Nghiên cứu kỹ thuật khí hóa sinh khối để sản xuất năng lượng nhiệt

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................5
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................6
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...........................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................8
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................12
1. Tính cấp thiết của đề tài.....................................................................................12
2. Mục tiêu nghiên cứu. .........................................................................................13
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ....................................................................13
4. Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................................13
5. Bố cục đề tài. .....................................................................................................14
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI.......................................................15
1.1. Các khái niệm cơ bản về sinh khối ..........................................................16
1.1.1. Sinh khối là gì? .....................................................................................16
1.1.2. Nguồn năng lượng từ sinh khối ............................................................16
1.2. Vai trò của sinh khối .................................................................................17
1.2.1. Lợi ích ...................................................................................................17
1.2.2. Khó khăn......................................................................................................18
1.3. Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối .....................................19
1.4. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam ..........................................................22
1.5. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam. ..........................................23
1.6. Kết luận. .....................................................................................................24
CHƯƠNG II LÝ THUYẾT KHÍ HÓA SINH KHỐI ..........................................25
2.1. Các phương trình và các bước khí hóa ...................................................26
2.2. Quá trình khí hóa .....................................................................................29
2.2.1.

Sấy .....................................................................................................31

2.2.2.

Nhiệt phân .........................................................................................32

2.2.3.

Phản ứng khí hóa char .......................................................................32
1


2.3. Các phản ứng cháy char ..........................................................................37
2.4. Xúc tác khí hóa ..........................................................................................39
2.5. Kết luận ......................................................................................................39
CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU BẾP KHÍ HÓA....................................................41
3.1. Giới thiệu....................................................................................................42
3.2. Các dạng bếp khí hóa................................................................................42
3.2.1. Bếp Thuận Phú....................................................................................42
3.2.1.1. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................43
3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................43
3.2.1.3. Ưu, nhược điểm ..............................................................................44
3.2.2. Bếp Viết................................................................................................45
3.2.2.1. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................45
3.2.2.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................45
3.2.2.3. Ưu, nhược điểm.....................................................................................46
3.2.3. Bếp Rùa................................................................................................47
3.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................47
3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................47
3.2.3.3. Ưu, nhược điểm ..............................................................................48
3.2.4. Bếp truyền thống.................................................................................49
3.2.4.1. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................49
3.2.4.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................49
3.2.4.3. Ưu, nhược điểm. .............................................................................50

3.3. Kết luận ......................................................................................................50
CHƯƠNG IV ...........................................................................................................52
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ BẾP KHÍ HÓA TRẤU .....52
4.1. Giới thiệu....................................................................................................53
4.2. Phương pháp..............................................................................................54
4.2.1. Bếp thử nghiệm ...................................................................................54
4.2.2. Nhiên liệu sử dụng ..............................................................................54
2


4.2.3. Hệ thống thử nghiệm ..........................................................................54
4.2.4. Quy trình kiểm tra ..............................................................................59
4.2.4.1. Tổng khối lượng nhiên liệu trong một mẻ khí hóa.........................65
4.2.4.2. Độ ẩm nhiên liệu.............................................................................65
4.2.4.3. Xác định nhiệt trị của nhiên liệu.....................................................66
4.2.4.4. Hiệu suất nhiệt ................................................................................66
4.2.4.5. Các bước kiểm tra khác ..................................................................68
4.2.5. Kết quả .................................................................................................69
4.2.5.1. Đặc tính nhiên liệu..........................................................................69
4.2.5.2. Hiệu suất .........................................................................................70
4.2.5.3. Phát thải khí CO và bụi PM2.5.......................................................73
4.2.6. Kết luận................................................................................................74
CHƯƠNG V THIẾT KẾ BẾP KHÍ HÓA ............................................................76
5.1. Lựa chọn công nghệ khí hóa sinh khối. ...................................................77
5.2. Tính toán. ...................................................................................................77
5.2.1. Năng lượng cần thiết:............................................................................77
5.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu.........................................................................78
5.2.3. Đường kính buồng phản ứng ................................................................79
5.2.4. Chiều cao bếp........................................................................................79
5.2.5. Thời gian để tiêu thụ trấu ......................................................................80

5.2.6. Lưu lượng không khí ............................................................................80
5.2.7. Vận tốc bề mặt ......................................................................................81
5.3. Cấu tạo bếp ................................................................................................81
5.4. Ưu, nhược điểm .........................................................................................83
5.5. Sơ đồ nguyên lý..........................................................................................84
5.6. Nguyên lý hoạt động..................................................................................84
5.7. Thử nghiệm bếp.........................................................................................85
5.7.1. Phương pháp.............................................................................................85
5.7.2. Quy trình thử nghiệm ...............................................................................85

3


5.7.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................88
5.8. Kết luận ......................................................................................................90
CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...........................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................96

4


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện bản luận văn tôi đã đư ợc giúp đỡ từ rất nhiều đơn
vị, cá nhân. Qua đây tôi xin được đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Lê Đức Dũng –
người đã t ận tình hư ớng dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Xin được
chân thành cảm ơn các thầy cô trong viện KH & CN Nhiệt Lạnh trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, xin được chân thành cảm ơn các anh, chị trong tổ chức SNV đã
giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm, cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và đặc biệt
cảm ơn những người thân đã quan tâm đ ộng viên giúp đỡ tôi hoàn thiện luận văn

này.
Quá trình thực hiện bản luận văn tôi đã tìm kiếm và tham khảo nhiều cuốn
sách khác nhau tuy vậy vẫn còn nhiều thiết sót. Tôi mong nhận được sự góp ý chân
thành từ quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Việt Linh

5


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên cứu
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lê Đức Dũng.
Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu ghi trong mục
tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không được
ghi.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Việt Linh

6


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT

GIẢI THÍCH

1

SK

Sinh khối

2

NLSK

Năng lượng sinh khối

3

TLUD (Top Lit Up Draft)

Khí hóa theo lớp từ trên xuống

4

TLDD (Top Lit Down Draft)

Khí hóa theo lớp từ dưới lên

5

WBT (Water Boiling Test)

Thử nghiệm đun sôi nước

6

PM (Particulate Matter)

Hạt bụi

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT
1.1

TÊN BẢNG BIỂU
Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng

TRANG
17

lượng tái sinh khác
1.2

Thành phần hóa học của một số loại rơm từ cây nông

18

nghiệp
1.3

Thành phần các nguyên tố của gỗ

19

1.4

Thành phần các nguyên tố một số loại nhiên liệu sinh

20

khối
1.5

Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng

21

1.6

Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp

21

1.7

Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực

22

2.1

Nhiệt trị của khí sản phảm dựa theo tác nhân khí hóa

26

2.2

Các phản ứng khí hóa điển hình ở 250C

29

2.3

So sánh ảnh hưởng của sụ khuếch tán các lỗ rỗng lên

37

tốc độ khí hóa char và tốc độ cháy
4.1

Bảng danh mục, thiết bị dùng trong thử nghiệm

54

4.2

Bảng quy trình thử nghiệm

58

4.3

Số lượng các lần thử nghiệm cho mỗi bếp và lịch làm

62

việc
4.4

Kết quả thử nghiệm

68

8


5.1

Quy trình thử nghiệm bếp mới

85

5.2

Kết quả thử nghiệm bếp mới

88

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT

TÊN HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

TRANG

2.1

Biểu đồ C – H - O của quá trình khí hóa

27

2.2

Các sản phẩm của quá trình khí hóa

28

2.3

Hằng số cân bằng của các phản ứng khí hóa

36

3.1

Sơ đồ nguyên lý bếp Thuận Phú

42

3.2

Sơ đồ nguyên lý bếp Viết

44

3.3

Sơ đồ nguyên lý bếp Rùa

46

3.4

Sơ đồ nguyên lý bếp truyền thống

48

4.1

Bếp Rùa (1)

53

4.2

Bếp Viết (2)

53

4.3

Bếp Thuận Phú (3)

53

4.4

Bếp truyền thống (4)

53

4.5

Bếp SPIN (5)

53

4.6

Thiết bị hút khói bụi

57

4.7

Thời gian khởi động bếp của quá trình CST

70

4.8

Thời gian để đun sôi nước từ trạng thái nguội

71

trong trường hớp CST
4.9

Hiệu suất nhiệt của 5 bếp đun đã được kiểm
nghiệm bằng phương pháp WBT 4.2.2

10

72


4.10

Tỉ lệ phát thải khí CO và bụi PM2.5 theo năng

73

lượng hữu ích của 5 bếp đun trong quá trình

CST và CST - SM
5.1

Mặt chiếu đứng bếp

81

5.2

Mặt cắt ngang mặt bếp

81

5.3

Giá đỡ

81

5.4

Ghi bếp

81

5.5

Sơ đồ nguyên lý bếp khí hóa

83

5.6

Bếp mới

84

5.7

Thời gian đun sôi và hiệu suất nhiệt khi thử

89

nghiệm 6 loại bếp

11


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng và các áp lực môi
trường gây ra do phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch,
năng lượng sinh khối hiện nay được coi là một nguồn năng lượng tái tạo là giải
pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch.
Sinh khối (biomass) chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng từ
mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp. Sinh khối là các phế
phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp …v.v), phế phẩm lâm nghiệp
(lá khô, vụn gỗ …v.v), giấy vụn, metan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nư ớc thải,
phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm. Nhiên liệu sinh khối có thể
ở dạng rắn, lỏng, khí … được đốt để phóng thích năng lượng. Sinh khối, đặc biệt

là gỗ, than gỗ cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới. Ít nhất một nửa
dân số thế giới dựa trên nguồn năng lượng chính từ sinh khối. Con người đã sử
dụng chúng để sưởi ấm và nấu ăn cách đây hàng ngàn năm. Sinh khối cũng có
thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như metanol, etanol dùng trong các động
cơ đốt trong, hay thành dạng khí sinh học ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở
quy mô gia đình.
Có thể nói việc sử dụng hiệu quả năng lượng sinh khối đang là vấn đề
rất được quan tâm trên thế giới nhằm giảm một phần sức ép về sử dụng nhiên
liệu, phát triển nguồn năng lượng sạch và thiết thực cho tương lai.
Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượng
mặt trời, khí sinh học đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng số lượng còn ít và
quy mô không lớn. Bên cạnh đó Việt Nam có một nguồn nhiên liệu sinh khối rất
lớn đó là những sản phầm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm,
rạ, trấu, mùn cưa, bã mía…và một số chất thải nông nghiệp khác nhưng cũng
chưa được khai thác đúng với tiềm năng của nó. Để tận dụng các nguồn nhiên
liệu sẵn có, đề tài này “ Nghiên cứu kỹ thuật khí hóa sinh khối để sản xuất
năng lượng nhiệt”.
12


2. Mục tiêu nghiên cứu.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng sinh khối, cần nghiên cứu các
giải pháp công nghệ khí hóa và các ứng dụng công nghệ khí hóa trong dân dụng
để đáp ứng một phần năng lượng bằng việc sử dụng nhiên liệu sinh khối sẵn có
từ phụ phẩm nông nghiệp. Mục tiêu của đề tài này nhằm cập nhật lý thuyết và
công nghệ khí hóa đồng thời nghiên cứu thí nghiệm, đánh giá các loại bếp khí
hóa trấu và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng sinh khối, góp phần
giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Trên cơ sở đó, đề tài sẽ hướng đến việc nghiên
cứu cụ thể các vấn đề:
- Vấn đề về năng lượng và môi trường hiện nay;

- Tiềm năng về năng lượng sinh khối;
- Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật khí hóa sinh khối;
- Nghiên cứu, đánh giá các bếp khí hóa sinh khối;
- Đề xuất thiết bị khí hóa mới.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu:
-

Nhiên liệu trấu

-

Thiết bị nhiệt sử dụng nhiên liệu sinh khối.

Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp kiểm tra thực nghiệm.

4. Phương pháp nghiên cứu.
* Phương pháp lý thuy ết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các bước
thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp đã công b ố.
* Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm các thiết bị đã có, khảo sát
các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình khí hóa, đo đạc tính toán các thông số sau
thực nghiệm như nồng độ CO, độ bụi, hiệu suất nhiệt…

13


5. Bố cục đề tài.

Luận văn bao gồm các nội dung:
Mở đầu
Chương I

: Tổng quan về sinh khối.

Chương II : Lý thuyết khí hóa sinh khối.
Chương III : Nghiên cứu bếp khí hóa.
Chương IV : Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá bếp khí hóa trấu.
Chương V : Thiết kế bếp đốt khí hóa sinh khối.
Chương VI : Kết luận và đề xuất.

14


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI

15


1.1. Các khái niệm cơ bản về sinh khối
1.1.1. Sinh khối là gì?
Sinh khối là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo
ngoại trừ nguồn nguyên liệu hóa thạch. Trong sản xuất năng lượng và ngành công
nghiệp, sinh khối đề cập đến ở đây là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh vật sống mà
có thể sử dụng làm nhiên liệu hay cho sản xuất công nghiệp. Thông thường sinh
khối là phần chất trưởng thành sử dụng như là nhiên liệu sinh học, bao gồm cả phần
chất thực vật và động vật được dùng để sản xuất sợi, tạo than đá hay dầu mỏ.
Trong thời kỳ sơ khai, sinh khối là nguồn năng lượng chính cho con người

đến tận thế kỷ 19. Sang thế kỷ 20, năng lượng sinh khối được thay thế dần bằng dầu
và than đá, xa hơn nữa là khí và năng lượng nguyên tử. Câu trả lời cho lý do hiện
nay năng lượng sinh khối đang được quan tâm chính là đặc tính của sinh khối: sinh
khối có khả năng tái tạo, dự trữ trong nhiều nguồn sẵn có, có khả năng lưu trữ và
thay thế dầu.
1.1.2. Nguồn năng lượng từ sinh khối
Năng lượng sinh khối (hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) có thể sản xuất tại
chỗ, có ở khắp nơi, tương đối rẻ và là nguồn tài nguyên tái tạo.
Năng lượng sinh khối (NLSK) khác các dạng năng lượng tái sinh khác: Một
là: không giống năng lượng gió và sóng, năng lượng sinh khối có thể kiểm soát
được. Hai là: cùng một lúc năng lượng sinh khối vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất
điện năng.
Năng lượng sinh khối có hai dạng chính: Thứ nhất: Các loại phế thải nông
nghiệp dạng hạt nhỏ như trấu, vỏ hạt điều, vỏ đậu phộng, rơm rạ,…v.v. Thứ hai:
Sinh khối gỗ có thể thu hoạch từ các khu vực trồng cây như gỗ cây cao su, cây điều,
cây bắp,…v.v.
NLSK có thể biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành
nhiệt và năng lượng. Ngoài ra năng lượng sinh khối có thể đóng góp đáng kể vào
mục tiêu chống thay đổi khí hậu do ưu điểm sinh khối là một loại chất đốt sạch hơn

16


so với các loại nhiên liệu hóa thạch do không chứa lưu 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 lượng ổn định.
NLSK có thể cung cấp cả nhiệt lẫn điện. Vậy khí hóa sinh khối là gì? Đó là
một quá trình hóa học, chuyển hóa các loại nhiên liệu dạng rắn thành một hỗn
hợp khí đốt, gọi là khí “gas” (CO + H2 + CH4). Khí hóa bao gồm việc đốt không
cháy hết nhiên liệu SK. Có bốn quá trình khác nhau xảy ra trong lò khí hóa, gồm:

sấy khô, nhiệt phân, đốt cháy và biến đổi thành khí.
Khi biến đổi sinh khối thành khí thì quá trình có hiệu suất cao, có thể ứng
dụng với một dãy công suất rộng (một vài trăm kW), có thể sử dụng cho các thiết bị
nhiệt và sản xuất điện, vốn đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất điện thấp. Đồng thời
quá trình biến đổi sinh khối thành khí cho phép điều khiển quy trình tốt hơn, đốt
sạch hơn trong các thiết bị sử dụng khí, loại bỏ tất cả ô nhiễm liên quan đến sử
dụng sinh khối.
1.2. Vai trò của sinh khối
Hiện nay, trên qui mô toàn cầu NLSK là nguồn năng lượng lớn thứ tư,
chiếm tới 14 - 15 % tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển sinh khối
thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng
lượng. Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm
chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ. Vì vậy lợi ích của nguồn năng lượng sinh
khối là rất to lớn nhưng bên cạnh đó chúng ta cũng cần phải lưu ý những khó
khăn khi sử dụng NLSK.
1.2.1. Lợi ích
Lợi ích 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

17


thiết bị chuyển hóa năng lượng, …vv
- Giảm sự phụ thuộc vào dầu, than, đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu.
Ta có thể đánh giá lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng sinh khối thông qua
bảng sau:
Bảng 1.1. Nguồn năng lượng từ NLSK so với các nguồn năng lượng tái

sinh khác năm [7]
Năng lượng phát

Mặt trời

Gió

Sinh khối

Tổng đầu tư (triệu USD)

1,830

12,700

6,300

Quy mô nhà máy (kW)

1,000,000

10,000,000

10,000,000

Tỷ lệ hoạt động hàng năm (%)

12

20

70

Công suất điện phát hàng năm (MWh) 1,100

17,500

61,300

Đơn vị đầu tư (USD/ kW)

0.72

0.10

1.66

Lợi ích môi trường: đây là một nguồn năng lượng khá hấp dẫn với nhiều ích lợi to
lớn cho môi trường.
- Năng lượng sinh khối có thể tái sinh được.
- Nhiên liệu 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 CO2 nhưng lượng S và tro thấp hơn đáng kể so với việc đốt than bitum. Ta
cũng có thể cân bằng lượng CO2 thải vào khí quyển nhờ trồng cây xanh hấp thụ
chúng. Vì vậy NLSK lại được tái tạo thay thế cho sinh khối đã sử dụng nên cuối
cùng không làm tăng CO2 trong khí quyển.
Như vậy, phát triển NLSK làm giảm sự thay đổi khí hậu bất lợi, giảm
hiện tượng mưa axit, giảm sức ép về bãi chôn lấp …v.v.
1.2.2. Khó khăn
- So với nhiên liệu hóa thạch thì mật độ năng lượng/đơn vị sinh khối là thấp;

- Khó sử dụng đặc biệt là nguồn từ thực phẩm.
- Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp.

18


- Nếu tập trung vào nguồn sinh khối gỗ thì gây tác động tiêu cực đến môi trường,
phá rừng, xói mòn đất, sa mạc hóa, và những hậu quả nghiêm trọng khác.
Có thể thấy so sánh về hiệu quả đầu tư cũn g như hiệu suất năng lượng thì
nguồn nhiên liệu sinh khối là nguồn nhiên liệu mang lại lợi ích rất cao. NLSK có
nhiều dạng, và những lợi ích kể trên chủ yếu tập trung vào những dạng sinh khối
mang tính tái sinh, tận dụng từ phế phẩm nông lâm nghiệp
Tuy nhiên việc phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta hiện nay vẫn chưa
được khai thác triệt để, nhiều dự án vẫn chưa triển khai do còn gặp nhiều khó khăn
về công nghệ, về phân bố nguồn nguyên liệu, về nguồn vốn hỗ trợ đầu tư của nhà
nước…v.v.
1.3. Thành phần và tính chất hóa học của sinh khối
Các nguyên liệu sinh khối bao gồm gỗ, cành cây nhỏ, rễ, vỏ cây, bã mía,
rơm rạ, trấu, lá cây, phân động vật, phế phẩm nông lâm nghiệp, rác thải sinh
hoạt … v.v.
Thành phần hóa học của sinh khối chủ yếu gồm ba thành phần là :
+ Lignin: chiếm 15% - 25%. Công thức hóa học (C10H12O4)n. Nó có cấu trúc phức
của các aromatic, nó chống lại được các quá trình chuyển hóa hóa học sinh khối, để
chuyển hóa nó cần nhiệt độ cao.
+ Hemicellulose: chiếm 23% - 32%, công thức hóa học [C5(H2O)4]n, là polyme của
các phân tử đường 5 cacbon, 6 cacbon. Nó là thành phần dễ bị depolyme hóa, đường
5 cacbon khó biến đổi hơn do năng lượng liên kết của nó lớn hơn đường 6 cacbon.
+ Cellulose: chiếm 38% - 50%, công thức hóa học [C6(H2O)5]n, là polyme của
glucoza, nhạy với sự tấn công của enzym, glucoza là thành phần dễ biến đổi.
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một số loại rơm từ cây nông nghiệp [2]

Loại
Lúa
Lúa mạch
Lúa mì

Lignin

Cellulose

Hemicellulose

(%)
12
14
17

(C6-fraction, %)
36
34
40

(C5- fraction, %) (%)
25
27
25
27
28
15

19

Tro


Lúa mạch đen
Ngũ cốc

19
17

38
38

30
32

13
13

Nhiên liệu sinh khối có một vài tính chất hóa học thuận lợi cho các quá trình
chuyển hóa nhưng so với các dạng nhiên liệu nền tảng là cacbon thì nhiên liệu SK
có hàm lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao. Tuy nhiên, độ ẩm cao luôn có xu
hướng tạo nhựa và hàm lượng tro dẫn đến điểm nóng chảy chất rắn thấp khi mà
hiện tại nhiệt là thách thức đối với một số phương pháp chuyển hóa. Một số nhiên
liệu SK có hàm lượng nitơ và clo cao. Sự kết hợp của kiềm và clo có thể tạo hợp
chất gây ăn mòn thiết bị chuyển hóa. Hàm lượng nitơ cao làm tăng khả năng
hình thành oxit nitơ, nhưng hàm lượng lưu huỳnh lại thấp hơn nhiều loại nhiên liệu
khác như than thì làm giảm khă năng tạo lưu huỳnh trong quá trình chuyển đổi.
Ngoài các thành phần chính, nhiên liệu sinh khối vẫn còn phần nhỏ các
thành phần khác như khoáng (là thành phần tạo nên tro của nó). Gỗ là loại sinh

khối chính cho các quá trình chế biến. Thành phần khoáng của gỗ nhỏ hơn 1% khối
lượng trên nguyên liệu khô và chủ yếu là thành phần hữu cơ. Thành phần chủ
yếu hình thành tro là các kim loại kiềm và kiềm thổ, chúng chiếm hơn 80% chất vô
cơ trong gỗ. Các kim loại khác tồn tại trong gỗ như muối của oxanat và cacbonat
hoặc các ion kim loại bị liên kết chặt với nhóm cacboxyl hoặc cacbohydrat. Còn
nguyên tố P và Si có chủ yếu trong công thức este nhưng Si cũng ở dạng SiO2, xem
bảng 1.3:
Bảng 1.3. Thành phần các nguyên tố của gỗ [2]
Nguyên tố
Cacbon
Hydro
Oxi
Nitơ
Lưu huỳnh
Natri
Clo
Silic

Thành phần (%)
50,7 - 53,1
5,97 – 6,03
40,4 - 43,2
0,04 - 0,2
0,006 - 0,012
0,015 - 0,021
0,007 - 0,023
0,001 - 0,0046

20

Nhôm
Sắt
Mangie
Canxi
Photpho

0,0003 - 0,0035
0,0013 - 0,0039
0,007 - 0,025
0,038 - 0,092
0,0045 - 0,0105

Nhiên liệu sinh khối chứa năng lượng trong các liên kết hóa học trong các
thành phần của nó giống như cacbonhydrat. Thành phần oxi trong nhiên liệu SK cao
hơn trong nhiên liệu hóa thạch nên về cơ bản năng lượng của nó thấp hơn nhiên
liệu hóa thạch. Năng lượng sử dụng tối đa theo lý thuyết từ nhiên liệu SK là năng
lượng hóa học của nó. Với một dạng nhiên liệu phức tạp, đa dạng và nhiều cấu trúc
liên kết như sinh khối thì năng lượng của nó có thể được đặc trưng qua thành phần
nguyên tố có trong nó. Bảng 1.4 dưới là thành phần các nguyên tố của các loại
nhiên liệu SK (cây bạch dương, rơm từ các cây ngũ cốc, bã mía, tảo nâu, than củi,
trấu, rơm lúa).
Bảng 1.4. Thành phần các nguyên tố một số loại nhiên liệu sinh khối [2]
Loại
C

Thành phần nguyên tố (%)
H
O
N

S Tro

Nhiệt trị
(MJ/kg)

Bạch dương

49

6

43

0

0

1

19.2

Ngũ cốc

44

6

43

1

0

6

18.2

Mía

45

5

40

0

0

10

17.8

Tảo nâu

28

4

24

5

1

42

10.9

Than củi

80.3

3.1

11.3

0.2

0

3.4

31.02

Trấu

38.5

5.7

39.8

0.5

0

15.5

15.3

Rơm

39.2

5.1

35.8

0.6

0.1

19.2

15.8

21

1.4. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam
Nguồn sinh khối chủ yếu gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng. Tiềm năng các
nguồn này theo đánh giá của Viện Năng lượng được trình bày ở các bảng sau:
Bảng 1.5. Tiềm năng năng lượng từ sinh khối gỗ [8]
Tiềm năng

Nguồn cung cấp

(triệu tấn)

Quy dầu tương
đương

Rừng tự nhiên
Rừng trồng

6,842
3,718

(triệu tấn)
2,390
1,300

Đất không rừng
Cây trồng phân tán
Cây công nghiệp và ăn quả
Phế liệu gỗ
TỔNG

3,850

6,050
2,400
1,649
25,090

1,350
2,120
0,840
0,580
8,780

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

Bảng 1.6. Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp [8]
Nguồn cung cấp
Rơm rạ
Trấu
Bã mía
Các loại khác
TỔNG

Tiềm năng

Quy dầu tương

Tỷ lệ

(triệu tấn)

đương (triệu tấn)

(%)

32,52
6,50
4,45
9,00
53,43

7,30
2,16
0,82
1,80
12,08

60,4
17,9
6,8
14,9
100,0

Từ các bảng trên ta thấy, tiềm năng sinh khối là rất lớn. Theo báo cáo của

Hội Công nghiệp sinh khối Châu Âu, sinh khối có thể đảm bảo tới 15% nhu
cầu năng lượng của các nước công nghiệp vào năm 2020. Hiện tại nguồn này mới
chỉ đạt 1% nhu cầu. Sinh khối có thể cung cấp năng lượng cho 100 triệu hộ gia
đình tương đương với công suất có thể thay thế 400 nhà máy điện truyền thống
lớn.
Lợi thế của NLSK là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, chúng luôn có

22


tính ổn định và là nguồn năng lượng có thể tái tạo.
Giá thành của NLSK luôn rẻ hơn các loại nhiên liệu khác,ví dụ: sử dụng 2 4 kg chất thải sinh khối tương đương 1 kg than, trong đó giá của 1 kg chất thải sinh
khối chỉ bằng 5 - 10% giá 1 kg than. Nếu sản xuất điện năng từ sinh khối thì giá
thành điện cũng giảm từ 10 - 30% so với nguồn nguyên liệu hóa thạch. Ở nước
ta, nếu tận dụng triệt để nguồn NLSK từ rơm rạ, bã mía thì ước tính cũng sản xuất
được khoảng 605.000.000 kW điện trong một năm.
1.5. Hiện trạng sử dụng sinh khối của Việt Nam.
Trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc, NLSK vẫn chiếm tỷ lệ lớn, tới
trên một nửa. Mặc dù giá trị tuyệt đối vẫn không ngừng tăng nhưng tỷ lệ giảm dần
do năng lượng thương mại tăng nhanh hơn.
Bảng tiếp theo cho thấy các lĩnh vực sử dụng sinh khối hiện nay.
Bảng 1.7. Sử dụng sinh khối theo lĩnh vực [8]
Năng lượng cuối cùng

Tổng tiêu thụ (toe)

Tỷ lệ (%)

Bếp đun

10667

76,2

Lò nung

903

6,5

2053

14,7

377

2,7

14000

100,0

Nhiệt

Lò đốt

Điện

Đồng phát
Tổng

Bảng trên cho thấy trên ba phần tư (3/4) sinh khối hiện được sử dụng phục
vụ đun nấu gia đình với các bếp đun cổ truyền hiệu suất thấp. Bếp cải tiến tuy đã
được nghiên cứu thành công nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ có một vài
dự án nhỏ, lẻ tẻ ở một số địa phương.
Một phần tư (1/4) sinh khối còn lại được sử dụng trong sản xuất:
- Sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ hầu hết dùng các lò tự thiết kế theo
kinh nghiệm, đốt bằng củi hoặc trấu, chủ yếu ở phía Nam.
- Sản xuất đường, tận dụng bã mía để đồng phát nhiệt và điện ở tất cả 43
23


nhà máy đường trong cả nước với trang thiết bị nhập từ nước ngoài.
- Sấy lúa và các nông sản: hiện ở Đồng bằng Cửu long có hàng vạn máy
sấy đang hoạt động. Những máy sấy này do nhiều cơ sở trong nước sản xuất và có
thể dùng trấu làm nhiên liệu. Riêng dự án sau thu hoạch do Đan Mạch tài trợ triển
khai từ 2001 đã có mục tiêu lắp đặt 7000 máy sấy.
- Công nghệ cacbon hoá sinh khối sản xuất than củi được ứng dụng ở
một số địa phương phía Nam nhưng theo công nghệ truyền thống, hiệu suất thấp.
- Một số công nghệ khác như đóng bánh sinh khối, khí hoá trấu hiện ở
giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm.
1.6. Kết luận.
- Nguồn năng lượng từ sinh khối đa dạng, có thể sản xuất năng lượng sinh khối từ
chất thải nông nghiệp như rơm, trấu, chất thải gia súc…v.v.
- Năng lượng sinh khối hiện chiếm một tỷ lệ khá lớn (14 – 15%) trong tổng năng
lượng tiêu thụ năng lượng toàn quốc, trong đó trấu chiếm 17,9% tổng sinh khối từ
phụ phẩm nông nghiệp.
- Có tới 76,2% (chiếm ¾) sinh khối hiện được sử dụng phục vụ đun nấu gia đình với
các bếp truyền thống có hiệu suất chưa cao.
- Việc phát triển năng lượng sinh khối, khai thác sử dụng còn theo lối cổ truyền,

chưa triệt để nên hiệu quả thấp (hiệu suất thấp và gây ô nhiễm môi trường).

24


CHƯƠNG II
LÝ THUYẾT KHÍ HÓA SINH KHỐI

25