 danh mục: phụ phẩm cây lúa, cây ngô, cây
lạc, cây mía và cây sắn. Chi tiết nguồn sinh khối của mỗi danh mục có thể đƣợc đánh
giá cho tất cả các tỉnh của Việt Nam. Ngoài ra, GsT còn cho phép tính toán đƣợc trữ
lƣợng các nguồn sinh khối có thể đạt đƣợc trong một địa điểm cụ thể với khoảng cách
của nó đến các vùng lân cận, điều này giúp cho nhà hoạch định chính sách, chủ đầu tƣ

có thể định hình đƣợc quy mô của dự án đầu tƣ.
Việt nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, vỏ cà phê, rơm rạ và
bã mía... Phụ phẩm nông nghiệp rất phong phú dồi dào ở Vùng đồng bằng sông Mê
kông, chiếm khoảng 50% tổng sản lƣợng phụ phẩm nông nghiệp toàn quốc và vùng
đồng bằng Sông Hồng với 15% tổng sản lƣợng toàn quốc. Hàng năm tại Việt Nam có
gần 60 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp trong đó 40% đƣợc sử dụng đáp
ứng nhu cầu nhiệt cho hộ gia đình và sản xuất điện [11, 30, 41]. Dƣới đây là thống kê
phụ phẩm nông nghiệp tại một số tỉnh ở Việt Nam đƣợc tổng hợp từ phần mềm
Geospatial Toolkit.
Qua đồ thị hình 1.1 và 1.2 ta thấy các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lạc nhƣ: Bắc
Giang, Thanh Hóa, Tây Ninh, Nghệ An. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm sắn nhƣ: Sơn
La, Thanh Hóa, Tây Ninh, Gia Lai. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm mía nhƣ: Thanh
Hóa, Hòa Bình, Tây Ninh, Nghệ An, Sóc Trăng. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm ngô
nhƣ: Hà Tây, Thanh Hóa, Đắc Lắc. Các tỉnh dồi dào về phụ phẩm lúa nhƣ: Thái Bình,
Bắc Giang, Thanh Hóa, An Giang, Đồng Tháp, Long An. Tuy nhiên, nhìn chung phụ
phẩm từ lúa, ngô, mía chiếm tỷ trọng lớn.

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

12


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Hình 1.1 Sản lượng sinh khối một số tỉnh phía Bắc

Hình 1.2 Sản lượng sinh khối các tỉnh miền Trung và miền Nam
Ngoài các nguồn sinh khối là phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam còn

có các nguồn sinh khối từ các quá trình sản xuất khác nhƣ: phụ phẩm từ chế biến lâm
sản, sản xuất công nghiệp (giấy, vải sợi…), chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, rác thải
đô thị và chất thải hữu cơ khác. Dƣới đây là bảng tổng hợp các nguồn sinh khối ở Việt
Nam.
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

13


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối gỗ [4,23]
Tiềm năng

Quy dầu tƣơng đƣơng

Tỷ lệ

(triệu tấn)

(triệu TOE)*

(%)

Rừng tự nhiên

6,842

2,390

27,9

Rừng trồng

3,718

1,300

15,2

Đất không rừng

3,850

1,350

15,7

Cây trồng phân tán

6,050

2,120

24,7

Cây công nghiệp & ăn quả

2,400

0,840

9,8

Phế liệu gỗ

1,649

0,580

6,7

TỔNG

24,509

8,580

100,0

Nguồn cung cấp

Bảng 1.2.Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp
Tiềm

Quy dầu tƣơng đƣơng

Tỷ lệ

năng(triệu tấn)

(triệu TOE)*

(%)

Rơm rạ

32,52

7,30

60,4

Trấu

6,50

2,16

17,9

Bã mía

4,45

0,82

6,8

Các loại khác

9,00

1,80

14,9

TỔNG

52,47

12,08

100,0

Nguồn cung cấp

Bảng 1.3. Tiềm năng, khả năng khai thác năng lượng sinh khối ở Việt Nam [5,22]

Loại sinh khối

Tiềm

Khả năng khai thác

Khả năng

năng(triệu

cho năng lƣợng

khai thác cho

tấn/năm)

(triệu tấn/năm)

sản xuất điện
(MW)

Củi gỗ và các phế thải gỗ

27 - 31

25

-

Phế thải từ cây nông nghiệp

72 - 83

58

504 - 581

Chất thải chăn nuôi

54 - 60

50

58

Rác thải phát sinh tại các đô thị

7 - 10

8

212

Phế thải cho sản xuất NLSH

0,8 - 1,4

1

-

Tổng

160,8 - 185,4

142

784 - 861

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

14


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có trữ lƣợng khá lớn đặc biệt là phụ
phẩm từ gỗ, nông nghiệp và chăn nuôi. Chủng loại sinh khối đa dạng và phong phú
nhƣng rất phân tán và phân bố không đồng đều do: i) vùng sản xuất trải dài theo lãnh
thổ, ii) tập tục, quy mô sản xuất của ngƣời dân và iii) chính sách địa điền của nhà
nƣớc.
I.1.3 Hiện trang sử dụng sinh khối ở Việt Nam
Hiện nay, trên quy mô toàn cầu NLSK là nguồn cung cấp năng lƣợng thứ tƣ,
chiếm tới 14-15% tổng năng lƣợng tiêu thụ. Ở các nƣớc phát triển, NLSK là nguồn
năng lƣợng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lƣợng.
Bảng 1.4 Sử dụng sinh khối theo năng lượng sử dụng cuối cùng
Năng lƣợng cuối cùng

Tổng tiêu thụ

Tỷ lệ (%)

Bếp đun

10667

76,2

Lò nung

903

6,5

Lò đốt

2053

14,7

Đồng phát

377

2,7

14000

100,0

Nhiệt
Điện
Tổng

Bảng 1.4 cho thấy trên ba phần tƣ sinh khối hiện đƣợc sử dụng phục vụ đun nấu
gia đình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã đƣợc nghiên cứu
thành công nhƣng chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài dự án nhỏ ở một số

địa phƣơng. Một phần tƣ còn lại đƣợc sử dụng trong sản xuất.
Việt Nam là nƣớc nông nghiệp, nguồn nguyên liệu sinh khối từ phế phẩm trong
sản xuất nông nghiệp rất dồi dào. Tuy nhiên, hiện nay phế phẩm nông nghiệp không
còn đƣợc sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hƣớng sử dụng thức ăn chăn nuôi công
nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ. Hơn nữa, việc sử dụng phụ phẩm theo cách thức truyền
thống cho việc đun nấu không còn nữa. Do vậy, ngƣời dân sau khi thu hoạch sản phẩm
chính, phần còn lại (phụ phẩm) đƣợc thải bỏ tại đồng ruộng, chất đống rồi đốt. Việc
đốt phụ phẩm này không những gây ô nhiễm môi trƣờng do phát thải vào không khí
nhiều khí độc hại mà còn lãng phí tài nguyên.
I.2 Tổng quan về công nghệ khí hóa sinh khối
I.2.1 Qúa trình khí hóa sinh khối
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

15


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Khí hoá sinh khối là quá trình biến đổi nhiệt hóa nguyên liệu sinh khối ở nhiệt
độ cao (khoảng từ 600 - 13000C) thành nhiên liệu khí bằng cách cung cấp một lƣợng
hạn chế oxy nguyên chất, oxy trong không khí, CO2, hơi nƣớc hoặc hỗn hợp các thành
phần trên để chuyển từ nguyên liệu dạng rắn thành khí tổng hợp để có thể tận dụng khí
sản phẩm vào quá trình chạy máy phát điện hay tận dụng lƣợng nhiệt thu đƣợc từ quá
trình để đun nấu cho hộ gia đình vừa và nhỏ [21,36,43].
Khí hoá nhiên liệu sinh khối bằng không khí sẽ tạo ra nhiên liệu khí có nhiệt trị
thấp, chứa khoảng 50% nitơ. Khí hoá sinh khối bằng oxy nguyên chất hoặc hơi nƣớc
sẽ tạo ra khí sản phẩm có nhiệt trị trung bình. Thành phần chính của nhiên liệu khí bao
gồm CO, H2 và CH4, ngoài ra còn có CO2, hơi nƣớc, N2 và hắc ín (hay tar là

hydrocacbon cao phân tử). Nguyên liệu khí từ quá trình khí hóa sinh khối đƣợc sử
dụng trong nhiều trƣờng hợp tại đó nguyên liệu sinh khối dạng rắn không thể hoặc khó
sử dụng. Ví dụ: làm nguyên liệu cho động cơ phục vụ vận tải, phát điện, cấp nhiệt [3,
21].
Theo sơ đồ hình 1.3, khí hóa sinh khối sản xuất điện theo 3 con đƣờng:
 Khí sản phẩm từ quá trình khí hóa đƣợc dẫn trực tiếp vào hệ thống nồi hơi, đốt
và cấp nhiệt để sản xuất hơi nƣớc dùng chạy tuabin hơi sản xuất điện
 Khí sạch dùng để chạy tuabin khí sản xuất điện
 Khí sạch dùng để chạy động cơ xăng, diesel sản xuất điện.
Nhƣ vậy với việc sử dụng công nghệ khi hóa sinh khối có thể ứng dụng rất lớn
trong sản xuất điện quy mô hộ gia đình cũng nhƣ có thể sản xuất điện trong quy mô
công nghiệp. Công nghệ khí hóa đã và đang là một công nghệ sản xuất điện rất hứa
hẹn và đầy tiềm năng ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung.

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa sinh khối và các hộ sử dụng [4]
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

16


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

I.2.2 Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ khí hóa sinh khối
a. Ưu điểm
Ƣu điểm của khí hóa sinh khối so với đốt trực tiếp: Nó có thể sử dụng nguyên
liệu có giá trị thấp và chuyển đổi chúng không chỉ thành điện, mà còn là nhiên liệu cho
các phƣơng tiện vận tải. Trong những năm sắp tới, nó sẽ phục vụ nhƣ là một công
nghệ chính để bổ sung nhu cầu năng lƣợng của thế giới. Sử dụng công nghệ tiên tiến

nhƣ tua bin khí và pin nhiên liệu với khí tổng hợp đƣợc tạo ra từ quá trình khí hóa hiệu
suất cao. Để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu rắn, không khí dƣ thừa là cần thiết, và nhiệt
độ đốt cháy cao tạo ra NOx và phát thải khác, so với quá trình đốt cháy các sản phẩm
khí hóa. Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt – điện, các chất gây ô nhiễm trong
khói nhƣ SOx, NOx đƣợc loại bỏ hiệu quả, kết quả lƣợng khí thải ô nhiễm thấp hơn
nhiều. Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ ràng cho quá trình xử lý, vận chuyển, và
sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải [6].
So với các công nghệ sử dụng nguyên liệu sinh khối khác thì khí hóa sinh khối
còn có những ƣu điểm sau:
+ Khí hoá sinh khối có tính linh hoạt cao về sử dụng nguyên liệu sinh khối làm
nhiên liệu.
+ Khí hoá có hiệu quả chuyển đổi nhiệt-hóa trong phạm vi 70% đến 90% là cao
nhất trong số các công nghệ sử dụng sinh khối.[36]
+ Có thể thực hiện ở quy mô lớn
+ Yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn trên một đơn vị năng lƣợng
+ Việc điều khiển và thay đổi công suất đáp ứng phụ tải tức thời dễ dàng hơn so
với công nghệ khác
+ Sản phẩm khí đầu ra phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết các loại động cơ đốt
trong và có thể thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng khác.
b. Nhược điểm
- Vấn đề loại bỏ hắc ín chƣa triệt để, chƣa đáp ứng đƣợc bài toán kinh tế - kĩ thuật
đề ra.
- Quá trình vận hành phức tạp đòi hỏi phải có kĩ năng và kinh nghiệm nên độ tin
cậy của công nghệ phụ thuộc nhiều vào quá trình vận hành và ngƣời vận hành.

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

17

Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

- Công nghệ vẫn đang trong quá trình nghiên cứu, phát triển và thƣơng mại hóa
nhằm đáp ứng đa dạng nhu cầu về sử dụng đặc biệt là nhu cầu đòi hỏi khí sản
phẩm chất lƣợng cao, quy mô lớn, tận dụng đƣợc các nguồn sinh khối sẵn có.
I.2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa sinh khối
a. Qúa trình khí hóa
Quá trình khí hóa điển hình thƣờng diễn ra theo các bƣớc đƣợc liệt kê trên hình
1.4. Xu hƣớng của quá trình và thành phần của sản phẩm khí hóa phụ thuộc vào tác
nhân khí hóa và quá trình nhiệt phân. Từ hình 1.5 ta thấy nếu nhiệt phân chậm thì xu
hƣớng sinh khối hình thành char sẽ nhiều hơn, ngƣợc lại nếu nhiệt phân nhanh thì sản
phẩm của quá trình khí hóa sẽ nhiều hợp chất hydrocacbon hơn. Mặt khác, nếu sử
dụng oxy là tác nhân khí hóa thì sản phẩm sẽ chứa nhiều oxy hơn và tiến về khu vực
của sản phẩm cháy gồm CO2 và H2O…[26, 39].
Phƣơng trình phản ứng tổng quát cho quá trình khí hóa sinh khối nhƣ sau:
CxHyOzNt (sinh khối) + O2 (21% trong không khí) + N2 (79% trong không khí) + H2O
(hơi nƣớc có thể có)

CH4 + CO + CO2 + N2 + H2 + H2O (Hơi nƣớc trong nhiên liệu

và hơi nƣớc không phản ứng) + C (char) + hắc ín (tar). [47]

(1.1)

Đối với lò khí hoá theo lớp cố định thì quá trình khí hóa sinh khối bao gồm 4
vùng khác nhau chi tiết trên hình 1.6: i) vùng sấy khô, ii) vùng nhiệt phân, iii) vùng
suy giảm và iv) vùng cháy. Quá trình nhiệt hóa xảy ra trong các vùng sấy khô, nhiệt
phân và vùng suy giảm đƣợc duy trì do nhiệt thoát ra từ vùng cháy (còn gọi là vùng

oxy hoá).

Hình 1.4. Lưu trình của quá trình khí hóa

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

18


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Hình 1.5. Biểu đồ C-H-O của quá trình khí hóa
Mặc dù các giai đoạn này đƣợc mô phỏng theo thứ tự trong quá trình khí hóa,
nhƣng nó không có ranh giới rõ ràng mà thƣờng xảy ra đan xen với nhau. [9, 36]
Vùng sấy: nhiệt độ khoảng 150 - 2000C ẩm trong nguyên liệu sinh khối sẽ bốc
hơi. Trong thiết bị khí hoá ngƣợc chiều, hơi ẩm thoát ra theo khí cháy ở phía trên đỉnh
của thiết bị. Trong thiết bị khí hoá cùng chiều, hơi ẩm thoát ra trong vùng suy giảm và
vùng cháy và tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra trong 2 vùng này.
Vùng nhiệt phân: nguyên liệu sinh khối sau khi đƣợc sấy khô sẽ chuyển sang
vùng nhiệt phân, nhiệt độ vùng nhiệt phân khoảng 200 - 6000C. Quá trình nhiệt phân
biến đổi sinh khối khô thành char, hơi hắc ín (tar) và các khí không ngƣng khác.

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

19


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Hình 1.6. Mô hình quá trình khí hóa sinh khối diễn ra trong lò kiểu downdraft [39]
Sản phẩm của quá trình nhiệt phân phụ thuộc vào thiết kế của lò, đặc tính vật lý
và hóa học của sinh khối, và các thông số hoạt động quan trọng nhƣ: Tốc độ gia nhiệt,
nhiệt độ cuối cùng (nhiệt độ nhiệt phân), thời gian lƣu trong vùng phản ứng. Bên cạnh
đó, hắc ín và sản lƣợng của các sản phẩm khác phụ thuộc vào: (i) áp lực, (ii) thành
phần khí môi trƣờng xung quanh, và (iii) sự hiện diện của chất xúc tác [36]. Hắc ín và
các khí không ngƣng thoát ra ngoài ở phía trên đỉnh trong trƣờng hợp thiết bị khí hoá
ngƣợc chiều. Còn trong các thiết bị khí hoá cùng chiều, hỗn hợp khí này chuyển động
qua vùng cháy và tham gia vào các phản ứng hoá học xảy ra tại đây. Nếu nhiệt độ vùng
nhiệt phân đủ cao thì một lƣợng hắc ín sơ cấp cũng đƣợc cracking nhiệt để chuyển thành
các khí không ngƣng trong vùng này [39]. Char đƣợc tạo ra trong vùng nhiệt phân có
khối lƣợng khoảng 20% tổng khối lƣợng sinh khối ban đầu và đƣợc chuyển qua vùng
cháy và vùng khí hóa.
Trong vùng cháy: Oxy (không khí) cung cấp cho lò sẽ tiếp xúc với sản phẩm
của quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra phản ứng cháy char và cháy các khí nhiệt phân
(đƣợc gọi là flaming pyrolysis). Nhiệt của quá trình cháy sẽ là nguồn cung cấp nhiệt
cho các vùng còn lại.[47]
Trong vùng khí hóa: Sản phẩm của phản ứng oxy hoá hoàn toàn (CO2, hơi
nƣớc) và oxy có thể còn dƣ sẽ phản ứng với char tạo ra trong quá trình nhiệt phân.

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

20


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Ngoài ra trong vùng khí hoá và vùng nhiệt phân có thể xảy ra quá trình cracking nhiệt
của hắc ín sơ cấp và thứ cấp để tạo ra một số khí không ngƣng.
Trong các thiết bị khí hoá theo lớp sôi và lớp sôi tuần hoàn, do có sự hoà trộn
tốt giữa nguyên liệu sinh khối với các hạt trơ và dòng khí, tất cả các quá trình sấy,
nhiệt phân, suy giảm và cháy do vậy có thể coi nhƣ xảy ra đồng thời trong toàn bộ thể
tích của thiết bị mặc dù cƣờng độ phản ứng của từng quá trình có thể khác nhau tuỳ
thuộc vào vị trí tƣơng đối của từng vùng, chẳng hạn quá trình cháy sẽ diễn ra mạnh mẽ
ở gần ghi của thiết bị khí hóa, còn quá trình sấy diễn ra mạnh mẽ ở gần miệng cấp
nhiên liệu sinh khối.
Nhƣ vậy, ta thấy trong lò khí hóa sinh khối có rất nhiều phản ứng hóa học xảy
ra tại các vùng khác nhau. Bảng 1.9 trình bày các phản ứng hóa học quan trọng xảy ra
trong lò khí hóa sinh khối [21, 39]
Bảng 1.5. Các phản ứng đặc trưng xảy ra trong lò khí hóa sinh khối ở nhiệt độ 250C
Loại phản ứng

Phản ứng
Các phản ứng char

R1: phản ứng hoàn nguyên
R2: phản ứng khí (hơi)
R3: phản ứng khí hóa

C + CO2
C + H2 O

2CO + 172 kJ/mol
H2 + CO + 131,40 kJ/mol
CH4 – 74,8 kJ/mol

C + 2H2

hydro
R4:

C + 0,5 O2

CO - 111 kJ/mol

Các phản ứng oxy hóa
R5:

C + O2

R6:

CO + 0,5 O2

R7:
R8:

CO2 - 394 kJ/mol

CH4 + 0,5 O2

CO2 - 284 kJ/mol
CO2 + H2O - 803 kJ/mol

H2 + 0,5 O2

H2O - 242 kJ/mol

Phản ứng thế
R9:

CO + H2O

CO2 + H2 - 41,20 kJ/mol

Phản ứng tạo mêtan
R10:

2CO + 2H2

CO2 + CH4 - 247 kJ/mol

R11:

CO + 3H2

H2O + CH4 - 206 kJ/mol

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

21


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH
R14:

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ
CO2 + 4H2

2H2O + CH4 - 165 kJ/mol

Phản ứng reforming có mặt hơi nƣớc
R12:

CH4 + H2O

R13:

CH4 + 0,5O2

CO + 3H2 + 206 kJ/mol
CO + 2H2 - 36 kJ/mol

b. Các phản ứng xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối
Dƣới đây là các phản ứng hoá học xảy ra ở các vùng trong lò khí hoá sinh khối.
[39, 47]
Trong vùng nhiệt phân:
CxHyOzNt (sinh khối) →

char + hắc ín (tar) + khí (CO2, CO, H2O, H2, CH4, CnHm)

(1.2)
Trong vùng cháy:
Phản ứng xảy ra trong vùng cháy (oxi hóa) giữa oxy trong không khí cấp với
sản phẩm quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ cao:

C + O2

CO2 - 394 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
CO - 111 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

C + 0,5 O2
H2 + 0,5 O2
CH4 + 0,5 O2
CO + 0,5 O2
CH4 + 0,5 O2

H2O - 242 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
CO2 + H2O - 803 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
CO2 - 284 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)
CO + 2H2 - 36 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)

Trong vùng khí hóa:
Char sẽ phản ứng với hơi nƣớc sinh ra từ phản ứng cháy và từ không khí cấp [36, 48]
C + H2 O

H2 + CO + 131,40 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.9)

CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi C theo phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ
khoảng 800 - 9000C:
C + CO2

2CO + 172 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.10)

Trong vùng khí hóa còn xảy ra một phản ứng tạo H2 nhƣ sau:
CO + H2O

CO2 + H2 - 41,20 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.11)

Và khi nhiệt độ khoảng 500-6000C trong vùng khí hóa còn xảy ra phản ứng tạo H2 nhƣ
sau:
C + 2H2O

2H2 + CO2 + 88 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

(1.12)
22


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

Khí metan cũng đƣợc tạo ra trong thiết bị hoá khí giữa char và H2 ở khoảng trên 5000C
nhƣng với tốc độ rất chậm:
C + 2H2

CH4 – 74,8 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.13)

Ngoài ra ở vùng khí hóa có thể xảy ra phản ứng reforming hơi nƣớc với CH4:
CH4 + 2H2O

CO + 3H2 + 206 kJ/mol (ở 25oC, 1 at)

(1.14)

Phản ứng (1.3) cũng có thể xảy ra ở vùng khí hóa do oxy dƣ từ vùng cháy.
c. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối
Kích thước nguyên liệu
Kích thƣớc nguyên liệu nhỏ hơn nên ta có diện tích bề mặt lớn hơn trên một
đơn vị khối lƣợng do đó tạo điều kiện cho truyền nhiệt và khí hóa nhanh hơn.
Francisco quan sát thấy rằng các hạt nguyên liệu nhỏ hơn dẫn đến sản phẩm khí có
thành phần CH4, CO, C2H4 cao hơn và ít CO2, nhiệt trị và hiệu suất chuyển hóa carbon
cao hơn [18]. Ví dụ: Bằng cách giảm kích thƣớc hạt từ 1,2 mm đến 0,075 mm, ngƣời
ta quan sát thấy rằng sản phẩm khí chứa H2 và CO cũng nhƣ hiệu suất khí hóa và
chuyển hóa carbon tăng trong khi lƣợng CO2 lại giảm. Sản lƣợng khí cao hơn và hiệu
quả năng lƣợng là do sự truyền nhiệt tăng lên trong các hạt kích thƣớc nhỏ hơn do diện
tích bề mặt lớn hơn [6, 20].
Độ ẩm nguyên liệu

Độ ẩm nguyên liệu càng cao thì hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối càng thấp,
vì vậy quá trình sấy sinh khối sau khi thu gom từ các nguồn sơ cấp là cần thiết để có
đƣợc một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các quá trình khí hóa sinh khối (độ ẩm phù
hợp trong khoảng 10 - 30%). Sấy là một quá trình tốn kém năng lƣợng mà có thể làm
giảm hiệu quả sử dụng năng lƣợng tổng thể của quá trình. Tuy nhiên, trong công nghệ
khí hóa nhiệt thải có thể đƣợc sử dụng để làm giảm độ ẩm của sinh khối do đó sẽ làm
tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này. Tuy nhiên, đối với sinh khối nguyên khai có
độ ẩm thấp (dƣới 10%) giai đoạn sấy có thể không cần thiết [6].
Chủng loại và đặc tính nguyên liệu
Hanaoka quan sát thấy rằng ở 800 – 900°C, hiệu suất chuyển hóa các bon của
cellulose, xylan và lignin tƣơng ứng là 97,9%; 92,2% và 52,8%. Nhƣ vậy, ta có thể

HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

23


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

thấy rằng ở cùng điều kiện nhƣ nhau nhƣng thành phần nhiên liệu khác nhau sẽ dẫn
đến khả chuyển hóa carbon khác nhau.[6]
Ảnh hưởng của hệ số tỷ lệ không khí
Với sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí (ER) sẽ làm quá trình cháy tốt hơn,
nhiệt độ vùng cháy cao hơn dẫn đến hiệu quả quá trình khí hóa sinh khối tốt hơn, tuy
nhiên đến một giá trị nào đó sự gia tăng của hệ số tỷ lệ không khí sẽ làm cho quá trình
cháy hoàn toàn xảy ra và giảm thời gian lƣu của không khí trong lò, kết quả là hiệu
quả quá trình khí hóa lại giảm đi. Wang nhận thấy rằng với mức tăng hệ số tỷ lệ không
khí từ 0,16 đến 0,26, nhiệt độ vùng cháy tăng dẫn đến tăng hiệu quả khí hóa từ 57%

đến 74%, tăng hàm lƣợng H2 từ 8,5% đến 13,9%, và sự gia tăng khí CO từ 12,3% đến
14%. [6]
Ảnh hưởng của giản đồ nhiệt độ trong lò
Nhiệt độ khí hoá là một trong những yếu tố có ảnh hƣởng lớn nhất ảnh hƣởng
đến thành phần khí sản phẩm và sản lƣợng khí, ở nhiệt độ trên 750 – 800°C bản chất
thu nhiệt của các phản ứng sản xuất H2 (từ phản ứng nƣớc (hơi) và khí - nƣớc) kết quả
là sự gia tăng thành phần khí H2 và giảm khí CH4. Ở nhiệt độ trên 850 – 900°C, cả hai
phản ứng tạo CO chiếm ƣu thế, dẫn đến sự gia tăng thành phần khí CO. Nhiệt độ cao
cũng hỗ trợ cho quá trình phân hủy tar dẫn đến giảm lƣợng hắc ín trong sản phẩm khí
và tăng năng suất khí. Ngƣời ta thấy rằng thành phần khí H2 thu đƣợc tối đa ở 1000°C
đối với nguyên liệu từ giấy, và 900°C nguyên liệu bao gồm các tông và gỗ vụn [6].
Ảnh hưởng của hắc ín (tar)
Trong quá trình khí hóa hàm lƣợng hắc ín có thể đạt tới 7 ÷ 8% nếu ta khí hóa
củi gỗ, bạch đàn, than non, than bùn…Với các nhiên liệu rắn khác hắc ín có hàm
lƣợng thấp hơn. Hắc ín có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hƣởng tới chất
lƣợng khí với mức độ khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ ngƣng tụ và thành phần các
hợp chất polyme. Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó thì hắc ín tách ra ở dạng lỏng gây tắc
hệ thống, hoặc tổn hại cho thiết bị đầu cuối (nhƣ động cơ đốt trong, thiết bị trao đổi
nhiệt, pin nhiên liệu…).
Có nhiều giải pháp để giảm thiểu hắc ín nhƣ: sử dụng chất xúc tác để xử lí hắc ín
trong quá trình khí hóa sinh khối, tách rửa hắc ín sau khí hóa (làm sạch khí sau quá
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

24


Luận Văn Thạc Sĩ KTHH

GVHD: Văn Đình Sơn Thọ

trình khí hóa), và một giải pháp rất hữu hiệu đang đƣợc quan tâm nghiên cứu hiện nay
là cracking nhiệt (sử dụng công nghệ có thiết kế phù hợp để tăng nhiệt độ vùng cháy
hoặc tăng thời gian lƣu). Ví dụ: hệ thống khí hóa có nhiều cấp, tăng nhiệt độ và chiều
cao vùng khí hóa, tăng thời gian lƣu để giảm lƣợng hắc ín. [6]
I.2.4 Công nghệ khí hóa sinh khối lớp cố định
Có nhiều cách phân loại công nghệ khí hóa sinh khối khác nhau, tuy nhiên cách
phân loại thƣờng đề cập đến nhiều nhất là phân loại theo trạng thái lớp nguyên liệu
trong lò: Lò khí hóa lớp cố định (Fixed bed/ moving bed), lò khí hóa lớp sôi (Fluidized
bed), lò khí hóa dòng cuốn (Entrain flow). Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng
công nghệ khí hóa sinh khối theo lớp cố định-downdraft.
Khí hóa lớp cố định
Lò khí hóa sinh khối công nghệ khí hóa lớp cố định đƣợc chia làm ba loại theo
chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra:
- Lò khí hóa ngƣợc chiều (updraft): Chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra
ngƣợc với chiều di chuyển của nhiên liệu.
- Lò khí hóa thuận chiều (downdraft): Chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra
cùng với chiều di chuyển của nhiên liệu.
- Lò khí hóa dòng chéo nhau (crossdraft): Chiều di chuyển của sản phẩm khí đầu ra
cắt ngang vuông góc với chiều di chuyển của nhiên liệu.
Lò khí hóa ngược chiều
Nguyên lí lò khí hóa sinh khối updraft đƣợc trình bày trên hình 1.7. Nguyên
liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dƣới trong khi đó không
khí cho quá trình khí hóa đƣợc cấp vào từ phía dƣới và chuyển động lên phía trên của
thiết bị. Nhiên liệu khí đƣợc tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ở
gần đỉnh của thiết bị. Trong trƣờng hợp này, nguyên liệu rắn đầu vào và dòng nhiên
liệu khí đầu ra chuyển động ngƣợc chiều trong thiết bị khí hóa.
Lò khí hóa thuận chiều (downdraft)
Nguyên lí lò khí hóa sinh khối downdraft đƣợc trình bày trên hình 1.8. Cả nhiên
liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống.
HVTH: Nguyễn Văn Vĩnh

25